超晶格

层状精细复合材料

1970年美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念．他们设想如果用两种晶格匹配很好的材料交替地生长周期性结构，每层材料的厚度在100nm以下，如右图所示，则电子沿生长方向的运动将会产生振荡，可用于制造微波器件．他们的这个设想两年以后在一种分子束外延设备上得以实现。

定义

可见，超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细复合材料。

分类

超晶格材料按形成它的异质结类型分为第一类、第二类和第三类超晶格。

第一类超晶格的导带和价带由同一层的半导体材料形成。

第二类超晶格的导带和价带在不同层中形成，因此电子和空穴被束缚在不同半导体材料层中。

第三类超晶格涉及半金属材料。尽管导带底和价带顶在相同的半导体层中产生，与第一类超晶格相似，但其带隙可从半导体到零带隙到半金属负带隙之间连续调整。

超晶格又分以下几种

1.组分超晶格：在超晶格结构中，如果超晶格的重复单元是由不同半导体材料的薄膜堆垛而成的叫做组分超晶格

2.掺杂超晶格：在同一种半导体中，用交替地改变掺杂类型的方法做成的新型人造周期性半导体结构的材料

掺杂超晶格的优点：任何一种半导体材料只要很好控制掺杂类型都可以做成超晶格；多层结构的完整性非常好，由于掺杂量一般比较小，杂质引起的晶格畸变也较小，掺杂超晶格中没有像组分超晶格那样明显的异质界面；掺杂超晶格的有效能量隙可以具有从零到位调制的基体材料能量隙之间的任何值，取决于各分层厚度和掺杂浓度的选择。

3.多维超晶格

4.应变超晶格

半导体特性

如果超晶格是由两种具有不同带隙的半导体材料构成，每个量子阱都会形成新的选择定则影响电荷在此结构中的运动。这两种半导体材料是交替的以一定的周期沿着特定的生长方向来沉积的。自从1970年江崎和朱兆祥提出这种合成超晶格的方法以来，这种超细半导体的物理机制的研究已经取得了大量的成果。在量子限域（quantum confinement）概念提出以后，人们已经从孤立的量子阱异质结中观察到了量子效应，这些都通过隧穿现象和超晶格紧密的联系在了一起。所以这两种物理概念都是在同样的物理基础上进行讨论的，但是在电子学和光学设备上有着不同的应用。

超晶格背景知识

1、量子阱

量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。量子阱的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。

2、多量子阱

在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。

3、超晶格（耦合的多量子阱）

如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。具有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。

应用

超晶格材料用于制作高性能红外焦平面成像阵列。

研发

2023年，日本研发了一种由硫化铅半导体胶体量子点组成的“超晶格”，其导电性比目前的量子点显示器高100万倍，且不会影响量子限制效应。

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