異質(zhì)結(jié)
??? 半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)一般是由兩層以上不同材料所組成，它們各具不同的能帶隙。這些材料可以是GaAs之類的化合物，也可以是Si-Ge之類的半導體合金。按異質(zhì)結(jié)中兩種材料導帶和價帶的對準情況可以把異質(zhì)結(jié)分為Ⅰ型異質(zhì)結(jié)和Ⅱ型異質(zhì)結(jié)兩種，兩種異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)如圖1所示。
如圖1(a)所示，I型異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)是嵌套式對準的,窄帶材料的導帶底和價帶頂都位于寬帶材料的禁帶中，ΔEc和ΔEv的符號相反，GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP都屬于這一種。在Ⅱ型異質(zhì)結(jié)中，ΔEc和ΔEv的符號相同。具體又可以分為兩種:一種如圖1(b)所示的交錯式對準，窄帶材料的導帶底位于寬帶材料的禁帶中，窄帶材料的價帶頂位于寬帶材料的價帶中。另一種如圖1(c)所示窄帶材料的導帶底和價帶頂都位于寬帶材料的價帶中［14］。
??? Ⅱ型異質(zhì)結(jié)的基本特性是在交界面附近電子和空穴空間的分隔和在自洽量子阱中的局域化。由于在界面附近波函數(shù)的交疊，導致光學矩陣元的減少，從而使輻射壽命加長，激子束縛能減少。由于光強和外加電場會強烈影響Ⅱ型異質(zhì)結(jié)的特性，使得與Ⅰ型異質(zhì)結(jié)相比，Ⅱ型異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出不尋常的載流子的動力學和復(fù)合特性，從而影響其電學、光學和光電特性及其器件的參數(shù)。
??? 在Ⅰ型異質(zhì)結(jié)中能級的偏差量具有不同的符號，電子和空穴是在界面的同一側(cè)（窄帶材料一側(cè)）由受熱離化而產(chǎn)生的。這種情況下只有一種載流子被束縛在量子阱中（n-N結(jié)構(gòu)中的電子，p-P結(jié)構(gòu)中的空穴）。Ⅱ型異質(zhì)結(jié)能級的偏差量具有相同的符號，電子和空穴是在界面的不同側(cè)由受熱離化而產(chǎn)生的。兩種載流子被束縛在自洽的量子阱中，因此在Ⅰ型異質(zhì)結(jié)中載流子復(fù)合發(fā)生在窄帶材料一側(cè)，Ⅱ型異質(zhì)結(jié)中載流子復(fù)合主要是借助界面的隧道而不是窄帶材料一側(cè)。
??? 不同半導體的能隙寬度可根據(jù)使用的要求做適當調(diào)整，辦法可以是取代半導體元素(例如，用In或者Al代替Ga，用P、Sb或N代替As)，也可以通過改變合金的成分。有多種方法可用于形成不同半導體層之間的突變界面，例如分子束外延法(MBE)和金屬有機化學沉積法(MOCVD)。運用這些方法在基片上會有一層一層的原子以適當?shù)木Ц癯?shù)向外生長。異質(zhì)結(jié)構(gòu)對科學有重大影響，是高頻晶體管和光電子器件的關(guān)鍵成分。
??? 比起普通的晶體管來，異質(zhì)結(jié)晶體管的基極是由能帶隙更小的半導體層構(gòu)成，這就大大降低了電子的能量壁壘，從而大大增加了電子電流。同時空穴電流保持不變，于是放大倍數(shù)就大為增加。要減小放大倍數(shù)，只需令基極的摻雜量提高，并讓基極更薄，就可以大大降低基極電阻，從而降低RC時間常數(shù)，于是就得到了快速晶體管。
半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本特性
??? 所謂半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，就是將不同材料的半導體薄膜，依先后次序沈積在同一基座上。例如圖2所描述的就是利用半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)所作成的雷射之基本架構(gòu)。半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本特性有以下幾個方面。
(1) 量子效應(yīng)：因中間層的能階較低，電子很容易掉落下來被局限在中間層，而中間層可以只有幾十埃（1埃＝10-10米）的厚度，因此在如此小的空間內(nèi)，電子的特性會受到量子效應(yīng)的影響而改變。例如：能階量子化、基態(tài)能量增加、能態(tài)密度改變等，其中能態(tài)密度與能階位置，是決定電子特性很重要的因素。
(2) 遷移率(Mobility)變大：半導體的自由電子主要是由于外加雜質(zhì)的貢獻，因此在一般的半導體材料中，自由電子會受到雜質(zhì)的碰撞而減低其行動能力。然而在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，可將雜質(zhì)加在兩邊的夾層中，該雜質(zhì)所貢獻的電子會掉到中間層，因其有較低的能量（如圖3所示）。因此在空間上，電子與雜質(zhì)是分開的，所以電子的行動就不會因雜質(zhì)的碰撞而受到限制，因此其遷移率就可以大大增加，這是高速組件的基本要素。
(3)奇異的二度空間特性：因為電子被局限在中間層內(nèi)，其沿夾層的方向是不能自由運動的，因此該電子只剩下二個自由度的空間，半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)因而提供了一個非常好的物理系統(tǒng)可用于研究低維度的物理特性。低維度的電子特性相當不同于三維者，如電子束縛能的增加、電子與電洞復(fù)合率變大，量子霍爾效應(yīng)，分數(shù)霍爾效應(yīng)等。科學家利用低維度的特性，已經(jīng)已作出各式各樣的組件，其中就包含有光纖通訊中的高速光電組件，而量子與分數(shù)霍爾效應(yīng)分別獲得諾貝爾物理獎。
(4)人造材料工程學：半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)之中間層或是兩旁的夾層，可因需要不同而改變。例如以砷化鎵來說，鎵可以被鋁或銦取代，而砷可以用磷、銻、或氮取代，所設(shè)計出來的材料特性因而變化多端，因此有人造材料工程學的名詞出現(xiàn)。最近科學家將錳原子取代鎵，而發(fā)現(xiàn)具有鐵磁性的現(xiàn)象，引起很大的重視，因為日后的半導體組件，有可能因此而利用電子自旋的特性。此外，在半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，如果鄰近兩層的原子間距不相同，原子的排列會被迫與下層相同，那么原子間就會有應(yīng)力存在，該應(yīng)力會改變電子的能帶結(jié)構(gòu)與行為。現(xiàn)在該應(yīng)力的大小已可由長晶技術(shù)控制，因此科學家又多了一個可調(diào)變半導體材料的因素，產(chǎn)生更多新穎的組件，例如硅鍺異質(zhì)結(jié)構(gòu)高速晶體管。
半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用
(1)發(fā)光組件(light EMItting devICes, LED)：
因為半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)能將電子與電洞局限在中間層內(nèi)，電子與電洞的復(fù)合率因而增加，所以發(fā)光的效率較大；同時改變量子井的寬度亦可以控制發(fā)光的頻率，所以現(xiàn)今的半導體發(fā)光組件，大都是由異質(zhì)結(jié)構(gòu)所組成的。半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光組件，相較其它發(fā)光組件，具有高效率、省電、耐用等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于剎車燈、交通號志燈、戶外展示燈等。值得一提的是在1993年，日本的科學家研發(fā)出藍色光的半導體組件，使得光的三原色紅、綠、藍，皆可用半導體制作，因此各種顏色都可用半導體發(fā)光組件得到，難怪大家預(yù)測家庭用的燈炮、日光燈，即將被半導體發(fā)光組件所取代。
(2)雷射二極管：
半導體雷射二極管的基本構(gòu)造，與上述的發(fā)光組件極為類似，只不過是雷射二極管必須考慮到受激發(fā)光(stimulated EMIssion)與共振的條件。使用半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，因電子與電洞很容易掉到中間層，因此載子數(shù)目反轉(zhuǎn)(population inversion)較易達成，這是具有受激發(fā)光的必要條件，而且電子與電洞因被局限在中間層內(nèi)，其結(jié)合率較大。此外，兩旁夾層的折射率與中間層不同，因而可以將光局限在中間層，致使光不會流失，而增加雷射強度，是故利異質(zhì)結(jié)構(gòu)制作雷射，有很大的優(yōu)點。第一個室溫且連續(xù)發(fā)射的半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)雷射，是在1970年由阿法洛夫領(lǐng)導的研究群所制作出來的，而克拉姆則在1963年發(fā)展了有關(guān)半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)雷射的原理。半導體雷射二極管的應(yīng)用范圍亦相當廣泛，如雷射唱盤（如圖4所示），高速光纖通訊、激光打印機、雷射筆等。
(3)異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙極晶體管：(heterojunction bipolar transistor, HBT) 在半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，中間層有較低的能帶，因此電子很容易就由旁邊的夾層注入，是故在晶體管中由射極經(jīng)過基極到集極的電流，就可以大為提高，晶體管的放大倍率也為之增加；同時基極的厚度可以減小，其摻雜濃度可以增加，因而反應(yīng)速率變大，所以異質(zhì)結(jié)構(gòu)得以制作快速晶體管。利用半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)作成晶體管的建議與其特性分析，是由克接拉姆在1957提出的。半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙極晶體管因具有快速、高放大倍率的優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星通訊或是行動電話等。
(4)高速電子遷移率晶體管(high eleCTRon mobility transistor, HEMT)
高速電子遷移率晶體管，就是利用半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中雜質(zhì)與電子在空間能被分隔的優(yōu)點，因此電子得以有很高的遷移率。在此結(jié)構(gòu)中，改變閘極(gate)的電壓，就可以控制由源極(source)到泄極(drain)的電流，而達到放大的目的。因該組件具有很高的向應(yīng)頻率(600GHz)且低噪聲的優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于無限與太空通訊（如圖5所示），以及天文觀測。
(5)其它應(yīng)用：
半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)除了用于上述組件外，亦大量使用于其它光電組件，如光偵測器、太陽電池、標準電阻或是光電調(diào)制器．．．等。又因為長晶技術(shù)的進展，單層原子厚度的薄膜已能控制，因此半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了高質(zhì)量的低維度系統(tǒng)，讓科學家能滿足探求低維度現(xiàn)象的要求。除了在二度空間觀測到量子與分數(shù)量子霍爾效應(yīng)外，科學家已進一步在探求異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的一維與零維的電子行為，預(yù)期將來還會陸續(xù)有新奇的現(xiàn)象被發(fā)掘，也會有更多新穎的異質(zhì)結(jié)構(gòu)組件出現(xiàn)