Small:微观-宏观世界的盘根错节——半导体多层纳米结构中的界面驱动的能带调控及其对宏观性能的影响

半导体集成电路象征着现代人类社会工业制造精度的极限,追随着摩尔定律的步伐,研究者不断挑战并刷新着器件尺寸的极限。随着半导体器件尺寸不断缩减至原子量级,在低维度纳米结构中,材料逐渐由一般体材料性质转变为量子性质:量子尺寸效应、量子限域效应已无法忽视。相较于体材料而言,在纳米体系中界面所占比重迅速提升,这使得半导体异质结构中的界面问题变得愈发重要。

以高精度的分子束外延技术为例,由于原子在界面周围的运动比在材料内部的运动更加缺乏规律,导致制备过程中对界面处能带的精细调控变得十分具有挑战性,并且能带对准通常也决定了最终的器件性能。因此,异质界面、能带结构及宏观性能的相互关联问题显得尤为关键。然而,由于研究目标的差异,很少有工作能够全面覆盖微结构与宏观性能间的关联问题:一方面,理论研究者通常提出理论模型以描述并预测界面处的微观状态,但较少涉及实际制备工艺;另一方面,器件工程一般通过对制备参数进行调制以优化器件性能,而不再深入关注其内在机理。如何通过实验与理论分析,综合论述微观与宏观世界间的关联,是摆在研究者面前的一个挑战。

基于上述目标,复旦大学先进材料实验室车仁超团队与中国科学院半导体研究所牛智川团队、南京大学施毅团队合作,基于先进电子显微技术平台,通过对多量子阱激光器结构中两个制备参数相同、结构却不对称的异质界面进行实验与理论研究,探讨了半导体纳米材料中微结构与宏观性能间的相互关联问题。通过几何相位分析表征了异质结界面的应变过渡,证明两界面处的晶格常数存在差异;同时,通过原位加电电子全息表征了纳米结构中的电荷分布,表明了两界面在外加偏置下对空穴的阻挡能力同样存在差异。进一步的理论与实验研究表明,这种界面的不对称源于其中一个界面的砷富集。通过对理想能带模型进行修正,反映出材料中实际的能带对准情况,并表明由砷富集所导致的大价带带阶和更好的空穴限制使得激光器的发光性能得到了有效的提升。

此项研究中采用的方法论述可广泛适用于各类纳米结构与材料体系,并为半导体纳米器件的设计及制备提供新的思路。相关论文在线发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201900837)上。