超晶格

超晶格（英語：superlattice）是兩種或多種材料構成的周期性交替層結構。通常每一層的厚度在幾個納米的數量級。20世紀初，人們通過X射線繞射發現了超晶格的現象。

超晶格結構中，當兩種薄層材料的厚度和周期長度小於電子平均自由程時，整個電子系統進入量子領域，產生量子尺寸效應。此時，夾在兩個壘層間的阱就是量子阱（英語：quantum well）。

1970年美國IBM實驗室的江崎玲於奈（1973年諾貝爾物理學獎得主）和朱兆祥提出了超晶格的概念。他們設想如果用兩種晶格匹配很好的半導體材料交替地生長周期性結構，每層材料的厚度在100nm以下，則電子沿生長方向的運動將會產生振盪，可用於製造微波器件。兩年以後，此設想在一種分子束外延設備上得以實現。超晶格材料是兩種不同組元以幾個納米到幾十個納米的薄層交替生長並保持嚴格周期性的多層膜，事實上就是特定形式的層狀精細複合材料。

分類

超晶格又分以下幾種

1.組分超晶格：如果超晶格材料的一個重複單元是由兩種不同材料的薄層構成，則叫做組分超晶格。

2.摻雜超晶格：在同一種半導體中，用交替地改變摻雜類型的方法獲得的新型人造周期性結構的半導體材料。

摻雜超晶格的優點：任何一種半導體材料只要很好控制摻雜類型都可以做成超晶格；多層結構的完整性非常好，由於摻雜量一般比較小，雜質引起的晶格畸變也較小，摻雜超晶格中沒有像組分超晶格那樣明顯的異質界面；摻雜超晶格的有效能量隙可以具有從零到位調製的基體材料能量隙之間的任何值，取決於各分層厚度和摻雜濃度的選擇。

3.多維超晶格：在多個維度上有兩種或多種材料構成周期性交替結構的超晶格稱為多維超晶格。利用光刻、腐蝕及超薄層生長技術等相結合可以生長多維超晶格。

4.應變超晶格：異質結構中，每層厚度足夠薄，且晶格失配度不大於7%~9%時，則界面上的應力可以把兩側晶格連在一起而不產生界面失配位錯，此時晶格完全處在彈性應變狀態。利用這種特性製成的晶格失配度較大材料體系的超晶格稱為應變超晶格。

參考文獻

• H.T. Grahn, "Semiconductor Superlattices", World Scientific (1995).
• Ivan K. Schuller, "A New Class of Layered Materials", Phys. Rev. Lett. 44, 1597 (1980).[1]
• Morten Jagd Christensen, "Epitaxy, Thin Films and Superlattices", Risø National Laboratory, (1997).[2]
• C. Hamaguchi, "Basic Semiconductor Physics", Springer (2001).
• A. Wacker, Phys. Reports 357 (2002).
• H.J. Haugan, et al. InAs/GaSb type-II superlattices for high performance mid-infrared detectors (Journal of Crystal Growth. Volume 278, Issues 1-4, 1 May 2005, Pages 198-202)[3]
• 半導體材料 / 楊樹人，王宗昌，王兢 -3版.-北京：科學出版社，2013.1 ISBN 978-7-03-036503-3

延伸閱讀

• Musikant, Solomon. Optical materials : an introduction to selection and application. New York: Dekker. 1985. ISBN 978-0-8247-7309-0. doi:10.1063/1.881353.