导纳谱测量半导体量子阱的量子限制效应 朱海 (复旦大学物理系,上海200433) 摘要:作为探测研究半导体深能级缺陷的手段,导纳谱测试方法被逐渐开发拓展,比如测量 异质结材料的能带偏移.本文介绍了利用导纳谱测量半导体量子阱的量子限制效应的实验原理 方法以及装置系统,并且对一些半导体量子阱样品进行了测量,得到了激活能等实验结果. 关键词:导纳谱;量子阱;量子限制效应. 引言 般是基于中阻p型硅衬底的siGe量子阱.样品 的正面镀上铝质肖特基小圆点电极,衬底面则 量子限制效应是指固体材料结构的尺度镀上整块的欧姆接触铝电极. 缩小到一定值,比如纳米量级时,能态结构发 在金属p型半导体肖特基二极管结构中 生变化开始表现出量子特性,比如形成分立能假设肖特基势垒区内的载流子全部耗尽,即耗 级.此时材料的电、磁、光、声、热平衡态以尽层近似,那么肖特基势垒宽度w在直流偏 及输运性质与宏观材料相比有很多特殊之处.压Ⅴ的作用下会发生变化.一般这个直流偏 尺度对材料性质的量子限制效应影响,可以施压反向加在样品上.若在V上叠加一个交变小 加在三个维度方向上,比如量子点材料、纳米信号,那么势垒区的能带也随之变化弯曲,这 团簇等零维量子材料;也可表现为对两个维度将引起势垒区边缘的缺陷深能级与半导体导 的限制,比如纳米线、纳米棒等一维量子材料;体价带之间空穴载流子的发射与俘获.对于 或者作用在一个维度上的限制,比如量子阱结量子阱结构样品,势阱内的量子化分立能级就 构等二维量子材料 相当于前面的缺陷深能级,如图1中短虚线为 半导体量子限制效应通常研究的是半导负偏压增大之后的价带 体量子阱材料中载流子表现出的特殊的输运 性质.对于分子束外延生长得到的异质结结 构量子阱材料,载流子的横向输运性质与体材 料无异,而纵向输运由于受到量子限制效应的 :E 作用,与横向的情况有较大差别 导纳谱测试方法最早被用于半导体PN结 或肖特基势垒空间电荷区内深能级缺陷的探 测研究山2.后来发展了利用导纳谱测量异质 结材料能带偏移的方法.此方法可以用作 Gesi量子阱结构激活能的测定.半导体量子 图1量子阱深能级及能带随外加偏压下变化 阱的导纳行为一般采用两个模型来解释,下面 主要以载流子热发射模型为基础进行讨论 当圆频率为ω的交变小信号加于样品两 导纳谱测试原理 端时,量子阱中的电荷变化所产生的交变电流 为 用于导纳谱测试的半导体量子阱样品一 i(t)=-dQ/dt=ep e(t)导纳谱测量半导体量子阱的量子限制效应 朱海 （复旦大学物理系，上海 200433） 摘 要：作为探测研究半导体深能级缺陷的手段，导纳谱测试方法被逐渐开发拓展，比如测量 异质结材料的能带偏移. 本文介绍了利用导纳谱测量半导体量子阱的量子限制效应的实验原理 方法以及装置系统，并且对一些半导体量子阱样品进行了测量，得到了激活能等实验结果. 关键词：导纳谱；量子阱；量子限制效应. 引言 量子限制效应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、热平衡态以 及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 体量子阱材料中载流子表现出的特殊的输运 性质. 对于分子束外延生长得到的异质结结 构量子阱材料，载流子的横向输运性质与体材 料无异，而纵向输运由于受到量子限制效应的 作用，与横向的情况有较大差别. 导纳谱测试方法最早被用于半导体 PN 结 或肖特基势垒空间电荷区内深能级缺陷的探 测研究[1][2] . 后来发展了利用导纳谱测量异质 结材料能带偏移的方法. 此方法可以用作 GeSi 量子阱结构激活能的测定. 半导体量子 阱的导纳行为一般采用两个模型来解释，下面 主要以载流子热发射模型为基础进行讨论[3] . 导纳谱测试原理 用于导纳谱测试的半导体量子阱样品一 般是基于中阻p型硅衬底的SiGe量子阱. 样品 的正面镀上铝质肖特基小圆点电极，衬底面则 镀上整块的欧姆接触铝电极. 在金属-p 型半导体肖特基二极管结构中， 假设肖特基势垒区内的载流子全部耗尽，即耗 尽层近似，那么肖特基势垒宽度 W 在直流偏 压 V 的作用下会发生变化[4] . 一般这个直流偏 压反向加在样品上. 若在 V 上叠加一个交变小 信号，那么势垒区的能带也随之变化弯曲，这 将引起势垒区边缘的缺陷深能级与半导体导 体价带之间空穴载流子的发射与俘获. 对于 量子阱结构样品，势阱内的量子化分立能级就 相当于前面的缺陷深能级，如图 1 中短虚线为 负偏压增大之后的价带. 当圆频率为 的交变小信号加于样品两 端时，量子阱中的电荷变化所产生的交变电流 为： ( ) = − ⁄ = ( ) Ev Ef 图 1 量子阱深能级及能带随外加偏压下变化