異質結

異質結，兩種不同的半導體相接觸所形成的界面區域。按照兩種材料的導電類型不同，異質結可分為同型異質結（P-p結或N-n結）和異型異質(P-n或p-N)結，多層異質結稱為異質結構。通常形成異質結的條件是：兩種半導體有相似的晶體結構、相近的原子間距和熱膨脹係數。利用界面合金、外延生長、真空澱積等技術，都可以製造異質結。異質結常具有兩種半導體各自的PN結都不能達到的優良的光電特性，使它適宜於製作超高速開關器件、太陽能電池以及半導體激光器等。 ^[1] 

所謂半導體異質結構，就是將不同材料的半導體薄膜，依先後次序沉積在同一基座上。例如圖1所描述的就是利用半導體異質結構所作成的雷射之基本架構。半導體異質結構的基本特性有以下幾個方面。

(1) 量子效應：因中間層的能階較低，電子很容易掉落下來被侷限在中間層，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，電子的特性會受到量子效應的影響而改變。例如：能階量子化、基態能量增加、能態密度改變等，其中能態密度與能階位置，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於外加雜質的貢獻，因此在一般的半導體材料中，自由電子會受到雜質的碰撞而減低其行動能力。然而在異質結構中，可將雜質加在兩邊的夾層中，該雜質所貢獻的電子會掉到中間層，因其有較低的能量。因此在空間上，電子與雜質是分開的，所以電子的行動就不會因雜質的碰撞而受到限制，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：因為電子被侷限在中間層內，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，半導體異質結構因而提供了一個非常好的物理系統可用於研究低維度的物理特性。低維度的電子特性相當不同於三維者，如電子束縛能的增加、電子與電洞（即空穴）複合率變大，量子霍爾效應，分數霍爾效應等。科學家利用低維度的特性，已經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，而量子與分數霍爾效應分別獲得諾貝爾物理獎。

(4)人造材料工程學：半導體異質結構之中間層或是兩旁的夾層，可因需要不同而改變。例如以砷化鎵來説，鎵可以被鋁或銦取代，而砷可以用磷、銻、或氮取代，所設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。最近科學家將錳原子取代鎵，而發現具有鐵磁性的現象，引起很大的重視，因為日後的半導體組件，有可能因此而利用電子自旋的特性。此外，在半導體異質結構中，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，那麼原子間就會有應力存在，該應力會改變電子的能帶結構與行為。現在該應力的大小已可由長晶技術控制，因此科學家又多了一個可調變半導體材料的因素，產生更多新穎的組件，例如硅鍺異質結構高速晶體管。 ^[1] 

因為半導體異質結構能將電子與空穴侷限在中間層內，電子與空穴的複合率因而增加，所以發光的效率較大；同時改變量子井的寬度亦可以控制發光的頻率，所以現今的半導體發光組件，大都是由異質結構所組成的。半導體異質結構發光組件，相較其它發光組件，具有高效率、省電、耐用等優點，因此廣泛應用於剎車燈、交通號誌燈、户外展示燈等。值得一提的是在1993年，日本的科學家研發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光組件得到，難怪大家預測家庭用的白熾燈、日光燈，即將被半導體發光組件所取代。 ^[1] 

半導體激光二極管的基本構造，與上述的發光組件極為類似，只不過是激光二極管必須考慮到受激發光(stimulated emission)與共振的條件。使用半導體異質結構，因電子與空穴很容易掉到中間層，因此載流子數目反轉(population inversion)較易達成，這是具有受激發光的必要條件，而且電子與空穴因被侷限在中間層內，其結合率較大。此外，兩旁夾層的折射率與中間層不同，因而可以將光侷限在中間層，致使光不會流失，而增加激光強度，是故利用異質結構製作激光二極管，有很大的優點。第一個室温且連續發射的半導體異質結構激光二極管，是在1970年由阿法洛夫領導的研究羣所製作出來的，而克拉姆則在1963年發展了有關半導體異質結構激光二極管的原理。半導體激光二極管的應用範圍亦相當廣泛，如鐳射唱盤，高速光纖通訊、激光打印機、雷射筆等。 ^[1] 

在半導體異質結構中，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，因而反應速率變大，所以異質結構得以製作快速晶體管。利用半導體異質結構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。半導體異質結構雙極晶體管因具有快速、高放大倍率的優點，因而廣泛應用於人造衞星通訊或是行動電話等。 ^[2] 

高速電子遷移率晶體管，就是利用半導體異質結構中雜質與電子在空間能被分隔的優點，因此電子得以有很高的遷移率。在此結構中，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響應頻率(600GHz)且低噪聲的優點，因此廣泛應用於無限與太空通訊（如圖5所示），以及天文觀測。 ^[2] 

半導體異質結構除了用於上述組件外，亦大量使用於其它光電組件，如光偵測器、太陽電池、標準電阻或是光電調製器等。又因為長晶技術的進展，單層原子厚度的薄膜已能控制，因此半導體異質結構提供了高質量的低維度系統，讓科學家能滿足探求低維度現象的要求。除了在二度空間觀測到量子與分數量子霍爾效應外，科學家已進一步在探求異質結構中的一維與零維的電子行為，預期將來還會陸續有新奇的現象被髮掘，也會有更多新穎的異質結構組件出現。 ^[2]