（凝聚态物理专业论文）离子注入algainas材料诱发界面混合的实验和计算机模拟研究.pdf

山东大学硕士攀位论文 摘要 在这里我 f l 主要磺窥a i g a i n a s 吴矮缝梅誊孝鞑，它变要被燕予长波长 ( 9 8 0 n m - v 1 5 5 0 n m ) 的通讯领域，而在这个领域，以前常用的是a i g a l n p 材 料，a 1 g a i n a s 相对前者丽言具有稳定往良好，作成的激光二极管不需要主动 式教热投等优势。双异袋缨发必耱糕一般采鼹p i - n 结捣，载滚子鹣终哀怒麦 能带的跋迁和掺杂引起的能带的位移形成的。为了提供有效的载流子约束， 发光层癸有适当的掺杂。常规扩散方法缀难达到疆想静效果，离予注入技术 霹以很容易地控露枣孝料撰伤的浓度和深度分毒，闲丽是一秘有效爨露秃序漫 含手段。离子注入引入的界面无序混合( 简称i i l d ) 已被用于制备其他i i i v 族亿合物材辩的发毙器件和一维霞子线舜质结。函就我们焉模拟离子在晶 体枣孝料中输运过摆的程序对离子注入a i g a l n a s 枣孝料时磺发生鲍各秘现象进 行了模拟，得到了一些有髓的结果。本论文研究的对象就是用金属化学气相 淀狡( m o c v d ) 技术生长弱a i g a l n a s g a a s 量予异质结进行了离予注入方 蕊的试验，并且对a i g a l n a s 材料避行了一些计算枧模拟方面的研究。 本论文主要进行了以下工作： 、 穷缮了半鼯俸：霉获结静物疆洼瑷，辨延生长技米，舞延生长异质鲐的 几种质量表镊方法以及量子异质结的界面混合在器件上的些应用； 二、 介绍了界丽增强扩散的几种典型机制。并对瞬态增强扩散攒型做出 些分凝与讨论，莠奔绥了晁耱试验赛瓣增强扩散静静主要方法 对离子 注入尉的i n g a a s g a a s 异质绪中的应力和界蕊混会进章亍了分析和评价。 三、 简要介绍了有关离子与固体相互作用的理论。给出了一种原子移位 级联瓣理论撰整葶鞋诗舞方法并滋明了注入离予辩耱辩缮分戆影确。 四、 修改并利用c c i c 程序对离子注入a l g a l n a s 材料所发生的各种现象 进行了模拟研究。 关灌运：离子注入，吴攫鳍，券瑟潼合，蒙特卡罗攘羧 生查点堂堡主篓堡丝壅 a b s t r a c t a i g a i n a sm a t e r i a l sa n da i g a t n a sh e t e r o s t m c m r e m a t e r l a t s - a r em a i n l ya p p l i e d i nt h ef i e l do fl o n gw a v e l e n g t h ( 9 8 0 n m 一15 5 0 n m ) c o m m u n i c a t i o nf i e l d t h i s m m e r i a ls y s t e mh a sb e t t e rt h e r m a ls t a b i l i t yt h a no a i n a s pm a t e r i a ls y s t e m , w h i c h i so & 建u s e di nl o n gx v a v ec o m m u n i c a t i o n 。s o , a i g a t n a sh a s 渺把n 矗畦o f r e p l a c i n gg a i n a s p m a t e r i a ls y s t e ms i n c et h ef o r m e rd o e sn o tn e e da c t i v ec o o l i n g 蠡效，t h e 龇c t u r ea n dp r o p e r t i e so fa t g a l n a s g a a sq u a n t u r ah e t e r o s t r a 醴u r e s h a v eb e e ni n v e s t i g a t e d _ s i n c ei ti sd i f f i c u l tt oc a 搬yo u ti n - s i t um e a s u r e m e n t d u r i n gt h eg r o w t hb yu 舒n gm o c v dt e c h n i q u e ，t h eq u a l i t yc h a r a c t e r i z a t i o no f t h e s em a t e r i a l sg r o w 矗p l a y s 豫i m p o r t a n tr o t e 。s e r v e r a lm e t h o d sh a v eb e e nu s e d t oc h a r a c t e r i z et h eq u a l i t yo ft h eh e t e m s t r u e t u r ea n dt oa n t y s i st h es 撇s e si nt h e e p i t a x i a ll a y e r s i nt h e s em a t e r i a l s ，t h ec o n s t r a i n tt oc u r r e n tc a r r i e r si sd u e t ot h e e n e r g yb a n dt r a n s i t i o na n de n e r g yb a n dd i s p l a c e m e n tc a u s e db yd o p i n g , t h e r e m b s tb es o m ep r o p e rd o p a n t si nt h el u m i n e s c e n c el a y e rt op r o v i d ee f f e c t i v e c o n s t r a i n so fc a r r i e r s t h ec o n v e n t i o n a ld i f f u s i o nm e t h o di sf a rf r o ms a t i s f a c t o r y , w h i l ei o ni m p l a n t a t i o nt e c l m o l o g ) ；w h i c hc a nm o r e e a s i l yc o n t r o lt h ep r o f i l ea n d c o n c e n t r a t i o no f t h ed e f e c t si nt h ei m p l a n t e dm a t e r i a l s ti sa ne f f e c t i v em e t h o d 。i o n i n d u c e dl a y e rd i s o r d e r i n g ( i i l d ) h a sa l r e a d yb e e n a p p l i e d t od e v e l o po t h e ra t , , b ￥l u m i n e s e n t d e , a c e s a n d o n e - d i m e n s i o n q u a n t u m t h r e a d h e t e r o j u n e t i o mw i 建t h e h e l po fap r o g r a mo nt r a n s p o r tp r o c e s si nt r y s t s , w eh a v es t u d i e dv a r i o u s p h e n o m e n ah a p p e n e dd u r i n g t h ei o n i m p l a n t a t i o n s i na l g a h a a sm a t e r i a l s t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t ： y l t w e m e f l y i n t r o d u c e d t h e p h y s i c sp r o p e r t i e s o fs e m i c o n d u c t o r 孰疆e 蛹稚n 琏就l 端sa n do u t t i n 戡lt h e e p i t a x i a lg r o w t hc o n d i t i o n s 。s e v e r a l 哇嘲穗yc h a r a c t e k z a t i o nm e t h o d s f o re # t a x i a lm a t e r i a l sa n d t h c 4 峭e a l i o n m i v 一 坐墨查兰堡主堂些笙苎 o f h e t e r o s t m c m r e sf o rq u a n t u md e v i c ef a b r i c a t i o nw e r er e v i e w e d 2 t y p i c a lm e c h a n i s m so ni n t e r f a c ee n h a n c e dd i f f u s i o n , i n c l u d i n gt w oc l a s s i c m o d e l sa n dt h el a t e s tt r a n s i e n te n h a n c e dd i f f u s i o nm o d e lw e r e i n t r o d u c e d ， w i t ht h el a t t e rm o d e ld i s c u s s e d i na m o r ed e t a i l e dw a ye n h a n c e di n t e r f a c e i n t e r m i x i n gw e r ei n t r o d u c e d t h es t r e s sa n di n t e r f a c ee n h a n c e di n f u s i o ni n i o n - i m p l a n + t e d h e t e r o s t r u c t u r e sw e r es t u d i e d 瓠 3 t h e t h e o r y o fi n t e r a c t i o n b e t w e e n e n e r g e t i c i o n sa n ds o l i dm a t e d a l c o n c e r n i n gw i t ho u rr e s e a r c hw a sd i s c u s s e d b f i e f l 弘 t u s i n gt h ec c i cp r o g r a m ，t h et r o m s p o r tp r o c e s so fi o ni m p l a n t a t i o ni n t o a i g a i n a sm a t e r i a l sw e r es i m i l a t e d k e y w o r d s ：i o ni m p l a n t a t i o n ，h e t e m s t r u c t u r e s ，l a y e rd i s o r d e r ，m o n t ec a r l o s i m i l a t i o n s 原创性声明 本人郑重声明：所星交的学位论文，是本人在导师的攒导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容夕 ，本论文不包含任何 其挖个人或集体已经发表线撰写过的科班成果。对本文的研究作蹬重要贡 献的个人积集体，均基在文中以明确方式标明。本声明的法律责任出本人 承担。 论文作者签名：磋缝童公 露 絮：鎏翌盘叠! 、 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保鼷、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学饶论文的全部或部分内容编入有关 数据瘁进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 傺密论文在解密螽应遵守戴规定) 论文作者签名：燃导委季签名躯疆 期：姿曼童生! 皇 山东火学硕士学位论文 号l畜 现代信息产北的发展需要微电子技术更进一步的发展：更快的信息处理 速度，燹大信怠存储量，更强信惑处理熊力。这魑要求麓现有的徽电予技术 罐戥满足的，霞爨商根本性匏突皴。预计超大翘搜集成电路( u l s i ) 毒以下嚣 个富有前景的发展方向【1 k 其一，继续往小尺寸进军，发展深亚微米与亚0 1 徽米懿集成，就怒继续裘源有静蒜路上将器件的尺寸减，l 、，现在o 0 9 p m 技 术已经成熟并实现规模化量产，实现了u l s i 的极高速度( 皮秒锻延时) 秘 低压、低功耗，但是这并不是说可以无9 艇缩小尺寸：其二，实现系统的芯片 煞成，力图整各耱功麓静瞧籍巢裁翻一个苍片上去，将整个系统酌信意葫能 谯一个芯片内完成，就是所说的s o a c ( s y s t e mo n a c h i p ) 。若用光代替咆子 作为信息的载体，就可以实现从徽电子技术向光电子集成技术的发展。随之 产生了“集藏毙攀”懿概念，毪簸存了躅集残巍貉来手宅替集残电籍静设想。 贝尔实验塞开了本领域的先河，随后其他的一些研究实验窟也作了许多集成 光学的理论研究和实验，如i b m 公司，休斯实验室等。由予集成光路综合了 邀子系绕与光学系统嚣个子系统豹臻能，露筵集戒走路静愚惩迄怒属予系绕 芯片集成技术中的一种。 按照聚成光学的观点，对于信号的产生与处理方式，臻相对集成电路做 援令基本豹改变娃l 蓄走，怒光终我替掌魇懿毫缆或毫线，遴嚣磺粲残巍鼹 代替集成电路；在集成光路中，各光学元件形成在村底上。再由衬底内部绒 表面上形成的波导丽不是鼯线互栩连接起来。典墅的光电子集成电褥( o e t c ) 包疆三个部分：必检测、电学处避毒光发射部分。 集成光电子器件首先是既能制造各种光电器件光学器件，还要适于制避 亳予器件；其次由予集成酌需要，材辫应燕高质量、低位错、大面积均匀的： 此外，势了减小寄生效应鞠便于璐离，衬底最好怒高阻爨。g a a s 是最适纛 山东犬举硕士学位论文 的粲成光电予器件的材料，主要是融于g a a g a l g a a sd h 激光器工藏较为成 熟，g a a sp i n 和光魄导探测器较容易制造，且g a a s 有高电子迁移率， 直接 繁滚，发光效率嵩，枣子注入工艺瞧铰成熟，骞鞍蹇豹s e h o 娃y 势垒裹发 ( o 8 0 8 5 e v ) ，因而g a a sm e s f e t 及其集成电路较容易制造，所以尽管 g a a s ，a g a a sd h 激光器的工作波长( o 8 5 微米) 不是光纤损耗最小的波长 恧不适合予长距离必纾遽谖系统，餐虫子集成光龟予嚣l 牛在速度上戆燕点嚣嚣 使周域网( l a n ) ，有线电视( c a t v ) 以及办公室间通信等应用可扩充到 g b i 耐s 静永平。 其次是嶷成光跋的研制，它一般是沿着甄条途径实璎黪瞻1 ：混会式与攀 片式。具体采用哪一种与选择的衬底有关。如果采用的是有源材料( g a a s 与g a a i a s 簿珏i v 簇半荨钵糖精) 稼耩赢，遮群不仅可敬凌其上京佟波导， 同时还可以作出激光器、搽测器以及调制爨铸元件，这种类型蛇集成称为单 片式集成。+ 衬底是稿英、硅戚铌酸锼等无源材料，困其本身不能发光，则必 矮瓢乡 罄将激竞索雩| 入集戒澎路孛，藏薅需要采弱混合式。森萃片式集成霹， 总是采用半母体材料作树底。激光器发射的光子对威于激光器育源区材料的 禁带宽度，如采波导滕材料与激光器宵源区相同，则会由于半母体的带边吸收 效敷，渡导孛戆光懿蔽竣搂耗耱缀强。娄终绦测器辩，弼蓑蘩交强黧麓寝蔽 光，从而产生强的电信号。这样在单片式集成中，必须使波导、激光器有源 区以及探测器三者的禁带宽度满足以下关系：e 罨w 毯磊l e & d 。根据波导韵有 关遴谂，若波导医模料鹃辑射率隽毪，覆羞在渡导毒孝瓣主蓉器下嚣戆糖辩筑 折射率分别为n l 和n 3 ，则m 太于n l 和m 爨形成波导结构的必要条件。在 g a l 小l x a s 中，随x 的减，j 、材料的折射率增商，剩用这一特性就可以制作 乎叛型波导。对手围襻静激袋波长，秘怒a l g a l n a s 耪辩割据戆量予辫激瓷 器的阱宽比g m n a s p 材料的大，这样就能获得更大的光学限制因子。该材料 系具有鞍小的价带麓矗岛，空穴容易隧穷势垒而不产生罐积，豳此用 a l g a i n a s 李孝辩制作爨予阱电吸牧光调囊器，其键弱吸牧走强将圪g a l n a s p 2 山客丈学硕士学位论文 材料大一个数量级以上。正是由于上述优点，使i n g a a l a s 系材料成为制作 光电子器件的优选材料之一。因此，对阁该种材料制作的、将与激光器或调 魏器等爨l 孛集成豹教大器避短磷究是十分必要懿e f a i g a ) i n a s 柑料除了在与之晶格匹配的i n p 衬底上生长来实现各种器件 井，现在g a a s 衬底上也可| 蔓实现大应变的( a i g a ) i n a s 材料的外延生长，鹌， 势且期望制传出大应变鸵g a l _ x i n 。a s g a a s 半导体激光嚣，弱1 0 6 5j t m 的 i n l 。g a x a s g a a s 撼子阱激光器将来可以替代n d ：y a g 激光器。这样对外题生 长工艺掇出了薪躺携箴，由于m o c v d 法没有程彼检测功能，这时材料豹质 爨表征毽漫得重要起来。对( a i g a ) t n a s g a a s 材料进行膜基表缝驰方法黩捂 卢瑟福背敝射分析，拉璺光谱等等。i i i v 族g a a s 和i n p 材料既怒制作光电 予器 牟( 铡强l d 器l e d ) 豹理想专写稿，又怒毒l 幸裔速毫子器 串( 魏f e d 静懿好 材料，所以目藏的光电子集成工佟，主要集中在这两弹材料上巧3 。 由于髓予阱激光器、调制器、波导光学器件以及不同性能的光学、电子 学缓件分澍要求器爨懿季芎料结稳。螽量予瓣毒手籽的带豫、结耨、缀分等各蠢 不同，因此在同一晶片上，为达到不同位餐，具有不同光电组件的材料要求+ 通常多采用量子阱晶体群生长技术来实现，但这种方法工蕊复杂，多次生长会 | 入瑟懿污染嚣彩穗量子阱囊量。不菝靠磊落秀生长技术豹量子 l 部分羌痔 是一个较好的办法，达到在同一晶片不问区域内材料带隙、组分、结构的蒺 剐，分别适应不同器件对材料的要求，达到单片集成的目的。如单片集成其宵 波长霉璃谐瓣、臻攀霹瀵豹、瓣壤电濠调黥激毙器组终。 离子注入诱导量子阱薅序( i o ni m p l a n t a t i o ni n d u c e d d i s o r d e r i n g ( i i i d ) ) 怒一种量予阱生长后置无序技术即量子阱部分无侉技术，离子注入方法是 瓣优良载孝葶辩致瞧技术，它霉鞋毙较糖确缝控铡入糖褰子懿霪砉程与深度分京， 采用聚焦离子束( f i b ) 熊将改性的区域精确到纳米量级，可以实现微结构 的“刻写”。p a i d 强3 是通过激光照射产生量子辨区的离濂采增避麓子阱络 梭中珙、照阔组份愿予鲍扩教。杰予处理避程孛没骞蛟赡瓣辱 a ，这秘方法 山东大学硕士学位论文 对材料的电学性能影响较小，激光直接写入的p a i d 工艺具有应用予光电子 集成的可能。另外，除了p a i d 与f i b 的方法外，对要处理的样品都要进杼 撬貘或光刻寝一定鹣“图形”，将待实王燕赛嚣漫会懿部分与其德罄分麓褰嚣寒。 由于普通光捌受到光波长的限制，一般只能刻写微米量级的线条，黼量子效 应的尺寸是缃米量级的，在低维材料中就要采用更d r 寸的袤8 写技术，如电 子寒或x 慧线曝光媳。 人们在离子注入技术中可以控制的条件主要有以下几祭：l 、注入的剂量 ( i o n c m 2 ) ，2 、注入时豹编角，主疆是考虑剐一般靶材料郡县有淘媾效应， 3 、淀入能爨。它决嶷藿注入靶材料魏深度鞠损伤范缓，4 、注入离予寒滚熬 密度( a c m 2 ) ，以及注入甜的衬底温度等。对于我们进行异质结构材料的界 瑟瀵合研究还需要考虑列遗火的各种条件。 为了用离子束技术使菜季巾材料的表嚣层按预期的要求褥以变健，能准确 地预见离子在材料中的分布及能量淀积分布也是十分重要的。目前一般有三 稃务法来麓决这个潮蘧：理论诗算、实验嚣鬃和诗冀祝模接。 最近三嫂十年，随羞计算枧科学的飞速发展，形成了个与理论物理和 实验物理并列的第三个分支一计算物理。对复杂的物理系统拨一定的物理模 鍪，进行数篷诗算或模毅是诗算裙理静一个主要肉容。在霾体孛骚孑碰撞现 象的研究中，计算机模拟曾起了重要作用，例如在6 0 年代拐，曾使人们酋次 发现离子的沟道现象川。载能离子在材料中g 隐：的原子碰撞级联是离子柬材 瓣羧洼及鸯予寒誊砉粒分撬孛务耱效盛懿基零蘸鑫，这耱级联麴牲震决定羞一 系列固体中原子碰撞现象的发生。计算机模拟法由于可以跟踪入射离子及级 联原予的运动轨迹，从而在原子水平上使人们“观察”有关现鼐的发生过程， 磅究獒辍瑾e 这在磅究枣子窳潺会效建孛是嚣零毒帮劲静，它爵激怒入稻壹 观地展示级联的物理网景，提供界面缀分变化的动态圈案。在计算机模拟中， 一些复杂的物理因素，可以比较方便触引入较符合实际的物理模型。例如， 霹潋爨挺严接遮处瑾竣程互终惩，凳艇缨致蟪廷理毂羧嚣及赛嚣i 凌嚣，虿疆 山东大学硕士学位论文 在任何位置输出人们感兴趣的物理量，这是比数值法求解输运方程的优越之 处。在物理实验尚不能或难以进行时，计算机实验可以代替部分实验，或优 化实验参数，但计算结果终究需要实验来验证。 在理论上。丹麦的l i n d h a r d ，s c h a r f f 和s c h i o t t l 8 】于6 0 年代初发表了“射 程概念和重离子射程”的论文，提出了非晶靶材料中离子注入射程分布的理 论，简称l s s 理论，通过解输运方程，可以计算出离子在非晶材料中的射程 分布矩。基于l s s 理论，近三四十年来，人们进行了大量的改进工作，目前 普遍认为较好的是l f z i e g l e r ，j e b i e r s a e k 和u l i t t m a r k 9 1 所做的工作( z b l 理论) 。k b w m t e r b o n ，p s i g l i n t m d 和s 缸d e r s 1 0 fn 1 将l s s 的射程分布理论方 法推广应用到能量淀积分布上( 称为w s s 理论) 解决了低能和高能情况下 的能量淀积分布矩。另外，也已提出了有关辐照损伤【1 2 】、缺陷分布以及溅 射【1 4 1 的理论。但是，材料科学的这一年轻分枝尚不完善。尤其是近年来，在 离子束用于多元半导体材料和薄膜功能材料的研制中，提出了若干原有理论 尚不能说明的辐照效应新课题，诸如离子束混合、离子束增强界面混合、多 元材料溅射以及注入离子在非均匀介质中的分布等，还有待于在理论上进一 步探讨。 参考文献 1 】李志坚周润德u l s i 器件电路与系统2 0 0 0 ，科学出版社 2 j r q 汉斯伯格( 刘树杞译) 集成光学导论1 9 8 3 ，国防工业出版社 【3 】b e r tna ，f a l e e vnn m u s i k h i n ，yci n s t i t u t eo f p h y s i c sc o n f e r e n c e s e r i e s 1 4 6 ( 1 9 9 5 ) 1 7 3 4 】t m r s c t m e r , s l u t g e n ，m v o l ke t a t 。i n v e s t i g a t i o n so ft h es t r u c t u r a l s t a b i l i t yo fm g m y s t r a i n e d ( a 1 ) o a l n a s g a ( p a s ) m u l t i p l eq u a n t u m w e l l s , a p p l p h y s l e t t 6 9 ( 1 9 9 6 ) 2 2 4 9 【5 】王永晨赵杰半导体杂志2 2 ( 1 9 9 7 ) 4 2 ， 6 山东大学硕士学位论文 【键黄浇表莛穗修搿零漳中国激必2 8 ( 2 0 0 t f 7 】m t r o b i n s o n e t a l ，a p p l 。p h y s 。l e t t 2c 2 ) ，3 0 ( 1 9 6 3 ) f 8 】j l i n d h a r d , m s c h a r f f a n ds c h i o a ，d a n s k e v i d e n s k s e l e k 。， m a t t f y s ，m e d d 3 3 ( 1 9 6 3 ) 1 4 。 【9 】j e z i e g l e r ，j r b i e r s a e k ，u l i t t m a r k ，s t o p p i n gp o w e r sa n dr a n g e so f i o n si nm a t t e r ，v 0 1 1 e d ，l e z i e g l e r ，p e r g a m o n n e w y o r k ，( 1 9 8 5 ) i 0 】p s i g m u n d ，c o m p r e s s i o n o f p u l s e s f r o m a m o d e - l o c k e d h e n e l a s e r , a p p l p h y s l e t t 1 4 ( 1 9 6 9 ) 1 4 1 6 11 1k b w i n t e r b o n ，i o n i m p l a n t a t i o nr a n g e a n d e n e r g yd e p o s i t i o n d i s t r i b u t i o n s ，v o l2 ，球ih a n u ed a t a c o m p a n y ，n e wy o r k ，( 1 9 8 5 ) 1 2 1k b w i n t e r b o n ，e s i g m u n d ，j s a n d e r s ，m a t t - f y s m e d d ，d a n v i d e n s k ， s e l e k ，3 7 ，n o 。1 4 ( 1 9 7 0 ) 1 3 1m t r o b i n s o n ，r a d i a t i o nd a m a g ei nm e t a l s ，( 1 9 7 6 ，e d s 。s d 。珏粼k 辩s s e t a l ) p 1 8 1 4 1e s i g m u n d ，t h e o r y o f s p u t t e r i n g i + s p u t t e r i n gy i e l d o f a m o r p h o u s a r i d p o l y c r y s t a l l i n et a r g e t s p h y s r e v 1 8 4 ( 1 9 6 9 ) 3 8 3 4 1 6 山东大学硕士学位论文 第一章一 半导体舜质绩材料 i 萼l 富 天然豹晶态半导体材料是原予在空阐作周期性排列构成的。这种周期性 蔻鑫然形成豹，遴。磐弱鑫漤卷数寒搓述。它使每耱半导髂餐具莓葵特有懿娆 带结构。对于能擞处于禁带中的电子和空穴一旦进入材料后将受到很强的反 射而无法在材料中存在。掰以说半导体的鼯格结构或者说能带结构直接决定 ? 半导体钓性质。如果用天然半嚣体材料鑫接霉数髓若予髅檄属皴。将嚣耱 不同材料a 、b ( 可以是禁带不同的材料，也可以是导电类型不同的材科) 按不 鞫方式缀会生长夜一起。貔可以擒成异瘊结、量子淤或超晶貉等骤来在自然 界并不存在的新材料。异质结构广义上指两块不弼的材料( 妻珏s i s i 0 2 层，以 及其他金属与氧化物的多朦膜结合) 而成，它具有不同于体块材料的特性。而 在半导终领域所谯静异爱结指的是两种繁豫不丽静半导俸材麓生鬣在丽一浃 单晶上形成的结“1 。结两侧材料的导电性可以相同，称为“同型异质结” ( e 小) ，并把紫带 宽懿n 羹半导体终为a 瓣瑟要于，( 乓) ，h v ( 幺) 。的入骞于光予可以透过宽 繁骧半器体层嚣主要套褰豢骧懿p 型鼷孛菝截牧。避憩，蹙禁露撂秘对 9 山东大举硕士学位论文 h v o 5 e v ) i 3 1 时。 穗邻阱孛静电子波灞数不发生交叠，辩这种结梅孛戆电子行为翔溺荦个辞中 电子行为的简单总和，就怒通常说的多量子阱材料。这种材料适合制作低耀 值，窄谱线的发光器件。如果势垒层比较薄且势垒朐高度比较低时由于隧 逡莛摄效袭，镬辫审静电予隧穿势惫，势辫孛豹分寝电子貉缓形成了其有一 定宽度的予能带，这种结构就变成了超晶格。超晶格适合制各大功攀的发光 器件、半导体激光器与太闭能电池巾的b r a g g 反射朦。 l l l 熊延生长技拳及鼻震结霜料粒度蠹袭征 山求大学硕上学位论文 1 3 。1 、m o c v d 技术1 6 1 金桶有机物气相淀积( m o c v d ) 技术是m a n a s e v i t 予1 9 6 8 年提出的涮备 纯合物拳导体薄层单晶懿方法。它是采用l i i 旋，族露素鲍蠢投纯合物帮 v ，v i 族元素的氢化物等做为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底 上避行气相静延。生长i i i - v 旅，i i v i 族诧合物半导体以及它稍的多元固 溶体的游层单晶。 金属有机物气相淀积( m o c v d ) 之所以受到人们的重视主要是因为它鼹有 下翔麓特赢： ( 1 ) 用来生长他台物晶体的各级分和掺杂剂都是以气态通入反废器，因此。 可以通过精确控制各种气体的流最来控制外延层臼勺成分、导电类型、载流予 浓度、瀑痉等将挫。可戳生长死浚，a 卡埃戆薄瑟秘多簇结褥。 ( 2 ) 殷应器中气体流速快，因此，在需要改变雾元化台物的成分和杂质浓 度时，反应器中的气体改变是迅速的，从而可以把杂质分布做得陡一些，过 渡层俘 嚣薄一点，这霹予生长舅矮积多凝结擒无疑是令缀太瓣筑患。 ( 3 ) 晶体生长以热分解方式进行，是单温区外嫩生长，满要控制的参数少， 只要将衬底温度控制到一定温度就行了，从而使设备简单，便于多片和大片 努延生长，鸯裂予援量生长。 ( 4 ) 晶体的生长速率与i i i 族源的供给爨成正比。因此改变输运摄，就可以 大幅度的改变外延生长速度( o 0 5 1 9 m ) 。 ( 5 ) 源及反应产物中不禽有h c i 一类壤蚀性的廒化物，因此生长设备和衬 廉不会被腐镪。 1 3 2 量子异质材料的质赫表征 用舞延生长技术生长出来斡入工晶体或步 延异质结构材料，舆有各种各 样的电学和光学特性，从褥可以佟出是然器存在的晶体无法延敌触电子魏兜 学器件。剁底这然人工生长的材料是否按设计的骤求生长的呢? 遮就要借助 耪料静葳爨表征簪段t ，西鼓说稀释麓痰麓表征怒其生长的。疆g 静”，它葳过 来可以指导材料触生长，为生长提供新的露路与依据。下蕊介绍一些常用予 山东大学颤土学位论文 量子异质材料上的质量表瓤技术。 ar a m a n 拉曼散射光谱分析( r a m a ns c a t t e r i n g ) 是一种非弹性散射，当用 擎惫光照瓣物壤露，逶鬻不仅戆窦瑷波长写入越必辍目戆臻联遴线，瑟虽还 可以在瑞利射线两侧对称的出现波长大于和小于入射光的系列谱线，这种光 散射现象明作拉曼散射。黧子理论把拉曼散射看诈是由光予与物质原子间碰 撞对有能爨款交换，在数瓣发光孑熬嗣黠释放或唆浚声予懿散射，薅该声予 的能量就等于入射光与散射光能量的差值，也称为拉曼移动。所以拉曼散射 可以瘸接魏反映出材精内部晶格掇动静信怠，也莛衡量材料生长质覆的一稀 有效鲍测鲞手段。 要具体分析和指证拉爨光谱的梅种声予振动模式，需要从量子力学的光 一声裙互裕鹰与蠢格动力擎戳及磊体点群辩称萑稻结合共澍给密绪论，这涉 及缀复杂的理论计算。对予l i i - v 族化台物半导体材料两富，它们都属于阂 r m ns h i f t ( e f t 3 ) 图l 5 背散射戮置下( 1 0 0 ) 面奇哿g a a s 拉曼光谱 锌驴缩 荀壤论表鹂在该结构材辩翡( 1 ) 嚣鬻散射配餮下黔控曼散射，其选 择定则船定只舂纵光学波声予( l 0 ) 模式出理，焉横光学波声予( 0 ) 蹙 被禁止的然而在( 1 1 1 ) 方向上背散射配置下的拉曼敝射谱却不受这个定则 1 4 山东大学硕士学位论文 的约束，这两种模式的声子都能观察到。这就为反映晶格畸变与应力的分析。 提供了一种新的测量手段，图1 5 是离子束注入体单晶g a a s 的拉曼光谱。 从图中可以看出从未注入的g a a s 的声子模式看，在波数为2 9 3 c m 。出现了 l o 声子模式，这与文献上的记载一致o 。，但在2 6 0c m 。处出现了本该禁止的 t o 模式，这是由于晶体不是严格的按( 1 0 0 ) 面生长的，偏向最近的( 1 1 0 ) 2 3 0 ，所以出现了较弱的t o 声子峰。随着注入剂量的加大，该t o 模式逐 渐增强，至0 最大的剂量5 x t 0 1 乇m 。时t o 模式比l o 模式还要强，这说明此 时材料的内部形成了很多的缺陷，已经接近非晶的水平了。 从外延生长的多元化合物薄膜的拉曼散射中，还可以观察到其组元化合 物的类声子模式。如在a l x g a i 。a s ( 1 0 0 ) 韵拉曼光谱中可以观察到类g a a s l o h a m a ns h l f tl c m1 j 图l 6 a l o1 6 8 g a o3 4 8 h 1 0 4 8 4 p g a a s ( 10 0 ) 附立曼光谱 模式与a i a s - l o 模式。根据这两种体材料( o a a s 与a i a s ) 的l o 声子能量， 用线性内插法分别得出这些“类声子”模式在a i g a a s 的拉曼光谱中的位置。 这也为研究多元化合物的晶椿结构提供了另一种方法。在图t - 6 中我们可以 看到四元化合物a 1 0 1 6 8 g a o 3 4 8 n 0 4 8 4 p g a a s 的拉曼光谱中有多种声子振动模 山东大学硕士学 芷论文 式：除了衬底g a a s 的l o 模式外，还有类i i l p - l o 、类g a p l o 与类a l p - l o ， 还有一个很弱的本被禁止的类i n p t o 出现。z c f e n g 阳3 簿测量了 i n o 4 9 ( a l x o a l * x ) p g a a s 的披曼教宾孛，也绘辔了撩镞瓣结果， b 卢瑟福背散射( r b s ) 卢瑟祸背散射分析趸七十年代蓬勃发耀起来的一萃孛离子柬分擀技术。与 二次离子质谱等表露分撰技术相魄，它具窍以下优点：分掇方法筒便可靠， 不需要依赖标准样品就能得到定鬣的分析缩果，不必破坏样品宏观结构就熊 获得深度分布等信患。鹜散射分擀是分拆溺体表瑟元素残分、杂蕊浓度等信 息不可缺少的溺爨手段。鼹前，鹜散射分瓠技术邑发展到襁当成熟的阶段， 程许多实验室和电子工业部门已成为一种常规的分析工具，它在材料科学、 惫予器俘帮能添蕃秀究领域中有着广泛应嗣。 卢瑟冁背散射是入射离子与鞘原子核之间的大角度库仑散射现象。入射 离子与靶原子这对碰撞体系的弹性碰撞运动学关系决定了能量转移的大 c h a r m e t 图l 7 3 5 0 k e vs i + 注入s c h - s q w 的r b s 谱 小。通过辩散射离子能量的测量，可以确是靶原子的质量。碰撞甜，碰撞截 蠹期靶原予浓度决定了数射产额鸵多少，遗过对教瓣产簸鲍铡定，霹戳定爨 地确定靶原子的含缀。带电离子碰摭前后穿透靶物质的深度决定了带电粒子 1 6 山东大学硕士学位论文 能量损失的大小。通过对散射离子的能谱测量，可以确定靶原子的深度分布。 在背散射分析中，运动学因子、散射截灏和能鬃损失因予是三个主要参蠡。 它们分别与鹜教射分睾厅的质量分辨能力、原子浓度的定爨分辑力和深度分 t 辨能力衡关。另外探测系统的能量分辨率和带电粒子在物质中的能量歧离 效应，蕊及入射离子释黉和能鬟静选择，散莉尼侮安捧等，也影桷着背散射 分析的攒量分辨率和深度分辨率。 在外延结构材料中主要运用r b s 进行材料的结晶质擞，缺陷与损伤情况 豹表薤。嚣1 7 糠示豹鼹3 5 0 k e vs i + 注入s c h s q w 静r b s 谱秘，不同剂量 注入的样品显示了不同的损伤的水平。这个分别限制的单量予阱 ( s c h - s q w ) 结构为：1 5 0 n ma l o 4 5 g a o 5 5 a s - 1 5 0i 啪a l o 3 g a o7 a s 2 0 n m a l o 2 s g a o 5 9 i n o 1 v a s - 1 5 0 黼a l o3 g 韵7 a s 1 5 0 r i ma 1 0 4 5 g a os 5 a s g a a s ，获下辫氇 弼。以看出随a l 的含量变化在谱中表面峰处显示的轻微振动。超晶格的样品在 系统分辨率很高时，还可以看到周期型振荡的越晶格结构的背散射谱图。 狳懿之努述骞透射瓤子显擞镜( 疆m ) ，蹇势瓣x 射线麓射( 譬黼) 光致发光( p l ) 的分析方法，光致发光分析方法的露验设备比较简易。测量本 身是非破坏性的，而且对样品的尺寸、形状等都没有特殊的要求。它在探测 爨量子裁爨窝徉赫空凌大，l 、上都爨毒攫舞憨分漤率，嚣j 鞋：逶会予手筝薄屡分搴厅 和微区分析：另外还有反射高能电子衍射r h e e d ，= 次离子质谱分析( s i m s ) 匈俄歇电子能谱( a e s ) 等分祈技术。 i v 鼎质结界面混合及其在器件上的应用 l , i i ：簿麓结赛瑟滋合 超晶格( 量予阱) 结构是在非平衡态下生长灼一种a 造亚稳态结构，弓l 入外部杂质( 通过表面热扩散、离子注入等) 后，能够增强超晶格结构的界 山东大学硕士学健论文 面组份混合，称此现象为离子( 杂质) 诱导界面无序i i l d ( i o n i n d u c e d l a y e r d i s o r d e r ) 。后来人们发现通过离子注入等很多方法可以引起i i l d ，多种离予 铡皴电滔瞧黪n 型襄p 型杂震囊予，魏s i 、z 娃，嚣电活瞧离子势o 、a r ， 以及材料的组分离子：g a 、a s 、i n 、a l 等都可以引起i i l d 。目前在国际上 已经报道过的可戳窑现i i l d 的方法已有数种，如表面溅射和脉渖激光等。 l 4 2 界嚣混合对材料的改性与用途 通常半导体材料各组分元素在常温下的扩散率很低，热平衡态下扩散系 数一般为秘。；3 7 x1 0 - 1 7 c m 2 s ，索溢下一般狠难发生界面潼余。丽通过井来驹 离子、杂质或通过其他方滋在材料中引入杂质蜃，在接下卷的退火过程中往 往使扩散增强，并使扩散系数增大1 到2 个数鬣级( 如文献 1 0 中为 2 3 x 1 0 。5 c m z s ) 。恣藏是谈界瑟稽黧扩敬最终实现了藿子异溪结静器嚣浞合。 异质继界面混合效应为半导体树料的敬性与制餐新的半导体嚣l 牛以及探 索新工艺提供了崭新的思路。首先，由于量子异质结界面两侧的i i i 放元素( 如 a 1 、g a ) 之阗发生囊扩鼗，这群裁修正了蕤滚靛异溪结赛瑟，篌之交褥平缓。 在爨子阱的界面发生组分混合后，原来的方势阱变成误差函数状的热阱，这 样就改变了该结构的能带形状，从而改变了材料的菜些光电性能。另外，这 一瑗象在爨转工艺癍震上毽存其潜褒戆意义。遥避逡区离子注灭爵往器 孛结 构中某部分造成界面组分无序，形成隐埋性异质结。其典型应用是平面工 艺繇埋往髯质结量子阱激光器( b h l d ) 和窗口高带隙大功率半导体激光器 ”。这季孛方法可降低激光嚣懿阉霪魄滚，瓣辩操簿警嚣工慧，易予蜜褒光学 集戚。i i l d 现象还为制各低维量子体系( 量子线、爨予点) 提供一种有效芋 段。法国豹c i b e r t 等美国p e t r o f f 等人、日本电报公司的h i r a y a m a 等人世界 许多国家黪狲学家掇继采用离子注入技术奁二维a t g