（光学专业论文）ⅢⅤ族半导体三元含磷化合物的mbe生长与拉曼光谱研究.pdf

摘要 摘要 本文以“v 族半导体三元含磷化合物的m b e 生长与拉曼光谱研究”为 研究方向，文献调研和探讨了含磷化合物半导体器件的研究进展与应用：通过 研究工艺参数等对i n g a p c m a s 及i n g a a s i n p 异质外延的晶格匹配生长及表面形 貌变化的影响，实现了材料的m b e 优化生长；利用拉曼光谱技术，对i n g a p g a a s 及i n g a a s i n p 材料的穿透深度、内应力和有序度等进行了深入研究。主要成果 和创新点如下： 1 采用m b e 技术制备出v 族含磷三元化合物半导体外延材料，分析和讨论 了生长温度、i n g a 比、v 比等参数对材料失配度和表面形貌等相互影响 的关系。得到i n g a p g a a s 优化的生长条件为：生长温度为4 8 0 ，i n g a 束 流比为1 5 7 ：1 ，v 束流比为9 ：1 。i n c m a s i n p 外延层的优化生长条件为： 生长温度为4 6 0 ，i n g a 束流比为2 0 3 ：1 ，v 皿束流比为9 ：1 。 2 两种实验材料体系具有不同的拉曼穿透深度。对i n c m a s i n p 完全匹配材料 体系( i n 组分约为5 3 ) ，波长为5 1 4 n m 和6 3 2 n m 激发光对外延层的穿透深 度分别为8 0 n m 和2 0 8 n m ，无法穿透厚度在3 0 0 - - 4 0 0 n m 之间的实验样品外 延层。对于i n g a p g a a s 完全匹配材料体系( i n 组分约4 9 ) ，波长5 1 4 n m 和 6 3 2 n m 的激发光都会穿透厚度在1 3 0 n m 1 6 0 n m 之间的样品外延层达到衬底。 3 通过对i n g a p g a a s 和i n g a a s i n p 材料的拉曼光谱研究，发现失配应力会导 致峰位产生a t o 的频移量。随着i n 组分的增加，国的绝对值先减小后增大， a t o 由负值变为正值，在晶格最接近匹配的情况下a t o 的绝对值最小。拉曼光 谱中横光学峰的出现和增强表明外延层材料有序化程度的增加，对于 i n g a p g a a s 材料体系随着v 束流比的增加，其有序度先增大后减小；随 着生长温度的增加，b a 值近似线性递减，类i n pl o 模的峰位发生蓝移，表 明有序度增强。 关键词：m b ei n g a p g a a si n g a a s i n p 拉曼光谱 a b s t r a c t t h em b eg r o 砌_ o fv - i i ic o m p o u n ds e m i c o n d u c t o rc o n t a i n i n gp h o s p h o r u sa n d r a m a ns p e c t r o s c o p ya r es t u d i e di nt h i sp a p e r a ne x t e n s i v er e v i e wi sg i v e no nt h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h ep h o s p h o r u s b a s e ds e m i c o n d u c t o ra p p a r a t u s t h e t e c h n o l o g yo fm b e i si n t r o d u c e da n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep h o s p h o r u s b a s e d s e m i c o n d u c t o r e p i t a x i a ll a y e r s a r e i n v e s t i g a t e d t h eg r o w t hp a r a m e t e r s o f i n g a p g a a sa n dl n g a a s i n ph e t e r o s t r u c t u r e sa r e o p t i m i z e d t h e r a m a n s p e c t r o s c o p yi si n t r o d u c e da n dt h ep e n e t r a t i o nd e p t ho fr a m e ni s s t u d i e d t h e i n t e r n a l s t r e s se f f e c t sa n do r d e r i n ge f f e c t sa lea n a l y s e dw i t hr a m a ns p e c t r o s c o p y t h em a i nd e v e l o p m e n t sa n dr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： 1 t h ei n f l u e n c eo ft h eg r o w t hp a r a m e t e r ss u c ha sg r o w t ht e m p e r a t u r e ，i n g aa n d v i l lo nt h es u r f a c eq u a l i t ya n dt h el a t t i c em i s m a t c ho ft h et e r n a r ye p i t a x i a ll a y e r i sa n a l y z e d o p t i m i z e dg r o w t hc o n d i t i o n so fi n g a p g a a sa r ei n c af l o wr a t i oo f 1 5 7 ：1 ，v f l hf l o wr a t i oo f9 ：1r e s p e c t i v e l ya n dt h eg r o w t ht e m p e r a t u r ei s4 8 0 0 t h eg r o w t hc o n d i t i o n so fi n g a a s i n pa l ea l s oo p t i m i z e d ，w h i c ha l ei n c af l o w r a t i oo f 2 0 3 ：1a n dv i i if l o wr a t i oo f 9 ：1a t4 6 0 2 t h ed i f f e r e n tm a t e r i a l sh a v ed i f f e r e n tt h ep e n e t r a t i o nd e p t ho fr a m a n t os u i t e d i n g a a s a n p ( i n5 3 ) ，w ek n o w t h a tt h er a m a nl a s e rp h o t o n sc a r ln o tp e n e t r a t et h e e p i t a x i a ll a y e ro fi n g a a s i n p w h e ne x c i t a t i o nr a d i a t i o ni s5 1 4a n d6 3 2n n l ，t h e p e n e t r a t i o nd e p t ho ft h el a s e rp h o t o n si ni n g a a s i n pi s 8 0 n ma n d2 0 8 n m r e s p e c t i v e l y b u tt h e mc a np e n e t r a t et h ee p i t a x i a ll a y e ro fl n g a p g a a s ( i n4 9 ) 3 a 国w h i c hr e p r e s e n t st h es h i f to fp e a kl o c a t i o ni l lr a m a ns p e c t r o s c o p yr e f l e c t s t h ei n t e r n a l s t r e s se f f e c t s w i t ht h ec o m p o n e n to fi ni n c r e a s i n g ，t h ea b s o l u t ev a l u e o fa r ed e c r e s e e n e e sa n dt h e ni n c r e a s e s w h e ne x t e n s i o nm a t c h st ou n d e r l a y , t h e a b s o l u t ev a l u eo fa r ei sl e a s t t h ea p p e a r a n c ea n di n c r e a s eo ft om o d e r e p r e s e n tt h e i n c r e a s eo fo r d e r i n ge f f e c t s a sar e s u l t ，t h ev a l u eo f b a d e c r e s c e n c e sa n dt h el o c a t i o no fl 0 2b e c o m e sb l u es h i f t k e y w o r d s - m b e i n g a p g a a si n g a a s i n pr a m a ns p e c t r u m 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 舜南 三羔望一兰6 一竺坚旦一 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： t 。”“ ”“”h ”h ”h “r t ”_ “w h “f ，“”“。“”。w “” * v | * _ ”h “”+ ”。“”“”“”“r n ”_ “ h “ “”“。h ”“w ” 内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) 秘密1 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) l 机密2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 莆棚 j 华触 寻 二么f r 月 扩 年 第一章含磷化合物半导体器件的研究进展 第一章含磷化合物半导体器件的研究进展 第一节前言 在社会高度信息化的新世纪，人们都可以高速交换信息，使区域性很强的 政治、经济、文化国际化。但是，如果没有以晶体管为基础的半导体技术的发 展就谈不上个人计算机的高性能和多功能，没有以激光器和光探测器为主体的 半导体器件的发展，就谈不上信息的高速传输，也就是说不可能有现代信息技 术。分子束外延( m o l e c u l a rb e a me p i t a x y ，m b e ) 技术把薄膜材料的厚度从微 米量级推进到亚微米级以至单原子层尺度，使人们能够采用能带裁剪工程设计 材料与器件结构。m b e 由于在材料化学组分和生长速率控制等方面的优势，非 常适合于各种化合物半导体及其合金材料的同质结和异质结外延生长。 在v 族化合物半导体异质外延材料与器件的设计中，必须对晶格常数、 禁带宽度等参数进行选择和优化。三元、四元合金材料为材料与器件的设计提 供了很大的灵活性和选择性。在半导体材料的大家族里，以i n p 基和c j a a s 基为 代表的含磷化合物半导体材料在其中占有重要地位，主要得益于含磷化合物半 导体材料具有很多优越的特性。比如含磷化合物半导体材料自身具有抗氧化、 便于应力补偿设计和可制作长波长器件，使其在激光器【l 】、探测器【2 】、高速器件 【3 】和太阳能电池【4 】等方面发挥着重要作用。目前，金属有机化合物化学气相沉积 ( m o c v d ) 【5 1 、气源分子束( g s m b e ) 【6 】和化学束外延( c v d ) 【7 】是外延生长 含磷材料的主要手段，但由于金属有机化合物和氢化物等有毒、易燃易爆源料 所带来的安全、费用和环保等问题，其发展将最终受到限制。1 9 7 9 年，卓以和 等人【8 】第一个实现了m b e 生长含磷化合物半导体材料，从此，出现了许多关于 固态源红磷的蒸发生长高质量的l a p 外延材料的研究报道；同时，关于使用g a p 【9 j 和i n p 多晶材料【l o 】作为磷源生长l a p 外延材料也有报道，但存在着从源材料带入 杂质增加污染的可能，该方法的材料生长研究逐渐减少。 三温区磷裂解炉的出现使得全固体源m b e 技术获得了巨大突破。不同的压 力和源炉温度会有不同的磷的同素异形体存在，p 4 的粘滞系数几乎为零，仅仅 p 2 是材料生长的有效束流，传统的源炉对磷化物的生长具有很多的不确定性； 同时，低磷利用效率，使得大量的磷附着在腔体上，给抽真空带来了一定的困 第一章含磷化合物半导体器件的研究进展 难。磷裂解炉的利用，能高效率的利用磷源，不存在m o c v d 、g s m b e 和c b e 所面临的问题，在费用、安全性、可操作性以及材料质量等方面都具有相当的 优势，使固态源生长高质量的磷化物成为可能，拓展了m b e 可生长材料的范围。 因此全固体源m b e 技术成为当今重要的一门实验技术。 第二节含磷化合物半导体激光器的发展 1 2 1 含磷化合物半导体激光器在功率方面的进展 无铝半导体激光器连续波输出功率从十几毫瓦到十几瓦，效率、特征温度 和阈值电流都通过材料生长质量、结构优化得到有效的改善。目前，通过不同 的材料组合，孔径为1 0 0 , a n ，连续波输出功率达到7 w ，波长范围从7 3 0 n m 到 1 0 0 0 n m 的量子阱激光器技术已经很成熟y t l l - 1 4 ；发射波长在8 0 5 n m 的，连续波 输出功率为8 8 w ，效率为7 2 t 1 5 1 ；i n g a a s 和i n g a p i n g a a s p 波导层组合，制 备出了发射波长在9 4 0 n m 的激光器，并且已经商业化 1 3 , 1 6 , 1 7 ；发射波长在9 7 0 n m 的半导体激光器，准连续波输出单管最高功率为1 4 3 w ，效率为8 6 l ls 】；i n p 基量子阱激光器，孔径为1 0 0 a n ，波长为1 5 0 0 n m ，连续波输出功率能达到5 w 【1 9 j 。 提高无铝半导体激光器的功率主要有以下两种方法： ( 1 ) 控制有源层的温升 分别限制结构限制载流子在有源层内，限制光子在波导层内，这样可以把 有源层做的很薄以降低阈值电流密度，因而有效地限制有源区的温升，而较厚 的波导则降低了它上面的光功率密度，因而提高了光致灾变性损伤光强的阈值。 ( 2 ) 阵列 阵列是提高输出功率的有效途径。c l e o 9 7 会议报道了无铝高功率半导体 激光器阵列的最新研究成果【2 们。采用m b e 生长i n g a a s p i n g a p 应变单量子阱结 构，制成8 0 8 n m 波长阵列棒。腔长l m m ，棒宽l c m ，由2 0 个发射器组成，每 个发射器条宽1 5 0 9 m ，彼此中心距离5 0 0 z m ，因而填充因子为3 0 。在2 5 下，这种阵列连续工作的外量子效率为3 0 ，在1 2 0 a 的电流驱动下连续输出功 率1 0 3 w 。电流在1 0 - 。6 0 a 范围内，外量子效率为1 o 刑a 。光功率为6 0 w 时， 电光功率转换效率达5 0 。可以看出，电流1 2 0 a 时每个发射器的输出功率为 5 2 w ，对应的功率密度为8 6 m w c m 2 ，尚未观测到任何灾变性的退化。当工作 2 第一章含磷化合物半导体器件的研究进展 电流加至1 4 0 a ，外量子效率降至约1 7 ，这是由于n 型电极所用的低温焊料的 热学退化所致。 1 2 2 含磷化合物半导体激光器在结构方面的进展 1 9 9 0 年，i j i c h i 等人首次用i n g a p 代替a l g a a s 取得突破性进展【2 l 捌，其结构如 下图1 1 所示。许多实验室都开始了i n g a p 代替a i g a a s 用作包层的研究工作2 3 1 。 图1 1 用i n g a p 代替a i c r a a s 作包层的激光器结构 1 9 9 1 年，g a r b u z o v 在最初的研究中用液相外延( l p e ) 方法生长了一种 i n g a a s p g a a s 分别限制异质结构单量子阱( s c h s q w ) 激光器结构【2 4 】，如图1 2 所示。n 型和p 型包层分别为掺t e 和掺z n 的i m 4 9 瓯5 l p ( n = i x1 0 1 8 c m o ) ，有源 层和波导层为非掺杂的i n g a a s p ( n = 5 x1 0 1 6 c m - 3 ) ，有源层厚约2 0 h m ，波导层总厚 度为0 4 o 6 m ，各层晶格失配不超过0 1 。用该材料制成的条宽为1 0 0 m ， 腔长为1 2 m m 的激光器获得了5 3 w 的连续输出功率。 图1 2i n g a a s p g a a s 分别限制异质结构单量子阱激光器结构示意图 随后19 9 4 年，m i c h i oo h k u b o 等人通过引入缓变层继续对器件进行优化设 第一章含磷化合物半导体器件的研究进展 计，其结构如图1 3 所示。缓变层的引入抑制了异质结尖峰，尤其是价带界面的 突变，提高了空穴的注入使得串联电阻大大降低。光限制区的缓变结构提高了 电子注入量子阱的效率。与此同时，在有源区两侧形成了渐变折射率波导，使 得光束发散得到抑制，能够和光纤更好的藕合【2 5 】。 h e a v i l yd o p e dp + - g a a sc o n t a c tl a y e r p - i n g a a s pg r a d e dl a y e r p - i n g a pc l a d d i n gl a y e r p - i n g a a s pg r a d e dl a y e r s s l - s q wa c t i v el a y e r n - i n g a a s pg r a d e dl a y e r n - i n g a pc l a d d i n gl a y e r n - i n g a a s pg r a d e dl a y e r s n - g a a sb u f f e rl a y e r 图1 3 引入缓变层对器件进行优化设计的激光器结构示意图 i n g a a s p c m a s 材料系完全无铝激光器结构中i n g a a s p g a a s 材料带宽变化 范围小( 1 4 2 1 9 0 e v ) ，i n g a a s p 波导层和i n g a p 包层的导带差相对较小，载流子 容易泄漏到p 型包层，引起严重载流子泄露，导致阈值电流密度j m 增大及微分 量子效率和特征温度t 0 降低。为增大特征温度值( 即减少载流子泄露) 和提高 功率特性，许多研究人员开发了无铝有源区激光器结构。 19 9 6 年，w i s e o n s i n - m a d s o n 大学的j k w | a d e 等人【2 6 】设计制备了有源层无铝激 光器，其结构示意图如图1 4 所示。他们采用了宽带隙i n g a a i p 包层和宽波导层。 前者有效地降低了载流子泄漏，而后者保证了较低的内损耗系数( 约为2 c m 1 ) 以 及一个横向尺寸较大的光斑。 i t i - i n os ( g a os a l os ) o 矿p - l n o , ( g a o ，a l 貉蜘妒 ( 1 2 5 1 a m ) 1 。2 5 j m n ) l s o al 黼s pq 、 图1 4 有源层无铝激光器结构示意图 1 9 9 7 年，w a d e 对以前的激光器结构做了改进，设计制作了8 1 0 n m 波长的 4 第一章含磷化合物半导体器件的研究进展 i n c j a a s p i n g a p i n g a a l p 激光器。同前一种设计一样，他们使用i n o 5 ( g a o 5 a 1 0 5 ) o 5 p 作包层，此外又生长了一层i n o 5 ( g a o 9 a l o 1 ) o 5 1 光学限制层，以抑制载流子从量 子阱泄漏到波导层中。这种结构器件( 腔长为l m m ) 的j m 为2 9 0 a e r a 2 ，有相对较 高的t o ( 1 4 0 k ) 。腔长1 2 m m 不镀膜激光器在2 0 获得了5 w 的最大连续输出功 率。 1 9 9 8 年，w a d e 等人报道了他们的最新研究成果，所研制的有源区无铝宽波 导层i n g a p ( 1 m ) 结构激光器，腔长1 2 5 m m ，条宽1 0 0 # m ，4 、9 5 镀膜，得 到了创纪录的8 8 w 连续输出功率。 为了进一步改善半导体激光器的性能，人们又在结构设计中引入应变和补 偿应变。应变的引入会使的在价带顶的重空穴和轻空穴发生分裂，这个变化会 导致在价带边的态密度和电子、空穴有效质量的减少【2 7 】，这就使得应变量子阱 的阈值电流密度要比没有应变的要小，量子效率和振荡频率再次提高，并且由 于价带间跃迁的减小和俄歇复合的降低而进一步改善了温度特性，实现了激光 器无致冷工作。 图1 5 2 8 】为t o s h i a k i 等开发的具有代表意义的张应变和应变补偿量子阱激光 器结构。 ：o ：o 7 ， ：一o 7 ：o 图1 5 ( a ) 应变补偿的量子阱激光器能带图( b ) 张应变量子阱激光器能带图 1 2 3 含磷化合物半导体激光器在发光波长方面的进展 目前已开发出并投放市场的半导体激光器的波段有3 7 0 n t o 、3 9 0 n m 、4 0 5 r i m 、 4 3 0 n m ，4 8 0 n m ，6 3 5 n m ，6 5 0 n m ，6 7 0 n m ，7 8 0 r i m ，8 0 8 n m ，8 5 0 n m ，9 8 0 n m ， 1 3 1 0 n m 、1 5 5 0 n m 等，其中1 3 1 0 n m 、1 5 5 0 n m 主要用于光纤通讯领域。 6 8 0 n m 波段的激光器在信息处理、医疗以及工业技术中都有重要的应用。 5 第一章含磷化合物半导体器件的研究进展 t a p p u r a t 2 9 1 等人设计的结构如图1 6 所示，固态源分子束外延生长，内部量子微 分效率可以达到8 7 8 9 ，输出的功率如图1 7 所示，最大输出功率可以达到 5 2 0 m w 。 p + o a a sc o n t a c t o 12 a n p + g a i n p0 1 a n p + a i l n pc l a d d i n g 1 a n a i g a l n pc o n f m i n g0 1 4l a n g a l n pq u a n t u mw e l l7 n m a i g a i n pc o n f i n i n g0 1 4f a n n - a l l n pc l a d d i n g 1 a n n - g a l n po 0 5b a n n - g a a sb u f f e r0 1 2l a n n - g a a s ( 1 0 0 ) e x a c tc u ts u b s t r a t e 图1 6t a p p u r a 等人设计的6 8 0 n m 波段激光器示意图 羹 鍪 釜 图1 76 8 0 n m 波段激光器输出功率 波长范围为7 3 0 n m 一7 8 0 n m 的半导体激光器，在激光打印和医疗上具有重要 的应用。发射波长为7 8 0 n m 以下，以a 1 g a a s 材料为有源区的半导体激光器， 础的含量较大，在大功率输出方面有一定的难度。m u h a n n a l 3 0 1 等人制备的压应 变i n g a a s p 量子阱激光器，采用宽波导结构，基本结构如图1 8 所示。 6 第一章含磷化合物半导体器件的研究进展 幽，瓣1 4 0 = 7 3 0 a m ) 图1 8m u h a n n a 等人制备的压应变i n g a a s p 量子阱激光器结构示意图 8 0 8 n m 半导体激光器是n d ：y a g 固体激光器的有效泵浦源。有源区通常使用舢 含量为o 0 7 的a 1 g a a s 或者g a a s 材料，a 1 c r a a s 高质量的材料制备困难，g a a s 材料具有低的灾变光损伤功率，有源区逐渐被i n g a a s p 代替，但是i n g a a s p g a a s 材料的带隙补偿小，存在载流子泄露的问题，其结构如图1 9 所示。b o t e z 3 1 1 等 人通过采用较大带隙的含a l 有效的改善了载流子的泄漏问题，阈值电流密度为 3 1 0 a c m 2 ，特征温度达到1 3 5 k ，连续波输出功率达到6 1 w 。 0 7 ，硼毛g 鼬l a l 6 k 毋 弋 1 5 0 ah g 蠢a i p j 矧粥5 黼l 图1 9 发射波长为8 0 8 n m 的宽波导激光器全无铝结构( 左图) 和发射波长为8 0 5 n m 3 2 】有源区无铝结构( 右图) 9 8 0 n m 波段的大功率半导体激光器主要用于掺饵光纤的泵浦。图1 - 10 是 m a w s t 3 2 1 等人设计的发射波长为9 8 0 n m 的大功率激光器，连续波输出的功率达 到8 1 w ，功率转换效率为5 9 。 7 第一章含磷化合物半导体器件的研究进展 l n g a pc l a d d i n g 魄 c o f r e e m e n ! ；l ，6 2 # v ， 图1 109 8 0 r i m 大功率半导体激光器结构示意图 应变的引入会使的在价带顶的重空穴和轻空穴发生分裂，这个变化会导致 在价带边的态密度和电子、空穴有效质量的减少，这就使得应变量子阱的阈值 电流密度要比没有应变的要小。图1 1 1 给出了阈值电流与激光器功率的关系。 应变量子阱在设计时，控制量子阱的厚度是关键的技术，一方面要保证不要超 过临界厚度，另一方面要设计达到所需要的发射波长。 薹 寒 图1 1 l 激光器功率与阈值电流的关系 随着信息时代的到来，高速、大容量的光纤网络迅猛发展，人们对数据传 输能力高达1 0 g b s 光纤传输网络的需求日益增多。图1 1 2 是t o i v o n e n t 3 3 】等人通 过固态源分子束外延技术制备的i n g a a s p i n p 多量子阱激光器，发光波长为 1 3 5 0 n m ，阈值电流密度5 1 0a c m 2 。 第一章含磷化合物半导体器件的研究进展 2 o id - g a i n a s 1p mp j n p 盯d 剜3 e da c l i v er e , o n 1 2 i j mn - l h o n + - l n p s u b s t r a 塘 g o o d , c , o l n - t s p 执= 1 1 j m ) 6 0 as v o i n e o ( o 。，5 ) g a in a s pw e i l 2 0 0 ag a l n a s p ( - - 1 。 m i ) a r r i e r 9 0 0 kc 汜i n a s p 协：1 1 n 】 图1 1 2i n g a a s p i n p 多量子阱激光器结构示意图 1 2 4 含磷化合物半导体激光器在阈值方面的进展 人们一直在追求半导体激光器的低阈值发射，直到有了双异质结激光器， 半导体激光器的阈值才有了突然的下降。图1 1 3 为1 9 6 0 - - - 2 0 0 0 年半导体激光器 的阈值随时间的变化曲线【3 4 1 。 i 伊 鼍l o ， 盖 l i 0 l4 3j 洲 c m z 卿l m l m a o l d a e m e 陋啪啪咖8 蝴械1 9 7 0 ，卜、驴删一戤 l1 1 6 0 触1 舭a n l 唧抽m 础d o “u u 钵德 # 1 9 a t o m o l m p j c c o f , 蹦- s l q w 笳) o 一j1 9 鲢7 0 7 58 0器5的9 52 嘲 m 冷： 图1 1 3 半导体激光器的阈值随时间的变化关系 1 9 9 2 年，m c w u 3 5 】等人采用i n g a p 作为包层制作了i n g a a s g a a s i n g a p 桥 型波导结构，激光器条宽为3 , t a n ，腔长分别为2 5 0 j m 和5 0 0 j r n 时的阈值电流 分别为7 m a 和1 2 m a ，外部量子效率为0 9 m w m a 。 19 9 3 年，g u o d o n gz h a n g 3 6 等人通过对材料i n g a a s g a l r l a _ s p g a l n p 结构的 优化设计和生长条件的控制，用气相分子束外延制得了性能良好的i n g a a s g a l n a s p g a l n p 器件，最低阈值电流密度可达7 2 a e m 2 ，内部量子效率高达9 4 ， 9 j二娄t 第一章含磷化合物半导体器件的研究进展 以及内波导损失为5 4 c m 1 ，增益系数分别为0 0 9 1 c m m - a - 1 。 1 9 9 5 年，p t h i a g a r a j a n t 3 4 】等人利用气相外延生长技术生长了发射波长为 1 3 a n 的i n a s p i n g a a s p 应力多量子阱结构，光致发光强度和阈值电流的测量表 明该材料比i n c r a a s p 四元化合物材料的优化生长温度要低。在优化条件下生长 的i n a s p i n g a a s p 宽面激光器结构的阈值电流密度为4 0 0 a c m 2 ，非镀膜掩埋异 质结构激光器的阈值电流和内部损失分别为5 0m a 和8 0 c m 1 。 1 9 9 6 年，t o s h i a k if u k u n a g a t 3 7 】等人从实验上验证了s e o u n g h w a np a r k 提出 的理论，该器件0 7 5 m m 腔长的阈值电流密度为2 0 0 a e m 2 ，特征温度为2 6 8 k ， 发射波长为1 0 6 a n ，2 5 。c 下功率在2 5 0 m w 工作1 0 0 0 小时后仍然能稳定工作。 1 9 9 7 年，o v t c h i n n i k o v 3 8 】等人报道了l m m 长的激光器的阈值电流密度为2 7 0 a j c m 2 ，t o1 3 4 k 。 1 9 9 7 年，p e k k as a v o l a i n e n 3 9 】等人用固态源分子束外延制作了8 0 8 n m 的 g a l n p g a l n a s p 单量子阱激光器，阈值电流密度为2 3 0 a c m 2 ，腔长为2 m m 。 1 9 9 8 年，w a d e t 3 2 j 等人报道了8 3 0 h m 和8 1 0 n m 得到的阈值电流密度分别为 2 2 0a e r a 2 ，2 9 0a e r a 2 ；8 0 5 n m 结构中无帽层，1 0 0 m m 宽，l m m 长的 i n o 5 ( g a o 5 a 1 0 5 ) o 5 p 覆盖层和i n o 5 g a o 5 p 限制层得到j t h = 3 1 0a e m 2 ，输出功率为 6 1 w 。 g z h a n g 4 0 】也研制了一种9 8 0 n m 的i n g a a s f l n g a a s p g a i n p 结构，输出功率 仅为2 5 m w ，不过阈值电流密度为1 6 9 a c m 2 ，内部损失和内部量子效率分别为 5 0 c m 。1 和8 3 。 2 0 0 2 年d g o l l u b 2 l 】等人生长了g a l n n a s g a a s 单量子阱结构分布反馈激光 器，发射波长为1 3 a n 的激射，室温下连续工作的阈值电流为2 8 m a ，单面外部 效率为0 1 6 w a ，侧面模式抑制率在9 0m a 时为4 4d b 。 2 0 0 4 年万春明【4 l 】等人报道了一种采用大光学腔结构的i n c r a a s g a a s a 1 g a a s 应变量子阱高功率半导体激光器。对1 0 0 a m 条形，1 0 0 0 a m 腔长的制备 器件，测试表明器件的最大连续输出功率达到2w ，峰值波长为9 3 9 4n n l ，远场 水平发散角为1 0 0 ，垂直发散角为3 0 0 ，器件的阈值电流为3 0 0m a 。 第三节i n g a a s i n p 光电探测器 i n g a a s 材料及用该材料制作的光电探测器的优点有【4 2 】：( 1 ) i n g a a s 材料系 1 0 第一章含磷化合物半导体器件的研究进展 列可使用的生长技术多样化，且较先进，是一种比h g c d t c 更容易生长的合金材 料；( 2 ) 具有高灵敏度和探测率；( 3 ) 可在室温下工作，使我们降低甚至取消 探测器对制冷器的要求，减少了探测器的设计和制作尺寸、制作成本，提高了 探测器质量，增加了其可靠性。因此，i n c m a s 是制备光电探测器的很好的材料。 i n c r a a s 最初是应用于光纤通讯领域，由于i n o 5 3 g a o 4 7 a $ 的禁带宽度为0 7 5 e v ， 截止波长为1 7 , u m ，正好可以覆盖光纤通讯的波长1 3 t m 、1 5 5 l a n ，而且它 和i n p 材料可以做到完全晶格匹配，因此可以在i n p 衬底上生长出质量很好的外 延层，制备出高质量的器件。根据i n g a a s i n p 光电探测器不同参数的变化情况， 我们从结构、具体应用两个方面对其进展情况进行介绍。 1 3 1i n g a a s i n p 光电探测器的结构 i n g a a s 光电探测器的主要结构有p i n 结构、m s m 结构和a p d 结构。由于 i n g a a s 与金属接触的肖特基势垒高度只有0 2 e v ，难以直接利用m s 接触制作 m s m 结构【4 3 1 ，必须通过在i n g a a s 与金属之间引入合适的肖特基势垒来增强材 料，研究难度较大，工艺比较复杂。a p d 结构的i n g a a s 光电探测器的性能已经 超过由g e 制作的a p d 探测器，在光纤通讯领域得到了广泛的应用，但由于它 需要在较高的偏压下工作，暗电流较大，不适合空间遥感应用。 p i n 结构由于制作工艺简单，而且能得到较高的性能，所以目前大部分研究 机构研制的空间遥感用的i n g a a s 光电探测器都采用该结构。因此发展了各种不 同类型的i n g a a s p i n 光电探测器m j ，比如，按照光耦合方式的不同，p i n 光电 探测器可以分为正面入射、背面入射和侧面入射等几种方式。 揍越金居 图1 1 4i n g a h s i n pp i n 横截面 如图1 1 4 示，i n g a a s i n pp i n t 4 5 1 光电探测器是通过在n 型i n p 衬底上生长 1 1 第一章含磷化合物半导体器件的研究进展 晶格完全匹配的i n o s 3 g a o 4 7 a s 然后再生长i n p 作为覆盖层制作的。i n p 窗口层同 时也是欧姆接触层，重掺杂是为了有利于与电极之间形成欧姆接触层，i n p 的禁 带宽度比i n o 5 3 g a o 4 7 a s 的大，因此窗口层同时也是冒层，可以起到减少反向暗电 流的作用。 由于i n o 5 3 g a o 4 7 a s 与i n p 晶格匹配，所以i n g a a s 和i n p 可以形成异质结， 其平衡能带图如图1 1 5 示【4 6 1 。异质结结构是利用两种材料的带隙差所形成的导 带、价带的阶跃作为限制电子和空穴在有源区的势垒。因而易于产生光的增益： 两种材料折射率差形成的折射率波导，又可以有效地将光模限制在有源区内， 进而减少内部损耗，提高光电转换效率。异质结光电二极管的特点是【4 7 】：( 1 ) 存在特有的窗口效应；( 2 ) 频率特性依赖于入射光在异质结两种材料中的相对 吸收。入射光投射在异质结的禁带较宽的i n p 一侧，入射光子可以顺利地透过 i n p ，进入i n c m a s 中被吸收。 1 矗l c c 赞米舷级 i n o 弱g b 吼盯a 搴 v - i ti 3 5 , , v i 一 图1 1 5i n g a a s i n p 同型异质结平衡能带图 1 3 2 i n g a a s i n p 光电探测器的应用 h 1 x g a 山为直接带隙材料，其禁带宽度e g 随组分i n a s 的0 3 5 e v 变化到 1 2 第一章含磷化合物半导体器件的研究进展 g a a s 的1 4 3 e v ，与之相对应的截止波长分别为3 5 , u m 和0 8 , u m 。当x = 0 5 3 时， i n l x g a x a s 晶格常数与i n p 的晶格常数完全匹配，禁带宽度为o 7 5 e v ，对应的截 止波长为1 7 m a 。 用i n g a a s 制成的光电探测器可以覆盖1 1 7 a m 的近红外波段【4 酊。此波段 中包含重要的水汽吸收区( 1 3 8 a m ) ，因此在卫星遥感领域有重要应用【4 9 】。 此波段还具有一些独特的光谱特性：例如，除月光和星光及其反射光以外的夜 间物体背景光正好落于此波段，峰值波长约为1 6 5 a m ，因此用此波段成像进行 夜视，其性能将明显优于常规的s i c c d 红外成像和微光增强夜视等，成像分辨 率也明显优于长波红外和中波红外热成像；再如，许多地物和伪装在此波段都 有很独特的光谱特征，用此波段成像会有很好的伪装识别性能；1 5 1 7 a n 波 段是对人眼安全的波段，此波段的主动成像具有独特的优点，因此是很好的激 光测距和目标识别波段；此外，这个波段的光电探测器及其阵列在有害气体测 量、环境监测、过程检测和医学诊断等方面也都有重要应用1 5 0 - s l 】。 同时i n g a a s 还可以制作各种短波红外光电探测器，美国的e p i t a x x 公司 首先向欧空局新一代环境卫星( e n v i s a t ) 提供了1 0 2 4 元i n g a a s 短波红外扫 描型焦平面【5 2 1 。随后，美国传感器无限公司经过二十几年始终不懈地跟踪该领 域研究，于2 0 0 5 年发表的6 4 0 5 1 2 短波红外凝视焦平面探测器，可同时响应 可见( 4 0 0 - 一, 7 5 0 n m ) 、近红外( 7 5 0 1 0 0 0 n m ) 和短波红外( 1 0 0 0 - - 1 7 0 0 n m ) 光 谱范围，代表了目前国际最高研究水平【5 5 4 1 。 为使i n g a a s 探测器的截止波长向长波方向拓展，即制作所谓波长扩展的 i n g a a s 探测器，就需要增加i n g s a s 中i n 的组分从而使材料的禁带宽度相应减 小，同时导致i n g a a s 和i n p 衬底间晶格失配增大。在这种情况下，就必须引入 合适的缓冲层结构。用氢化物气相外延(