（物理电子学专业论文）ingaasp四元系量子阱材料的量子阱混合技术的研究.pdf

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 量子阱混合程度与温度的关系。通过n d : y a g激光的辐照成功地实现了光 子吸收诱导无序。针对辐照时间过长的缺点，提出了进行衬底预加热和聚 焦光束的手段来缩短激光辐照时间的方案，成功地缩短了辐照时间并取得 了良好的效果。由p l谱给出了p a i d技术具有一定空间选择性的证据。 对 i f v d技术进行的研究，实现可以通过调节快速越退火的时间来控制量子 阱 混 合 的 程 度 并 对 影 响 :f v d 的 因 素 进 行 了 分 析 。 夕 关键词:量子阱混合，i n g a a s p四元系材料，光子吸收诱导无序， 无杂质空位无序，光致发光谱 i i 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 ab s t r a c t t h e m a i n p r o b l e m o f p h o t o n i c i n t e g r a t e d c i r c u i t s ( p i c ) a n d o p t o e l e c t r o n i c i n t e g r a t e d c i r c u i t s ( o e i c ) b a s e d o n s e m i c o n d u c t o r i s c o m p a t i b i l it y o f p r o c e s s , i . e . , h o w t o r e a l i z e t h e i n t e g r a t i o n o f d i ff e r e n t o p t o e l e c t r o n i c d e v i c e s w h i c h h a v e d i ff e r e n t b a n d g a p a n d d i ff e r e n t s i z e o n t h e s a m e s u b s t r a t e s i m p l y . h o w e v e r , q u a n t u m w e l l s i n t e r m i x i n g ( q wi ) a s a p l a n a r t e c h n i q u e h a s b e e n d e m o n s t r a t e d a n e ff e c t iv e m e t h o d f o r t h i s p u r p o s e b e c a u s e i t c o u l d m o d i f y b a n d g a p o f q u a n t u m w e l l s ( q w) m a t e r i a l c o n v e n i e n t l y a n d e ff e c t i v e l y . i n t h i s d i s s e rt a t i o n , p h o t o a b s o r p t i o n i n d u c e d d i s o r d e r i n g ( p a i d ) a n d i m p u r i t y - f r e e v a c a n c y d i s o r d e r i n g ( i f v d ) t e c h n i q u e o f i n g a a s p q u a rt e r n a ry q u a n t u m w e l l s h a s b e e n in v e s t i g a t e d t h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l y . f i r s t , t h e s i m p l i f i e d m o d e l f o r i n t e r d i ff u s i o n o f c o n s t i t u e n t a t o m s o f q u a rt e n a r q w m a t e r i a l i s e s t a b l i s h e d . c a l c u l a t i o n s o f c o n s t i t u e n t d i s t r i b u t i o n , b a n d - e d g e a n d t r a n s i t i o n e n e r g y b e f o r e a n d a ft e r q wi a r e c a r r i e d o u t t h r o u g h c o n s i d e r i n g a t o m s i n i i i f a m i l y a n d v f a m i l y i n d e p e n d e n t l y . i n t r o d u c i n g r a t i o f a c t o r o f d i f f u s i o n l e n g t h , k , w e f o u n d t h a t k g r e a t e r o r l e s s t h a n i c o r r e s p o n d s t o t e n s i l e s t r a i n o r c o m p r e s s i v e s t r a i n , i n it i a l o r l a s t s t a g e o f i n t e r d i ff u s i o n , i n c o m p l e t e o r c o m p l e t e in t e r d i ff u s i o n p r o c e s s . a c t i v a t i o n e n e r g y o f i n t e r d i f f u s i o n w i t h i n i i i o r v f a m i l y s a t o m s i s t h e n f i t t e d b y c o m p a r i n g p h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l ) d a t a o b t a i n e d f r o m a n n e a l i n g e x p e r i m e n t s , w h i c h s h o w s v o r i i i f a m i l y i n t e r d i f f u s i o n b e i n g p r e d o m i n a n t a t l o w e r o r h i g h e r t e m p e r a t u r e , a n d g i v e s d i r e c t i o n o f d e c i d i n g t h e p a r a m e t e r s o f q u a n t u m w e l l s i n t e r m ix i n g a n a l y z i n g t h e p a i d p r o c e s s , t h e s i m p l i f i e d h i e r a r c h i c a l m o d e l u n d e r l a s e r i r r a d i a t i o n a n d t h e s i m u l a t i o n o f t h e r m a l f i e l d a r e g i v e n . a c c o r d i n g t o t h e r e s u l t o f s i m u l a t i o n , b l u e s h i ft r e s u l t s o f p l s p e c t r u m u n d e r l a s e r i r r a d i a t i o n a r e c a l c u l a t e d i n c o r p o r a t e d w i t h c o m p u t i n g m e t h o d o f q u a n t u m t r a n s it i o n a n d f i t t i n g r e s u l t o f a n n e a l i n g e x p e r i m e n t s d a t a . t h e a m p l i t u d e o f b l u e s h i ft s m o s t l y c o i n c i d e s w i t h t h e p a i d e x p e r i m e n t a l d a t a . d i ff e r e n c e b e t w e e n c a l c u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t a l d a t a u n d e r i i i 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 s h o rt i r r a d i a t e d t i m e i s a n a l y z e d a n d c o r r e c t e d . t h e r e s u l t s n o t o n l y s h o w s t h a t p a i d i s t h e r e s u l t o f t h e r m a l e f f e c t u n d e r l a s e r i r r a d i a t i o n , b u t a l s o g i v e s t h e c o n c l u s i o n t h a t p r e - h e a t i n g a n d c o n v e r g i n g t h e l ase r b e a m a r e h e l p f u l t o d e c r e a s e i r r a d i a t i n g t im e . r e l a t i o n s h i p b e t w e e n q wi a n d a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e i s g i v e n t h r o u g h a n n e a l i n g e x p e r i m e n t . p a i d i s r e a l i z e d t h r o u g h n d : y a g l a s e r i r r a d i a t i n g m u l t i q u a n t u m w e l l m a t e r i a l . s u g g e s t i o n t h a t p r e - h e a t i n g s u b s t r a t e a n d c o n v e r g i n g t h e l a s e r b e a m c o u l d r e d u c e t h e i r r a d i a t i n g t i m e i s p u t f o r w a r d a n d i s s u c c e s s f u l l y r e a l i z e d w i t h e x p e r i m e n t s . t h a t p a i d h a s s p a t i a l s e l e c t i v i t y i s p r o v e d t h r o u g h d o u b l e p e a k o f p l s p e c t r u m . s t u d y o n i f v d g i v e s c o n c l u s i o n t h a t q wi c o u l d b e c o n t r o l l e d t h r o u g h a d j u s t i n g t i m e o f r a p i d t h e r m a l p r o c e s s . l k e y w o r d s : q u a n t u m we l l s i n t e r m i x i n g , i n g a a s p q u a r t e rna r y m a t e r i a l , p h o t o a b s o r p t i o n i n d u c e d d i s o r d e r i n g , i m p u r i t y - f r e e v a c a n c y d i s o r d e r i n g p h o t o l u mi n e s c e n c e s p e c t r a i v 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 第一章 绪 论 1 . 1 引言 处在世纪之交的今天，我们更加惊奇地注意到一门充满活力的学科光子 学，在生活中无处不在，扮演着日 益重要的角色。从我们日益依赖的通信技术到 无处不见的激光防伪商标以至各种各样的激光音像制品，到处都有它的影子。然 而光子学概念的建立却实际上可以一直上溯到 1 9 0 6年，它最初源于爱因斯坦对 光电效应的发现和解释，以及随后对原子、分子系统的受激与自 发辐射作出理论 阐述;但直到六十年代激光器出现，以及随后光纤的问世，光子学才得到真正意 义上的发展。从狭义上说，光子学就是研究以光子作为信息载体的学科，而这仅 仅是光子学概念刚被提出来时所界定的范畴;鉴于强激光技术的应用日益广泛， 光子学从纯粹的所谓 “ 信息光子学”扩展到包括“ 能量光子学”的范围，形成 广义上的光子学概念:研究光子运动 ( 光子运动学)及光子与物质相互作用 ( 光 子动力学)等基本问题与应用的学科m 。事实上，仅由信息技术 ( i t )与光子学 的密切关系来看，就可以毫不夸张的说，作为信息社会的 2 1世纪将成为光子学 的世纪。 要了解和预计光子学的发展，可以借助与电子学的类比来看。回顾二十世纪 电子技术的发展，经历了从真空管、半导体晶体管到集成电路、大规模集成电路 以至超大规模集成电路的发展，每一次变革都给人们的生活带来了翻天覆地的变 化，而同时电子学自身也经历了从电学一电子学峥电子技术分电子工程以至形成 电子产业的历程，从而造就出一个辉煌的电子学时代。同样，光子学也正遵循着 从光学峥光子学斗光子技术一光子工程到光子产业的相似成长历程，而其中，尤 以信息光子学的飞速发展更为令人瞩目。总体来看，光子学目 前发展的焦点仍在 于信息光子学的领域:由于现代信息社会对信息量的需求爆炸式的增长，促使通 1 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 信系统不断向 更高速率和更大容量的方向发展，目 前光纤通信系统的的 传输速率 己能达到 t b i t / s 的量级2 ) 。依靠微电子技术的发展，虽己能达 4 0 g b i t / s 的时分复 用 ( t d m)速率，但进一步增大通信容量，还需依靠全光通信。依照电子学的 发展规律，从技术发展及产业化角度来看，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。 光电集成的初期阶段与电子集成一样，是将具有不同功能的光子、光电子器 件实行单片集成，制成光子集成回路 ( p i c ) 和光电集成回路 ( o e i c ) 模块，其 中可以包括激光器、探测器、放大器、调制器、光开关、滤波器、起偏器、分路 器、藕合器以及光波导等。当然，p i c和 o e i c的应用不仅仅限于与光通信相关 的领域，它也涵盖了其它诸如光计算、微小光学、光存储、光显示等几乎所有利 用光子进行信息发生、采集、存储和处理的技术的范围。可以预计，光集成技术 的下一步也将仿造集成电路的发展模式，在 p i c , o e i c的基础上进行系统一级 的集成，进而发展成为光电集成系统 ( o e i s或 p i s ) ，所不同的是集成不仅会从 二维集成发展为三维集成，还将从纯粹的光电集成发展到涉及多学科的集成，如 微光电 机系统( m i c r o o p t o e l e c t r o n m e c h a n i c a l s y s t e m , m o e m s ) 等。最终，正如当 今以微电子学为基础形成的电子学时代一样，在大规模、大范围的光电集成基础 上，光子学将推动光子产业走向繁荣，形成光子学的时代. 实现p i c和o e i c的关键有三点，即衬底材料的优化、 器件功能的多样化和 制备工艺的简单化、兼容化。只有性能优异的衬底材料，才能实现在功耗、可靠 性方面有充分余量的高性能分立器件，为集成化打下基础;光电子器件的结构和 几何尺寸的差异远远比电子器件要大，要求同一光电子器件最好 “ 身兼多职” ， 如以激光器同时作为光接收器，减小集成难度;至于工艺的简单化和兼容化，则 是提高集成效率和降低成本必然要求。 在探索简化工艺的过程中，隶属于p i c和 o e i c中的一种后工共枯术_量 2 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 子阱混合 ( q u a n t u m w e l l s i n t e r m i x i n g , q w i ) 1 1技术引起了 人们极大的兴趣。 简 单来说， q wi 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有不同功能的光电子器件。我们知道，各种光电子器件 的光学特性是取决于其能带结构的，现在的所谓半导体的 “ 能带工程”就是利用 了对半导体能带和带边进行人工 “ 裁剪” ，来满足人们对半导体材料的各种特定 的电 学和光学性能要求的， q w i 对外延片进行的改性，就可以 看成是能带工程 的一种手段。目 前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，最典型的是通过掩膜手段实现选择区域生长4 .5 或图 形衬底上的二次外延过程(6 .7 1 。前者通过在不同区域调节生长速率或时间，后者 通过刻蚀一 再生长来实现不同的带隙。二者均在器件对准上存在着困难，同时也 存在着工艺过程过于复杂的问 题;而 q wi 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，理想的 解决了高度容差的问题，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 子阱混合技术的发展概况 1 . 2 . 1 盆子阱混合的 蓦本原理 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 1 . 1所示18 1 ;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19 1 ， 其带隙 可通过插值 法来得到18 .9 .1 11 ，且与实验结果(1 0- 1 3 1 基本一致。以晶格与g a a : 匹 配的a l , , g a , a s 3 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 a。心越余 ， 一 is s 一 s 6 一 s .7 s e s 9 一 s 0 一喻， 晶 格常数a ( 1 0 - n m ) 图 . ! 化合物半导体晶格与带隙关系 ( x 0 .4 5 ， 直 接 带 隙 ) p 0 和晶 格 与i n p 匹 配的i n ,_x g a . a s y p ,_, ( x 0 . 4 7 y ) 1i 为 例， 二 者的 带隙凡分 别 近 似为今1 .4 2 4 + 1 .2 4 7 x 和今1 .3 5 - 0 .7 2 y + 0 . i 对， 与 合金 组 分 有简单的函数关系。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间的 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 w h两侧的组分原子存在着发生自 扩散和互扩散的可 能性。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 wh的形状以 及量 子阱带隙的目的。图 1 .2以 简单的g a a s - g k a i , _as 单量子阱结构示意说明量子 阱混合的变化 原始 ( a s - g r o w n ) 的 量子阱 材料一般来说具有较好的 热稳定性，以 基于g a a s 衬底的 a l a s - g a a s量子阱或超晶格系统来说，如果在高温过程中能够防止表面 -一一一-一一一一-一.，一一 4 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 爪11wel 戈 鑫 ol 生长方i c j z 混合前混合后 图1 .2 2子阱棍合过程示愈图 的原子脱附，那么它在近 8 0 0 左右都几乎不会产生量子阱混合n x m ,m 2 + g a a s ( 再生 长) ( g a a s 也可替换为a i g a a s ) ， 通过再 生长 过程使 g a a s / a l g a a s超晶格材料改性成为均匀的合金相材料。实际的例子如图 1 .3 所示， 采用了s i 和n i 作为反应中的m2 和m, 。这种技术不足之处在于只能 .一 二 二 ai ga a s /二 二 三 g a a s s l三 .l 甘l ga as y n isi ai ga as .一 .一 . ga as 图1 .3固相再生长过程示意图 ( a ) 外延片结构 ( b ) 镀n i 腆 ( c ) 退火 ( n ia l g a a s 维持周期结构) ( d ) 镀s i 腆 ( e ) 退火，固 相反应生成均匀a i g a a s 合金相 -. 一一一一一一一一一一一一-一 - t o 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 使量子阱完全混合为均匀合金相，限制了它的应用范围。 从 q wi 所处理的材料角度来看， q wi 技术从主要处理基于 g a a s 衬底的 a i g a a : 三元系量子阱材料到发展处理基于i n p衬底的i n g a a s ( p ) , a l g a i n a : 等 四元系量子阱材料。 q w i 技术是在对量子阱半导体激光器的 研究中发展而来的， 故对它的研究与量子阱半导体激光器的发展密切相关。 对 q w i 的研究始于八十 年代初期，其时，量子阱半导体激光器刚刚成熟，采用的材料多是基于 g a a s 衬 底的a l g a a s 量子阱，所以在随后的几年中，人们对量子阱混合的研究主要侧重 于a l g a a s / g a a s 材料方面3 1 ,4 7 ,8 3 -8 5 。八十年代中后期，鉴于长距离、超大容量光 纤通信及相千光通信系统的发展需要， 许多专家致力于研究开发波长位于光纤第 二、三窗口范围内的窄线宽、动态单频半导体激光器，极大地推动了 采用量子阱 结构的长波长激光器的 研究. 相应地在同一时期， q wi 对适合在这一波段工作 的， 以i n g a a s p / i n p 材料为代表的量子阱结构也进行了 许多卓有成效的探索8 6 -9 3 u 基于q wi 技术的逐渐成熟， 对其它一些很有应用前景的量子阱结构， 如基于g a a s 衬 底的i n g a a s , g a a s p 量子阱 材料也 进而出 现了 一 些q w i 的 研究 报道9 4 -9 8 ， 大 大扩展了q wi 的应用领域。 在对q wi 技术进行各种方案和工艺过程上探讨的同时，有关q w i 机理的理 论研究也一直没有停止过。从一开始，当对超晶格的掺杂实验引出意外的量子阱 混合现象时，该现象究竟对应何许微观过程立即引起了人们浓厚兴趣。j .b a r d e e n 等人1 8 经分析认为， 在 q w i 过程中， 掺杂原子扮演了使空位活化的角色，典型 的反应 ( 以在a l g a a s / g a a s 中掺入杂质z n 为例)如下: z n ; + v 0 。 ( z n * ， v ) 十 。 z n s + 2 h( 1 . 1 ) 式中v ” 为中 性空 位， z n , , z n : 分别表示处于隙 位和替 位状态的z n 原 子，中 性空 位v ” 通过与z n ; 形成隙 位一 空 位对这一中间 态，降 低了 激活能， 使近邻的g a , a l 原子更易进入活化的空位，从而通过空位的移动，最终增进 a l a s - g 其次， 作为后工艺的q w i 的 复杂程度和成本不应高于传统的多步生长工艺，否则就没有存在和发展的必要: 另外， 作为一种平面型工艺， q wi 技术的空间选择性也是很重要的，只有能选 择性的改变指定区域的量子阱形状和带隙，才有应用在光电器件和 p i c( 或 o e i c )中的可能; 最后， 运用q w i 改性后的器件性能不能有太大的退化，这样 才能有实用价值.以下就这几个方面对各工艺进行定性的比较，各技术的优劣列 于表 1 . 1 。 1 2 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 表1 . 1 it子阱混合各技术的优劣比 较 评判参数 i i d i f vd 激光辐照 离子注入扩散法l i d p ai d p l d 重复性 简单性 空间分辨率 器件质i t 较好一般 较好较好 1 w m不易 控 制 退化有退化 待改进 好 - 3 u m 较好 不易控制好较好 好好好 - 1 0 0 u m衍射极限 较好有退化 在 i i d技术中，离子注入法和扩散法都已是非常成熟的半导体工艺，工艺参 数较为稳定，因而重复性相对较好1 1 7 1然而，离子注入法通过控制注入剂量较 扩散法引入杂质来说分布相对稳定，离散程度要小一些，所以从整个 h d的工艺 过程来看，离子注入法的重复性要好于扩散法。基于同一理由，离子注入的杂质 侧向扩散较小，因而空间分辨力也好于扩散法。由于扩散法引入杂质的过程是在 相对较高的温度下进行的，对无需改性的材料部分有一定的影响，从而在无需进 行q wi 部分引起的器件性能 退化较离子注入法来得大一些;但从另一方面来看， 离子注入引 入的晶格损伤较扩散法大得多， 对有 q wi 部分形成新的器件造成严 重的影响。所以，通常离子注入法被用于制作侧向波导结构、电流限制层或高功 率激光器的低损耗窗口等对光电特性要求不太高的场合，而扩散法被用于改变激 光 器 本 身 的 激 射 波 长 ， 制 作 电 吸 收 调 制 器 、 光 探 测 器 等 方 面 。 若 要比 较 两 奢 的 成 本，可以看出扩散法相对简单一些，但在较大批量的生产场合，两者分摊下来的 成本可以说相差无几。 相对来说，i f v d只需镀介质膜和快速热退火两步过程，其工艺过程就显得 简单多了 ， 故而成本也是相当 低的。 而 且由 于有多种 类别的 介质膜， 对 q w i 的 程度也可以好的控制。美中不足的是，在各类介质膜与外延材料的界面处一般都 存在着大量的晶格缺陷及所引发的失配应力，而外延片的不均匀性也会导致应力 的不均，这些都导致 i f v d过程的重复性不能令人满意，在其实用化之前还需对 工艺 进行充分完善。 在空间 选择性方面，i f v d已 可达到- 3 f m的侧向控制15 6 1 基 1 3 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 本上已 可满足器件或集成的需要;由于不直接引入杂质，i f v d方法不会太大的 影响有源层的电学性能，因而器件性能的退化也是相对是较小的。在这两方面 i f v d无疑具有相当的优势，发展前景十分乐观。 激光辐照外延材料的改性技术是基于激光的热作用，完全无杂质引入，工艺 过程最为简单。其中， l i d依融熔 再生长机制，q w i 过程不易控制， 现己 基本 上不予采用;p a i d过程较为 “ 温和” ，通过控制辐照的功率一 时间乘积能较好的 控制 q wi 程度，重复性和器件质量较好，不足之处在于其空间分辨力稍差，不 利于在p i c和o e i c中的 应用; p l d采用脉冲或调q的 激光束， 解决了p a i d中 空间分辨率不足的问题，而且可以直接写入，其缺点是引入的晶格缺陷没有完全 消除，会对器件性能产生影响。 1 . 3量子阱棍合的应用 量子阱混合能在后工艺过程中改变量子阱结构的带隙和带边，并且是在器件 有源区层面内直接实现，无疑将是解决p i c和o e i c中各光电器件祸合问题的有 力工具。我们知道，各类半导体光电器件之所以具有不同的功能，带隙是相当决 定性的因素之一。 通常情况下，随着半导体禁带宽度的增大，材料的吸收边将向 短波方向 移动，而对某一给定波长的折射率会减小。利用这个特点， 通过运用量 子阱混合技术改变半导体的带隙，进而改变有源区的光学特性，可以应用于诸多 的方面。例如，图 1 .4是一个由光探测器 ( p d ) .激光器 ( l d) 、电吸收调制器 ( e a)和无源波导组成的典型半导体光电发射单元，其中各器件的吸收边是递 减的，这对应着带隙递增。通常的制作方法是分别生长各器件的外延材料制成器 件后加以祸合，而这个问题在外延材料方面来看，实际上只是要求在给定的区域 实现不同的带隙，运用 q wi 技术能在一定的空间区域内改变量子阱带隙这一特 性，则有可能方便地在同一外延材料上通过不同程度的量子阱混合实现多种器件 功能，且祸合问题因有源层本身在同一平面上将变得容易解决，其优越性是不言 1 4 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 竺巴竺竺竺竺竺巴巴竺竺竺竺巴巴竺竺竺竺竺竺竺竺竺巴竺竺竺竺巴二二 而喻的。 q w i 技术发展到今天，已 基本实现能制作各类独立器件甚至有可以商 业化的产品(3 7 1 ，集成化的 p i c也已在实验室中实现 1 17 1 ，有待开发的各种应用产 品也是很多的，其应用前景不待而言是一片光明。 / 卞址上一 波长 ( li m ) 图1 .4典型光电发射单元中各器件吸收边示意图 1 . 4 本论文主要研究内 容 本文的 研究是在国 家自 然科学基金( 批准号 6 9 5 8 6 0 0 2 ) 的资助下进行的，主 要 是针对晶格与 i n p匹配的 i n g a a s p四元系量子阱材料，从理论和实验两方面对 量子阱混合技术进行探讨。在理论方面，对量子阱混合过程中的原子扩散行为和 带边形状进行了分析，给出了量子阱混合的扩散模型，并针对光子吸收诱导无序 技术提出了计算温度分布的方法，结合实验结果进行了温度场的模拟.在实验方 面，应用光子吸收诱导无序技术和无杂质空位无序技术进行了量子阱混合的研 究，成功地得到量子阱混合的结果，并对两技术的技术手段和技术参数进行了有 益的探索，得出了一定的规律。 1 5 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 第一章主要对量子阱混合技术的发展状况进行了总结，对各技术手段进行了 对比，并讨论了本论文研究工作的目的和意义。 第二章首先对量子阱混合中的原子扩散机制进行了分析，确立了组分互扩散 的物理模型;然后根据扩散模型分别对量子阱混合前后的组分分布和带边形状进 行了 模拟， 最后针对不同的扩散情况， 在计及应变的条件下计算了 q wi 前 后量 子跃迁能量。 第三章主要是通过热退火的手段研究 i n g a a s p四元系量子阱材料的热稳定 j胜，并通过理论模拟得到量子阱混合与温度的关系。 第四章进行光子吸收诱导无序技术的研究，针对辐照时间过长的缺点，提出 了进行衬底加热和聚焦光束的手段来缩短激光辐照时间，并取得了较好的效果。 另外，通过对激光辐照的温度场进行计算，得出了与实验较为一致的 p l蓝移结 果。 第五章对无杂质空位无序技术进行了研究，在其它条件相同的情形下通过调 节退火时间实现可控制的量子阱混合，并分析了影响该技术的儿个因素。 第六章对全文进行了总结。 1 6 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 第二章 量子阱混合的理论研究 2 . 1引言 量子阱混合的物理过程主要是量子阱异质结 ( q wh )两侧晶格原子的互扩 散过程，因而要掌握 q wi 的工艺参数，必须对晶 格原子通过 q wh进行扩散的 过程进行深入的研究。原子在晶格中的扩散是固体物理中研究得较多的问题之 一，基本的扩散机制列于表 2 . 1中。理想晶体中没有缺陷，原子脱离原晶位进行 扩散的方式需要极大的激活能 q o ，这一点在常规条件下是几乎无法实现。 但在 实际晶体中，或多或少总会有一定程度的晶格缺陷，这些缺陷的存在使得晶格中 原子离开格位的激活能大大地降低川 ，使晶格原子在一定条件下的互扩散成为可 g o 表2 . 1晶格原子的基本扩散机制 扩散分类扩散机制基本物理过程 与缺陷无 关的扩散 1 .直接交换 2 .环形交换 近邻原子换位 数个近邻原子轮换 与缺陷相 关的扩散 隙位 l 直接隙位 2 . 间接隙位( i n t e r s t it i a l c y ) 3 .挤入( c r o w d i o n ) 4 . 游离 ( d i s s o c i a t i v e ) 隙位原子直接跳跃到近邻位 间 接 直 线 隙 位i= i 间接非直线隙位p 1. 以一定比率占据隙位和替位，在隙位中直接隙 位 方式 扩散a 空位 i . 空位 2 . “ 松弛”空位( r e l a x i o n ) 1 1 以空位为媒介跳跃 以二级近邻间的空位为媒介 位错 1 . 管道扩散 2 . 晶界扩散 沿位错线扩散 沿晶粒间界扩散 一-一 -一一一- -一一一一一 - 1 7 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 普通半导体材料中的缺陷一般都是在生长或掺杂过程中引入的，依现有技 术，高品质半导体材料中的位错等晶格缺陷己可减到极少，缺陷主要由掺杂或其 它工艺过程引入的隙位杂质和空位构成。所以在半导体材料中，一般都将扩散行 为归因于表 2 . 1中与隙位和空位有关的扩散机制。大多数 i i i - v族化合物半导体 都属于闪锌矿结构，由两套面心立方布拉菲格子 ( b r a v a i s l a tt i c e )嵌套构成， i i i 族元素原子和 v 族元素原子各占据一套，故可将晶格看成两套子晶格。在本文 研究的基于 i n p衬底的i n g a a s p四元系合金材料中，i n , g a以一定比例占据 i i i 族子晶格位，而 a s , p则位于 v族子晶格位上，两类子晶格原子由于分别有不 同的极性， 较少出现异位替换的情形， 所以在四元系i n g a a s p 量子阱材料的q wi 理论研究中，一般分别处理 i i i 族原子和 v族原子的互扩散问题。 q wi中，缺陷为原子互扩散的动力，有关这一点己 经有许多讨论，目 前较 一致的看法是，层间互扩散的主要动力最终都是来自 活化空位6 j ( 见 1 .2 .2 ) . 撇 开扩散的物理过程，我们主要关心的是 q wi 前后量子阱结构光电 特性的改变， 由于混合后有源区的组分分布的改变是量子阱带边形状改变的直接原因，故如果 能得到 q wi 后量子阱阱区和垒区的浓度分布，就能方便地得出有源区的带边形 状和带结 构， 对于 q w i 的 工艺 参数的 选 择有莫大的 裨益。 本章拟 在这方面 作一 些理论分析。 牡. 2 扩散过程的模拟 在三元系半导体合金如a i g a a s / g a a s 量子阱结构中， q wh两侧只有i i i 族 原子 a l , g a存在着浓度梯度，有互扩散的可能性，即在适当条件下量子阱将会 发生混合。 而其中组分原子互扩散的 主要动力来源于 i i i 族空位 v il l ， 有关这一 点已有许多实验证据6 -8 。相对而言，四元系的 i n g a a s p量子阱材料中，i i i , v 1 8 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 族的原子在q w h处都存在着浓度梯度， 在一定的条件下它们在各自 的子晶 格内 都有可能发生互扩散。由 此引 起的四元系量子阱 q wi 与 a l g a a s 系材料的有所 不同。另一方面的不同在于，后者在组分原子发生互扩散前后晶格基本上保持不 变，而前者由于组分多一个自由度，在 i i i , v族原子独立互扩散之后，四元系 材料的组分配比有可能偏离晶格与 i n p匹配的条件，从而导致晶格常数发生变 化，体现为在量子阱结构中会出现应变。应变反过来又会对扩散过程和最终的量 子阱能带结构都会有影响，这将导致研究四元系 i n g a a s p量子阱混合机制较 a l g a a s / g a a s 材料中更为复杂。 2 . 2 . 1扩散模型 在i n g a a s p四元系合金半导体的q wi 研究中，一般分别考虑i i i 族和v族 原子的互扩散。已有的研究互扩散的理论模型可归纳为三类: a ) i i i 族原子和v族原子的互扩散速率相当; b )仅考虑i i i 族原子的 扩散， ; 。 )同时考虑i i i , v族原子的互扩散，但二者取不同的互扩散速率。 三类模型各对应于不同的 q wi 引入 z n等杂质以模式 b ) 加以解释， 工艺过程。其中，i i i )中以杂质扩散的方法 对应的 p l测量结果一般产生红移 o l ; i i i ) 中引入杂质 这一 类 z 1 . s , p , s i 的工艺会引起 p l蓝移 10 .11 1 ，归因于模型 a ) , i f v d也归于 两性杂质g a 等的引入一般以模型c )解释11 3 1 唯象地来看，通常情况下量子阱混合过程可以视为等温化学互扩散，主要 是由量子阱中势阱和势垒的化学配比差别即所谓组分浓度梯度引起的。在这种情 形下，若只考虑垂直于有源区沿生长方向: 的一维扩散，自由扩散的原子扩散流 f在恒定扩散系数d的条件下遵从f i c k 第一定律: 1 9 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 f = - d 兰 a z ( 2 . 1 ) 由此可知，扩散流f的大小仅与浓度 c的梯度及扩散系数d有关。下面就 这两个参数在q wi 中所起的作用作出分析，以确立本文拟采用的模型。 a ) 首先考虑扩散系数的影响。 在各向同性介质中，扩散系数 d的大小取决 于扩散的动力学过程，是温度t 的函数，粗略的可以表达为: d ( t ) = d o e l- q 0 l k 0t i ( 2 .2 ) 对于晶 格不变的晶体， d o 可取为常数。 q 。 为激活能，与扩散原子的环境有 关。 在 q wi 过程中，引入空位或杂质正是为了降低组分原子互扩散的激活能。 如上节所述， 在晶格条件确定的情况下，q wh两侧原子的互扩散速率与空位或 杂质浓度密切相关。而在本文主要研究对象p a i d和 i f v d技术中，由于没有杂 质的引入，两类子晶格的扩散主要依赖各子晶格上的本征空位或引入空位的浓 度。i f v d主要以介质膜引起 g a 原子的外逸产生空位，可以认为i i i 族空位多于 v族空位，使得 i i i 族子晶格的互扩散的平均活化能要低一些，在其间的互扩散 较容易进行。 另一方面，从宏观的角度来看，实验数据表明 ( 表2 .2 1 1 ) , 1 1 1 族原子g a , i n 在g a a s 和i n p中的激活能要小于v族原子a s , p ，而自 扩散系数则相应要大 表 2 .2 i i i - v族化合物半导体中的自 扩散数据 化合物扩散原子么( e v )d , ( c m l s )d ( 7 = 3 0 0 k )d ( t = 1 0 0 0 k ) i n p中 i n3 . 8 5 1 . 0x1 0 2 . 1 x 1 0 04 . 0 x 1 0 - 5 p5 . 6 57 刀义1 0 18 . 4 x 1 0 2 . 3 x 1 0 g a a s 中 ga3 . 27 乃x 1 0 1 . 2 x 1 0 5 . 2 只1 0 0 as5 . 6l o 又1 0 8 . 3 x 1 0 6 .0 x 1 0 i n a s 中 i n4 . 06 力又1 0 33 名火1 0 6 24 2又1 0 4 s as4 . 4 53 . o x 1 0 5 .2 x 1 0 1 . 1 x 1 0 一 3 一一-