（光学工程专业论文）inp基ingaaiasingaassb应变量子阱激光器材料与设计研究.pdf

摘要 ，本论文从理论上分析了i n p 基砷化物和锑化物半导体材料的基本性质，主要包括 通过二元系和三元系材料参数线性插值计算i n g a a i a s ，i n g a a s s b 四元系材料的晶格常 数、禁带宽度等，并在禁带宽度的计算中考虑了能带弯曲引起的修正量( b o w ) 。在此基 础上采用有效质量模型下的4 x 4l u t t i n g e r k o h n 哈密顿量矩阵对i n g a a l a s i n g a a s s b 应变量子阱的能带结构、激射波长进行理论分析和设计优化讨论，并采用力学平衡模 型计算了此应变材料体系在生长时的临界厚度。通过这些理论分析，优化了激光器的 结构和各层材料的组分、厚度等参数，为材料生长和器件制备提供了理论依据。 众所周知，i n p 为衬底的半导体激光器作为光纤通信用光源起着重要作用，并在 1 3 9 m 和1 5 5 9 r n 光纤通信波段已经有高性能的单模激光器得到了实用化。i n p 基 i n g a a l a s i n g a a s s b 应变量子阱材料虽然波长范围相对较窄( 1 6 2 5 p , m ) ，但它与g a s b 基a i g a a s s b i n g a a s s b 材料相比，在衬底质量和器件工艺等方面体现出来的优势而引 起人们的关注。采用i n p 衬底对锑化物材料的外延生长和结构进行研究，一方面可以 借鉴4i n p 基材料的外延生长以及器件工艺方面的成功经验，另外将会在未来的光电子 集成方面发挥重要作用。因此，本论文重点研究i n p 衬底上，i n 6 a a s 、i n a i a s 、i n g a a i a s 、 i n g a a s s b 材料和结构的制备和特性。 采用固态源分子束外延( s s m b e ) 设备，在i n p 衬底上生长了单层i n g a a s 、i n a i a s 、 i n g a a i a s 、i n g a a s s b 材料。通过外延材料的表面形貌、界面特性、晶格质量以及发光 特性等进行了研究分析，结果表明良好的衬底表面状态和适当生长温度是制备高质量 外延材料的首要条件。通过优化分子束外延的生长参数及工艺技术，生长出了质量较 高的i n g a a s 、i n a i a s 、i n g a a i a s 、i n g a a s s b 单晶体材料。 在以上工作基础上，初步生长了i n g a a l a s i n g a a s s b 单量子阱结构，并研究了其 发光特性，为制备高性能的激光器打下了基础。 关键词：分子束外延锑化物高能电子衍射仪扫描电子显微镜x 射线光电子能谱 x 射线衍射仪 a b s t r a c t t h ep r e s e n tt h e s i sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l yt h eb a s i cp r o p e r t i e so fl n pb a s e da r s e n i d e sa n d a n t i m o n i d e s ，i n c l u d i n gt h ec r y s t a lc o n s t a n t s ，b a n dg a pe n e r g i e so fi n g a a l a s ，i n g a a s s b q u a t e m a r ym a t e r i a l s ，w i t ht h eb o w i n gm o d i f i c a t i o n st a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n e f f e c t i v em a s sm o d e l sa n d4 x 4l u t t i n g e r - k o h nh a m i t o n i a nm a t r i c e sh a v e b e e n a d o p t e d t o a n a l y z e a n d o p t i m i z e t h e e n e r g ys t r u c t u r e ，l a s i n gw a v e l e n g t h s o f i n g a a l a s i n g a a s s bs t r a i n e dq u a n t u mw e l ls y s t e m s m e c h a n i c a le q u i l i b r i u mm o d e lh a s b e e na d o p t e di nt h ec a l c u l a t i o no fc r i t i c a lt h i c k n e s so ft h es t r a i n e dm a t e r i a ls y s t e m t h r o u g h t h e s et h e o r e t i c a la n a l y s e s ，t h el a s e rs t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r sh a v e b e e no p t i m i z e d a si sw e l l k n o w n , i n p - b a s e ds e m i c o n d u c t o rl a s e r sp l a ya l li m p o r t a n tp a r ti nf i b e r o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，a n ds o m eh i g hq u a l i t ys i n g l em o d el a s e rd i o d e si nt h e1 3 u m a n d1 5 5 1 u n w a v e l e n g t hr a n g eh a v e b e e n c o m m e r c i a l i z e d t h o u g h l a pb a s e d i n g a a l a s i n g a a s s bs t r a i n e dq u a n t u mw e l lm a t e r i a l sh a v er e l a t i v e l yn a l t o ww a v e l e n g t h r a n g e ( 1 6 - 2 5 p m ) ，t h e yh a v es o m eu n i q u ea d v a n t a g e si nb e t t e rs u b s t r a t eq u a l i t ya n dd e v i c e t e c h n o l o g y , c o m p a r e dw i t hg a s bb a s e dm a t e r i a l s ，a t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n i n a d o p t i n gl a pb a s e ds u b s t r a t et os t u d ye p i t a x i a lg r o w t ha n dl a s e rs t r u c t u r e ，n o to n l yv e r yr i c h e x p e r i e n c e sc a nb ee x p l o i t e di nm a t e r i a le p i t a x ya n dl a s e rd e v i c et e c h n o l o g yu s i n gi n p s u b s t r a f e ，i m p o r t a n tp a r tc a nb ep l a y e di nf u t u r eo p t o e l e c t r o n i c si n t e g r a t i o n s ot h i st h e s i s m a i n l yf o c u s e so nt h em a t e r i a ld e s i g n ，e p i t a x i a lg r o w t ha n dc h a r a c t e r i z a t i o no fi n g a a s ， i n a i a s ，i n g a a l a sa n di n g a a s s bw i t hl a pa ss u b s t r a t e as e r i e so fs i n g l ee p i t a x i a ll a y e r sh a v eb e e nd e s i g n e da n dg r o w n ，s u c ha si n g a a s 、 i n a i a s 、i n o a a i a s 、i n g a a s s ba d o p t i n gs o l i ds o u r c em b e ( s s m b e ) s y s t e m s s u r f a c e m o r p h o l o g y , i n t e r f a c ep r o p e r t y , c r y s t a lq u a l i t ya n dl i g h te m i t t i n gp r o p e r t i e sh a v eb e e n s t u d i e di nd e t a i l ，s h o w i n gt h a tg o o ds u b s t r a t ec o n d i t i o na n ds u i t a b l eg r o w t ht e m p e r a t u r ea r e t h ep r e r e q u i s i t ec o n d i t i o nf o rh i g hq u a l i t ye p i t a x i a lg r o w t h i nt h ep r e s e n ts t u d y , h i 曲 q u a l i t ys i n g l ec r y s t a li n g a a s ，i n a i a s ，i n g a a i a sa n di n g a a s s bm a t e r i a l sh a v eb e e n o b t a i n e db yo p t i m i z i n gt h eg r o w t hp a r a m e t e r su s i n gs s m b e o nt h eb a s i so ns i n g l el a y e rg r o w t ha n dp r o p e r t yo p t i m i z a t i o n , i n g a a i a s f l n g a a s s b s i n g l eq u a n t u mw e l ls t r u c t u r e sh a v eb e e ng r o w np r e l i m i n a r i l y , a n dt h e i rl i g h te m i t t i n g p r o p e r t i e sh a v e b e e ns t u d i e d 1 1 1 ep r e s e n tw o r kh a sl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rh i g hp e r f o r m a n c e l a pb a s e da n t i m o n i d e ss e m i c o n d u c t o rl a s e rf a b r i c a t i o n k e yw o r d s ：m o l e c u l a rb e a me p i t a x y ( m b e ) a n t i m o n i d e sr h e e ds e mx p s x r d l l 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，i n p 基i n g a a i a s i n g a a s s b 应变 量子阱激光器材科与设计研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：垒丝呈z 丝蒸年上月幺日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：金堑星2 。! ! 至年三月堑h 指导导师签名：年土月堕同 第一章引言 2 - 5 p m 中红外波段是非常重要的大气窗口，工作于该波段的激光器和探测器在军 事和民用的许多领域都有重要的应用。由于许多气体分子的特征谱线都落在中红外波 段，因此工作在该波段的探测器可以广泛应用于气体环境监测、化学物品探测、生物 探测、医学诊断和药物分析等领域。而且长波长的光在空气中散射相对较低，则工作 在该波段的大功率激光器可望在激光雷达、防撞系统和军事上的目标指示等领域有更 好的应用效果。8 0 年代人们发现含氟光纤在2 - 4 p n 波段的传输损耗比传统的石英光纤 低2 个数量级，若采用这种光纤，则光纤通信的无中继距离可达几千公里。因此中红 外波段的激光器在新一代光纤通信领域有着重要的应用前景。 对于中红外波段半导体激光器，研究较多的是g a s b 基i i i - v 族锑化物材料。因为 与g a s b 衬底匹配的i n g a a s s b 、a i g a a s s b 禁带宽度对应波长可以覆盖从1 7 到4 4 p m 的波段。通过与a 1 s b 、i n a s 等二元系材料组合，所构成的异质结可以从第一类量子阱 结构转化为第二类破隙型( b r o k e ng a p ) ，这种能带的特殊性给光电器件的设计增加了 新的自由度。虽然锑化物材料有良好的应用i j 景，但是由于不互溶隙存在，其高质量 的材料生长有一定的困难，而且g a s b 衬底存在一些严重缺点，例如，它的晶体缺陷密 度大，力学性能差等。此外，由于自由载流子吸收和与缺陷相关的吸收过程，g a s b 对 中长波段( 5 p r o ) 的红外光有强烈的吸收作用，这对制备高性能的红外探测器产生极其 不利的影响。另外，锑化物的器件工艺也不如砷化物、磷化物成熟，这些都限制了高 性能锑化物器件的制备。众所周知，i n p 为衬底的半导体激光器作为光纤通信用光源起 着重要作用，并在1 3 1 t m 和1 5 5 岬光纤通信波段已经有高性能的单模激光器得到了实 用化。i n p 基i n g a a l a s i n g a a s s b 应变量子阱材料虽然波长范围相对较窄，但它与g a s b 基a 1 g a a s s b i n g a a s s b 材料相比，在衬底质量和器件工艺等方面体现出来的优势而引 起人们的关注。采用i n p 衬底对锑化物材料的外延生长和结构进行研究，一方面可以 借鉴i n p 基材料的外延生长以及器件工艺方面的成功经验，另外将会在未来的光电子 集成方面发挥重要作用。 分子束外延( m b e ) 是一种非热力学平衡条件下的生长方法，可以有效克服不互溶隙 对材料生长的限制。近年来，随着这种非热力学平衡生长方法的成熟，m b e 被广泛应用 于各种高纯单晶和超精细结构的材料生长上，这也在很大程度上推进了锑化物材料和 器件的研究。科学家们利用m b e 设备制备了a 1 g a a s s b i n g a a s s b 多量子阱激光器、量 子级联激光器、高电子迁移率晶体管、i n g a a s s b 太阳能电池等高性能的光电子器件， 并向实用化方面作了进一步的研究。美国国防部的d a r p a 计划己将锑化物材料与器件 列为重点发展方向之一，世界上许多重要的大学和科研机构都在这方面进行了研究， 如美国麻省理工学院林肯实验室、s a r n o f f 公司、海军实验室、休斯顿大学、德国 f r a u n h o f e r 研究所、慕尼黑工业大学、法国m o n t p e l l i e ri i 大学、日本大阪大学等。 从上世纪8 0 年代末，我国的科研工作者也认识到了锑化物材料体系的重要性，并 开始了相关研究工作。经过多年努力，在锑化物能带设计、材料外延、掺杂行为、器 件设计等方面积累了丰富的经验，并取得了一系列成果。 锑化物材料和器件的研究存在相当的难度，主要表现在： ( 1 ) 锑化物材料存在很大的不互溶隙，在不互溶隙范围内的材料为亚稳态，优质 材料生长难度十分大，是i i i v 族化合物中最复杂的材料之一； ( 2 ) 锑化物的器件工艺相对砷化物、磷化物而言还不成熟，难度大，有待深入研 究与解决； ( 3 ) 窄禁带中红外半导体器件的载流子吸收、俄歇复合、表面复合等效应较大， 影响了器件性能，这也是国际上主攻的科研方向之一。 本论文在高功率半导体激光国家重点实验室的支持下，开展了i n p 基锑化物材料 理论分析、m b e 外延材料生长和特性研究。其目的是深入理解锑化物薄膜材料的特性和 制备方法，为近中红外半导体激光器件的研究提供理论和实验基础。 2 第二章文献综述 2 1 半导体激光器简介 激光是“辐射受激发射光量子放大”的简称，是一种亮度高，方向性和单色性很 好韵相干光辐射。除了常见的固念红宝石激光器以及h e n e 激光器外，目前半导体激 光器己经成为激光器的重要组成部分。其主要工作原理是通过大量注入p - n 结的非平 衡载流子的辐射复合产生受激辐射光子，并在一定条件下形成具有完全相同特性的光 子流，从而产生激光“。 半导体激光器是一类电流运作的理想光子源器件。自问世以来，经历几十年的发 展，就器件类型、结构、增益介质而言，从早期的同质结，经历了单异质结、双异质 结、量子阱、应变量子阱等直到今天的正在发展的量子点以及量子级联激光器0 1 。激光 器的阈值电流密度从1 0 5 a c m 2 ，下降到今天1 0 2 a c m 2 数量级。器件的可靠性寿命从几分 钟增加到百万小时连续运作。波长覆盖区从中远红外至紫外，输出功率从若干毫瓦直 至百瓦水平。而其应用领域也涉及诸多方面，如光纤通信、光盘存储、激光传感、激 光印刷、以及军事方面的激光测距、制导、窃听等，甚至在激光加工和激光医疗等方 面都不失其高效率、小型化、可集成等优良角色而受到充分的重视。 h a l l 和n a t h a n 等人在1 9 6 2 年制备出了第一批半导体激光器，并分别发表了相关 的文章0 1 。他们采用6 a a sp - n 同质结作为激光器的有源区，该激光器的基本原理是通 过施加正向偏压，向p - n 结中注入大量非平衡载流子形成载流子的反转分布，以形 成足够大的光增益，并通过一个合适的谐振腔使受激辐射在其中形成多次的反馈而形 成激光振荡。由于这种激光器效率比较低，结构也不完善，所以阈值电流很大，高达 1 9x1 0 4 a c m 2 ，而且需要在低温下工作( 7 7 k 以下) 。图2 1 为半导体激光器的整体结构 示意图。 v o l t a g e b i a s m e t a l c o n t a c t 图2 1 半导体激光器的整体结构示意图 随着g a a s 同质结激光器的出现，这种同质结半导体激光器的理论很快被应用于其 他材料体系。其他i 一v 族化合物的激光性质都是与g a a s 十分相似。g a p 与g a a s 以不 同比例制成混合晶体g a a s 。p 。可以获得波长范围为0 8 4 p m 到0 6 4 p m 的激光。i n p 的禁 带宽度略小于g a a s ，其激光波长相应的向长波长方向移动，约为0 9 p m 。g a s b 、i n a s 和i n s b 的禁带宽度对应波长分别为1 5 6 、3 1 1 、5 1 8 p m ，进入更远的红外区，这样 的激光器必须在低温下工作。除了一v 族化合物可用于激光器以外，其他一些j i 一 族化合物，特别是铅盐p b s 、p b s e 等也能制备出p - n 结激光器。这些半导体激光器都 是注入式激光器。当激光器工作时，为了实现反转分布，p 区和n 区都需要重掺杂，一 般都达到1 0 ”c n l 。形成激光发射必须满足以下三个基本条件：( 1 ) 大量注入非平衡载流 子，形成分布反转，使受激辐射占优势；( 2 ) 具有谐振腔，只允许半波长整数倍等于谐 振腔长度的驻波存在，不符合这个条件的波逐渐被损耗，实现光量子放大；( 3 ) 注入电 流至少达到阈值电流密度，使增益最起码可以弥补损耗。因为此类激光器损耗较大， 量子效率较低，所以受激发射需要的闽值电流密度比较高，只适合在较低的温度和脉 冲状念下工作。 为了提高激光器的性能，科学家们不断尝试新的材料和结构体系。为了在半导体 中产生高效率的辐射复合，1 9 6 3 年美国的e r o e m e r 和前苏联的a l f e r o v 提出把一个窄 带隙的半导体材料夹在两个宽带隙半导体之间以形成异质结构，利用宽禁带材料和窄 禁带材料的带阶来限制载流子外漏，从而大大提高辐射复合的效率”1 。这一理论的提出， 给半导体激光器设计指明了一个新的方向。根据这一理论，美国贝尔实验室以a 1 g a a s 为宽禁带材料，g a a s 为窄禁带材料，制备出了一种单异质结激光器”1 ，阈值电流为8 6 x1 0 3 a c m 2 。其结构如图2 2 ( b ) 所示。该激光器利用两种材料的带阶作为势垒，把电子 和空穴限制在有源区，减少了载流子向有源区之外扩散，降低了损耗，提高了量子效 率，有效的降低了阈值电流密度，这是进一步提高激光的功率和工作湿度的基础。 在7 0 年代，前苏联科学院a 1 f e r o v 等人将单异质结激光器进一步改善，研制出 p - a 1 。g a 。a s g a a s n - a i ，g a 。a s 双异质结构半导体激光器( d h l d ) 。此激光器是典型的一 个窄禁带材料( g a a s ) 夹在两个宽禁带材料( p 型和n 型a 1 g a a s ) 的结构。此结构的优点 在于：( 1 ) 有源层两侧的带阶对注入的载流子有限制作用，有利于产生高的增益；( 2 ) 有源区是g a a s 材料，折射率较高，两侧限制层材料a 1 g a a s 折射率较低，可有效的将 大部分光场限制在有源区内。这种对载流子和光场的双重限制，更有效地降低了损耗， 提高了量子效率，所以双异质结激光器阈值电流密度又比单异质结激光器更低。双异 质结激光器结构如图2 2 ( c ) 所示。 随着异质结激光器的研究发展，人们开始设想将激光器的有源区做得十分薄，以 致产生量子效应，会有什么结果? 在这种思想指导下，科学家们提出了量子阱、多量 子阱结构的半导体激光器”“。量子阱激光器最显著的特点在于有量子效应的存在，可 以通过量子阱的厚度柬调节材料的激射发光波长，并且有更高的量子效率，进一步降 低了闽值电流密度，大大提高了激光器的性能。 1 9 8 1 年，美国的曾焕添( w t t s a n g ) 又提出了优化量子阱势垒高度和厚度，以便注 入载流子能够有效克服势垒的作用而注入阱中，以及对载流子和光的分别限制的梯度 折射率波导结构( g r i n s c h ) “1 。用了这些改进措施以后，激光器的内部损耗显著降低， 量子效率可以大大提高，阂值电流下降到1 0 2 a c m 2 数量级，这两个里程碑性的工作充 4 分显示了量子阱激光器的优越性，促进了以后研究工作的开展。后来，g a r b u z o v 在曾 焕添分别限制波导结构的基础上提出了加宽波导激光器“1 ，主要是利用加宽波导层来调 整和控制波导对光场的限制作用，用这种方式取得了与分别限制波导结构相似的效果。 参看图2 3 几种不同的量子阱结构的能带图。 图2 2 半导体激光器的不同结构图 ( a ) 同质结构激光器：( b ) 单异质结激光器：( c ) 取异质结激光器 器怒嚣嚣鬣裟麓嚣。哪裂：黧黧篙誉盘漓”蹴慧麓蒜嚣i 茹驴“ r 厂、一厂艮、n n 厂 厂严艮少u 图2 3 几种量子阱激光器的能带结构图 ( a ) 单营子蝌 能带结构：( b ) 多量子阱能带结构：( c ) 梯度量子阱能带结构 1 9 8 6 年，y a b l o u o v i t c h 、a d m a s 等入在此基础上又提出了应变量子阱激光器的概 念n 9 1 。这种激光器通过构成势阱层和势垒层的两种材料的晶格失配在一定区域产生张 应变或压应变，由于应变的存在，载流子的能带和有效质量会发生一定的变化，充分 利用这种能带设计方面的自由度，可以得到非应变材料体系所无法实现的优良特性， 例如，可以提高光的增益，减少阈值电流密度等。对于应变量子阱激光器，在材料生 长时要充分考虑i 盛界厚度的影响，如果量子阱中势阱层的厚度超过了临界厚度，激光 器的有源区会产生大量的失配位错。反而会导致激光器性能恶化。在此情况下，科学 家们提出可在势垒层中引入适当的反方向应变，使势阱层与势垒层中的应变相互补偿， 这可以减小材料生长中临界厚度的限制带来的影响，有利于提高材料的生长质量，从 而进一步改善器件性能。 2 2 锑化物半导体激光器研究进展 2 - 5 p j n 是重要的大气窗口，并且包括了许多重要的分子特征谱线，如图2 4 所示。 工作于该波段的半导体激光器可望在分子光谱测量、激光医疗、红外雷达、空间点对 点通信和新一代氟光纤通信中有广泛的应用“。 苞 一p - h 7 一- m 一 一 一 啊g a n k 飘i t p o n - 一 ! 腻霉：矧孵 图2 4 红外波段大气透射谱及一些化学物质的吸收谱线位置 一v 族是目前研究的最为透彻的半导体光电子材料”1 ，图2 5 是部分i i i - v 族化 合物半导体材料禁带宽度和晶格常数的关系。由这些材料及它们组合成的三元或四元 合金，由于有一个或两个组分参数可以调控，从而可以获得较好的晶格匹配和满足带 隙要求的材料。 图2 6 是部分i i i - v 族化合物材料的激光器覆盖的波长范围示意图。在可见光波段， 以宽禁带的g a n 材料为主要材料；在近红外，尤其是重要的1 3 p j n 和1 5 5 p m 光纤通信 波段，g a a s 基和i n p 基材料互为补充，已有非常成熟的商用器件：在2 - 5 p m 中红外波 段，锑化物材料有先天的优势，与g a s b 衬底匹配的i n g a a s s b 、a 1 g a a s s b 禁带宽度对 应波长可以覆盖从1 7 到4 4 岬的波段。因此，大部分带间跃迁的中红外波段i 一v 族 材料的研究多集中于锑化物材料。 a l g a a s s b i n g a a s s b 中红外半导体激光器的研究最早始于1 9 7 8 年。d o l g i n o v 等人 首先研制成功激射波长为1 9 岬的双异质结结构的激光器”1 ，工作温度为9 0 k 。经过 k o b a y i s h i 等人的努力，在1 9 7 8 年用l p e 法获得性能良好的a 1 g a a s s b i n g a a s s b g a s b 材料，并用此材科成功制作了室温脉冲的激光器，激射波长为1 8 p m ，阈值电流为 5 k a c m 2 。到了8 0 年代中期，人们发现氟光纤的低损耗窗口在2 9 m 波段附近，于是希 望能将i n g a a s s b 系激光器的波长提高到中远红外波段。但由于i n g a a s s b 合金在i n 和 a s 的组分较高时会进入不互溶区，因此用l p e 这种热力学平衡的生长方法很难将激光 器的发射波长进一步向长波方向推进。而m b e 是动力学控制的非平衡生长方法，可以 6 克服这个l p e 无法逾越的障碍，突破不互溶区对材料组分的限制。 1 9 8 6 年b e l1 实验室的研究人员首先用m b e 生长了a 1 g a a s s b i n g a a s s b 双异质结激 光器材料。1 ，获得激射波长为2 1 岫的器件，能在室温下工作，阈值电流为4 2 k a e m 2 。 1 9 9 2 年m i t 林肯实验室的h k c h o i 和s j e g l a s h 第一个报道了采用应变量子阱作为 有源层的a 1 g a a s s b i n g a a s s b 激光二极管，激射波长仍为2 1 p m ，但阈值电流密度仅 为2 6 0 a c m 2 ，微分量子效率达到了7 0 。在室温下能获得1 9 0 m w 的功率输出。1 9 9 6 年 p r i n c e t o n 大学d a v i d s a r n o f f 研究中心的h l e e 等采用分别限制的有源层结构( s c h ) ， 所制备的激光器输出功率达1 2 w 。 岛 葛趸 基。 爱g e o c 口a ui 墓董 翟| 善兰 3 l o t t i c ec o n s t a n t ( a ) 图2 5 部分i i i v 族化合物及其台金的禁带宽度和点阵常数的关系 1 t 1 1 r 一5 w a v e l e n g t h ( p r o ) 图2 6 部分i i i v 族化台物材料的激光器波长范嗣示意图 中红外波段的锑化物半导体激光器的一个重要用途是用于痕量气体检测，通常来 说，在中红外较长的波段检测精度要比在近红外较短的波段检测要高2 个数量级左右。 7 表2 - i 是几种气体分子的探测极限和波长的关系，我们从表中可以看出，对于c 0 ，在 2 3 3 岬处的检测极限是在1 5 7 卿处的1 6 0 ，在4 6 p m 处的探测灵敏度是1 5 7 脚处的 4 0 0 0 0 倍。对于c 0 。、n 0 等气体也有相近的结果“3 。“1 。 随着a i g a a s s b i n g a a s s b 激光器研究在2 i u n 附近取得突破，阈值电流和激射功率 达到相当高的水平，科研人员一方面将其应用于痕量气体的检测实验，另一方面将激 射波长继续向长波方向推进，并提高激光器的出射功率。 表2 - i2 5 l u n 波段儿种有害物质的探测极限与波长的关系 同时，2 - 3 岬的锑化物激光器在实用化方面也取得了可喜的成果”1 。1 9 9 7 年美国 s o u t h w e s ts c i e n c e s 公司的d a n i e lb o h 等人利用波长为2 6 5 p m 的激光器对n o 进行 了检测实验，探测精度达1 5 p p m 。2 0 0 0 年斯坦福大学机械工程系的高温气体动力学实 验室建立了一套激光二极管传感器系统，对c 儿预混燃烧炉进行在线检测。利用波长为 2 3 岬的a l g a a s s b i n g a a s s b 激光器对准c o 气体在2 3 肿附近的特征吸收峰，探测在 燃烧区和尾气区c o 气体的含量。同时也利用d f b 激光器检测h 2 0 和c 0 2 的分布。测试 结果表明，对c 0 的探测精度达l o p p m 。 1 9 9 9 年s a r n o f f 公司的6 a r b u z o v 等人将a l g a a s s b i n g a a s s b 多量子阱激光器的波 长推进至2 3 2 8 岬，并实现室温c w 工作。在中红外波段，高掺杂限制层的自由载流 子吸收是影响器件性能的重要因素，针对这个问题，o a r b u z o v 提出在有源区的两边增 加非故意掺杂的加宽波导( b r o a d e nw a v e g u i d e ) 的设计方案。各研制单位纷纷采用这种 设计，激光器的性能有了很大的改善“”。1 9 9 8 年s a r n o f f 研究中心报道了创纪录的 l 9 w 连续工作的2 p , m 激光器和1 0 w 的阵列。进入9 0 年代以后a 1 g a a s s b i n g a a s s b 激 光器越来越受到重视，更多的研究单位投入其中。法国m o n t e p e i l i e ri i 大学的b a r a n o v 等在1 9 9 9 年研制出室温连续的单模2 3 p m 的激光器。同年，德国f r a u n h o f e r 研究所 8 ( i a f ) 也成功研制出室温c w 工作、激射波长为2 3 2 7 p ma 1 g a a s s b i n g a a s s b 多量子 阱激光器。2 0 0 2 年s a r n o f f 研究中心研制出激射波长为2 5 p m 的激光器，在工作温度 为2 0 。c 时阈值电流密度仅为2 5 0 a c m 2 ，c w 工作下功率可达1 w ，脉冲下的功率为5 w ， 激光器的内部损耗为4 c m ，微分电阻仅为0 1 q 。2 0 0 3 年s a r n o f f 将a 1 g a a s s b i n g a a s s b 激光器的波长推进至2 9 p m ，并实现室温c w 工作。德国的慕尼黑工业大学( w t u ) 在2 0 0 2 年开始了a l g a a s s b i n g a a s s b 激光器的研究，现己将激光器的激射波长推进至3 岬。 2 0 0 6 年，有研究单位报导了室温下工作的2 3 2 8 岬的a 1 g a a s s b i n g a a s s b 多量子阱 激光器，其各项参数均达到了很高的水平。 2 0 0 3 年，日本大阪大学的河村裕一等人报导了i n p 基i n g a a l a s i n g a a s s b 应变量 子阱激光器，激射波长为1 8 9 岬，1 3 k 下的阈值电流密度为2 5 0 a c m 2 。虽然其波长范 围相对较窄，但它与g a s b 基a l g a a s s b i n g a a s s b 材料相比，在衬底质量和器件工艺等 方面体现出来的优势而引起人们的关注“”2 ”。 锑化物材料的异质结能带结构有其特殊性，由i n a s 基和g a s b 基三元系、四元系 材料组成的异质结随组分的不同可以从第一类量子阱结构转化为第二类破隙型 ( b r o k e n6 a p ) ，这种能带的特殊性给激光器的设计增加了新的自由度，从而突破半导 体禁带宽度对激射波长的限制”3 “。1 9 9 5 年h k c h o i 和g w t u r n e r 采用 i n a s s b i n a i a s s b 应变量子阱有源区研制成功激射波长为3 9 9 m 的激光器，器件能在 1 2 3 k 下c w 工作。1 9 9 9 年美国海军实验室的j r m e y e r 等人优化了第二类量子阱激光 器的m b e 生长工艺，在4 0 0 4 5 0 下通过m b e 生长了i n a s i n g a s b a l s b 激光器材料， 所制备的器件激射波长为5 9 1 姗，在2 i o k 下c w 工作。2 0 0 1 年法国m o n t e p e l l i e ri i 大学报道了激射波长为3 5 胂的激光器，他们采用的激光器结构为在厚度为2 舯的 a i a s 。s b 。c l a d d i n g 层中包含应变i n a s s b i n a s 量子阱层。激光器能在2 2 0 k 下脉冲 工作，单面输出功率达5 0 m w 。然而随着a i g a a s s b i n g a a s s b 激光器的激射波长从1 8 p m 不断推进至2 7 呻、2 8 v a n 甚至3 岬，器件的阈值电流、内量子效率等性能随波长的增 加呈变差的趋势。s a r n o f f 研究中心研制了激射波长为2 5 岬、2 7 p m 、2 8 p m 的激光 器。在室温下，2 8 p m 的激光器内量子效率( 3 0 ) 下降为2 5 岬的激光器内量子效率( 6 0 ) 的一半左右。 随着激光器的波长向长波方向拓展，激光器的性能变差，这主要有三方面的原因： 首先，要使激光器的激射波长向长波方向推进，必然要提高阱层的i n 和a s 的组 分，这样会导致a i g a a s s b i n g a a s s b 异质结的导带带阶e 下降，使量子阱对载流子 的限制作用变差，载流子有更大的几率泄漏出去，导致器件的量子效率降低。 第二，随着波长的增加，载流子对光模的吸收以及俄歇吸收效应更加突出，激光 器的内部损耗也随之增加。 第三，i n 组分的增加会使i n g a a s s b 材料进入不互溶区，处于亚稳念的材料会对激 光器的性能产生不利的影响。 9 随着锑化物半导体激光器的波长不断向长波方向推进，我们需要在激光器物理、 激光器结构、激光嚣制作工艺、材料生长等方面不断努力，不断创新，以解决不利因 素的影响，提高激光器的性能。 1 0 第三章分子束外延( m b e ) 技术简介 3 1 引言 外延技术的进展在现代半导体物理和器件的发展中起着不可或缺的作用。m b e 技术 的出现更是激发了科学家们的想象力，给他们提供了一系列改进材料和器件的机会。 分子束外延( m b e ) 是一种多功能的超高真空外延技术，其基本原理是，在超高真空的环 境中，一种或多种组元的加热分子束或原子束喷射到受热的衬底表面，并发生反应， 生成单晶薄膜。分子束外延技术的发展使薄膜材料的尺度从微米量级进入原子层量级。 m b e 的起源可以追溯到1 9 5 8 年，当时g u t h e r 等用“三温度”法首次生长出了合乎化学 配比的化合物半导体薄膜：1 9 6 8 年d a v e y 和p a n k e y 等改进了真空条件，成功在纯洁的 g a a s 单晶衬底上生长了外延薄膜；1 9 7 0 年美国贝尔实验室的卓以和等正式提出了分子 束外延这一概念并在其技术发展上做出了重大贡献。同年a r t h u r 等研究了g a 和a s 在 g a a s 表面的动力学行为，这有助于了解了其中的生长机理。直到七十年代初期真空设 备商品化以后，m b e 才得到广泛的应用。随着m b e 设备的改进和完善，很多检测设备如 反射式高能电子衍射议( r h e e d ) 、俄歇电子能谱仪( a e s ) 、二次离子质谱仪( s i m s ) 等被 用于材料生长监控，这些强有力的控制和分析手段消除了大部分的猜测性因素，毫无 疑问地使m b e 具有超过其他材料制备技术的许多优点“1 。 m b e 基本上是真空淀积的一种复杂变种，其复杂程度仅仅取决于各个研究工作想要 达到的目标。因为是真空淀积，m b e 生长主要由分子束和晶体表面反应动力学所控制， 它同液相外延( l p e ) 和化学气相沉积( c v d ) 等其他技术不同，这后两者是在热力学平衡 条件下进行的。 a “m p m 图3 1 分子束外延原理示意图 m b e 的基本原理如图3 1 所示。从图中可以看出，每个m b e 系统的核心部分可以分 为三个区域。第一个区域是分子束产生区，即柬源炉。第二个区域是接近衬底表面、 各分子或原子束的交叠混合区。第三个区域是衬底表面，即发生结晶过程的区域。 在第一个区域中，分子束从处于超高真空条件下加热的束源炉( k n u d s e ne f f u s i o n c e l l ) 中产生，束源炉的温度由比例一积分一微分( p i d ) 控制器精确控制，并通过热偶 提供温度反馈。分子束流的大小由束源炉的温度决定，其稳定度可达l 。 第二个区域是分子束的混合区。由于系统处于超高真空的环境里，分子的平均自 由程很长，可以认为入射分子间没有发生碰撞或其它的相互作用。 真正的m b e 外延生长过程发生在第三个区域，即衬底表面，其表面过程控制着材 料的生长，主要包含以下几个步骤： ( 1 ) 入射豹组分原子或分子在衬底表面进行吸附( 包括物理吸附和化学吸附) ； ( 2 ) 吸附分子在表面进行迁移和分解； ( 3 ) 组分原子与衬底或外延层品格点阵的结合或在衬底表面成核； ( 4 ) 未与衬底结合的原子或分子从衬底表面脱附。 图3 2 是在g a a s ( 1 0 0 ) 衬底上外延g a a s 的生长示意图，生长温度为6 0 0 。当a s 源为a s 。时，在衬底表面的粘附系数比较大，接近于1 ，而当a s 源为a s 。时，部分源裂 解为a s 。，a s 。分子在衬底表面的粘附系数比较小，小于0 5 。因此m b e 生长中采用a s 。 源比a s 。源有着更高的凝入率，有利于提高材料中a s 的组分，并且会带来更大的材料 设计自由度。 o 日一一t o “h d6 口a r u rr a c e r 6 ， 图3 ，2 在g a a s ( 1 0 0 ) 衬底上外延g a a s 的生长机制示意图 3 2 分子束外延技术的优点 分子束外延技术具有超过其他材料制备技术的许多重要的优点，其突出之处可归 结为如下： 2 ( 1 ) 生长高纯单晶的理想技术。因为在超高真空中生长，束流的纯度很高，受到 外来污染影响的机会很小。