应变层超晶格

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第252页（4444字）

简称SLS，是具有一定晶格失配度的两种材料，利用分子束外延(MBE)和金属有机化学气相淀积(MO-CVD)等超薄层外延生长技术制备异质结构时，依靠弹性形变调整其原子间距，最后使二者都达到界面原子排列仍保持晶格匹配的超晶格结构。

SLS的出现，增加了超晶格材料选择的自由度和灵活性，通过独立调节组分、应力、层的厚度和数目以及掺杂等参量，可以对材料能带结构进行剪裁，从而为设计和制造各种新的固体电子器件开辟了一条重要途径。可以说，SLS是固态量子理论和先进晶体生长技术完美结合的产物。

1982年，美国的奥斯本(G．C．Osbourn)首次提出了SLS的概念，并成功地制备了界面完整性良好的GaAs／GaAs_0．2P_0．8SLS。

其后关于各类SLS的材料制备，光电性质，输运特性以及器件应用的系统研究日渐活跃与成熟。1984年比安(J．C．Bean)等采用MBE生长了高质量的Ge_xSi_1－x／SiSLS。同年，藤安(H．Fujiyasu)等利用热壁外延(HWE)首次试制了Ⅱ－Ⅵ族的宽带隙ZnSe-ZnS／GaAs SLS。1985年史密斯(D．L．Smith)等研究了作为重要红外探测器材料的HgTe／CdTe SLS。此后，Ⅲ－Ⅴ族的InGa_xAs_1－x／GaAs，以及GaSb／AlSb等SLS的研究开始兴起。

目前，材料科学家们已用各种薄层外延技术制备了多达数十种的SLS，大大丰富了半导体超晶格与量子阱的研究内容。

典型的SLS结构包括3个主要部分：第一是单晶衬底层；第二是固溶体过渡区；第三是SLS本身，它由相间的薄层形成。

由于相间薄层晶格常数不匹配，因而每层都会产生弹性应变。研究SLS的生长特性发现，临界层厚h_c是一个关键参数，当生长层厚小于h_c时，应变层中无位错形成；当生长层厚大于h_c时，将在界面处产生晶格缺陷，1975年马修斯(J．W．Matthews)首先提出一种力学平衡模型，用于解释应变层中位错的形成。

该模型假定，位错的产生是由于力平衡被破坏引起的。1985年皮波(R．People)等人从能量作用的角度出发，提出了一种能量平衡模型，认为失配位错是由于应变层中能量平衡被破坏导致的。

其后许多学者采用各种测量方法实验研究了h_c的值。1985年弗里茨(I．J．Fritz)等人和皮波等人分别研究了InGaAs／GaAs SLS和Ge_xSi_1－x／SiSLS的h_c，结果表明，前者与力学平衡模型符合较好，而后者与能量平衡模型取得了吻合。

1987年比安，1988年小滨(Y．Kohama)和金(C．A．King)等的几个研究集体对不同材料的SLS进行了实验测量，其结果均与两种模型预期的h_c值有一定程度的偏离。1988年多德逊(B．W．Dodson)等和1991年杰恩(S．C．Jain)等的研究指出，h_c的理论值和实验测量值之间的偏离起因于应变层中存在的应变弛豫、界面原子的四面体成键方式以及测量方法的灵敏度与准确性。

80年代中后期以来，围绕着SLS的各种电子性质，人们作了大量细致而深入的研究工作。InGaAs／GaAs SLS的子能带结构研究受到普遍重视。1985年马津(J．Y．Marzin)等利用透射光谱研究了InGaAs／GaAs SLS的轻重空穴行为，推断重空穴和轻空穴被分别束缚在InGaAs和GaAs层中。1987年门奈戴兹(J，Menèndez)等的光反射和光荧光谱研究表明，其重空穴和轻空穴都束缚在InGaAs层中。1990年沈学础等用光电流谱研究了InGaAs／GaAs SLS的电子结构，指出电子和重空穴被束缚在InGaAs层中，而轻空穴被束缚在GaAs层中。Ⅱ－Ⅵ族SLS的激子光学非线性研究引起了人们的极大兴趣。

1986年安德森(D．R．Andersen)等在77K下用泵浦－探测技术研究了ZnSe／ZnMnSe SLS的激子吸收饱和特性，认为窄阱时的激子吸收饱和特性主要来自于激子态的相空间填充和激子库仑屏蔽效应两种机制的共同效应。1988年付(O．Fu)等在10K下研究了ZnSe／(Zn，Mn)Se SLS的激子发光特性，首先观察到激子分子发光。范希武领导的小组在1990年研究了ZnSe／ZnS SLS中的激子发射和吸收，首次观测到ZnSe势阱中n=1，2子能带重空穴激子的2个发光谱带，以及n=1，2子能带重，轻空穴激子的4个吸收谱带；1991年在77K下研究了ZnSe-ZnS／CaF₂ SLS的光学双稳态特性，首次观测到纳秒量级的激子型光学双稳，并将其机理分别归结为激子增强吸收型和激子色散型；同年，关郑平等在77K下研究了ZnSe_1－xSx／ZnSe SLS的光致发光，发现在较低的激发密度下，光谱中激子与自由载流子的散射起主导作用，当激发密度进一步增加时，激子与激子间的色散对光谱展宽起主导作用，并且随不同势阱而异。在不同衬底上生长Ge_xSi_1－x应变层形成的SLS具有不同的能带不连续性。

1984年皮波对在Si衬底上生长的Ge_xSi_1－x／Si SLS所作的研究表明，Ge_xSi_1－x的导带底略低于Si的导带底，因此构成第1类超晶格。1986年泽勒(C．Zeller)等人研究了生长在GeSi合金上的Ge_1－xSi_1－x应变层，由于该层的压缩应变，使得Si的导带底低于Ge_xSi_1－x的导带底，构成第2类超晶格。

SLS结构的光电性质可以与体材料或晶格匹配材料相比拟，甚至优于前二者。精确地控制SLS的掺杂特性，易于生长异质结构或调制掺杂结构，以使更多的半导体系统使用高迁移率器件。

同时，SLS结构的相间周期性还可以影响半导体的直接和间接跃迁特性，有可能以两种间接带隙材料为基础而创造出一种具有新的直接带隙性质的超晶格。这些性质使SLS在新一代固态电子器件的研究与开发中显示出了广阔的应用前景。

1986年皮尔索尔(T．P．Pearsall)等人和代姆勃克斯(H．Daembkes)等采用调制掺杂技术分别制成了具有高迁移率的Ge_xSi_1－x／Si场效应晶体管。1988年哈姆(D．L．Harme)等人试制了高性能的Ge_xSi_1-x／Si双异质结双极晶体管(DHBT)，其开关频率为12GHz。

1992年腊斯克(J．Lasker)等人制成了AlGaAs／InGaAs／GaAs MODFET，其频率响应可达49GHz。1989年塔夫特(R．C．Taft)等人开发了具有良好工作特性的双极反型沟道场效应晶体管(BICFET)，室温下的电流增益为365。

1990年帕顿(G．L．Patton)等人研制成功了开关频率达75GHz的DHBT。

1990年美国伊利诺斯大学报导了InGaAs／GaAs量子阱激光器，在980nm波长下输出功率达100mW，这为掺饵光纤放大器在光纤通讯中的实用化提供了技术保障。同年，美国的AT&T开发了InGaAs／InP量子阱DFB激光器，在1．55μm下可有高达100mW的功率输出，该激光器阈值低达1．5mA。1990年日本的冈安(M．Okayasu)等人报导了波长为980nm的InGaAs／AlGaAs应变层结构激光器，在50℃下输出30mW，连续工作时间可达2500h。

1989年休谬(I．Suemune)等人采用MO-CVD法制成了ZnSe_0．88S_0．12／ZnSe应变层结构，在N₂激光器的337．1nm谱线的激发下，得到蓝色波段的受激发射，最高温度可达180K，增益为2000cm^－1，1991年他们又把温度提高到400K。1991年汉斯(M．A．Haase)等人首次在77K下观测到P-ZnSe／CdZnSe-QW／n-ZnSe结构激光二极管发射的波长为490nm蓝绿色激光。

SLS在长波长红外光探测器方面具有重要的应用。

1984年勒依(S．Luryi)等人首先在Si衬底上生长了GePIN结形成的光探测器，在1．3μm波长时具有η=40%的量子效率。1988年这个研究小组又制成了工作频率可达103GHz的混和隧道雪崩渡时间二极管(MITATT)。

半导体超晶格与量子阱的研究代表了当今半导体物理与器件研究的主导方向，而SLS的研究又代表了超晶格与量子阱研究的主流。

材料生长工艺是进行SLS研究的生命线，因此进一步完善和发展现代超薄层外延工艺，以制备结构特性良好的SLS是一个首要而关键的问题。除了MBE和MO-CVD之外，化学束外延(CBE)和原子层外延(ALE)是两种十分有前途的工艺。

对SLS物理性质的研究，集中在继续发展与完善理论方案以及实验手段，探讨晶格失配系统的结构性质等。开发新的器件与电路工艺，尤其是Si同GaAs等的异质兼容技术，新的调制掺杂方法以及超精细蚀刻等，以使各类新器件的构想得以实现，并且进一步提高器件性能，乃是摆在微电子工程师们面前的一个紧迫而重大的课题。

。【参考文献】：

1 OsbournG C. J. Appl Phys,1982,53:1586～1589

2 Anderson N G,et al. Mat Res Soc Symp Proc,1985,37:223 ～238

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(河北大学彭英才副教授、中国科学院长春物理研究所范希武研究员撰)