Introduction to the Experiment of semiconductor QCE Measurement by Admittance Spectroscopy 导纳谱测量半导体量 子限制效应实验介绍 ZHU Hai 2008.6
Introduction to the Experiment of Semiconductor QCE Measurement by Admittance Spectroscopy 导纳谱测量半导体量 子限制效应实验介绍 ZHU Hai 2008.6
Introduction to the Experiment of Semiconductor QCE Measurement by Admittance Spectroscopy by Zhu hai 背景说明 量子限制效应 量子限制效应(QCE, Quantum Confinement Effect),是指固体 材料结构的尺度缩小到一定值,比如纳米量级时,能态结构发生变化 开始表现出量子特性,比如形成分立能级。此时材料的电、磁、光、 声、热平衡态和输运性质与宏观材料相比有很多特殊之处。尺度对材 料性质的量子限制效应影响,可以施加在三个维度方向上,比如量子 点材料、纳米团簇等零维量子材料;也可表现为对两个维度的限制 比如纳米线、纳米棒等一维量子材料;或者作用在一个维度上的限制, 比如量子阱结构等二维量子材料。半导体量子限制效应通常研究的是 半导体量子阱或者量子点结构中载流子表现出的特殊性质。 量子阱 量子阱结构指的是在半导体衬底上生长若干层不同材料、不同参 杂情况的半导体薄膜。此时能带随材料的丛深空间分布图中可以看到 若干台阶、势垒或势阱。当膜十分薄时,势阱宽度小于载流子平均自 量子阱样品结构 认表面向内 电子阱 si衬底 能带 示意
Introduction to the Experiment of Semiconductor QCE Measurement by Admittance Spectroscopy by ZHU Hai 2 / 20 Ec Ev SiGe 层 Si 盖层 Si 衬底 量子阱样品结构 从表面向内 平 行 于 表 面 能带 示意 空穴阱 电子阱 Si SiG e Si 背景说明 量子限制效应 量子限制效应（QCE，Quantum Confinement Effect）,是指固体 材料结构的尺度缩小到一定值，比如纳米量级时，能态结构发生变化 开始表现出量子特性，比如形成分立能级。此时材料的电、磁、光、 声、热平衡态和输运性质与宏观材料相比有很多特殊之处。尺度对材 料性质的量子限制效应影响，可以施加在三个维度方向上，比如量子 点材料、纳米团簇等零维量子材料；也可表现为对两个维度的限制， 比如纳米线、纳米棒等一维量子材料；或者作用在一个维度上的限制， 比如量子阱结构等二维量子材料。半导体量子限制效应通常研究的是 半导体量子阱或者量子点结构中载流子表现出的特殊性质。 量子阱 量子阱结构指的是在半导体衬底上生长若干层不同材料、不同参 杂情况的半导体薄膜。此时能带随材料的丛深空间分布图中可以看到 若干台阶、势垒或势阱。当膜十分薄时，势阱宽度小于载流子平均自
Introduction to the Experiment of Semiconductor QCE Measurement by Admittance Spectroscopy by Zhu hai 由程,量子限制效应岀现,这种势阱就是量子阱。最简单的情况是在 Si衬底上外延生长几纳米厚的SiGe层,然后再在顶部外延生长一层 Si层,形成上页图示的Si/SiGe/Si量子阱结构。由于在SiGe层, 价带的偏移远大于导带的偏移,故Si/SiGe/Si主要是空穴量子阱 这里说明两点:1)采用SiGe层作为量子阱是为了与Si衬底晶格尽 量匹配,以保证外延生长的薄膜质量高、缺陷低;2)能带偏移的大 小决定于材料的种类、合金的组分以及应变分布情况。如果在Si衬 底上周期性生长SiGe和Si薄膜,就可以得到多量子阱结构。下左为 GaAs/ AlGaas多量子阱结构示意图。由于此势阱非理想无限深势阱, 解一维薛定谔方程可以知道载流子处于散射态,势阱外有贯穿的波函 数。如下右图,势阱的间距影响各势阱贯穿波函数重叠、耦合的情况。 如果势阱的间距较大,各势阱没有耦合,可以看作一些量子限制效应 明显的单阱依次排列;如果势阱的间距很小,波函数严重重叠,各势 阱相互耦合,此时材料的量子限制效应减弱。在这种情况下,载流子 能相对自由的穿过各势阱的壁,各势阱的能级形成能带,这就是所谓 的超晶格。 TE目 能带示意 3/20
Introduction to the Experiment of Semiconductor QCE Measurement by Admittance Spectroscopy by ZHU Hai 3 / 20 由程，量子限制效应出现，这种势阱就是量子阱。最简单的情况是在 Si 衬底上外延生长几纳米厚的 SiGe 层，然后再在顶部外延生长一层 Si 层，形成上页图示的 Si/SiGe/Si 量子阱结构。由于在 SiGe 层， 价带的偏移远大于导带的偏移，故 Si/SiGe/Si 主要是空穴量子阱。 这里说明两点：1）采用 SiGe 层作为量子阱是为了与 Si 衬底晶格尽 量匹配，以保证外延生长的薄膜质量高、缺陷低；2）能带偏移的大 小决定于材料的种类、合金的组分以及应变分布情况。如果在 Si 衬 底上周期性生长 SiGe 和 Si 薄膜，就可以得到多量子阱结构。下左为 GaAs/AlGaAs 多量子阱结构示意图。由于此势阱非理想无限深势阱， 解一维薛定谔方程可以知道载流子处于散射态，势阱外有贯穿的波函 数。如下右图，势阱的间距影响各势阱贯穿波函数重叠、耦合的情况。 如果势阱的间距较大，各势阱没有耦合，可以看作一些量子限制效应 明显的单阱依次排列；如果势阱的间距很小，波函数严重重叠，各势 阱相互耦合，此时材料的量子限制效应减弱。在这种情况下，载流子 能相对自由的穿过各势阱的壁，各势阱的能级形成能带，这就是所谓 的超晶格。 AlG a A s AlG a A s AlG a A s AlG a A s G a A s G a A s G a A s … … … … 能带示意 Ev Ec 多量子阱样品结构 量 子 阱 耦 合 增 强
Introduction to the Experiment of Semiconductor QCE Measurement by Admittance Spectroscopy by Zhu hai 量子点 量子点结构指的是在半导体衬底上生长的具有纳米尺度的颗粒, 在单电子超微器件,光电子器件等应用中是很热门的研究对象。由于 量子点十分微小,载流子被束缚在很小的区域中,就如同原子实对价 电子的作用一般。所以量子点也被称为人造原子,是零维量子材料。 显然,受到量子点中的载流子受到三维的量子限制效应影响,也表现 出分立的能级。对于这个性质,量子点与量子阱类似。量子点样品 般采用分子束外延(MBE, molecule beam epitaxy)方法,在Si衬 底上生长自组织生长的Ge量子点。然后覆盖一薄层Si。同样,可以 周期性生长多层量子点,情况与前面讨论的多量子阱类似。由于量子 点尺寸十分小,自身的电容C~aF。因此填入一个电子引起的势能变 化e2/C,约为01eV,这个能量已经可以和其分立能级的能量比拟。 因此量子点还具有库伦荷电效应。库伦荷电效应本质就是电荷被束缚 在量子点中,于是点电荷的库伦场将发生显著的作用。比如在量子点 形成的势阱中(实际上是三维势阱),填充第1个电子将增加e2/2C势 能,而填充第2个、第3个……势能都 4 将增加e2/C。右图表示考虑了库伦荷电 E1 效应之后的量子点能级图。其中虚线为 按照类似原子模型解出的能级,Eo与E1 分别为基态和第一激发态。由于库伦荷 电效应,第一个填充电子的能级实际上 (1 为E0,在E0之上e2/2C:而第二个填充 4/20
Introduction to the Experiment of Semiconductor QCE Measurement by Admittance Spectroscopy by ZHU Hai 4 / 20 量子点 量子点结构指的是在半导体衬底上生长的具有纳米尺度的颗粒， 在单电子超微器件，光电子器件等应用中是很热门的研究对象。由于 量子点十分微小，载流子被束缚在很小的区域中，就如同原子实对价 电子的作用一般。所以量子点也被称为人造原子，是零维量子材料。 显然，受到量子点中的载流子受到三维的量子限制效应影响，也表现 出分立的能级。对于这个性质，量子点与量子阱类似。量子点样品一 般采用分子束外延（MBE，molecule beam epitaxy）方法，在 Si 衬 底上生长自组织生长的 Ge 量子点。然后覆盖一薄层 Si。同样，可以 周期性生长多层量子点，情况与前面讨论的多量子阱类似。由于量子 点尺寸十分小，自身的电容C~aF。因此填入一个电子引起的势能变 化 ⁄C，约为0.1 ，这个能量已经可以和其分立能级的能量比拟。 因此量子点还具有库伦荷电效应。库伦荷电效应本质就是电荷被束缚 在量子点中，于是点电荷的库伦场将发生显著的作用。比如在量子点 形成的势阱中（实际上是三维势阱），填充第 1 个电子将增加 ⁄2C势 能，而填充第 2 个、第 3 个……势能都 将增加 ⁄C。右图表示考虑了库伦荷电 效应之后的量子点能级图。其中虚线为 按照类似原子模型解出的能级，E0 与 E1 分别为基态和第一激发态。由于库伦荷 电效应，第一个填充电子的能级实际上 为 E0 (1)，在 E0之上 ⁄2C；而第二个填充 E0 E0 (1) E0 (2) E1 E1 (1) E1 (2) E1 (3) E1 …… ……(4)
Introduction to the Experiment of Semiconductor QCE Measurement by Admittance Spectroscopy by Zhu hai 电子的能级则为E02,在E0之上e2/C;考虑到泡利不相容原理,第 三个填充电子的能级E1,在E1之上e2/C……在库伦荷电效应下,各 能级简并消除。类似的作用产生了库伦阻塞现象:量子点在填入一个 电子后,此电子产生的电势会阻止下一个电子填入,使得回路一次只 能通过一个电子。库伦阻塞现象可以由“电极-隧穿结-量子点-隧穿 结-电极”结构中表现出的非欧姆I-V特性观测到。 低维量子结构材料与物理性质表征 超晶格、量子阱、量子点在半导体领域的研究中发现了许多新现 象,为半导体器件的研究提供了新思路、新方向。而且这些结构的制 备工艺开辟了“能带工程”这一新领域,使得器件设计制造突破了传 统“杂质工程”的局限。 从器件制造与应用的角度看,完美的结构是不存在的,每个器件 都会含有杂质和缺陷,它们会对器件的电学、光学特性产生很大影响。 通过电学或光学的特性表征,就可以检测出器件的杂质和缺陷情况。 尽管电学的性质表征相比光学来说要困难一些,但是它检测样品杂质 和缺陷的能力很强。 对于量子阱、量子点等低维量子结构材料的电学性质研究的重要 内容就是硏究载流子在材料中的输运特性。硏究载流子的输运可以得 到材料有关的基本物理性质,对新型器件的设计有很大的帮助。对于 量子阱异质结结构材料,由于量子限制效应作用在垂直于异质结界面 方向,所以载流子的纵向输运特性与横向不同。量子点材料在三个方 向都会出现量子限制效应,但是仅研究载流子纵向输运时,情况和量 5/20
Introduction to the Experiment of Semiconductor QCE Measurement by Admittance Spectroscopy by ZHU Hai 5 / 20 电子的能级则为 E0 (2)，在 E0 (1)之上 ⁄C；考虑到泡利不相容原理，第 三个填充电子的能级 E1 (1)，在 E1之上 ⁄C……在库伦荷电效应下，各 能级简并消除。类似的作用产生了库伦阻塞现象：量子点在填入一个 电子后，此电子产生的电势会阻止下一个电子填入，使得回路一次只 能通过一个电子。库伦阻塞现象可以由“电极-隧穿结-量子点-隧穿 结-电极”结构中表现出的非欧姆 I-V 特性观测到。 低维量子结构材料与物理性质表征 超晶格、量子阱、量子点在半导体领域的研究中发现了许多新现 象，为半导体器件的研究提供了新思路、新方向。而且这些结构的制 备工艺开辟了“能带工程”这一新领域，使得器件设计制造突破了传 统“杂质工程”的局限。 从器件制造与应用的角度看，完美的结构是不存在的，每个器件 都会含有杂质和缺陷，它们会对器件的电学、光学特性产生很大影响。 通过电学或光学的特性表征，就可以检测出器件的杂质和缺陷情况。 尽管电学的性质表征相比光学来说要困难一些，但是它检测样品杂质 和缺陷的能力很强。 对于量子阱、量子点等低维量子结构材料的电学性质研究的重要 内容就是研究载流子在材料中的输运特性。研究载流子的输运可以得 到材料有关的基本物理性质，对新型器件的设计有很大的帮助。对于 量子阱异质结结构材料，由于量子限制效应作用在垂直于异质结界面 方向，所以载流子的纵向输运特性与横向不同。量子点材料在三个方 向都会出现量子限制效应，但是仅研究载流子纵向输运时，情况和量