（凝聚态物理专业论文）磷离子注入诱导ingaaspinp量子阱结构混合的研究.pdf

天津师范大学硕士学位论文 摘要 光子集成( p i c ) 及光电集成( 0 e i c ) 器件的制备中，量子阱混合技术( o w i ) ， 作为一种十分有效的单片集成工艺手段，以其工艺简单、又能有效地调整量子阱 材料的带隙而成为人们研究的热点。量子阱混合技术主要包括以下几种方法：杂 质诱导扩散( i i d ) ，离子注入诱导无序( h c d ) ，光吸收诱导无序( p a i d ) 和无 杂质空位扩散诱导无序( i f 、，d ) 。 为了比较i i c d 和i f v d 对诱导量子阱无序的效果，本文首先采用磷离子( p + ) 注入诱导量子阱无序的方法研究了具有相同发射波长的i n g a a s p f l _ n p 多量子阱。 为了研究i i c d 技术中离子注入深度对钾i 的影响，本文设计了具有不同发射波 长的i n g a a s 【n p 双量子阱结构，并用i i c d 研究了材料带隙变化的情况。 首先，在离子注入诱导i n g a a s p h p 多量子阱混合的实验中，为了比较i i c d 和1 f v d 的效果，我们准备了三组样品：纯离子注入样品；先用磷离子注入后， 再用p e c v d 生长2 0 0n ms i 0 。作为退火覆盖层的样品和先用p e c v d 生长2 0 0n m s i 0 ：作为离子注入的掩膜后，再用磷离子注入的样品。根据t r i m 2 0 0 0 模拟计算， 离子注入的能量采用1 6 0k d v ，然后在高纯n 。的保护下进行7 8 0 。c 快速热退火 ( r t a ) 3 0 秒。用光荧光( p l ) 方法测试带隙兰移，结果表明：先离子注入再镀 2 0 0n ms i 0 。方法得到的带隙蓝移较纯离子注入方法大，丽纯离子注入方法又较 先镀2 0 0n ms i 0 。膜，再进行离子注入的方法得到的蓝移大。三种方法得到的样 品带隙蓝移都随注入剂量的增大而增大，然后趋于饱和，并发现，对应样品带隙 蓝移量最大的离子注入剂量约为l o ”。实验结果同时说明，两种方法相结合，带 隙蓝移主要是由离子注入诱导引起，但s i 0 。电介质膜对量子阱混合也起到促进作 用。 为了研究离子注入深度对量子阱混合的影响，我们在距离样品表面不同深度 处生长发射波长不同的双量子阱结构，一种样品距离表面较近的浅阱波长为 1 5 2 um ，深阱波长为1 5 9 u m ，另一种样品中，两个量子阱发射波长顺序与之相 反。当用某一确定能量的离子注入诱导量子阱混合时，由于两个阱深度不同，所 以得到的混合效应不同。根据t r i m 2 0 0 0 模拟计算，离子注入的能量为1 2 0 k e v ， 天津师范大学硕士学位论文 其造成损伤的分布在量子阱区域前。注入后，在高纯n 。的保护下于7 0 0 c 快速 退火3 0 秒。p l 结果显示，小剂量注入的情况下( 低于5 1 0 ”c m 2 ) ，缺陷的扩 散主要诱导了距离缺陷较近的浅阱的混合，且两个阱p l 峰位仍能保持较好的分 离；大剂量注入( 大于1x1 0 ”c m 2 ) 时，两个阱的p l 峰位不再保持分离，甚至 合并成了一个峰。在注入剂量达到约1x1 0 ”c m 2 时，发射波长为1 5 9bm 量子阱 混合的效果比1 5 2pi l l 量子阱更明显。 通过透射电子显微镜( t e m ) 对双量子阱结构混合前、后的阱区作了剖面微 观分析，结果表明，在剂量为5x1 0 ”c m 2 的磷离子作用下，量子阱仍然保持原有 的晶格结构，但量子阱区的界限由于混合效应显得模糊，这和过去用二次离子探 针( s i m s ) 研究量子阱混合的效果一致。 关键词：磷离子注入，量子阱混合，带隙蓝移，光致发光谱，透射电子显微镜 i i 天津师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t q u a n t u mw e l li n t e r m i x i n g ( q w i ) i sap r o m i s i n gt e c h n i q u ei np h o t o n i ci n t e g r a t e d c i r c u i t sf p i c ) a n do p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ( o e i c ) m a n u f a c t u r eb e c a u s eo f i t ss i m p l et e c h n o l o g ya n dt h ee f f i c i e n c yo ft u n i n gt h eb a n dg a pf o rq u a n t u mw e l l s t h e r ea r es e v e r a lm e t h o d st op e r f o r mq w i ：i m p u r i t y i n d u c e dd i s o r d e r i n g ( i i d ) ； i m p l a n t a t i o ni n d u c e dc o m p o s i t i o nd i s o r d e r i n g ( i i c d ) ；p h o t o na b s o r p t i o ni n d u c e d d i s o r d e r i n g ( p a i d ) a n di m p u r i t y f r e ev a c a n c yd i s f f u s i o n0 f v d ) i nt h i sp a p e r , i no r d e rt oc o m p a r et h ee f f e c to fq w ib e t w e e ni i c da n di f v d ，w e f i r s tp e r f o r m e dt h eq w if o ra ni n g a a s p i n pm q w ss t r u c t u r ew i t ht h es a m ee m i s s i o n w a v e l e n g t h sb yp h o s p h o r u s i o ni m p l a n t a t i o na n ds i 0 2c o a t i n g s e c o n d ，t o i n v e s t i g a t et h ed e e pe f f e c ti ni i c d ，w ed e s i g n e dad o u b l eq u a n t u mw e l ls t r u c t u r ew i t h t w od i f f e r e n te m i s s i o nw a v e l e n g t h s i nt h ef i r s te x p e r i m e n t ，i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fo w ib e t w e e ni i c d a n di f v d ，w ep r e p a r e dt h r e e 目i p so fs a m p l e s ：t h ef i r s tg r o u pi so n l yf o rp + i o n i m p l a n t a t i o n ；t h es e c o n di sf o rp + i o ni m p l a n t a t i o nf o l l o w i n gs i 0 2c o a t i n gi nt h i c ko f 2 0 0n mb yp l a s m ae n h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( p e c v d ) ；t h et h i r di sf o ra s i 0 2c o a t i n gi nt h i c ko f2 0 0n n la sam a s ka n dt h e np + i o ni m p l a n t a t i o n a l lt h e s a m p l e sa r ea n n e a l e da t7 8 0 ( 2f o r3 0s e c o n d su n d e rp u r en i t r o g e np r o t e c t i o nu s i n ga l a m pr a p i dt h e r m a la n n e a l i n gf u r n a c e t h ep h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l ) r e s u l t si n d i c a t e t h a tt h es e c o n dg r o u po ft h es a m p l ep o s s e s s e st h eb i g g e s tb a n gg a pb l u e s h i f t ，a n dt h e n i st h es e c o n dg r o u p ，t h et h i r dg r o u ph a st h es m a l l e s tb l u e s h i f t t h eb l u es h i f t so fb a n d g a pf o ra i it h r e eg r o u p ss a m p l e sa r ei n c r e a s i n gf i r s t l ya n dt h e ns a t u r a t e dw h e nt h ei o n d o s er e a c h e s5 x 1 0 1 3 e m 2 t h eo p t i m a ld o s ef o rr e a l i z i n gq w ii s1 x 1 0 1 3 锄2 t h e r e s u l t sa l s os h o wi o ni m p l a n t a t i o np l a y sad o m i n a n tr o l ei nq w ii nt h ec o m b i n a t i o n p r o c e s so fi o ni m p l a n t a t i o na n ds i 0 2f i l mc o a t i n g ，h o w e v e r , t h es i 0 2f i l ma l s o p r o m o t e st h ei n t e r m i x i n go fq w s i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c e so fi o ni m p l a n t a t i o nd e p t hi nq w i ，w eh a v e t t i 天津师范大学硕士学位论文 d e s i g n e da n dg r o w na ni n g a a s p i n pd o u b l e q u a n t u m - w e l l s ( d o w ) w i t hd i f f e r e n t e m i s s i o nw a v e l e n g t h s ( i no n es a m p l e ，t h ee m i s s i o nw a v e l e n g t ho ft h eu p p e rw e l li s 1 1 5 2um ，t h el o w e rw e l li s1 5 9i tm ；i nt h eo t h e r , t h ee m i s s i o nw a v e l e n g t ho ft h e u p p e r w e l li s1 5 9pm ，t h el o w e ri s1 5 21 tm ) w h e nt h ei o n si m p l a n ti n t od o w s , t h e i n t e r m i x i n go ft w ow e l l si sd i f f e r e n tb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n to fr e l a t i v ed e p t h sf o rt w o w e l l s a c c o r d i n gt r i m 一2 0 0 0s i m u l a t i o n ，t h ee n e r g yo fp h o s p h o r u si o ni m p l a n t a t i o n i s1 2 0k e v t h er t aa n n e a l i n gi sp r o c e s s e da t7 0 0 cf o r3 0s e c o n d su n d e rp u r e n i t r o g e np r o t e c t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i f f u s i o no fd e f e c t sg e n e r a t e db yi o n i m p l a n t a t i o nm o s t l yi n d u c eq w if o rt h ea d j a c e n tw e l l ，a n dt h ep e a k so fp lo ft w o w e l l sa r er e m a i n e di ns e p a r a t i o nu n d e rt h el o wd o s ei o ni m p l a n t a t i o n ( 5 x 1 0 1 1 c r n 2 ) ； w h e nt h ei o nd o s ei sl a r g e rt h a nl x l 0 1 2 c m 2 ，t h ep lp e a ko ft h el o w e rw e u sm o v et o s h o r tw a v e l e n g t hf a s t e ra n df i n a l l yt h et w op e a k sc o m b i n ei n t oo n ep e a k m o r e o v e r , t h eq u a n t u mw e l lc r o s ss e c t i o nr c g i o r lo fd q wi sc h a r a c t e r i z e d b ym e a n so f t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e t h er e s u r ss h o wt h a t t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo f q u a n t u mw a l l si sr e m a i n e dw e l la f t e ri o ni m p l a n t a t i o nw i t ht h ed o s eo f5 x 1 0 1 1 c m 2 a n dt h eb o u n d a r yo fq u a n t u mw e l lb e c o m e sv a g u ed u et oq w ib yi i c d t h i si s c o n s i s t e n tw i t ho u r p r e v i o u sr e s u l t sc h a r a c t e r i z e db ys e c o n di o nm a s ss p e c t r u m k e y w o r d ：p h o s p h o r u si o ni m p l a n t a t i o n ，q u a n t u mw e l li n t e r m i x i n g ( q w i ) ，b l u e s h i f t ，p h o t o l u m i n e s c e n c es p e c t r u m 口l ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p e ( a x i ) 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 上个世纪，电子学经历了从电学一电子学一电子技术一电子工程一形成电子 产业的历程，每一次变革都给人们的生活带来了翻天覆地的变化，从而造就出一 个辉煌的电子学时代。进入信息社会的二十一世纪，作为一门充满活力的学科一一 光子学，也正遵循着从光学一光子学一光子技术一光子工程一光子产业与电子学 相似的发展历程，其中，尤以信息光子学的飞速发展更为令人瞩目【啦】。目前， 光子学发展的焦点仍集中在信息光子学的领域，为了适应现代信息社会对信息量 的需求爆炸式的增长，促使系统不断向更高速率和更大容量的方向发展，这就使 得全光通信的实现成为可能。在实现全光通信的过程中，系统中所采用的光电子 器件要满足高可靠性、低功耗和良好的性能价格比，其必由之道将是对器件实行 光子集成和光电子集成- - - e p 将具有不同功能的光子、光电子器件实行单片集成， 制成光子集成电路( p i c ) 和光电集成电路( o e i c ) 模块，其中包括了激光器、探测 器、放大器、调制器以及光波导等。仿造集成电路的发展模式，在p i c ，o e i c 的 基础上发展成为光电集成系统( o e i s 或p i s ) ，最终将推动光子产业走向繁荣，形 成光子学的时代。 衬底材料的优化、器件功能的多样化和制备工艺的简单化、兼容化是实现 p i c 和o e i c 的关键。性能优异的衬底材料是实现高性能分立器件的保证，也为 集成化打下良好的基础；同一光电子器件最好是能“身兼多职”，减小集成难度； 工艺的简单化和兼容化是提高集成效率和降低成本必然要求。 量子阱混合( q u a n t u mw e l l si n t e r m i x i n g ，q w i ) 技术作为p i c 和o e i c 中的 一种后置工艺技术，在简化工艺过程中引起了人们极大的兴趣i 挪。q w i 技术就是 在生长量子阱材料时使其带隙相对于所需器件的带隙有一定的余量，随后对材料 进行改性处理以改变量子阱的带边结构和禁带宽度( 或带隙e g ) ，从而在同一衬 底上而且是同一生长平面上实现不同带隙材料的集成，最终在同一衬底上制成具 第一章绪论 有不同功能的光电子器件。通常解决在同一衬底上生长不同带隙结构材料的方法 大都是在材料的生长过程中完成的，最典型的是通过选择性再生长技术【4 , 5 l 和选 择性区域外延技术】，前者通过刻蚀一再生长来实现不同的带隙，这个方法的 缺点在于光电集成电路中某些区域的有源区不连续，导致不同光波导之间的光损 耗较大降低了其工作效率，而且再生长方法对材料制各技术要求很高，工艺复杂； 后者通过在不同区域调节生长速率或时间，采用这种方法时，发现族元素常常 透过狭缝的边缘 8 1 ，使生长过程很难控制。尽管选择性区域外延生长技术在一些 应用上很成功，但这种技术不适合大尺寸集成，而且需要多次外延，工艺复杂。 而o w i 技术在外延材料生长完成之后再在有源层内进行带隙调整，实现光、电性 能的改变，以制作不同的光电器件，理想地解决了高度容差的闯题，即不同光电 器件自动对准，同时也使工艺大大地简化，是实现具有量子阱结构的器件p i c 和 o e i c 的理想方案之一。 1 2 国内外量子阱混合的研究现状及前景 量子阱混合技术首先是由美国i l l i n o i s 大学的w d l a d i g 等人 9 , 1 0 1 提出来 的。当1 9 8 0 年n h o l o y a k ，j r 等人对a l a s g a a s 超晶格进行掺z n 以期观察导带 电子到受主杂质的跃迁时，却意外地发现超晶格在相对较低的退火温度下己转化 成为a i g a a s 的均匀合金相。经过讨论，他们认为由于z n 的引入，导致了不同层 面内的a 1 和g a 组分互混，形成了超晶格结构的“无序化”，并将之命名为杂质 诱导层无序( i m p u r i t yi n d u c e dl a y e rd i s o r d e r i n g ，i i l d 或l i d ) 。i i d 作为一 种处理量子阱材料的平面后工艺技术，一出现就引起了人们的极大兴趣，从那以 后，对量子阱混合的研究越来越多，发展了不少新的实现量子阱混合的方法，归 结起来主要包括：杂质诱导无序( i i d ) 1 0 - 1 4 】；光吸收诱导无序( p a i d ) 1 5 - i v i ； 离子注入诱导无序( i i c d ) 1 8 删；无杂质空位扩散( i f v d ) 2 5 瑚l 等等。 量子阱混合技术在国际上提出已有2 0 余年，国外在此方面进行研究的主要 有：美国的芝加哥大学、英国g l a s g o w 大学，美国贝尔实验室，加拿大m c m a s t c r 大学和o t t a w a 大学，韩国汉城国立大学，新加坡南洋技术研究所，日本，香港等。 该技术在光通讯方面具有广阔的应用前景，至今用该技术已研制出了了许多光发 射和光接收的光子集成电路。1 9 9 5 年德国s b u r k n e r 等人【3 9 1 ，用该技术制造了 第一章绪论 长波可调的i n g a a s g a a s a l g a a sm o w 激光器，调制带宽到2 6 g h z 。同年，法 国a r a m d a n e 4 0 等人制造了i n g a a s p i n p m q w 分布反馈( d f b ) 激光器与外电 吸收调制器的单片集成。瑞士的d h o f s t e t t e r 等人【4 1 】用该技术集成了具有非吸收 光栅的g a a s a 1 g a a sd b r 激光器一透明波导一吸收光探测器。2 0 0 1 年韩国的 d e o kh o y e o 等人【4 2 】用该技术制造了由虚拟波导作为光吸收区域隔开的双波长光 探测器。国内研究量子阱混合的单位主要有武汉邮电研究院，北京师范大学低能 核物理所，中科院上海技术物理研究所，中科院半导体研究所和天津师范大学。 2 0 0 0 年中科院上海技术物理研究所的李志锋等人【4 1 】报道了用离子注入方法和利 用量子阱混合原理制备的a 1 g a a s g a a s 单量子阱多波长发光集成芯片。2 0 0 3 年 中科院半导体研究所的陆羽等人 4 3 1 采用选择混合i n g a a s p - i n g a a s p 量子阱技术， 研制出两段波长可调谐分布布拉格反射激光器。 量子阱混合技术自提出以来，己逐渐发展成为一个引人注目的技术分支，曾 有专集为早期的工作进展作出了阶段性总纠删，近期的进展则可参见i e e e 的文 献f 4 5 州，从中可以略见q w i 技术方兴未艾的发展。 尽管量子阱混合技术的研究已经进行了2 0 年，但由于以上各种混合方法仍 然存在缺点，使该技术的应用受到阻碍，因此，需要继续进行量子阱混合的深入 研究。 1 3 本论文的研究工作 本文的研究工作是在国家自然科学基金( 编号：6 0 2 7 6 0 1 3 ) 全力资助和北京师 范大学射线束技术与材料改性教育部重点实验室部分资助下进行的，主要是针对 与i n p 基底晶格匹配的i n g a a s p 四元系多量子阱和具有两个不同波长的双量子阱 材料，运用离子注入无序( i i c d ) 方法对量子阱混合实现的蓝移效应进行研究， 并从理论上进行了分析和总结。 第一章主要对量予阱混合技术的进展进行了调研，综述了该技术国内外发展 现状，并提出了本论文研究工作的目的和意义。 在第二章中阐述了量子阱混合的物理机制本论文研究中用到的实验方法。分 节重点介绍了量子阱混合的机理及混合所产生的蓝移效应，量子阱混合的方法， 实验中用到的工艺技术及表征。 3 第一童绪论 第三章分析并讨论了磷离子注入扩散诱导i n g a a s p 多量子阱结构材料的混 合，同时也对离子注入结合p e c v d 技术的方法对实现量子阱混合进行了研究。 第四章分析并讨论了离子注入诱导具有不同发射波长的i n g a a s p 双量子阱 结构材料的混合。 第五章对本论文进行了总结。 4 第二章量子阱混合的机理及实验方法 第二章量子阱混合的机理和实验方法 2 1 量子阱混合的机理 2 1 1 量子阱 量子阱是在两个宽带隙半导体材料之间，夹上一层超薄的窄带隙半导体材 料，窄带隙层的厚度等于或小于载流子的热德布罗意波长，阱中的不连续能级的 间隔和位置与阱宽和阱深有密切关系。阱深是两种材料的导带底能量差，称其为 导带偏移。如果窄带隙与宽带隙超薄层交替生长就能构成多量子阱( m q w ) 4 7 1 。 如图2 - 1 所示。 势阱势垒 多个阱、垒交替生长 图2 - 1( a ) 单量子阱；( b ) 多量子阱 ( a ) ( b ) 这种超薄层晶体中的电子和块状晶体中的电子有完全不同的性质，出现了量 子尺寸效应。由量子尺寸效应所产生的量子阱结构由于其阱层( 有源层) 厚度仅 在电子平均自由程范围内，所以量子阱壁能起到有效的限制作用。其结果使量子 5 第二章量子阱混合的机理及实验方法 阱中的载流子只在平行于阱壁的平面内有二个自由度，故常称该量子系统为二维 电子气，与块状有源层相比，失去了垂直于阱壁方向的自由度。在这方向上的量 子限制作用，使导带与价带的能级分裂为子带。与块状有源层的抛物线能带不同， 态密度呈阶梯状分布，子带带边陡直，同一予带内态密度为常数。也正是由于这 种量子力学限制作用，使重空穴与轻空穴带分裂，如图2 2 所示。 图2 - 2 体材料与量子阱材料中电子能量与态密度的关系 ( a ) 块状有源材料态密度( b ) 量子阱有源材料态密度 当阱材料的晶格常数和垒材料的晶格常数不同时，界面会产生应力。只要阱 的厚度比较薄，以至于应力能量小于位错所需要的能量，这种应力可简单的看作 是正方晶格的一种变形。压应力的阱( 阱材料是晶格常数较大的体材料) 其带隙 变大，而张应力的阱其带隙变窄，并且轻、重空穴的能带分开。实验中使用的 i n g a a s p i n p 多量子阱激光器样品的势垒层是与衬底i n p 晶格匹配的，但势阱层 为应变层。样品中i n g a a s p 势阱层的厚度小于临界厚度，并且其总厚度也远远小 于势垒层和缓冲层的厚度，所以在垂直于生长方向的平面上，势阱层将以势垒层 的晶格常数生长，在势阱层中存在双轴应变： n = ( a b a a ) a 咀( 2 1 ) 其中钆、a h 分别为势阱和势垒层无应变时的晶格常数。应变后势阱层中价带顶 的重空穴和轻空穴发生分裂，重、轻空穴的能隙分别为【删： 第二章量子阱混合的机瑾及实验方法 e 口= e 9 0 + 6e h 一6e s ( 2 2 ) e n = e 0 + 6e * + 6e s 一( 6e 。) 2 2 a 。+ ( 2 3 ) 其中6e 。为流体静压力导致的能隙变化，6e 。为单轴应力引起的轻、重空穴的分 裂，它们分别表示为： 6e 。= 2 a ( 卜c 。c 。：) r l 6e 。= b ( 1 + 2 c 。，c 。：) r i 式中a 、b 为流体静压力和单轴应力的形变势常数，c 。为弹性系数。 2 1 2 带隙蓝移 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 量子阱混合是针对基于合金系材料的量子阱或超晶格结构进行的。众所周 知，由a l ，g a ，i n ，a s ，p ，s b 等元素构成的i i i v 合金材料满足一定的组分一 带隙关系。不同类别元素构成的二元系材料可视为化合物，其带隙与晶格常数的 关系如图2 3 所示【4 9 】；而三元系和四元系合金材料的情况就较为复杂了，在计及 合金无序导致的带隙随组分变化曲线的弯曲( b o w i n g ) 后i 卯】，其带隙可通过插值法 来得到【4 9 。5 ”，且与实验结果【5 1 5 3 l 基本一致。而在量子阱或超晶格中，一般来说势 阱和势垒都是由组分不同但组成元素相同或性质相似的合金材料构成，因为这样 既容易实现不同层问的晶格匹配，以减小材料生长中的缺陷和位错，又可以利用 带隙的差别对载流子进行限制。所以在量子阱异质结( q w h ) 两侧，同一组分原子 实际上存在着浓度梯度，在合适的条件下，q 州两侧的组分原子存在着发生自扩 7 第二章量子阱混合的机理及实验方法 最格簟蠢嗾， 图2 - 3 化合物半导体晶格与带隙关系 散和互扩散的可能性，如图2 - 4 所示。量子阱混合正是通过各种手段，增大组分 原子的扩散，将这种可能性转化为了可行性，从改变组分原子的浓度即组分配 比来达到改变q w h 的形状以及量子阱带隙的目的。 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 口0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 a o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o o o a 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 钾 密oo 0 0 0 0o 0 0 0e 0 0 00 0 0 00 c o0o 0 0 0 o o o0 0 0 0 00 0 0o o 0 0 00 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 000 o 00 0 图2 - 4 口髓两则组分原子的互扩散 一般来讲；原始( a s g r o w n ) 的量子阱材料具有较好的热稳定性，即在常规条 件下组分原子的自扩散和互扩散可以不予考虑。扩散机制主要分为与缺陷有关和 与缺陷无关两大类，而其中最有效的通常是与间隙位( i n t e r s t i t i a l ) 缺陷和空位 ( v a c a n c y ) 缺陷有关的机制。q w i 通过引入杂质原子，造成有源层中的空位活化， 或直接引入自由空位，从而增进q w h 两侧组分原子的自扩散和互扩散，使在通常 8 ci)，i越 第二章量子阱涅台的机理及实验方法 条件下不易产生的原子扩散在较低的退火温度和较短的退火时间内能达到在宏 观范围内可观察得到的效果，并通过光谱等实验的手段来确定在q w i 后量子阱带 隙的改变 5 4 , 5 5 1 从增进扩散的方法来看，q w i 主要分为以下两类：一是通过引入杂质，改变 晶体的费米能，增大离化空位的浓度，从而增进组分原予的自扩散和互扩散；一 是通过直接引入空位，进而增进扩散。其中，引入杂质的方法又可分为利用传统 的i i d 法和利用离子注入的方法引入。引入空位的方法主要有利用s i 0 ：，s i g n 。 等介质膜引入。 用做半导体激光器的有源区材料应该是直接跃迁的，其带隙的大小决定着 半导体激光器的发射波长九： a ( 舳) 一1 2 4 e g ( e d ( 2 6 ) 而带隙或禁带宽度距是与材料的组分有关的。一般，对于量子阱半导体激光器 而言，其有效的禁带宽度为： e 窖- e 删+ e 。l + e m l ( 2 7 ) 表达式中旷“、e 。，和e 。分别代表量子阱的禁带宽度、导带电子第一能级和价带 重空穴第一能级。对于a l ，g a 。一；a s 来说，其禁带宽度可以表示为： ( 0 x 0 4 5 )( 2 8 ) e g ( e v ) = 1 4 2 4 + 1 2 4 7 x + 1 1 4 7 ( x 一0 4 5 ) 2( 0 4 5 ， x 1 ) ( 2 9 ) 对于与i n p 晶格匹配的i n 。，g a a s ，p 。，( y 一2 缸) 四元合金的带隙同组分的依赖关 系一般采用经验公式： 9 第二章量子阱混合的机理及实验方法 e g = 1 3 5 0 7 2 y + 0 1 2 y 2 ( 2 1 0 ) 而晶格失配的四元合金的带隙跟组分的关系由g a a s 、i n a s 、i n p 、g a p 四个二元 合金的带隙决定，由非线性内插法得到，具体的表达式如下： e g ( x ，y ) = x y e g ( g a a s ) + x ( 1 一y ) e g ( g a p ) + y ( 1 一x ) e g ( i n a s ) + ( 1 一x ) ( 1 一y ) e g ( i n p ) + x ( x 一1 ) y c 。( i n g a a s ) + ( 1 一y ) c i 。，。( i n g a p ) + y ( y 一1 ) xc ，+ ( g a a s p ) + ( 1 一x ) c 。+ ( i n a s p ) ( 2 1 1 ) 其中c 。( i n g a a s ) 、c i 。( i n g a p ) 、c ，+ ( g a a s p ) 和c 。，( i n a s p ) 分别为i n g a a s 、 i n g a p 、g a a s p 、i n a s p 带隙的弯曲因子。采用表2 1 中的二元合金的带隙值和文 献【5 6 】中的带隙弯曲因子，上面表达式可以改写为： e g ( x ，y ) = 1 4 2 x y + o 3 5 4 ( 1 一x ) y + 2 7 8 x ( 1 一y ) + 1 3 5 ( 1 一x ) ( 1 一y ) + x ( x 一1 ) 0 5 1 y + o 7 ( 1 一y ) + y ( y - 1 ) 0 3 x + o 2 3 ( 1 一x ) ( 2 1 2 ) 其它用到的参数可以由二元合金的相应参数组合而得出： t ( x ，y ) = x y t ( g a a s ) + ( 1 一x ) y t ( i n a s ) + x ( 1 一y ) t ( g a p ) + ( 1 一x ) ( 1 一y ) t ( i n p ) ( 2 1 3 ) 其中的t ( x ，y ) 可以是晶格常数、电子和轻、重空穴的有效质量，t ( g a a s ) 、 t ( i n a s ) 、t ( g a p ) 和t ( i n p ) 为与四元合金相对应的参数。 从上面的公式我们可以看出：量子阱的禁带宽度跟量子阱的组成有关。根据 这一原理，人们想到了通过改变组成量子阱结构材料的成分来改变阱的带隙，以 实现量子阱的混合。通常在生长后的量子阱结构中，由于量子阱和势垒的组成元 素存在浓度梯度，这样人们想到通过某种机制，使量子阱结构在高温快速退火过 程中 1 0 第二章量子阱混台的机理及实验方法 表2 i 室温下g a a s 、i n a s 、g a p 和i i l p 的材料参数 g a a si n a sg a pi n p a o ( a ) 5 6 5 3 2 56 0 5 8 35 4 5 0 55 8 6 8 7 e g ( e v ) 1 4 20 3 5 4 2 7 8l _ 3 5 。( e v ) 0 3 4 00 3 7 10 0 8 00 1 1 i 毗( i i l o ) 0 0 6 6 50 0 2 7o 2 50 0 7 3 m 。( i i l o ) 0 0 9 40 0 2 40 1 6o 1 2 m 。( i f l 0 ) o 4 50 4 10 5 4o 5 6 c l i ( 1 0 “d y n c b 。1 ) 1 1 8 1 8 3 2 91 4 1 21 0 2 2 c 1 2 ( 1 0 “d y n c m 。1 ) 5 3 24 5 2 6 6 2 55 7 6 a ( e v ) 一9 7 7- 6 0 9 96 3 5 b ( e v ) - i 7 - i 81 8 2 o 阱和垒的边界处的组成元素发生互扩散，从而使组成阱和垒材料的每个元素的浓 度发生变化，因而相应的改变了带隙，并且由于量子阱的组分的连续变化，使量 子阱的形状从清晰的近似方形结构变成光滑的曲线形状。经过混合后，量子阱材 料的导带和价带的形状也发生了变化，如图2 5 所示。 i e g ： 5 弋厂& b ； ；e g ： av b q w i 图2 5 量子阱材料混合前后的能带形状 从图中可以看出，量子阱发生混合后其有效的禁带宽度变大了，在这种情况 第二章量子阱混合的机理及实验方法 下，波长向短波长方向移动，我们称之为带隙蓝移。在大多数情况下，带隙变宽， 荧光发射波长变短，导致带隙蓝移 s t - “】。 目前，人们已经采用了很多方法研究发生量子阱混合后，阱中各组分的组成 比例变化情况。例如：透射电子显微镜( t e m ) 、扫描隧道显微镜( s t m ) 、二次离 子质谱( s i m s ) 、俄歇电子谱( a e s ) 、x 射线衍射( x r d ) 等测试手段对量子阱结 构发生混合前后材料的性质进行了钡4 试、分析与研究。 同时也尝试着用数学手段来进行定量的分析。目前所采用的数学模型主要包 括：误差函数、格林函数和双曲线模型等，其中由于误差函数方法比较简单，并 且与测量结果符合得好等优点被人们经常采用。 对于非掺杂的a l 。g a l x a s g a a s 或i n 。g a l h g a a s 三元化合物的量子阱结构 来说，当发生量子阱混合时，只发生i n 、g a 或a l 、g a 两种族元素间的互扩散， 情况比较简单，因此已经研究得比较透彻。这个互扩散过程的具体的数学表达式 如下： 酢m 。 1 砖酊( 学7 1r ，( 学】 ( 2 1 4 ) 在上面的表达式中x ( z ) 为发生i n 、g a 或a 1 、g a 两种族元素间的互扩散后量 子阱中i n 或a l 元素的组分系数，为扩散前i n 或a 1 元素在势垒中的组分系数， l z 为扩散前量子阱宽度，d 为互扩散系数，t 为热退火时间，z 代表生长方向， 阱的中心在z = 0 点。 从上面的表达式我们可以看出，当量子阱宽度( l z ) 越窄时，量子阱混合的 效果越明显；当互扩散元素的扩散系数( d ) 越大时，发生量子阱混合的效果就 越明显；当热退火时间( t ) 越长时，发生量子阱混合的效果就越明显；当量子 阱越深时，发生量子阱混合的效果就越明显。这样从上面我们可以推知，对于此 两种材料的多量子阱结构来说，为获得明显的量子阱互混我们可以使l z 小一些， d 和t 大一些。 同样，也有人尝试用误差函数来表示四元化合物的互扩散过程。如果假设i 族和v 族元素的互扩散过程是独立的，可以分别用相应的扩散长度来表示，那么 1 2 第二章量子阱混合的机理及实验方法 也可以用误差函数模型来表示其组分在发生量子阱混合后的变化。考虑一个i i i - v 族化合物半导体材料a x b i 。c y d l - v ，a 、b 代表两个族原子，c 和d 代表两个 v 族原子。互扩散后用z ，1 一膏，罗和1 一罗分别代表相应的组分原子a 、b 、c 、d 的 浓度。在这里，我们假定族原子和v 族原子的互扩散可以通过两个不同的扩散 长度来表示。i n 、g a 原予的互扩散长度为l “l d 一( d o 龙，d 是扩散系数，t 是 扩散时间，a s 、p 原子的互扩散长度为l d 。如果族原子和v 族原子的互扩散 的速率相等，那么l d = l 。并且满足晶格匹配的条件。如果l 。k 则是一个具 有应力的量子阱结构。 对于i i i 族原予互扩散后的浓度量0 ) 可表示为： 羽_ 1 _ 掣等) + 硝( 学】( 2 1 5 ) 对于v 族原子互扩散后的浓度y ( z ) 可表示为： 罗丢m 警吲蟹) 】 ( 2 1 6 ) 但是由于影响四元化合物半导体量子阱材料的带隙蓝移实验的因紊比较多，以上 计算仅是初步的。所以到目前为止，以i n p 为衬底的i n g “s p 量子阱系统的量子 阱混合的机制还不十分清楚，仍然是一个需要研究的课题。 2 1 3 量子阱混合的方法 量子阱混合技术( q w i ) 【3 9 1 1 , 1 2 , 哆6 3 】是指量子阱中阱和垒的组成元素存在 着浓度梯度，通过某种方法，使各组成元素在高温退火过程中发生互扩散，导致 阱、垒组分变化，最终改变材料的带隙。将量子阱混合应用于光电器件方面的制 作，除了可以改善光吸收特性还可以调整材料的折射率。同时由于这种方法具有 操作简单、成本低、效果明显等优点引起人们极大的兴趣。 另外，还有通过对量子阱旌加一个电场，利用量子阱的斯塔克效应来调整带 第二章量子讲混合的机理噩实验方法 隙的方法，但带隙改变的程度和折射率的变化都是非常有限的。综上所述，为了 实现单片集成光电子器件，可以通过好几种方法来调整材料带隙。其中，量子阱 混合技术相对来说比较容易操作，而且还可以改变材料的折射率及吸收和发射特 性等，因此，量子阱混合成为目前研究的热点。 实现量子阱混合的方法主要包括：1 、杂质诱导量子阱混合( i i d ) ，即在量 子阱中掺入某种杂质元素，促使量子阱混合。掺入的杂质会造成载流子光吸收是 这种方法的主要缺陷。2 、离子注入诱导无序( i i c d ) ，离子注入分为高能离子注 入和低能离子注入。高能注入利用兆电子伏能量的离子注入到样品，低能注入一 般采用千电子伏能量注入到样品，采用哪种能量注入取决于样品结构，然后通过 退火增强空位缺陷的扩散和原子碰撞来达到量子阱混合( q w i ) 的目的。离子注 入诱导无序的主要优点是注入的杂质、浓度、深度比较容易控制，而且横向离散 较小，因此容易达