（微电子学与固体电子学专业论文）ingaassb新结构量子阱激光器的优化设计与生长.pdf

摘要 g a s b 基双极级联新结构量子阱激光器可以有效提高器件输出功率，改善器件特 性，近年来受到广泛的关注。 本文针对高质量的g a s h 基锑化物材料生长和特性表征作了较细致0 ，j 研究工作，在 超薄层外延生长，量子阱结构的优化设计等方面取得了一些进展。在此基础上对 i n g a a s s b 双极级联新结构量子阱激光器结构进行了理论优化设计，取得了如下结果： 理论上分析了g a s b 基材料的基本性质，采用线性插值法计算了i n g a a s s b 、 a 1 g a a s s b 四元体系的晶格常数、禁带宽度、折射率，并利用分子束外延( m b e ) 技术 对g a s b 、i n s b 以及i n g a a s s b a 1 g a a s s b g a s b 多量子阱材料的外延生长进行了深入的 研究，分析了生长温度、生长速度、v i i i 束流比、掺杂及生长速率等一些重要工艺参数 对材料特性的影响。优化了量子阱激光材料生长的最佳工艺条件，利用r h e e d ，x 射 线双晶衍射，光荧光谱对材料进行了检测与分析。并成功地获得了高质量的 i n g a a s s b a i g a a s s b 多量子阱结构材料。 在此基础上讨论了大功率半导体激光器目前存在的主要问题和限制，针对这些限 制，提出新结构量子阱激光器的工作机理，对i n g a a s s b 双极级联新结构量子阱激光器 ( 护2 o l a m ) 结构进行了理论优化设计，通过加入隧道结使多个有源区串联在一起，来提 高半导体激光器的微分量子效率，降低阈值电流，改善光束质量，提高器件功率。 关键词：半导体激光器 in g a a s s b 双极级联隧道结m b e a b s t r a c t g a s b - b a s e dq u a n t u mw e l lt h en e ws t r u c t u r eo fb i p o l a rc a s c a d el a s e rc a ne f f e c t i v e l y i m p r o v et h ed e v i c eo u t p u tp o w e r , i m p r o v i n gt h ed e v i c ec h a r a c t e r i s t i c s ，h a v eb e e na t t r a c t i n g g r e a ta t t e n t i o n i nt h i sp a p e r , h i g hq u a l i t ya n t i r m - y c o m p o u n d sg a s b b a s e dm a t e r i a lg r o w t ：, z a n d c h a r a c t e r i z a t i o n ，m a d eam o r ed e t a i l e gs t u d yo nt h eu l t r a t h i n - l a y e re p i t a x i a lg r o w t h ， q u a n t u mw e l ls t r u c t u r e ，o p t i m i z a t i o no fd e s i g nh a sm a d es o m ep r o g r e s s o nt h i sb a s i s ，t h e n e ws t r u c t u r eo ft h ei n g a a s s bb i p o l a rc a s c a d el a s e rq u a n t u mw e l ls t r u c t u r eo ft h e t h e o r e t i c a lo p t i m u md e s i g na c h i e v e dt h ef o l l o w i n gr e s u l t s ： t h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h eb a s i cp r o p e r t i e so fg a s b b a s e dm a t e r i a l s ，u s i n gal i n e a r i n t e r p o l a t i o nm e t h o dt oc a l c u l a t ei n g a a s s b ，a i g a a s s bq u a t e r n a r ys y s t e ml a t t i c ec o n s t a n t ， b a n dg a p ，r e f r a c t i v ei n d e x ，a n du s i n gm o l e c u l a rb e a me p i t a x y ( m b e ) t e c h n o l o g yo ng a s b ， i n s b ，a n di n g a a s s b a 1 g a a s s b g a s bm u l t i p l eq u a n t u mw e l lm a t e r i a l s ，t h ee p i t a x i a l g r o w t hc o n d u c t e di n d e p t hr e s e a r c h ，a n a l y s i so ft h eg r o w t ht e m p e r a t u r e ，g r o w t hr a t e ，v i i i b e a mr a t i o ，d o p i n ga n dg r o w t hr a t ea n ds o m eo t h e ri m p o r t a n tp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h e m a t e r i a l c h a r a c t e r i s t i c s o p t i m i z e dq u a n t u mw e l l l a s e r m a t e r i a l s ，o p t i m u mg r o w t h c o n d i t i o n s ，t h eu s eo fr h e e d ，x r a yd o u b l ec r y s t a ld i f f r a c t i o n ，o p t i c a lf l u o r e s c e n c es p e c t r a o ft h em a t e r i a lw a st e s t e da n da n a l y z e d a n ds u c c e s s f u l l yo b t a i n e dh i 曲- q u a l i t yi n g a a s s b a i g a a s s bm u l t i p l eq u a n t u mw e l ls t r u c t u r em a t e r i a l b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no fe x p e r i m e n tw ed i s c u s s e dt h em a i np r o b l e m sa n dl i m i t so f h i g hp o w e rs e m i c o n d u c t o rl a s e r sw i t ho r d i n a r ys t r u c t u r e ，t h e ni n t r o d u c e dt h e o r yo ft h eh i g h e f f i c i e n c yh i g hp o w e rb i p o l a rc a s c a d es e m i c o n d u c t o rl a s e r s w ea n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c s s u c ha s ：i n n e re f f i c e n c ya n de x t e r n a ld i f f e r e n t i a lq u a n t u me t a l u s i n gt h en e wt h e o r y , w e d e s i g n e di n g a a s s b a 1 g a a s s bb i p o l a rc a s c a d eq u a n t u mw e l ll a s e r s ( 婷2 o i 土m ) t oe n l l a n c e t h ed e v i c ed i f f e r e n t i a lq u a n t u me f f i c i e n c y , l o w e rt h r e s h o l dc u r r e n ta n di m p r o v et h eb e a m q u a l i t y , i m p r o v ed e v i c ep o w e r k e yw o r d ：s e m i c o n d u c t o rl a s e ri n g a a s s b b i p o l a rc a s c a d e t u n n e lj u n c t i o n m b e 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 g a a s s b 新结构量子阱激光器的优化 设计与生长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己经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研芗：做出重要贡献的个人和集体，均已在文日以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：圣监趔年立月j 鞠 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中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论 文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它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。 作者签名拟鞋卫2 垃年三月二确 指导导师签名：乞驾；凄蚕幽年三月2 扣 1 1 半导体激光器发展简介 第一章引言 在1 9 6 2 年的固体器件研究国际会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者 克耶斯( k e y e s ) 和奎斯特( q u i s t ) 报告了砷化镓材料的光发射现象【l 】。这引起通用电 气研究实验室工。呈师哈尔( h a l l ) 的极大兴趣，首批激光器就是这批科学工作者研究出 来的，这些半导体激光器也是同质结结激光器，有源区材料同是g a a s ，阈值电流密度 2 1 0 4 a c m 2 ，而且必须在1 9 6 低温下以微秒脉冲工作【2 l 。半导体激光器也以材料的p n 结特性为基础，电流注入p n 结中，电子空穴的产生复合并激发出光子，早期使用的 谐振腔是由2 个平行的自然解理面组成的，初期的半导体激光器结构比较简单。 继首批同质结半导体激光器出现之后，其1 1 1 v 族化合物半导体材料也应用在半导 体激光器中，但仍然是同质结半导体激光器，基本结构不变，但他们的研制成功也给 半导体器件的发展带来了更广阔的空间。 k r o e m e r 和a l f e r o v 于1 9 6 3 年提出把一个禁带宽度小的半导体材料插入到半导体 激光器结构中间被叫做异质结激光器，在禁带宽度小的半导体材料内电子空穴复合而 发出光，这个理论很快就被验证了，这种激光器的结构和效率都高于同质结激光器。 1 9 7 0 年，列宁格勒约i o f f e 物理研究所制造出双异质结构半导体激光器，材料是 p a i x o a l - x a s g a a s n a i x g a l 。a s ( d h l d ) p j 。这种新结构的特点是：在有源区两侧加入 的低折射率的a i o a a s 材料，有源区g a a s 材料具有很高的折射率，也就是我们现在的 限制层，这样就使光子在纵向上的损耗降低了很多，限制层的引入带来更高的光输出【4 】。 继双异质结激光器后出现的是条形激光器，成功的限制了光子和载流子在结平面方向 也就是侧向扩散，进一步改善了激光器横模与纵模、远场与近场等特性。 直到7 0 年代中期双异质结构半导体激光器的才可以连续稳定工作，于此期间人们 又发现了量子阱结构特性，并开发出了新型激光器，量子阱对扩散的限制做的很好， 把复合和发射限制在很小区域里，提高了半导体激光器的微分量子效率、特征温度等 性能参数p j 。 8 0 年代超晶格技术及器件结构同益成熟。这种结构的主要特点是在有源层边上增 加宽禁带的势垒层，这样对光场的约束就更好了，这种先就够的提出更有效地提高半 导体激光器有源区的光的质量。继而出现宽波导激光器结构，也是对光场很好的限制， 引入了加宽波导层结构，起到了与分别限制波导结构相同的作用，很好的限制了光场， 提高了半导体激光器的性能。 1 9 8 6 年，随着m b e ，m o c v d 等超薄层技术的发展出现了应变量子阱激光器，因 为m b e ，m o c v d 技术的出现使生长互不相溶的材料成为了现实，而且使的生长具有 一定品格失配的材料得到了实现，量子阱内部存在压应变或者张应变1 6 】。由于这种内部 的压力，我们利用它可以来提高半导体激光器的性能，阈值电流密度进一步降低了。 但也有很大的弊端，如果应变层过厚的话，将会导致整个器件的性能下降。针对这种 情况，提出了一个新理论在势垒中补给定量的压力，进一步改善器件性能。自1 9 6 2 年 半导体激光器问世以来，半导体激光器的研究正以飞快的速度前进着。图1 1 所示为半 导体激光器的能带发展图，可以看出现今的半导体激光器的结构与能带和性能都有着 极大的发展空间。 ( a ) 单量子阱 导带e 。 价带e v 导带e 。 梯度区 价带e v ( c ) 分别限制型结构 ( b ) 多量子阱 ( d ) 宽波导结构 图1 1 激光器的能带发展图 1 2in g a a s s b 应变量子阱激光器的研究 导带e c 价带e v 导带e c 宽波导 价带e 国际上发展的锑化物激光器波长覆盖范围主要在1 7 岬5 o u m 之间，并且随着能 带工程的发展，锑化物激光器的激射波长可向更长方向扩展。目前l n g a a s s b a i g a a s s b 应变量子阱激光器的研究主要方向是材料特性，i n 组分的关系与临界厚度，及应变量 子阱激光器的调制特性，以及如何获得高质量应变量子阱材料等方面f 7 】。高质量的 i n g a a s s b a i g a a s s b 应变量子阱激光器外延材料的主要生长技术有：m b e ，m o c v d 等。 i n g a a s s b 高功率半导体激光器可以在室温下无致冷工作，随着锑化物探测器、激 光器逐渐开始产业化，目前对锑化物材料的研究还不是很透彻，首先材料间的不互溶 隙，在锑化物多元材料的生长有很大难度，仍然需要进一步研究。 g a s b 基材料一直是多元锑化物的衬底首选材料，i n g a a s s b 应变量子阱激光器( 波 长覆盖中红外波段2 5 1 x m ) 也是选择的g a s b 衬底， 主要原因是 2 i n g a a s s b a i g a a s s b a 1 g a a s 等材料在g a s b 上可以很好的生长，晶格匹配性很好【引。 2 0 0 8 年，美国纽约州立大学电子与计算机工程系制作的l n g a a s s b 半导体激光器，发 射波长为3 微米，室温连续输出功率达到1 3 0 m w 。2 0 0 9 年法国蒙彼利埃大学的研究人 员在g a a s 衬底上制备了室温连续输出a 1 g a a s s b l n g a a s s b 量子阱激光器，发射波长 为2 2 微米 9 1 。 1 32 微米双极级联半导体激，七器的研究进展 传统结构的大功率半导体激光器是通过几个半导体激光器列阵分别制作，然后堆 砌封装在一个组件内形成的，且通常依靠增大注入电流来获得高输出光功率。由于大 电流注入存在着电热烧毁和大光功率密度下腔面处的灾变性损伤等问题，不同的管芯 封装在一起需要较高的封装成本，且存在机械故障隐患，使大功率激光光源的应用受 到限制l l o j 。双极级联半导体激光器的概念自1 9 8 2 年i 圭i t s a n g 等人提出后，由于其采用超 大光腔多量子阱结构，可有效地防止半导体激光器的光学灾变性烧毁，提高内量子效 率并改善远场特性，便于与圆形截面光纤进行高效耦合而受到了广泛关注。但受到材 料生长技术的限制，发展缓慢。近年来，随着m b e 、m o c v d 等先进生长技术的出现， 欧美等国家已经针对芯片结构设计，遂穿机理研究，量子效率的提高，波长扩展等做了 大量的研究工作，并取得了很多重要进展i l l j 。 1 9 9 1 年加拿大u n i v e r s i t yo f t o r o n t o 的研究人员报道了采用i n g a a s i n a i g a a s 隧道二 极管【1 2 】。1 9 9 9 年e l e c t r o n l e t ! 报道了室温连续工作的级联垂直腔半导体激光器，获得 1 3 0 的微分量子效率。2 0 0 1 年美国c a l i f o m i ai n s t i t u t eo f t e c h n o l i g y 的科研人员报道了波 长接近2 p m 的i n a s a i s b g a a i s b 异质结隧道双极级联半导体激光器，激光器在脉冲条件 ( 1 p s 1 0 n gc u r r e n tp u l s e sa tl k h z ) 工作时温度为1 5 0 1 7 0 k 时，实现外微分量子效率 7 0 ；当温度2 2 0 2 9 4 k 时，外微分量子效率超过9 0 【1 3 l 。2 0 0 1 年a p p l p h y s l e t t 也报道 了多量子阱i n g a n g a n 兰色发光二极管中加入g a n 隧道结后，实现了用低电阻率的n 型 g a n 接触层代替高电阻率的p 型g a n 接触层，改善了器件的输出特性；i n g a n g a n 隧道 结技术也已被成功地应用于g a n 基双波长发光二极管中。2 0 0 4 年法国t h a l e sr e s e a r c h a n dt e c h n o l o g y 研究所的研究人员连续发表了几篇文章，模拟计算了i n p 基双极级联激 光器，利用反偏隧道结连接三个有源区，可以获得2 3 0 的外微分量子效率和好的光限 制。2 0 0 5 年其制作的单横模i n g a a s p i n p 边发射双极级联激光器，经过结构优化，实现 了1 5 5 t m 波长输出，外微分量子效率达到1 2 6 ，证实了载流子的再生过程l l4 1 。2 0 0 6 年 美国m a r y l a n d 大学研制出了1 1 1 g a a s p i n p 双波长( 1 3 5 0 n m 、1 4 5 0 n m ) 双极级联激光器。 在国内北京工业大学沈光地课题组也做过这方面的研究，他们设计了i n g a a s 、 g a a s 隧道级联双波长大功率半导体激光器及隧道级联大光腔半导体激光器i ”】；河北工 业大学陈国鹰等人在2 0 0 6 年曾经用m o c v d 方法设计了i n g a a s g a a s 隧道级联多有 源区大功率半导体激光器。 3 1 4 本论文的主要研究内容 锑化物一直是半导体激光器的主要材料之一，本文通过实验分析g a s b 衬底的选定 与特征分析，在g a s b 衬底生长i n g a a s s b a i g a a s s b 等四元锑化物材料并对其进行分 析与测量，在现阶段i n g a a s s b 有源区的多量子阱激光器的基础上。本论文针对大功率 半导体激光器的现有问题，根据他人提出的随：主级联多有源区大功率半导体激光器的 概念，首先选用了g a s b 作为隧道结材料，这种：_ 行结构可大大提高了半导体激光器的性 能，提高了器件的发热性能、发光效率和内量子效率。根据隧穿理论本论文引入g a s b 材料做隧道结材料，针对高质量的g a s b 基锑化物材料生长和特性表征作了较细致的研 究工作，在超薄层外延生长，量子阱结构的优化设计等方面取得了一些进展。在此基 础上对i n g a a s s b 双极级联新结构量子阱激光器结构进行了理论优化设计，所设计的 i n g a a s s b 边发射双极级联半导体激光器，发射波长可达到2 微米。 4 2 1 分子束外延 第二章实验技术 分子束外延技术( m o l e c u l a rb e a me p i t a x y ，简称m b e ) 是一种超高真空条件下镀膜 技术，将原子芦分子束按照一定比例喷射到热的衬底上，从而达到理想的薄膜材料。 随着m b e 技术 j s t 展，很多半导体器件材料的生长得到- 实现，不同结构的器件，复 杂的多层结构、超晶格和应变层的生长【l6 。1 9 5 8 年，g u m h e r 用玻璃上生长出多晶薄 闪膜，是分子束外延的前身，此方法的主要思想和m b e 是类似的。1 9 6 8 年d a v e y 改 进了此方法，在真空条件下，生长出了g a a s f j 。1 9 7 0 年，在卓以和博士研究下，m b e 系统的基本结构完成了。 现在的m b e 设备由真空系统、生长系统和检测系统组成。工作时的真空度可达 2 1 0 - l o m b a r i l 8 】，m b e 主要特点是超真空的工作环境、洁净的衬底表面、低的衬 底温度、精确的检测系统和原子级生长速度。这样就实现了高质量、高精度的 薄膜生长。 生长系统是m b e 的主要部分，由束源炉、预处理室和生长室3 部分组成。对束源 炉加热将产生原子、分子束。原子分子束在超高真空下射向衬底，不考虑分子问的相 互作用，在衬底表面进行外延生长【l9 1 。精确的控制来源于首先对束源炉温度的控制， 通过控制温度来调节每种元素的流量，其次可以调节不同束源与衬底距离、夹角来控 制到达衬底表面的分子原子。 分子束外延技术生长过程如下：当入射原子分子在衬底表面吸附，根据吸附的形 式不同分物理吸附和化学吸附，粘附系数是一个很重要的参数( 粘附系数= 生长在衬底 上的分子数入射分子数) 口。g a 原子在g a a s 表面是化学吸附，a s 原子在g a a s 表面 首先就是物理吸附，因此a s 粘附系数基本是0 ，当g a 原子存在时，物理吸附转化为 化学吸附，a s 原子粘附系数变为l 。在i i i v 族材料生长中，i i i v 族元素的束流比是个 很重要的参数。在到达衬底表面的吸附分子原子经过一系类迁移、分解、扩散和脱离 等不同的变化，原子进入品格结构完成成核生长经过一系类化学变化完成成核生长， 最后部分原子或分子热脱离l z 。 在m b e 生长系统中，在每一个束源前都有一个用来终端束流原子、分子的机械快 门，方便快捷，可以随时控制各个组分原子分子的开始和结束，因为快门的开关时间 小于1 0 0 毫秒与1 原子层秒的生长速率相比可以忽略不计，并且可以通过电脑程序控 制。所以用m b e 方法生长的外延材料组分或掺杂突变可达原子级，精确度非常高。针 对不互溶隙内的多元系半导体材料，分子束外延在超高真空下，且生长温度较低，生 长条件远离热力学平衡念，其生长结果也是很好的1 2 2 。本论文使用英国v g 公司的 v 8 0 h 全固态源分子束外延系统进行材料生长。m b e 整个工艺过程基本按如下顺 序进行循环即： 除气 1 l 装源 i 再烘烤 上 再除气 系统烘烤 图2 1 分子束外延生长流程 检测系统是分子束外延技术精确生长的保证，由高能电子衍射仪( r h e e d ) 、四极 质谱仪、比例积分微分( p i d ) 温度控制器等【2 3 j 。分子束外延技术优越于其他技术如 l p e ，m o c v d 等的主要因素就是其检测系统的完善性，使的在晶膜生长中得到有效的 控制，另外就是其生长速度的缓慢，保证了生长晶膜的质量。 比例积分微分( p i d ) 温度控制器，是用来对加热的温度进行控制的，对不同元素 的束源炉加不同的温度，可以精确的控制分子束流的流量和密度，为外延生长提供了 精确的i i l - v 族元素的束流比1 2 4 1 。 高能电子衍射仪( r h e e d ) 是一个实时检测的监控装置，主要对衬底表面进行检测， 表面的平整度和清洁度及生长情况。但是高能电子衍射仪不可以在整个生长过程中一 直丌着，一般在每次外延生长的开始几分钟使用，在生长过程中是不丌的，主要原因 是会破坏生长环境，生长环境直接决定了外延薄膜的质量。由于r h e e d 的电子枪会 带来水汽与电子束流太高会使残余碳氢气体聚合带来的污染，并且电子束会使衬底表 面产生一定的损伤【l 3 。 m b e 生长系统中还有很多的检测仪器，四极质谱仪是对真空系统的检漏以 及生长系统的气体检测和分析的仪器【2 纠。图2 2 就是r h e e d 使用后系统中残余 6 气体的分析图，在图中我们可以观测到残余气体的种类和所占比例。我们可根据分析 图样观测出生长环境的气体，可判断是否适合生长。 三o ； ：0 ： 一o 2 2m b e 技术优点 010 2 03 0 4 05 060 m a s sn u m b e r 图2 2 系统中残余气体的分析图 m b e 技术优点目前用m b e 技术生长在异质结双极性晶体管、多量子阱激光器 ( m q w l d ) 、太阳能电池片、m o s 场效应晶体管、高电子迁移率晶体管( h e m t ) 、光电 探测器等半导体器件的生产中起到很大的作用，并成功地应用于无线通信、卫星通信、 光通信、电子对抗等民用和军用领域1 2 6 1 。而各大m b e 设备供应商也相继开发出第二代 生产型( 一次可生产7 片6 ”m b e 材料) 多片系统。可以预见，随着人们对电子、光电子、 光子器件的要求不断提高，以及各种半导体器件的性能的不断研究，m b e 技术在的地 位是十分重要的。下面对分子束外延技术的优点可归结如下： 1 有良好的生长环境，在高真空度的环境中生长，除了组分目标组分的原子分子 外，其他杂质含量少，这就是生长高质量薄膜的首要条件。 2 分子束外延生长是在一个非热平衡系统下的生长过程，可以生长不互溶隙的 材料，完成多元材料的生长。 3 对生长材料过程中的控制精度很高，比如对入射原子束分子束的控制、 衬底表面的控制、系统内气体的控制以及各个束源组分元素的控制等，使对生 长的控制达到更假精确i z 列。 4 衬底温度6 0 0 左右，相对其他外延技术衬底温度较低，对于生长突变 结结构有利。 5 生长速度慢，基本为1 原子层秒，这样的速度使外延技术生长达到了原 子级生长标准，可以很好的控制外延生长材料的厚度，而且生长的薄膜质量也 高且表面平整，易于控制达到理想的薄膜材料。 7 6 可以生长多外延层结构的半导体器件，按目标化合物成分或掺杂元素不同的杂 质浓度的差别按照设计的方向生长，可以及时切换不同组分的元素配比与流量或关闭 组分元素束源炉，而不影响材料的生长质量。 2 3x 射线双晶衍射原理及实验方法 。本论文的实验是在同本理学公司生产的d m a x 2 4 0 0 型x 射线双晶衍射仪上进行 的，选用透射性很强的x 射线，在不损伤样品的前提条件下，对相外延材料内部进行 很好的测量，x 射线是检测外延材料生长质量的重要仪器【2 引。x 射线衍射仪的基本原 理是布拉格定律： 2 d s i n 口= 刀兄 ( 2 1 ) x 射线源是c u 靶，x 射线波长元= 0 1 5 4 0 5 n m ，最大输出功率1 2 k w 。对于已知 的波长和d ，我们计算出口角，在对应的2 0 角附近我们把光电探测器接收x 射线。图 2 3 是x 射线双晶衍射仪的光路图，当x 射线经过晶体a 和晶体b 衍射后，在q 点附近 的x 射线探测器接收到信号，通过对9 角测量我们可以直接对样品的生长情况以及样 品的晶格常数以及组成成份进行分析。 a 图2 3x 射线烈晶衍射光路图 图2 4 单品g e 的x 射线舣品衍射光路图 8 针对m b e 生长的外延薄膜的质量，在不损伤样品的前提下对其进行测量和分析， 本论文中使用的是x 射线双晶衍射仪，可以测量外延生长材料的晶向、晶格常数等基 本特性，此外还可以根据图像测量出材料的组分，是生长多元材料的常用检测仪器。 由图2 4 可以看出基本光路图，我们通过s c 探测器得到的分析图样，可以直接得到单 晶g e 的晶向、波峰、半峰宽以及晶格常数等物理量，通过衍射图像可以看出材料的生 长情况。射线双晶衍射仪基本原理是当激发出固定江。长的x 射线后，经过狭缝1 和 狭缝2 对x 射线进行聚光等处理后，照在样品上产生禾射峰，通过分析x 射线光电探 测器出来的双晶衍射图，我们可以看到衍射波峰，与半峰宽的大小直接反映外延材料 生长的情况，可以通过衍射图来测量多元材料的组分，或晶体中是否存在缺陷等。 9 3 1 引言 第三章锑化物材料制备及表征 a i g a a s s b f l n g a a s s b 多量子阱激光器是中红外波段( 2 - 4 p m ) 的理想光源，在气体检 测、工业控制等方面有2 t 要的应用前景。2 p ma 1 g a a s s b i n g a a s , c b 多量子阱激光器采 用第一类量子阱结构，；：i g a a s s b 为势阱层，a i g a a s s b 为势垒层。i n g a a s s b 为四元系 材料，a s 和m 组分、势阱层的应变与阱宽这四个参数的不同组合都可使激光器的出射 波长为2 1 a m ，这为激光器的设计和优化提供了更多的选择1 2 9 j 。我们可以选择其中2 个 变量为调节的参数而另外两个参数则相应的确定下来。在具体计算中，我们选择阱层 的应变量和阱宽作为可调节的参数。作这样的选择是因为考虑到直接测试四元化合物 的组分比较困难，而材料的应变和阱宽可以通过x 射线衍射及其它仪器等测量手段确 定下来。 对于势垒层，考虑到晶格匹配和应变补偿，以及材料a i g a a s s b 存在较大的不互 溶隙1 3 0 】，可供选择的组分范围较小，我们选择的势垒层组分为a i o 2 l g a o 7 9 a s o 0 2 s b o 9 8 。 i n g a a s s b 是2 p r o 锑化物量子阱的势阱层，在生长过程中，当材料的组分变化过大， 处于无法互溶的带隙范围之内，容易产生分凝现象，会使i n g a a s s b a l g a a s s b 量子阱 的禁带宽度产生变化。禁带宽度的变化会引起激光器波长的漂移，也会造成量子阱发 光峰的强度明显降低，光荧光谱的半峰宽( f w h m ) 增加，这种情况会使激光器性能 变差。 对于中红外波段激光器，自由载流子吸收、俄歇吸收等效应是比较显著的因素。 激光器中光模的分布情况、光学限制因子等因素对激光器性能的影响也是至关重要的， 本章将从分析g a s b 基材料的基本性质着手，并利用分子束外延( m b e ) 技术对g a s b 、 i n s b 以及i n g a a s s b 、a i g a a s s b 及量子阱材料的外延生长进行了深入的研究，分析了生 长温度、生长速度、v i i i 束流比、掺杂及生长速率等一些重要工艺参数对材料特性的 影响【3 1 1 。优化了量子阱激光材料生长的最佳工艺条件，利用r h e e d ，x 射线双晶衍射， 光荧光谱对材料进行了检测与分析。实验结果用于指导量子阱激光器及双极级联激光 器的设计与生长。 3 2g a a s 、g a s b 基锑化物材料的制备 3 2 1 衬底的制备与选取 1 、锑化物材料生长中影响因素的分析 ( 1 ) 衬底的选择 对于i n g a a s s b 、a 1 g a a s s b 材料系激光材料，其材料中缺陷或其它非辐射复合中 心的密度会直接影响材料结构及光学性能质量。而衬底中位错和缺陷是外延层中缺陷 l o 的主要来源，因此衬底的选取和处理就非常重要。根据器件设计需要，并考虑衬底取 向偏差，选择低位错密度衬底。如果是经过预处理的衬底片，可在清洁的环境下直接 装入样品室1 3 2 】。对于没有经过事先处理的衬底片，则在使用前须经过以下步骤进行处 理：应按顺序用丙酮、乙醇等有机试剂清洗，去除表面的油渍；用去离子水反复清洗； 化学腐蚀去掉表面的微损伤层，g a a s 衬底用5 h 2 s 0 4 ：1 1 4 2 0 2 ：1 h e o 腐蚀液，g a s b 衬 底用b r 2 c h 3 0 h ( 0 3 ：9 9 7 ) 腐蚀应不断摇晃去除表面上的缺陷、氧化物2 ：l 有机物， 获得均匀的腐蚀表面。最后用流毒的超纯水( 1 8 m f 2c m ) 冲洗十分钟以形成表l 订钝化层。 用高纯氮气吹干表面。 ( 2 ) 生长温度、v h i 束流比的影响的影响 为了研究在m b e 生长过程中，生长温度及v i 比对g a s b 、i n g a a s s b 等锑化物 材料的影响，我们首先采用固定其它生长条件( 如：v i i i 束流比、反应室气体总流量、 压力等) 改变生长温度，测试外延材料的结构和光学特性，获得了一系列典型样品的 数据。我们在g a s b g a a s 材料生长中，选择了固定生长温度、反应室气体总流量、压 力等生长条件，同时保持i i i 族源流量不变，调整v 族源流量，观察外延片的表面形貌， 组分、结晶质量的变化，优化生长条件，选择合适的v i i i 束流比。 3 2 2 缓冲层对g a ( a s ) s b g a a s 、in s b g a a s 薄膜的质量的影响 ( 1 ) g a ( a s ) s b g a a s 薄膜的质量评价 g a s b 与g a a s 衬底之间存在7 的失配【3 3 】，制备高质量的g a s b 材料有很大的难 度，实验中我们设计了低温缓冲层+ 两步生长法来研究和制备高质量的g a s b 外延层。 我们使用不同条件生长的一系列g a s b g a a s 样品来研究缓冲层对g a s b 质量的影响。 我们研制的2 微米i n g a a s s b a i g a a s s b 中红外量子阱激光器是生长在g a s b 衬底上的， 引入g a s b 作为缓冲层后，可以较好的阻断衬底中的杂质和缺陷的，有效的改善外延材 料的质量。 基于上边的讨论，我们分别选择了相同生长温度，不同生长速率及不同缓冲层厚 度的一组样品的实验结果列在表3 1 中，在半绝缘g a a s ( 1 0 0 ) 衬底上分别在低温生长了 厚度为1 5 n m ，2 0 n m ，3 0 n mg a s b 缓冲层，生长温度从6 0 0 度开始， 然后缓慢降温至 g a s b 的生长温度4 5 0 度。在变温过程中，生长过程一直没有间断，避免生长停顿带来 的影响，然后生长的o a s b 外延层的厚度分别均大于1 0 0 n m ，在g a a s 衬底上生长的 g a s b 薄层样品达到完全驰豫的状态。g a s b 与g a a s 衬底有约o 1 的失配度，当其厚 度超过某一临界值时才会产生驰豫。g a s b 过渡层样品的质量会直接影响外延材料和器 件的性能。我们利用x 射线双晶衍射曲线表征材料的结构特性，并配合用光致发光谱 来衡量其光学性质。 从表中可以看到，没有生长低温( l t ) g a s b 缓冲层的g a s b g a a s 异质结样品， 双晶回摆曲线的半峰宽较宽，达到3 9 0 ”。表中a 、b 、c 三个样品的双晶回摆曲线的半 峰宽随着缓冲层的厚度不同变化，缓冲层的厚度并不是越厚越好。图3 1 是生长了低温 g a s b 缓冲层厚度为2 0 n m 的g a s b g a a s 异质结的x 射线双晶回摆曲线，从试验曲线中 计算出其x 射线双晶回摆曲线半峰宽为2 5 2 ”。实结果表明，缓冲层厚度2 0 n m 的样品 生长质量很好，在生长过程中可以通过生长一定厚度的缓冲层束提高外延层的质量。 从不同实验条件的几个样品的x 射线双晶衍射曲线计算结果表明，当g a s b 薄膜的生 长速率从o 1 0g m h 增加到1 4 3g m h 时，g a s b ( 0 0 4 ) 双晶回摆曲线的半峰宽从4 3 2 ”减 小歪2 5 2 ”。m b e 生长条件的参数优化为的低温g a s b 缓冲层厚度2 0 n m ，生长速率1 4 3 g r n h 。引入低温缓冲层可以缓解晶格失配应力，平滑材料生长表面，有效改善材料的 结晶质量。 表3 - 1 不同缓冲层及生长速率对g a s b g a a s 异质结质量的影响 一一 鼍 8 空 历 c 旦 三 t h e t a ( a r c s e c ) 图3 1 样品c ( 缓冲层厚度2 0 n m ) 的x 射线双晶i 亓l 摆曲线 我们同时选择了两个典型样品，一个是没有生长g a s b 缓冲层的a 样品，另一个是在 g a a s 衬底上插入了3 0 n m 的低温缓冲层的d 样品，进行了原子力显微镜检测。图3 2 是样 品a 的g a s b g a a s 外延层的原子力显微镜( a f m ) 表面形貌图片，g a s b 生长厚度为 1 0 0 n m 。a f m 照片显示样品表面不平整，呈较明显的斑块状。 1 2 r 蕾一。 脚 ，_ 、- 、 、 。，一1 mb -。 t_ 一 -o 、 、f 一 ： i- * 盎 。 。 ，；一一2 _ _ 幽3 , 2 样品a 的g a s h 层a f m 像幽3 , 3 样晶d 的g a s b 层a f m 像 样品d 的o a s b 薄膜表面肉龈观察为光亮平滑的镜面。图33 是1 0 0 r i m 厚度的 g a s b g a a s 材料的的原子力显微镜( a f m ) 表面形貌照片，从图中可以看出晶体表面均匀 的小颗粒排列比较整齐、平整。由于g a s b 与g a a s 衬底之间失配太大，高质量的g a s b 的薄膜材料很难获得，比较以上两个样品的表面形貌图片及双品衍射试验结果，可以 从不同侧面证明生长低温缓冲层对于改善o a s b 材料的结晶质量具有重要作用。 ( 2 ) i n s b g a a s 薄膜的生长 l n s b 是理想的中红外波段材料，但山于l n s b 和g a a s 之自j 存在较大的失配( 1 46 ) i n s b 或者g a g s 的界面中的某些晶格位置上产生原予空缺在m b e 生长过程中容易在 界面处产生犬量的位错使外延层质量下降。在考虑衬底取向、衬底温度，v i l l 束流 比等因素的影响后，我们采取g a a s 缓冲层+ 二步生长法制备高质量的l n s b 薄膜材料， 通过不断的调整生长参数并设计了不同类型、不同厚度的缓冲层，研究了在生长过程 中缓冲层对薄膜质量的影响。 第一组样品：我们在常规生长i n s b 薄膜之前，先在6 0 0 c 温度下，在g a a s 衬底上外 延生长02 1 t m 的g a a s 缓冲层，然后再降低温度到4 5 0 左右，生长l 到2 微米厚的i n s b ，b 延层；第二组样品的结构是：在g a a s 衬底上外延生长g a a s 缓冲层后，然后降低温度到 3 5 0 c 左右，又生长一层低温i n s b 缓冲层，之后继续生长l n 2 微米厚的i n s b 外延层；我 们利用x 射线双晶衍射方法测定了样品的结晶质量，筛选了两个生长的最好的外延层样 品用扫描电子显微镜和透射电镜( t e m ) 方法观察了i n s a a s 薄膜的表面形貌及界 面状态。图3 4 和图35 为加入不同缓冲层的i n s b ：b 廷层的t e m 像。 嘲3 4 样品ai n s b g a a s 薄膜的t e m 像 图3 5 样晶bi n s b g a a s 薄膜的t e m 像 由图34 中可清楚地看到，l n s b g a a s 界面附近存在大量的失配位错，这种高密度的 失配位错延生长方向扩展约2 0 0 n t o 厚度。 从样品b 的t e m 像中明显看到在靠近c c r a $ 衬底与结晶较差的g a s b 外延层之间 的存在不同厚度的c r a a $ 薄膜和i n s b 薄膜，由于这两层缓冲层的存在，界面间的失配 应力以水平位错的形式释放，使绝大部分失配位错集中在缓冲层附近，在g a s b 外延层 中的位错密度大量减少，图35 表明了界面处的位错随外延层的生长厚度增加迅速减 少。实验结果表明衬底中的缺陷与污染物等可以通过生长缓冲层来阻止，减小了衬底 表面对薄膜生长的影响。界面中的位错可以通过加入双缓冲层来有效的释放，x 射线 双晶衍射实验证明，在缓冲层上生长的i n s b 薄膜，当i n s b 外延层的厚度达到1 6 微米 时，i n s b ( 0 0 4 ) 衍射峰半高宽f w h m 缩小到2 8