超晶格（superlattice），兩種或兩種以上組分不同或導電類型不同的極薄的薄膜交替地疊合在一起而形成的多周期結構。這種周期結構的勢阱區厚度小于電子平均自由程，勢壘區足夠窄，以致相鄰勢阱中的電子波函數能夠互相耦合。
1969年，江崎和朱兆祥提出由兩種不同帶隙的超薄層構成的一維周期性結構，即人工半導體超晶格。20世紀80年代，由于擺脫了以往難以制作高質量的納米尺度樣品的限制，金屬超晶格成為研究前沿。
超晶格的特殊性能是在外界條件作用下（如光照或電注入），有效能隙、載流子濃度和復合壽命可在較大范圍內調制，從而導致材料的電導率，吸收系數、折射率、發光光譜和增益等都隨光照或外場改變。適宜于制作新型光探測器，可調光源、光放大、調制和雙穩等器件。
定義
所謂的超晶格就是指由兩種（或兩種以上）組分（或導電類型）不同、厚度d極小的薄層材料交替生長在一起而得到的一種多周期結構材料。由于這種復合材料的周期長度比各薄膜單晶的晶格常數大幾倍或更長，因此有了“超晶格”的名稱。
發展沿革
1969年，江崎和朱兆祥提出由兩種不同帶隙的超薄層構成的一維周期性結構，即人工半導體超晶格，并設想了兩種不同類型的結構：摻雜超晶格和組分超晶格。半導體超晶格概念促進了剛剛出現的MBE和MOCVD薄膜生長新技術的不斷改進和提高，這也是自p-n結、晶體管發明以來，半導體科學的一次重大突破。
20世紀80年代，由于擺脫了以往難以制作高質量的納米尺度樣品的限制，金屬超晶格成為研究前沿，凝聚態物理工作者對這類人工材料的磁有序、層間耦合、電子輸運等進行了廣泛的基礎方面的研究。德國物理學家彼得·格倫貝格爾和巴黎物理學家阿爾貝·費爾分別發現鐵一銘超晶格（或稱為周期性多層膜）出現巨磁電阻效應。
特殊性能
超晶格的特殊性能是在外界條件作用下（如光照或電注入），有效能隙、載流子濃度和復合壽命可在較大范圍內調制，從而導致材料的電導率，吸收系數、折射率、發光光譜和增益等都隨光照或外場改變。
分類
從超晶格誕生以來，隨著理論和制備技術的發展，已提出和制備了很多種超晶格。
組分超晶格
在超晶格結構中，如果超晶格的重復單元是由不同半導體材料的薄膜堆垛而成，則稱為組分超晶格。在組分超晶格中，由于構成超晶格的材料具有不同的禁帶寬度，在異質界面處將發生能帶的不連續。
摻雜超晶格
摻雜超晶格是在同一種半導體中，用交替地改變摻雜類型的方法做成的新型人造周期性半導體結構的材料。摻雜超晶格的一個優點是，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。第二個優點是，多層結構的完整性非常好，由于摻雜量一般較小（107-1019/cm3），所以雜質引起的晶格畸變也較小。因此，摻雜超晶格中沒有像組分超晶格那樣明顯的異質界面。第三個優點，摻雜超晶格的有效能量隙可以具有從零到未調制的基體材料能量隙之間的任何值，取決于對各分層厚度和摻雜濃度的選擇。
多維超晶格
一維超晶格與體單晶比較具有許多不同的性質，這些特點來源于它把電子和空穴限制在二維平面內而產生量子力學效應，進一步發展這種思想，把載流子再限制在低維空間中，可能會出現更多的新的光電特性。
應變超晶格
初期研究超晶格材料時，除了AIGaAs/GaAs體系以外，對其他物質形成的超晶格的研究工作不多。原因是它們之間的晶格常數相差很大，會引起薄膜之間產生失配位錯而得不到良好質量的超晶格材料。但如果多層薄膜的厚度十分薄時，在晶體生長時反而不容易產生位錯。也就是在彈性形變限度之內的超薄膜中，晶格本身發生應變而阻止缺陷的產生。因此，巧妙地利用這種性質，制備出晶格常數相差較大的兩種材料所形成的應變超晶格。
按異質結類型分類
超晶格材料按形成其異質結類型分為第一類、第二類和第三類超晶格。第一類超晶格的導帶和價帶由同一層的半導體材料形成。第二類超晶格的導帶和價帶在不同層中形成，因此，電子和空穴被束縛在不同半導體材料層中。第三類超晶格涉及半金屬材料。盡管導帶底和價帶頂在相同的半導體層中產生，與第一類超晶格相似，但其帶隙可從半導體到零帶隙到半金屬負帶隙之間連續調整。
制備技術
主要是分子束外延技術，金屬有機化合物化學氣相沉積技術也可用于制備超晶格材料，但材料的生長溫度相對要高一點，這會對超晶格材料的界面產生一定的影響。由于不同薄層中的電子發生了相互作用，超晶格材料改變了原材料中電子和空穴在材料中的輸運、產生和復合等性能，進而可獲得不同于原材料性能的新材料。超晶格材料的設計和制備亦被稱為能帶工程，它為獲得特定功能的新型材料提供了一條新的途徑，大大拓展了半導體材料的種類和性能。例如砷化鎵（GaAs）和砷化鎵鋁（GaAlAs）都是寬禁帶的半導體材料，但在它們構成的超晶格材料中，利用阱中子能級上電子向勢壘的躍遷可實現對紅外光的探測。超晶格材料的性能可通過調節材料的摻雜、超晶格層的厚度以及周期性的結構加以改變，這使得超晶格材料在制造工藝和應用中具有較好的適應能力。
應用
超晶格適宜于制作新型光探測器，可調光源、光放大、調制和雙穩等器件。
相關概念
量子阱
兩種或兩種以上不同的超薄材料交替堆疊可以形成多個周期的超薄多層結構。例如，高帶隙的半導體材料GaAlAs將低帶隙的半導體材料夾在中間，從而形成勢壘。如果勢壘層的厚度足夠大（大于物質波的波長），勢阱的厚度小于德布羅意波的波長，勢阱中的電子的能級狀態變化為階梯狀態，則這種結構被稱為量子阱（超級晶格）。按照有源區的量子阱數量不同，量子阱結構可以分為單量子阱結構和多量子阱結構。單量子阱結構特點是有源區只有一個由超薄膜層窄帶隙材料（GaAs）形成的量子阱（勢阱），兩側邊界是由寬帶隙材料（GaAlAs和GaAlAs）形成的勢壘。多量子阱的結構特點是，超薄膜層寬帶隙材料和超薄膜層窄帶隙材料交替生長，多量子阱中各個相鄰的勢阱寬度非常窄，一個勢阱的電子會穿過勢阱，隧穿進入另一個勢阱。兩個勢阱中的電子相互作用，產生量子化能級劈裂的能帶特性。
參考資料 >
超晶格有序化.中國大百科全書.2025-03-04
超晶格材料.中國大百科全書.2025-03-04