（光学专业论文）无铝大功率量子阱激光器结构设计及材料的ssmbe生长.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t t h e g r o w t h a n d p h y s i c s p e r f o r m a n c e o f c o m p o u n d s e m i c o n d u c t o r a l - fr e e w e r e s t u d i d e d i n t h i s p a p e r . a n e x t e n s i v e re v i e w w a s g i v e n o n t h e d e v e l o p m e n t s o f t h e a l - fr e e s e m i c o n d u c t o r l a s e r s . t h e p r i n c i p l e o f t h e s o l i d s o u r c e m o l e c u l a r b e a m e p i t a x y ( s s mb e ) e q u i p m e n t i s i n t r o d u c e d a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e a l - fr e e s e m i c o n d u c t o r e p i l a y e r s w e r e i n v e s t i g a t e d . t h e gr o w th p a r a m e t e r s w e r e o p t i m iz e d f o r t h e i n g a p / g a a s h e t e r o s t r u c t u r e s . t h e ru l e s o f s u r f a c e m o r p h o l o g y a s w e l l a s t h e s t r u c t u r a l p r o p e rt i e s w e r e i n v e s t i g a t e d i n d e t a i l s . t h e o r d e r i n g o f t h e b a n d s t r u c t u r e a n d c rys t a l s t r u c t u r e w e re m e a s u re d b y r a m a n s p e c t r o s c o p y . a c o m p re h e n s i v e gr o w t h l a w o f i n g a p / g a a s w a s b u i 玩w h i c h e n a b l e s th e p r e d i c t i o n o f t h e gr o w th p a r a m e t e r s o n t h e c o m p o s i t io n o f t h e e p i l a y e r s . t h e m a i n d e v e l o p m e n t s a n d r e s u l t s a r e s u m m a r i z e d a s f o l l o w i n g : 1 . a c o m p r e h e n s i v e t h e o ry o f s t r u c t u r a l d e s i g n f o r 8 0 8 n m h i g h - p o w e r l a r g e o p t i c a l c a v i ty a l - fr e e s e m i c o n d u c t o r l a s e r s w a s s t u d i d e d . w e f i n d t h e r e s u l t o f t h i c k n e s s a n d c o m p o s i t i o n i n e a c h l a y e r f o r h i g h - p o w e r o p e r a t i o n i n t h e o ry , w h i c h c a n s u p p l y t h e o r e t i c a l b a s i s f o r th e gr o w th o f h ig h - p o w e r l a s e r s m a t e r i a l s . 2 . i n g a p / g a a s h e t e ro e p i t a x y m a t e r i a l w i t h a l a tt i c e m i s m a t c h o f l e s s t h a n 1 0 - 4 w e r e o b t a in e d b y c h a n g in g gr o w th c o n d i t i o n , s u c h a s t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e , i n / g a , vi i i b e a m fl u x r a t i o . t h e in fl u e n c e o f t h e gr o w th p a r a m e t e r s o n t h e s u r f a c e q u a l i ty a n d t h e c o m p o s i t i o n o f t h e t e rn a ry 帼l a y e r s w e r e a n a l y z e d . 3 . t h e r a m a n s p e c t r o s c o p y o f t h e i n g a p / g a a s h e t e r o e p i t a x y s t r u c t u r e w a s s t u d i e d , d o u b l e m o d e s w i t h t w o t o m o d e s a n d t w o l o m o d e s w e r e o b s e r v e d , a n d t h e fr e q u e n c y s h i ft s b e t w e e n t 0 2 a n d l o , , l 0 2 m o d e s a re c o r r e l a t e d w i t h t h e o r d e r in g i n d u c e d s u p e r l a t t i c e s . a s y s t e m a t i c s t u d y t a k e s a c c o u n t t h e i n fl u e n c e o f gro w t h c o n d i t i o n o n t h e r a m a n s p e c t r a , s u c h a s l a t t i c e m i s m a t c h , i n / g a b e a m fl u x r a t i o , gr o w t h t e m p e r a t u re , o r d e r i n g a n d h o m o g e n e i t y o f t h e i n x g a l _x p a l l o y e p i l a y e r s . k e y wo r d s : s s mb e i n g a p / g a a s s t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o n r a m a n 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 一权提供目 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 : 相夭 国 74 了年-v a v y 日 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: 一解 密 时 “ 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部5 年 ( 最长 5 年，可少于 5 年) 秘密1 0 年 最长 t o 年，可少于 1 0 年) 机密2 0年 ( 最k 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。 除文中己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、 己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， 均己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 : 相天 阂 ，了 年 月 日 第一章 无铝化合物半导体激光器的应用与发展 第一章 无铝化合物半导体激光器的应用与发展 第一节 前言 a l g a a s / g a a s 材料长期以 来一直是6 5 0 n m -8 4 0 n m波段大功率半导体激光 器的主要材料。有源区中的铝有助于产生期望的波长，但由于铝的存在也带来 了一些缺点，制约着激光器的使用和发展。其缺点主要表现在 ( 1 ) 铝易被氧 化，会生成高密度氧化物而形成深能级缺陷，引起性能退化，使激光器的寿命 受到限制，使器件结构的生长和器件的制备变得较为困难。( 2 ) 铝的氧化增强 了注入载流子的非辐射复合速率，致使激光器腔面过热，降低了激光器的光学 损伤阐值。( 3 ) a l g a a s / g a a s激光器易于形成暗线缺陷 ( d l d ) ，暗线缺陷的 形成和扩散也会引 起器件性能的 退化， 并严重降 低了 器件的可靠性 i 一 因 此， 迫切需要研制开发高可靠性、长寿命的大功率半导体激光器。 无铝半导体激光器克服了a g a a s / g a a s 激光器的不足， 随着研究的深入， 己 显示出 许多优点。 首先，不含a 1 ，就减少了非辐射复合中心，表面复合速率低， 使 灾变 光 学 镜 面 损 伤 ( c o m d ) 阐 值 增 大 两 倍以 上， 提高 抗灾 变性 损 伤能 力 4 a 研究证实用i n g a p 做光学包层，在i n g a p / g a a s 界面具有非常低的复合速率( 小于 1 . 5 c m / s ) . 激光器腔面 温度明显降 低，使大功率激光器腔面的光学损伤阐值显著 增加， 有利于功率的 提高6 。 其次， 不含铝阻 止了 暗线缺陷的形成， i n 原子体积 较大牵制了 位错的 移动从而阻止了 d l d 的 扩散， 从而d l d 可被忽略4 . 最后， 还 可采用应变补偿来改善长期工作的可靠性.综上可知，应用无铝材料的半导体 激光器具有光学灾变损伤闽值高、腔面抗氧化能力强、电阻低、热传导性好、 转换效率高等优点， 是大功率半导体激光器发展的重要方向 【7 - 9 1 第二节 无铝化合物半导体激光器的发展 . 2 . 无铝化合物半导体激光器的优点 半导体激光器随着电流的不断注入，大量没有复合产生光子的载流子在有 源区通过各种途径损耗掉，相当一部分转换为热量。器件温度的升高会直接影 第一章 无铝化合物半导体激光器的应用与发展 响到激光模式的稳定性和热反转，温度继续升高，达到材料的熔点，在谐振腔 面会发生灾变光损伤，以至于烧毁激光器。 器件温度升高一方面会引起带隙的变化，影响到激射波长的不稳定;另一 方面，激光器输出的光束随注入电流的变化会出现输出光功率一电流曲线的非 线性扭曲，同时会伴随驰豫振荡和噪音的出现，这是大功率激光器在高注入情 况下面临的一个重要问 题。通过研究，人们发现可以通过控制条宽与腐蚀深度 来保证激光器在大功率范围内稳定的基侧模工作。 随着器件温度的升高，激光器辐射复合效率下降，从而使功率出现饱和甚 至下降，这是由于器件温度过高导致的热翻转现象，这种现象对激光器也没有 破坏作用， 对i n g a a s p / g a a s 激光器来说， 主要是受热翻转的限制， 而不是灾变 光损伤的限制。 半导体材料的表面非辐射复合使得半导体在解理腔面处产生大量的热，解 理腔面温度迅速升高， 温度达到半导体材料的熔点就会将半导体毁坏。对不同 的半导体材料都有一定的功率限制，达到一定的功率限制就会把激光器烧坏。 对发射波长是7 8 0 -8 1 0 n m的g a a s 和a l g a a s 材料的量子阱 ( q w) 激光器来 说， g a a s 的 功率 极限 为1 1 m w / c r n 2 ， 而a l g a a s 材料仅为5 _ 8 m w / c m 2 。因 此 研究者们用g u i n a s p 来取代a l g a a s 作为波导层和包层，主要的优点是: ( 1 ) g a i n a s p 具有较低的表面复合速率， 增大了激光器光镜端面的灾变光 损伤闽值; ( 2 ) g a i n a s p 具有更高的欧姆接触和热导率: ( 3 ) 激光器制备过程中，不易氧化，更适合选择腐蚀和外延再生长: ( 4 ) g a i n a s p 灾 变光损伤的阐 值功率可 达1 8 m w / c m 2 . 从以 上的分析来看，载流子损耗导致器件温度升高，是影响激光器大功率 输出的主要原因。激光器的效率反映了激光器电光转换的能力大小。在注入电 流一定时，效率越高则功率越高。对于大功率激光器，要进一步提高激光器的 输出光功率，必须考虑提高效率的问题。内量子效率只是考虑了注入有源区的 载流子所产生的非辐射复合损失，然而辐射复合产生的光子也并不是全部都能 离开晶体向外发射。这是因为，从有源区产生的光子通过半导体时部分可以 被 再次吸收;另外由于半导体通常具有较高的折射率，光子在界面处很容易发生 全反射而返回到晶体内部。因此要想使激光器得到尽可能高的微分量子效率， 一方面要使内量子效率尽可能的高，即尽量减少载流子的非辐射损耗:另一方 第一章 无铝化合物半导体激光器的应用与发展 面应尽可能减少光子的非输出损耗。提高外微分量子效率的关键是尽量减少光 子的非输出损耗。 应用无铝材料的半导体激光器具有光学灾变损伤阐值高、腔面抗氧化能力 强、电阻低、热传导性好、转换效率高等优点.因此，无铝半导体材料在未来 光电领域占有重要地位，具有广泛的发展前景和重要的战略意义。 1 . 2 . 2无铝量子阱激光器的发展 波长范围 从7 3 0 n m 到1 0 0 0 n r n 的 量子阱 激光 器技术己 经很成熟 p o - a l , 8 0 8 n m 波 长半导体激光器是目前使用较多的激光器之一，产品应用于激光泵源、医学、 印 刷、 加热、 材料处理、 打标等需要高亮度、 长寿命激光器的领域。 另外， 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。 传统有源区通常使用铝含量为0 .0 7 的a l g a a s 或者g a a s 量子阱材料，高质量 a l g a a s 材料制备比较困难，同时g a a s 材料由 于低的灾变光损伤功率，有源区逐 渐被i n g a a s p 代替。无铝激光器的结构如图1 .2 . 1 所示。 1 9 9 5 年，h . j . y i 等人通过实验研究和理论模拟设计了一种i n g a a s p / g a a s 材 料 激 光 器的 优 化结 构 【 j 0 1 9 9 6 年， 由 j .a a r i k , a .o v t c h i n n i l o v 和 h .a s o n e n 等 人 首 次 用气态源分子束外延 ( g s m b e )生长了发射波长为8 0 8 n m 的g a i n a s p / g a a s 无铝 激光二极管，试验结果显示用该方法生长的激光器比传统的a l g a a s 基激光器性 能 要好【 16 1 0 1 9 9 9 年， 高 欣和曲 轶利用含p 面朝下的方法装配有利于器件的散热， 将超声键合改为超声热压球焊键合，增加了金丝与管芯的接触面积， 减少了接 触电 阻， 降 低了阐 值电 流， 提高了 光电 转换效率 ; 1 n i n c 随只， 以知v 1 气民p 州们创 协 阮 。 目 肠 p i - - 八 口 娜 u种r ( 1 . 汉 沁协 图1 .2 . 1发射波长为8 0 8 n m的宽 波导激光器全无铝结构 第一章 无铝化合物半导体檄光器的应用与发展 i n g a a s p / g a a s 材料系的 有源层i n g a a s p比a l g a a s 具有更好的优点，使其 高可靠性、高功率密度值、 大功率应用成为可能， 然而i n g a a s p / g a a s 材料系完 全无铝激光器结构具有较小禁带不连续性，引起严重载流子泄露，导致阐值电 流增大及微分量子效率和特征温度降低。为增大特征温度值和提高功率特性， 许多 研究人员开发了 无铝有源区激光器结构。1 9 9 7 年， p e k k a s a v o wn e n 等人报 道了用固态源分子束外延 ( s s mb e )制备的张应变 g a i n p / g a i n a s p单量子阱结 构， 2 m m腔长闽 值电 流 密 度为2 3 0 a / c m 2 , l m m腔长 可以 达到2 w的 输出 功率; 1 9 9 8 年，r .f . n a b i e v 等人研究报道了一种发射波长为8 0 8 n m、总效率高达 5 6 % 的单管激光器。 威斯康星大学赖德光子学中心的 d . b o t e z等人发展了 一种由 0 .8 n m 宽 in o .5 g a o 尹 波导和激活区构成的二级管激光器，其中激活区含有被 0 .4 n m i n o .5 g a o .5 p 限制层和n o .5 ( g a o .5 a b .5 ) o .5 p 包层包围的i n o .o 9 g a o .9 , a s o .g p o s 量子阱。 其 结构如图1 .2 .2 所示。 b o t e z 等人通过采用较大带隙的 含a l 材料作为包层有效地 改善了 载流子的泄漏问 题， 闽 值电 流密度为3 1 0 a / c m z ， 特征温度达到1 3 5 k ， 连 续波输出功率达到6 . i w， 包层i n g a a l p 高的势垒能够有效地抑制高温下载流子 的泄漏 s l 包层激活区包层 n 型掺杂 i n n s ( g a u l 抽5 ) o 尹 1 . 5协m p 型掺杂 i r o s ( g a o 5 a 1o 5 ) o 5 p 1 . 5 v m 帆 理 1 5 n m i n ge as p 量子阱 图1 . 2 . 2有源区无铝宽波导二极管激光器结构 无铝宽波导结构提供了 低内 损、 较小横向光束发散和较大的光点直径。 有源 区允许连续波大功率工作并提高了可靠性，包层区改善了载流子限制从而提高 第一章 无铝化合物平导体激光器的应用与发展 效率和功率。与无铝包层激光器相比，这些器件明显具有无铝激光器的功率和 寿命特点，同时还具备较好的载流子限制，并可能延长器件寿命。 在9 4 0 m n 波长左右半导体激光器的研究方面，单管激光器在腔长为2 r m ” 时， 条宽1 0 0 g m 连 续 输出 功 率 为 3 w ( 9 1 . 脊形 波 导 5 0 0 g m 条 宽 连 续 输出 功 率为 5 .3 w， 斜率效率为 0 .9 w / a 2 0 ) . g o e t z e r b e rt等人研制了 9 4 0 n m i n g a a s / i n g a a s p / g a a s 单 量子阱宽 波导结 构， 并 研究了 波导 层厚度对器件性 能的 影响， 从而得到了1 1 l m 宽 的波导层最大功率转换效率为6 0 % 。 继续增加波导 层的厚度到1 .5 g m， 得到1 0 0 g m 条宽器件在输出 功 率为 3 w时的 退化率低于1 0 - 5 / h ， 并 且该器 件在输出 功率为 4 w 时仍具有长期可靠性2 11 . 2 0 0 4 年， 万春明等人报道了 一种采用大光学腔结构的 i n g a a s / g a a s / a i g a a s 应变量子阱高功率半导体激光 器， 对1 0 0 1 i m 条宽， 1 0 0 0 1 x m 腔长器件测试表明， 器件的最大连续输出功率达到2 w, 峰值波长为9 3 9 .4 n m， 远 场水平发散角为1 0 0 ， 垂直 发散角为 3 0 0 ， 器件的 闽 值电 流为 3 0 0 m a 2 2 . 9 8 0 n m 波长无铝激光二极管主要用作掺饵光纤的泵源。 在9 8 0 m n 泵浦激光器 中， 传统的 激光 器常 用 a l g a a s 用作波导 层或包 层. 为了 克 服 a i g a a s 基。 . 9 8 g m 泵 浦激光器的 稳定性问 题， 科研人员用i n g a p 来代替 a ig a a s . ij 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 破性进展后2 3 ,2 4 1 ， 许多 研究 者开 始了 i n g a p 代替 a l g a a s 用作包层的 研究工 作 2 5 1 . y e l l e n 等人实 验证实了 无 铝量子 阱 激光器能够抑制暗线 的 产生 12 6 1 . h a r ry a s o n e n 等 人 研 究了 波 导 层中 i n g a a s p 组 分 不同 对 器 件性 能 的 影 响， 对于促进 器件的 优化 提供了 依据2 7 1随 后 m i c h i o o h k u b o 等人通过引 入缓 变 层继续对器件进行优化设计，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 8 1 . 1 9 9 3 年， g u o d o n g z a n g 等 人通过对材料i n g a a s / g a i n a s p / g a i n p 结构的优化设计和生长条件的控制， 用汽相 分子束外延制得了性能良 好的i n g a a s / g a i n a s p / g a i n p 器件， 最低闽值电流密度可 达7 2 a / c m 2 ，内 部量子效率高达9 4 % ，以及内 波导损失为5 .4 c m - ，透明电 流密 度 和增益系 数 分 别 为 33a/cm和 0 .0 9 1 c m -g r n -a - 1 . 脊 波导 激光 器的 远场发散角 垂 直 方向为4 7 0 、 侧向 为1 3 0 12 9 0 1 9 9 5 年， m i k a t o i v o n e n 等人报道t利用s s m b e 制备 的g a i n a s / g a i n a s p / g a i n p 量子阱脊波导激光器，工作功率为2 5 0 m w，最大输出 功率为 4 5 0 m wl3 0 1 o 1 9 %年， p e k k a s a v o l a i n e n 等人 用 m b e 设备生 长了 性能 稳定的 g a i n a s / g a i n a s p / g a i n p 发射单模脊波导激光器，该激光器工作功率为2 6 0 m w, 第一章 无铝化合物半导体激光器的应用与发展 最大输出功率可以达到5 5 0 m w, 1 5 0 m w条件下初步检测寿命长达4 5 0 0 小时以上， 进一步证明了 无铝激光器具有长期的稳定可靠性3 1 1 在9 8 0 -1 5 5 0 n m长波长区，以 光放大器泵浦光源为目的， 特点是大功率和 单模输出单元器件。 其中1 4 8 0 m n i n g a a s p / i n p 长波长最早实用化， 用于1 5 5 0 n m 波长光放大。 9 0 年代开始研制水平可达到5 0 0 m w以上单模。以i n g a a s 为有源 区， a l g a a s 为 波导 层的 应变量子阱， 波长范围 覆 盖了 从8 8 0 1 0 6 0 n m 13 2 ,3 3 1 ; 使 用应变补偿 g a a s p隔离层，成功实现了对于大于 1 0 0 0 n m的发射波长的量子阱 激光器13 a ,3 s 1 0 9 8 0 n m i n g a a s / g a a s 激光二极管用于1 5 5 0 n m光纤放大器， 吸收效 率更高， 噪音更低， 因而比1 4 8 0 m n 泵浦源更受欢迎， 在无中继长距离大容量数 字光通信和孤子波传输系统广泛应用。1 . 3 p m和1 . 5 5 p m i n g a a s p 分别是石英玻 璃光纤零色散 和最低损 耗区的光源。 经 三个技 术 阶 段的 发展， 1 .3 - - 1 .5 1 u n 波长 生 产技术已 成熟。1 9 8 2年， wt . t s a n g等人首次成功 地应用分子束外延生长了 1 .3 1 1 m波长 i n g a a s p / i n p双异质结半导体激光 器， 采用宽面 ( 3 8 0 x 2 0 0 p m) f - p 腔结 构、 有 源 层 的 厚 度为0 .2 p m ， 最 低阐 值电 流为l 8 0 k a / c m 2 fn . 1 9 8 9 年， p . m e im a n 等人利用应变量子阱材料i n g a a s / g a a s 也产生了1 . 3 p m波长的 激光发 射 13 7 1 . 1 9 9 5 年 ， p t h ia g a r a j a n 等 人 又 利 用 应 变 量 子 阱 材 料h l a s p / i n g a a s p 产 生 了1 .3 11m波 长的 激光 发 射 13 8 1 1 . 2 . 3无铝应变量子阱激光器 为了 进一步改 善 q w 激光器的 性能， 人们又 在 q w中 引入应变和补 偿应变， 出现了应变q w激光器和补偿应变q w激光器。 应变的引入减小了空穴的有效质 量 【3 9 1 ， 进 一 步 减 少了 价 带间的 跃 迁， 从 而 使 q w 激 光 器的 阐 值电 流 显 著降 低， 量 子效率和振荡频率再次提高，并且由于价带间跃迁的减少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. 1 9 9 1 年， m .h o p k in s o n 等人生长了 i n a s / i n p 压 应变量子阱激光器，当 温度达 到 3 0 0 k 时 发 射 波 长 可以 扩展到 2 .2 3 p m 14 0 1 o 1 9 9 5 年， s e o u n g - h w a n p a r k 等 人 从 理 论上研究了 i n g a a s / i n g a a s p / g a a s 量子阱激光器的闽值电流和温度特性。 理论结 果表明，与非补偿i n g a a s / i n g a a s p / g a a s 量子阱激光器相比，应力补偿结构具有 更低的闽值电流密度和更好的高温特性。这主要是因为应力补偿作用提高了载 流子的限 制作用以 及应力补偿使得 器件性能 对 温度的依赖性减弱4 p . 1 9 %年， 第一 章 无铝化合物半导体激光器的应用与发展 t o s h i a k i f u k u n a g a 等人又 从实 验上 验证了 s e o u n g - h w a n p a r k 提出 的 理论， 该器件 0 .7 5 m m 腔 长的 闽 值电 流 密 度 为 2 0 0 a / c m 2 ， 特 征 温度 为 2 6 8 k ， 发 射 波 长 为 1.061m3, 2 5 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( 4 2 1 。以 a l g a a s 为 波导 层， 张应变的 g a a s p 量子阱，具有更好的可靠性(4 3 ,4 4 1 。图1 .2 .3 为t o s h l a k l 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导带结构。 ( a ) i n o. 人 s p ( e 口 . ， . i n ga as p( e口 . ， . fi s e v ) 曰 d n m. a c t s : 0 % 6 3 . v ) ， 肠i m, .w s : - 0 . 7 % i ngsas wel l 7 nm. f .t s :z. 1 % i n g 通过各种手段对样品进行分析，寻 求影响样品性能的主要因素，改变分子束外延生长工艺，从而进一步提高材料 生长质量。 对波长为8 0 8 n m, 9 8 0 n m , 1 3 0 0 n m , 1 5 5 0 n m波段通过应变来调节发 光波长， 通过结构 ( 组分、外延层厚度) 优化发光质量，通过生长技术获得高 质量的材料，对制备优良 器件打下基础。对样品进行各种光学、电学、结构和 形貌分析，为制备高特征温度，低阐值电 流的半导体激光器具有重要意义。通 过建立总的载流子动力学方程为理解载流子在半导体激光器结构中的损耗和迁 移以及增益具有一定的学术意义，通过研究实用型长寿命半导体激光器，在工 业和民用上都具有一定的社会意义， 研究军用和太空用耐辐射激光器，对国家 安全和太空领域的发展具有一定的民族意义! 分子束外延可以在分子尺度上控制量子材料的生长， 而实际上有几个方面一 直阻碍着分子束外延在微观尺度裁剪中的应用。一是生长外延层材料时衬底温 度的选择，对外延层材料而言，衬底温度是影响材料质量的重要因素之一。 若 生长温度较高，异质结界面两侧原子存在严重的互扩散，导致异质结界面不明 显 1 16 1 . 若生 长 温度过 低也有可能导 致生 成 物为 多晶 和非晶， 使材 料质量 下降 1 1 7 1 所以在材料的生长中，选择合适的生长温度非常重要。 生长温度对生长材料的组分控制也有影响。以 i n g a p材料系统为例，在生 长温度较高时锢原子在生长表面存在比较明显的解吸附现象，使得含锢材料的 组分很难控制。 退火处理也是材料制备过程中的重要环节之一。 对材料进行退火处理时， 将 引起不同 元素间的互扩散，其结果也 将导致异质结界面不明显11 8 1 另外， 分子束外延系统中， 衬底加热装置和衬底之间有一定的距离， 生长过 程中，生长温度通常保持在 4 8 0 c-6 5 0 c，这样不同的材料生长，可能需要不 第_ 二 章 分子束外延技术和分析侧试方法 同的生长温度，因此温度的控制影响材料的质量和系统生长的可重复性。我们 通过研究脱氧温度、衬底加热监控温度和红外高温计指示温度之间的关系，获 得能针对本系统比较好的控温关系。 第二节 分子束外延超高真空的必要性和实现 在真空条件下， 单位体积内( 1 c m3 ) 的 分子减少， 压强p ( t o r n ) 、分子密 ( 个 / cm3 ) 和 温 度t ( k ) 的 关 系 为 19 1 : p = 1 . 0 3 5 x 1 0 - n t ( 2 . 2 . 1 ) 由 此可知， 在 室 温( 3 0 0 k ) 下， 真 空 度为1 0 - s t o r r 时， 分 子 密 度为3 .2 2 x 1 0 0 1 0 - 0 t o r r 时为3 .2 2 x 1 0 个。 随着分子数目 减少， 分子间相互碰撞的次数也 刀， 度个 减少 表示 从某一次碰撞到下次碰撞所走过的平均距离为平均自 由 程，用之( c m) 它 表 示 为 i叹 几= 其中，u为分子直径 ( c m) ，根据公式 由 程a 为6 .3 7 x 1 0 - o - 2 p 。 根据以 上分析， ( 2 .2 .2 ) ( 2 . 2 .2 ) ，室温 ( 3 0 0 k ) 下的平均自 可以分别获得 a l . g a . i n . a s 等 的自由程， 数量级大约为1 0 0 c m ，因此， 在超高真空中， 分子之间的碰撞可以不 予考虑。这也说明获得高质量的薄膜，超高真空条件是必要的。 图2 .2 . 1 为 本实 验室 所 用 法国r i b e r c a m p a c t 2 1 t 型m b e 设备的 外 观， 其主 要组成部分由进样室、预处理室和外延生长室三个真空工作室组成。各工作室 分别配备独立的真空抽气机组，构成对系统至关重要的高真空系统，各室之间 通过闸板阀相互隔离，整个系统可由 设备配置的电脑控制系统智能控制。mb e 生长对真空度要求很高，因为超高真空环境是获得高质量外延材料的基本条件， 一般生长室真空度需至少达到1 0 - 0 t o r r以上，此时从源炉中喷射出 来的分子与 生长室中残余气体分子碰撞而遭受污染的可能性可以忽略不计。 本系统为获得 高真空共使用了五种真空泵:隔膜泵、涡轮分子泵、钦升华泵、离子泵和低温 泵。图2 .2 .2 为m b e生长室内 部基本结构示意图。 隔 膜泵 ( d i a p h r a g m p u m p s ) 12 0 1 : 通过偏心轮的 连 续旋 转， 带 动 膜片 作上下 往复运动，当膜片向下运动时，空气室体积增大，排气口关闭，进气口打开， 第二章 分子束外延技术和分析测试方法 态，分子间的热能随温度升高而增加，便由固体转换成弱束缚状态的液体;在 高温下，分子脱离固体或液体而成为单独运动的气体。如果自由空间中的分子 少，就容易转换成气体分子，因此，大气和真空相比较，真空中就要容易些。 一 个封闭 空间的 气 体 分 子速度分布av ) ， 它 满足麦克 斯韦速率分布 率2 5 1 . 4 m，m v 2 . . 1 ( v ) a v = ,-1 -) 一 - v e x p ( -) d v j才 尤 才 k / ( 2 . 3 . 1 ) 上式表示分子速度在v 与d v 之间的几率，温度越高，分子质量越轻，速度大的 分子就越多。 分布函 数f ( v ) 的单位s / c m ， 将速度增量d v 与.f ( v ) 相乘得到几率。 2 . 3 . 2 源炉温度与束流的精确控制 分子束源炉是m b e设备的核心部件之一， 其作用是产生射向 衬底的热分子 束。分子束的流量由 喷射炉的温度控制， 在炉子的喷口 直径小于炉内分子平均 自 由 程的 条件下， 这 种分子束 炉称为k n u d s e n炉12 6 1 。 产生 分子束的 方法是直 接 加热固体源材料，在满足 k n u d s e n蒸发条件下，蒸发是将物质从带小孔的等温 密闭体中，以 气体喷射的形式产生的，其蒸发表面远大于小孔的面积，小孔直 径大约为平衡蒸气压下气体分子平均自由 程的十分之一以下，而小孔的壁厚可 以忽略不计，使气体离开密闭体时不受孔壁的散射和吸附。在这种理想条件下， 单位时间从喷射炉射到衬底单位面积上某种元素的分子数界可近似用 k n u d s e n 方程来计算: f , = a 君( t ) m l z j 2 m n ; k t c o s 夕 ( 2 . 3 .2 ) 其中a 是喷射炉口 面积，只 是炉温t时喷射炉内元素i 的平衡蒸气压，d 是喷口 到衬底的距离，m , 是元素i 的 分子量，b 是分子束与衬底表面法线间的夹角。 实 际上， 为了 获得大的 分子束流， 现在所用的 喷射炉多为敞口 型， 因此( 2 . 3 . 2 ) 式仅 仅只能作为估算生长速率的参考。生长时各个分子束的强度需要用束流计来测 量，用以控制生长速率和化学计量比。 分子束的纯度、稳定性和均匀性是决定外延层质量的关键性因素，通常要 求束流的波动小于5 %，这就要求炉温的控制精度很高，通常炉温在 1 0 0 0 时， 温度变化在士 0 . 1 以内。为达到高控制精度，通常采用高精度的p i d调节器来 控制温度2 7 1 。 第_章 分子束外延技术和分析测试方法 m b e的真空和束流是由电 离真空规测量的，其测量真空度的基本原理是: 电离真空规管与真空体系连接，测量时硅管灯丝在通电后发射电子，这些电子 在带正电 压的栅极作用下高速向收集极运动，在运动过程中撞击气体分子使它 们电离。这样形成的离子流与体系中气体分子的浓度成正比。因此，由离子流 的大小可知气体的压强。电离真空规的应用范围一般为1 0 - 1 一 1 0 - t o r r 。束流的 测量是材料生长工艺设计的重要依据，其数值对位置和电流比 较敏感，本实验 一般采用相对固定位置和一定电流来进行测量，以 保证材料生长的重复性。 图2 .3 . 1 一图2 .3 .4 是不同 源炉温度对应的束流大小， 从图中可以看出对于i i i 族元素束流大小与源炉温度成指数关系，而v元素束流的大小与源炉开启的大 小成线性关系。所得实验数据与数据拟合曲线吻合的比较好，所以使得通过控 制源炉温度能够精确地控制束流的大小，增强束流的稳定性。 1e6， 一， ， ， ， ， ， . . . ， - ， ， ， ， 日扣9 1 0日 加日 即9 4 0 9 5 0洲 0 9 7 0 9 e 0 g a c e a t e 1 9 p e r a t e e e c c ) 图2 .3 . 1 g a 束流与g a 源炉温度之间的关系 图2 .3 .2 i n 束流与i n 源炉温度之间的关系 第二章 分子束外延技术和分析测试方法 目 乙 吕。 以 刃 . 抖 0 . 3 0 . 4 8 0 . 7 1 p v a l v e o p m e d ( p 2 7 ( p c / 8 8 0 0 c / 5 0 0 c ) 图2 . 3 .3 p 束流与p 源炉针阀之间的关系 日执日1 叹侧j 叹日 3 % a s v a l v e o p e n d 舫 %9 ， % 图2 .3 .4 a s 束流与a s 源炉针阀 之间的 关系 2 . 3 . 3 m b e 系统的生长基本过程 mb e系统工作的基本过程是:系统烘烤*除气*装源*二次烘烤一二次除 气、外延生长。每次mb e生长前，都要先将生长室通液氮，目的是降低背景杂 质浓度，提高系统的真空度，保证生长材料的纯度。在真空度达到要求后，在 a s 压保护下对衬底表面的氧化层进行热剥离，即可进行样品生长。在真空度达 1 0 - d t o r r的超高真空系统中，加热源炉使它们的分子以一定的热运动速度和一 定的束流强度比例喷射到衬底表面上，与表面相互作用，从而实现单晶薄膜的 第_ 二 章 分子束外延技术和分析测试方法 外延生长。根据设定的程序开关挡板、改变炉温和控制生长时间，就可以生长 出不同厚度、不同组份和不同掺杂浓度的外延材料。 第四节 半导体材料分析检测方法 影响i l l - v 族化合物半导体光电器件性能与可靠性的因素是多方面的，如: 各层的厚度、组分带隙、界面失配等结构因素;缺陷、位错、应力、界面粗糙、 深能级杂质、不均匀掺杂等外延晶片质量因素。外延晶片可以通过观察其表面 来判断生长质量，如外延晶片表面出现 “ 麻点” 、颜色分布不均匀或蟒蚌状网络 结构等，这些都是外延晶片质量较差的标志。但是有时晶片表面的光洁平整不 能说明内层生长结构的完美，要分析晶片内的结构参数，只有通过一些仪器检 测，才能做出判断， 这样经过表观与仪器检测，对外延晶片生长质量进行评估， 发现晶片生长的问题。 找出改进晶片质量的工艺途径。 x射线双晶衍射、 原子力 显微镜、 透射电镜、 扫描电 镜、 光荧光p l 谱和拉曼谱是外延片研制过程中非常 重要的几种测试手段。 2 . 4 . 1 x 射线双晶衍射( d c x r d ) 分析 x射线双晶 衍射 技术2 8 1 广泛应用于测定半导 体异 质结的 结 构、 应 变及 其生 长质量 12 9 ,3 0 1 ， 这种测 量 技术不需 要复杂的 样品 制备， 不 破坏样品， 而且双晶 摇摆 曲线对晶体结构的 变化非常灵敏，通过模拟实验所测量的双晶摇摆曲线，可以 精确地得到外延层中的结构变化信息，如应变分布、界面状况及厚度等有用参 数13 1-3 3 1 。 随 着量子阱 材 料的 发 展与应用， x 射线 双晶 衍射也被 广泛应用于测定 半 导体材料的结构 参数， 通过 运用x射线 运动学理 论【3 4 1 或 动力学衍 射理论13 5 对 量 子阱材料的摇摆曲线进行计算模拟，可以得到多层结构的组分、厚度、应力等 信息。比较起来，运动学理论的物理意义相当明显，计算量较小，与之相比， 动力学理论的计算要复杂的多，物理意义也没有这样明确，但依据的理论基础 更加严谨，获取的信息更加精确。 图2 .4 . 1 为x射线双晶衍射的装置和基本光路， 典型双晶衍射仪包括一对近 完整的晶体及其他附属装置。实验中，入射 x射线经过参考晶体的反射后照射 到样品表面，再由探测器接收其信号。参考晶体是一个高度完整、良好抛光的