（物理电子学专业论文）含硼（b）光电子材料的理论计算和实验研究.pdf

摘要 含硼( b ) 光电子材料的理论计算和实验研究 摘要 本论文的主要研究工作是根据以任晓敏教授为首席科学家的国家 重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 项目“新一代通信光电子集成器件及 光纤的重要结构工艺创新与基础研究( 项目编号：2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 0 ) 中一 个子课题项目“单片集成光电子器件的异质兼容理论与重要结构工艺创 新刀( 项目编号：2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 1 ) 为基础开展开的。 新一代光纤通信系统的发展必然要以新型通信光电子集成器件作 为支撑。而通信光电子集成器件研究所面临的最突出问题是半导体材料 兼容、结构兼容和工艺兼容，而如何实现异质结半导体材料兼容最为重 要。为了更好的解决材料兼容这个问题，除了进一步优化原来的异质外 延生长方法之外，寻求晶格能与g a a s 或者s i 匹配，且能带覆盖1 3 1 5 5 微米光通信波段的新型光电子材料，可能是比较理想的途径。因此，本 文就b 系光电子新材料体系展开了大量的理论和实验工作总结起来， 主要有以下几个方面： 1 、采用基于密度泛函理论( d f r ) 的平面波赝势计算程序c a s t e p 、 原胞方法和能量最低原理，计算出了b a s 、b s b 和b p 在稳定性状态下 的晶格常数及能带结构。 2 、采用3 2 原子建立了b 。i n l a 的超胞模型，计算出了不同b 组 分b x i n 。籼的能带结构，发现b x i n l 轴的带隙随着b 含量增加而增加， 继而通过v e g a r d 定理得出了其能带弯曲参数约2 6e v 。 3 、计算了b g a a s 和b i n a s 的生成焓，计算结果表明：随着b 含量 增加，b g a a s 和b i n a s 的生成焓均迅速增加，据此可知b 的并入量均 不能很高。 4 、使用三乙基硼( t e b ) 、三甲基镓( t m g a ) 和砷烷( a s h 3 ) ， 在( 0 0 1 ) g a a s 衬底上开展b x g a l a 的1 2 m o c v d 生长，研究了生长温 北京邮电人学硕十论文摘要 度及t e b 输入气相百分比( x v ) 对b 并入量的影响。实验发现，5 8 0 度是 最佳生长温度，最大并入量达到5 8 。b 并入量随x v 的增加而增加， 但存在极限。 5 、 s 8 0 度- f ，外延生长出了与g a a s 衬底晶格匹配的b x i n y g a l x 声 外延层，x 射线双晶衍射( d c x r d ) 钡j j 试表明外延层晶体质量较好。 关键词：c a s t e p ，能带弯曲参数，金属有机化学气相沉积，b g a a s ， b i n g a a s 北京邮电人学硕士论文 摘要 t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t a ls t u d yo nb o r o n - i n c o r p o r a t e d p h o t o e l e c t r o n i cm l 气t e r i a l s a b s t r a c t t h er e s e a r c hw o r ko ft h i st h e s i sw a sm a i n l ys u p p o r t e db yt h e s u b p r o j e c t “t h e o r yo nh e t e r o g e n e o u sm a t e r i a l sc o m p a t i b i l i t y a n dk e y s t r u c t u r e & t e c h n o l o g yi n n o v a t i o n sf o rm o n o l i t h i ci n t e g r a t e do p t o e l e c t r o n i c d e v i c e s ( n o 2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 1 ) t h i ss u b p r o j e c tb e l o n g st on a t i o n a lb a s i c r e s e a r c hp r o g r a mo fc h i n a ( a l s oc a l l e d9 7 3p r o g r a m ) ，n a m e d “b a s i c r e s e a r c ho ni n t e g r a t e do p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sa n dm i c r o s t r u c t u r eo p t i c a l f i b e r sw i t hs t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g yi n n o v a t i o n sf o rf u t u r ea d v a n c e d o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ( n o 2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 0 ) p r o f e s s o rx i a o r n i nr e ni s t h ec h i e fs c i e n t i s to ft h i s9 7 3p r o g r a m n o v e li n t e g r a t e do p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sa r ep r e r e q u i s i t et ot h ee v o l u t i o n o ft h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s a n dt h em a j o ro u t s t a n d i n gi s s u e s ， w h i c hh a v eb e e ne n c o u n t e r e dw i t hd u r i n gt h ei n v e s t i g a t i o no fi n t e g r a t e d o p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s ，a r et h ec o m p a t i b i l i t i e sb e t w e e nd i f f e r e n tm a t e r i a l s ， d i f f e r e n ts t r u c t u r e sa n dd i f f e r e n tp r o c e s s e s h o wt or e a l i z et h ei n t e g r a t i o no f t h eh e t e r o g e n e o u ss e m i c o n d u c t o r sb e c o m e st h em o s tc r i t i c a l b e s i d e st h e f u r t h e ro p t i m i z a t i o no fh e t e r o e p i t a x yt e c h n o l o g i e s ，t h ee x p l o r a t i o no fn e w p h o t o e l e c t r o n i cm a t e r i a l sw h o s el a t t i c ec o n s t a n tm a t c h e dt og a a so rs i ，a n d b a n d g a p m a t c h e dt ot h e 1 3 1 5 5 比mw a v e l e n g t hr a n g e o f o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n s ，m a yb et h ep e r f e c tr e s o r t t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho nb o r o n i n c o r p o r a t e dp h o t o e l e c t m n i cm a t e r i a l sh a sb e e nd o n ei n t h i st h e s i s r e s e a r c hr e s u l t s ，a sl i s t e db e l o w ，h a v eb e e na c h i e v e d 1 b yt h ec a s t e ps o f t w a r eb a s e do nd e n s i t y f u n c t i o n a lt h e o r y ( d 聊，t h ep r i m i t i v e - c e l l m e t h o da n dt h el o w e s t e n e r g y p r i n c i p l e ，t h el a t t i c ec o n s t a n ta n de n e r g yb a n d g a ps t r u c t u r eo f b a s ，b s ba n db pu n d e rt h e i ro w ns t a b l es t a t e sw e r ec a l c u l a t e d 北京邮电人学硕士论文摘要 2 b v3 2 a t o ms u p e r e e l lm o d e l ，t h ee n e r g yb a n d g a ps t r u c t u r e so f b 。i n l i a sw i t hd i f f e r e n tb o r o nc o m p o s i t i o nw e r ec a l c u l a t e d s i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tb a n d g a po fb x i n l - aw i l l i n c r e a s e w i t ht h ei n c r e m e n to fb o r o nc o n t e n t s u b s e q u e n t l y , t h eb a n d g a p b o w i n gp a r a m e t e ro f a b o u t2 6 e vw a so b t a i n e db yv r e g a r d sl a w 3 t h ee n t h a l p yo fb x g a l - x 触a n db x i n l - x a sw a sa l s oc a l c u l a t e d a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n go fb o r o nc o m p o s i t i o n t h ee n t h a l p y w i l li n c r e a s er a p i d l y t h u s i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tb o r o nc a n n o tb eh i g h l yi n c o r p o r a t e di n t ob x g a l - x a sa n db x i n l x a s 4 b x g a l 缸e p i l a y e r s h a v e b e e n g r o w n o nt h e ( 0 0 1 ) g a a s s u b s t r a t eb vl p m o c v du s i n gt e b ，t m g aa n da s h 3s o u r c e s t h eb o r o ni n c o r p o r a t i o nb e h a v i o r sh a v e b e e ns t u d i e da sa f u n c t i o no fg r o w t ht e m p e r a t u r e ( t 0a n dg a sp h a s et e bm o l e f r a c t i o n ( x v ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t5 8 0 q cs h o u l d b et h eo p t i m u mg r o w t ht e m p e r a t u r ef o rb g a a sd e p o s i t i o n ， u n d e rw h i c ht h em a x i m u mb o r o nc o m p o s i t i o nu pt o5 8 w a s o b t a i n e d i th a sa l s ob e e nf o u n dt h a tt h eb o r o ni n c o r o o r a t i o n w i l lb ee n h a n c e dw i t ht h ei n c r e a s eo fx vv a l u e h o w e v e r , t h e r e e x i s t e dt h ec r i t i c a lv a l u ef o rx v 5 l a t t i c e m a t c h e db i n g a a se p i l a y e r sh a v ea l s ob e e ng r o w no n t h e ( 0 0 1 ) g a a ss u b s t r a t e s a t5 8 俨c d c x r dm e a s u r e m e n t s s h o wt h a tt h ec r y s t a l l i n i t i e so ft h eg r o w ne p i l a y e r so fb i n g a a s w e r er e a l l yg o o d k e y w o r d s ： c a s t e p , b a n d g a pb o w i n gp a r a m e t e r ，m e t a l o r g a n i c c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，b g a a s ，b l n g a a s 北京邮电火学硕十学位论文声明 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除 了文中特别加以标注和致谢l f l 所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期：川：三至? 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守 此规定) 本人签名： 导师签名： 北京邮电大学硕十学位论文绪论 第憧绪论 本论文的主要研究工作是根据以任晓敏教授为首席科学家的国家重点基础研究 发展计划( 9 7 3 计划) 项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新 与基础研究”( 项目编号：2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 0 ) 中一个子课题项目“单片集成光电子器件 的异质兼容理论与重要结构工艺创新”( 项目编号：2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 1 ) 为基础开展开的。 笔者在任晓敏教授、黄永清教授和王琦老师的精心指导下，针对含b 光电子材料 b g a a s g a a s 、b i n g a a s g a a s 的一些能带理论和外延生长的实验问题开展了一定的研 究工作，以探讨光电子材料的电子性质和生长机理，为单片集成提供理论和实验支 持n 1 。 在本论文的绪论部分，主要阐述了本论文的研究背景和意义，同时还对论文的 结构安排作以简单扼要的介绍。 1 1 光电子集成的意义、背景和面临的困难 在信息社会中，电子和光子是两大信息载体。2 0 世纪6 0 年代初期，以电子为 信息载体成为研究的主流和技术的象征，并逐渐成熟，开创了微电子集成电路的时 代，为社会的文明奠定了技术基础，起到了巨大的推动作用。然而由于电子受到荷 电性、带宽、互扰等固有特性的物理限制，以电子为信息载体已经越来越不能满足 人们对信息发展的要求，电子的固有物理限制成为微电子集成进一步发展的瓶颈。 为了突破瓶颈，适应以摩尔定律的速度发展的信息要求，人们开展了大量的工作， 一方面是沿着原来的路继续对微电子进行研究，另一方面，人们把目光转向了另一 个信息载体一光子。 光子作为信息载体，有它固有的优点和长处。光波的频率比毫米电磁波的频率 至少大3 个数量级，同时它在回路中的运行速度比电子高出至少3 个数量级，并且 具有极强的抗干扰能力，能够满足人们对信息发展的要求，克服微电子的瓶颈限制。 北京邮电人学硕士学位论文 绪论 它丰要有以下优点： 1 功能更加复杂：在同一芯片中集成多个不同的元器件，通过元器件的组合可 以实现比分立器件更复杂的功能； 2 成本进一步降低：由于多个元器件集成在同一芯片中，只需要一次封装，极 大地降低了封装的成本，而封装成本要占到光电子器件总成本的7 0 9 6 以上； 3 性能更加优异：集成光电子器件具有更紧凑的结构，更小的光学和电学连接 损耗，在光学电学性能、稳定性和可靠性方面都更具优势； 4 带宽更宽：微电子主要是带宽限制，而光电子大大增加了通信带宽，增加了 通信的容量。 以上光电子集成的优点和长处必将使光子逐渐取代电子成为主要的信息载体， 使光电子集成技术成为2 1 世纪的技术支柱。 所谓光电子集成( o 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 ) 是指将发射 或接收光信号的有源光器件( 如激光器、调制器、探测器或光放大器) 、无源光器 件( 如光波导或光耦合器) 与相关的驱动电路、放大电路、信号处理电路、监测控 制电路等电子器件集成在同一芯片上，完成某一特定功能或子系统功能，它包括单 片集成、准单片集成和混合集成。而光电子单片集成需要在同一衬底上外延生长多 种不同性质的材料以完成不同的功能，它主要涉及到i n p 、g a a s 和s i 衬底材料。 然而在光电子集成方面却有很多矛盾需要解决。其中最突出的矛盾是材料兼容、 结构兼容和工艺兼容这三大难题脚。因此，要真正实现光电子集成，必须解决这些 难题，特别是突破半导体材料异质兼容这个瓶颈。为了突破这个瓶颈，需要解决两 方面的问题：一个是不同晶格匹配材料系之间的兼容，简称为“异系兼容”；一个 就是同一材料中不同带隙材料之间的兼容，简称为。异隙兼容”。我研究的中心工 作就是研究新的光电子材料，以实现与衬底的材料兼容，以此来避开异质外延生长 “瓶颈”的限制。 1 2 光电子集成的途径： 在研究和实践中解决半导体光电子单片集成中的“异系兼容”问题，主要有 以下两种比较成熟的实现途径： 2 北京邮电大学硕士学位论文绪论 1 2 1 大失配异质外延生长技术的现状和发展、以及不足 大失配异质外延( h e t e r o e p i t a x y ) ：它是利用先进的材料外延生长技术( 如 m o e v d 和船e ) 在衬底上生长与其晶格常数失配的材料体系，特别是大失配材料。 1 2 1 1 分类：当前的方法主要有三种：各种缓冲层技术，各种柔性衬底技术和 横向外延技术h ，5 1 。 ( 1 ) 缓冲层技术：缓冲层( b u f f e r ) 也称过渡层，就是衬底上生长一层或者多 层与衬底或者与外延层相同或者相似的材料。主要作用是通过阻止或抑制外延层中 失配应变弛豫的方式来减少乃至消除材料体系中的位错和缺陷产生。现有的缓冲层 可归纳为三种：晶格匹配缓冲层；组分渐变缓冲层；应变超晶格缓冲层。 i ：晶格匹配型：这种方法是在衬底上生长一层或者多层缓冲层，这种缓冲层 的晶格要么和外延层晶格一致，要么和衬底的晶格相匹配。这类缓冲层主要应用于 失配度不是很大的异质结构材料体系中。比如在s i 衬底上生长s i g e 时，可以先生长 薄s i 缓冲层嘲。晶格匹配缓冲层的制备工艺比较简单、而且也较容易实现，但只能 在一定程度上改善和提高外延层的质量。因为这种缓冲层技术只是把体系中的部分 失配应变由外延层分配到缓冲层中，而不能从根本上消除失配应变，其中未弛豫的 应变还可能会在下一步的外延生长或后续的工艺中弛豫，并可能有大量的穿透位错 进入有源区，造成器件性能的恶化。此外，晶格匹配缓冲层对于缓解由热膨胀系数 差异引起的热应力作用也不大，而且其自身也存在热失配问题。 i i ：组分渐变缓冲层：组分渐变缓冲层是一种多层结构，各单层的晶格常数可 从与衬底匹配的晶格常数缓慢渐变到外延层的晶格常数。因为随着组分梯度变化， 缓冲层中除存在一个分布场用以补偿变化的应力场，还会使失配位错分布在缓冲层 的不同高度上，而不是被局限在单一的界面上，这就为位错的运动提供了一个额外 自由度，减小了相互钉扎几率，从而能有效降低异质外延的穿透位错密度，达到无 失配或小失配外延目的。j l l i u 等利用4i im 厚组分渐变s i h g e 。缓冲层在s i 衬 底制备生长得到位错密度很低的高质量g e 单晶薄膜。r s g o l d m a n 等阴1 利用5 0 0 n m 和1 1 1m 厚的组分渐变i n 。g a 。一s s 缓冲层在6 a a s 衬底上制备得到 i 眦驺g 她盯a s i n o d l 。a s 异质结构，并研究了它的二维电子气输运性质，也有人报道 过在组分渐变缓冲层的最上一层生长晶格常数比外延层更大些的组分材料效果会更 好些。可是这种方法需要的渐变层数多、缓冲层厚、生长工艺复杂、不易调控和难 3 北京邮电人学硕士学位论文绪论 重复之外，分配到缓冲层中各单层的失配应变还可能会累积并在后续工艺中弛豫而 产生相当数量的穿透位错进入有源区。此外，该技术还可能会引起位错的堆垒，其 衍生的后果会对外延层表面形貌产生很大影响。 i i i ：应变超晶格缓冲层：因为上文中组分渐变缓冲层尤其缺点，研究者发现如 在衬底上先生长一组单层很薄的应变超晶格层，可以发现外延层的质量能明显改善。 这是因为应变超晶格会引入一个应力场，应力场与穿透位错相互作用后，能使位错 线被弯曲或拆断而不能进入外延层中，其作用犹如一个位错过滤器，可以提高外延 层的质量。k i m u r a 等1 人利用i n 仉g a o 。，p i n p 应变超晶格的应变效应，成功地在g a a s 衬底上生长出i n g a a s p i n p 的异质结构激光器和i n g a a s 的探测器。应变超晶格层缓冲 层的制备工艺其实不比组分渐变缓冲层简单，而且需要更精确的超薄层生长技术， 往往与其他缓冲层技术结合才能起到一定的抑制位错和缺陷产生的效果。 ( 2 ) 柔性衬底技术：柔性衬底( c o m p l i a n ts u b s t r a t e ) 技术，是2 0 世纪9 0 年 代初在缓冲层技术的基础上发展起来的。其指导思想完全不同于传统缓冲层，它是 通过一薄层材料的弹性形变来吸收或释放体系中的失配应变，从而减少乃至消除界 面处或外延层内部的位错和缺陷产生。可协调失配应变的薄层材料，称为柔性层。 包含柔性层的衬底就称为柔性衬底。常见的柔性衬底主要由柔性中间层( c o m p li a n t i n t e r l a y e r ) 、键合层( b o n d i n gl a y e r ) 和支撑衬底( h o s ts u b s t r a t e ) 三部分构成， 如图1 1 所示。其特点是薄柔性层( 只有几n m 或几十n m ) 通过键合层( 也称解耦合层) 来实现与机械支撑衬底的弱键合或解耦合。因为柔性层可在支撑衬底上自由滑动或 发生形变，所以形式上更类似于无支撑的薄衬底。因此对于位错的引入不敏感。在 优化柔性衬底性能方面，人们在下面几个方面达成了共识：柔性衬底的厚度做到尽 可能的薄：柔性衬底层尽可能的要保证柔性平整无弯曲：柔性衬底和支撑衬底间= 约束要尽可能的小，同时也要尽可能保证柔性衬底“柔一的特性。 4 北京邮电大学硕十学位论文绪论 e p i t a x i a ll a y e r i n t c r i a y e r b o n d i n gl a y e 广 图1 - 1 常见柔性衬底结构图 ( 3 ) 横向外延技术：横向外延技术最早在1 9 6 2 年用于s i 的外延生长中，是一 种在部分掩模的衬底上进行外延生长的方法n 伽。在s i 气相生长系统中，反应物气流 s i c 。中通入h c l 或h b r ，抑n s i 在s i 0 2 掩膜上成核，s i 只在窗口区内生长。随后，s i 单晶同时进行垂直生长和横向外延。相邻窗口区内生长的s i 单晶相遇后，再经过一 段时间的生长，可以得到连续平滑的外延层。1 9 9 7 年，n a k a m u r a 1 首次把横向外 延生长技术应用于g a n 激光器上，获得了很大成功，首次获得了工作寿命超过1 0 ，0 0 0 小时的连续激射的i n g a n g a n 激光器。这一成功归因于采用横向生长技术大幅度降低 穿透位错后，可以显著降低阈值电流密度。随之横向外延技术的发展，目前横向外 延生长技术在半导体材料生长的应用主要集中在两个方面：一是蓝宝石、s i 和s i c 衬底上外延g a n 叫；另一是在s i 衬底上外延传统的i i i - v 族化合物( 如g a a s 和i n p ) 。 横向外延生长g a a s 的尝试几乎和用这种技术进行s i 外延同步池廿】。和s i 相比，g a a s 在s i o ：掩膜上形核所需的形核能要大的多，这使得g a a s 的选择性生长可以在更宽松 的外延生长条件下实现。而且g a a s 有较大的横向速度与垂直速度比，这样可能在较 短的外延时间内得到连续平滑的外延表面。m c cl e l l a n d 报道过利用横向外延得到高 质量的g a a s 晶体。 横向外延属于二次外延，i i i v s i 横向外延的基本原理是：首先在s i 衬底上外 延生长一薄层i i i v 族半导体材料作为种子层( s e e dl a y e r ) ，然后利用p e c v d 在i i i - v 族材料上沉积s i ：或s i 0 2 介质掩膜层；接着利用传统的光刻与腐蚀技术，在掩膜上 刻蚀出特定的图形窗口，将i i i - v 族材料暴露出来；最后继续外延生长i i i - v 族材料， 5 北京邮电人学硕十学位论文绪论 由于选择区域外延( s a g ) ，最初只能在图形窗口区域进行外延生长，不在介质掩膜表 面成核。当图形窗口区内外延层生长厚度超过介质掩膜层时，开始同时横向生长和 垂直生长，外延层横向扩展最终合并。图l 一2 给出了，在s i 衬底上横向外延生长i i i - v 材料的示意图。 t h r e a d i n i ! j f i t x ；一曩i 彳钞川： 、l n s k l 二形j ，f 5 j 7 1 、i 盐s k - 彤| 蛳t u l l i l r i l e 图1 - 2 横向外延( e l o ) 示意图 横向外延减少缺陷的机制是：( a ) 位错转向及闭合位错环实现位错湮灭；( b ) 介 质掩膜层阻挡了穿透位错( t h r e a d i n gd i s l o c a t i o n ) 的传播及滑移，将位错限制在 图形窗口附近区域内n 射。 1 2 1 2 大失配异质外延的研究现状：通常情况下，界面化学问题可通过引入阻 挡层或改变生长工艺条件就可比较容易地解决，而晶格失配往往要比热失配高出一 个数量级，所以晶格失配是异质外延中面临的首要问题，特别对于大失配异质外延， 其造成的负面影响尤为突出。为了避免和消除上述失配异质外延中的负面影响，近二 十年来，国际上已提出了多种方法，比如各种缓冲层、横向外延技术、柔性衬底技术、 聚焦式离子束技术等，虽然各有进展，但都难以取得重大突破。所根据指导思想的不 同，可把现有主要技术划分为三大类：缓冲层技术，柔性衬底技术和横向外延方法。 其中，缓冲层技术发展得比较成熟，应用范围也相当广。横向外延方法，柔性衬底技 术发展得相对较晚，虽然还处于不断发展中，但已在一些大失配体系中发挥了重要 作用，并受到越来越多的关注。 1 - 2 1 3 大失配异质外延面临的问题：虽然选择晶格匹配材料的结合能实现异质 结构的无界面位错和缺陷的高质量生长，为研制高性能器件结构创造良好条件，但 却极大地限制了异质结构材料可选择的范围。更多的情况都是要通过失配外延来实 现不同体系材料的结合。可是在大失配异质外延中常常会面临如下困难和挑战： 6 北京邮电大学硕士学位论文 绪论 ( 1 ) 界面化学问题。在异质外延过程中，如外延层或其中的某一组分与衬底材 料发生界面化学反应而生成不利于外延层生长的中间化合物，或在界面处存在外延 层和衬底原子的互扩散区、固溶体区及亚稳相区，都可能会影响外延层的质量或光 电性能。 ( 2 ) 晶格失配问题。在异质外延过程中，如外延层与衬底之间存在一定的晶格 失配度，当外延层厚度超过某个临界厚度时，用来补偿晶格失配而产生的失配应变 就会弛豫，并在界面处产生位错和缺陷。晶格失配度越大，外延层的临界厚度越薄， 引发的位错和缺陷就越多，这极大地影响了微结构材料的光电性能，限制了其在器 件中的应用。 ( 3 ) 热失配问题。在异质外延过程中，如外延层材料与衬底材料的热膨胀系数 存在差异，从较高的生长温度降到室温，会在异质结构材料体系中附加新的应力而 可能产生新的位错。如热失配很大还会在外延层中引发高密度裂纹，进而影响器件 的制备和性能。 1 2 2 昌片键合技术( w a f e rb o n d i n g ) ： 通常就是指两片表面光滑平整的晶片在紧密接触后，通过界面间形成共价键使 二者融为一体。它是一种准单片光电子集成工艺，是大失配异质外延生长的必要补 充。在2 0 世纪6 0 年代到7 0 年代期间，才产生了应用于不同器件结构的高温晶片键合 技术( 主要针对s i 片) ，其键合机理都是在一定的机械压力下通过高温扩散工艺对 晶片进行熔合键合，因此不能成为大规模集成电路制作中的主流技术。晶片键合的 真正发展始于2 0 世纪8 0 年代，自从1 9 8 6 年i b m 公司的l a s k y n 目和东芝公司的s h i m b o 等 人报道了硅片直接键合技术并用于制备s o i ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 材料以来，晶 片键合技术才真正受到关注，并获得了大量的研究成果和长足的发展。特别是在i n p 与g a a s 及i n p 、g a a s 与s i 之间的高质量的直接晶片键合，是制备高性能准单片光 电子集成器件( 如长波长v c s e l 和s i 基a p d ) 的重要途径之一。 晶片键合技术发展到今天已经比较完善和成熟，被广泛的应用到微电子集成电 路的工艺中，但是，作为这项技术本身，有它固有的缺陷和不足，还有一些问题急 需去解决和攻克。一个是有关键和技术的物理化学机理还有待人们进一步认识和掌 握，以准备更好的实现晶片之间的键和。二是如何按照器件的用途来优化和规范晶 片键合工艺，以及如何实现异质材料间的低温键合显得最为突出。第三方面，高温 7 北京邮电大学硕士学位论文绪论 退火时带来的弊端。一般来说，晶片对在完成室温下预键合后，要在高温下进行热 退火以增强键合强度，但高温退火又会带来很多严重的负面效应。如果键合晶片中 已含有一些对温度敏感的器件结构，高温退火会导致其性能劣化，甚至失效。此外 高温退火还会导致掺杂源扩教、金属引线熔化变形、结晶结构破坏等。尤其是热失 配较大的异质材料在预键合后经过高温退火处理，材料间不同的热膨胀系数会产生 很大的热应力，热应力又会产生大量的缺陷和位错，甚至会导致晶片破裂、弯曲甚 至完全不能键合。因此降低退火温度实现低温晶片键合也具有十分重要的现实意义。 按照键合时的温度划分，可以把键和划分为高温键合和低温键合。按照晶片键 合过程中是否使用介质层，由可以将晶片键合分为直接键合( d i r e c t b o n d i n g f u s i o nb o n d i n g ) 、阳极键合( a n o d i cb o n d i n g ) 、共熔键合( e u t e c t i c b o n d i n g ) 和粘着键合( a d h e s i v eb o n d i n g ) 等。 1 3 光电子集成的另一个途径发现新材料 异质外延生长和晶片键合两种光电集成的方法，都有其局限性，都有“瓶颈”。 如何更好的实现集成，特别是实现光电子的高性能集成，摆在人们的面前。因此人 们把目光集中在寻找与良好的光电子衬底材料g a a s 、或与良好的微电子学衬底材料 s i 晶格匹配，且其带隙宽度与光通信长波长波段相匹配的直接带隙半导体化合物的 新材料。新型材料系预测是要通过寻求新材料来避开“异质外延”，主要目的是将 “能带工程学”和“晶格工程学”结合起来，因此是实现光电子集成( o e i c ) 的最理 想手段。如果这一研究工作能获得突破，集成光电子学将进入一个急速发展的时代。 由于受四元系材料g a i n n a s 中n 元素的启发，人们把目标选择在了含硼砷、含硼 锑化合物的材料上。预测了含b 材料的一些性质。认为元素b 的多元系化合物也将具 有很大的b o r i n g 参数，对能带有较大的剪裁作用。含b 化合物必将丰富半导体材料性 质。为此大胆的预测了b i n g a a s g a a s 、b i n a l a s g a a s 、b g a a s s b g a a s 与b g a a s p s b s i 【l 钔 等四种材料系。而四元系材料的基础是组成它的对应的三元系材料，因此，要研究 四元系材料，首先应该研究对应的含b 的三元系材料。在本论文中，作者针对解决“异 系兼容一的三大途径中的第三种方法展开了大量的工作，对含b 的一些三元系材料 b 。g a ，a s 、b 。a 1 1 a s 、b i i n h a s 和四元系b i i n ，g a 1 1 a s 等进行了深入的研究和探讨。其 中新型材料系的理论预测的研究工作至今没有其他课题组有过相关的报道，可以说 我们走在了最前沿。 8 北京邮电大学硕士学位论文绪论 1 4 论文的结构安排： 第一章丰要阐述了通信光电子器件单片集成的背景和意义、遇到的困难、解决 的方法。对大失配异质外延中应用的各种技术进行全面的分析介绍与概括总结。其 中，包括传统缓冲层技术、常规柔性衬底技术和新发展的超薄中间层柔性衬底技术。 同时分析了新材料预测的背景，特别是含b 新材料地位和作用。最后提出本论文的主 要工作。 本论文的第二章，主要介绍材料计算所需要的基本理论，包括密度泛函理论， 电子交换相关能近似计算，电子与离子相互作用赝势等理论。给出了总能量赝势实 现的方法与计算流程，运用基于密度泛函理论的c a s t e p 软件包，计算闪锌矿结构的 b i i n 。，a s ，b i g a 。，a s z 元系化合物的能带弯曲( b o w i n g ) 参数，为后面的b i n g a a s 四元 系的材料性能的电子性质和能带结构预测和合成提供了理论基础。 在第三章，我们介绍与分析了m o c v d 的基本构成与外延生长机理，针对垂直式反 应室的特点，采用有限元理论模拟与分析其在不同的反应室压力和衬底转速下，热 场和流场的分布情况，指出低压、旋转衬底的好处，为后面的异质外延提供必要的 实验支持。 第四章，我们进行了b , g a 一, a s ， b i i n , g a 。，- , a s 材料的外延生长，研究了影响外 延生长的因素，包括生长温度，y i i i 比等，为以后进一步提高b i n g a a s g a a s b 。g a ，a s g a a s 的性能提供实验依据。 在第五章中，我们对生长出来的外延片进行测试，包括x r d 测试和部分p l 谱测试， 并对测试结果进行一定的分析，为改进生长、提高外延片性能提供实验依据和预测。 1 5 本章小结 本章介绍了光电集成的现状以及集成的优点，分析了目前阶段光电子集成所遇 到的困难和面临的问题。同时也介绍了解决这些困难的途径，及其他们的优缺点。 这里主要介绍了大使配异质外延生长和健合两种方法。最后介绍了新材料系预测和 生长的意义，以及b 系材料的由来。 9 北京邮电人学硕十学位论文绪论 参考文献： 【1 】仟晓敏，国家重点基础研究发展( 9 7 3 ) 计划项目“单片集成光电子器件的异质 兼容理论与重要结构工艺创新 中期总结报告，2 0 0 5 年5 月 【2 1 t 琦，通信光电子集成器件前沿技术研究【学位论文】，北京邮电大学，北京，2 0 0 5 【3 】任晓敏，国家重点基础研究发展( 9 7 3 ) 计划项目“新一代通信光电子集成器件 及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”申请书，2 0 0 3 年9 月 【4 】陈振， i i i 族氮化物材料生长和特性研究【博士学位论文】，中国科学院半导体 研究所，2 0 0 2 5 1 j w m a t t h e w s ，a e b l a k e s l e e ，“d e f e c t si ne p i t a x i a lm u l t i l a y e ri m i s f i td i s l o c a t i o n s ” 【j 】，j o u r n a lo fc r y s t a lg r o w t h ，v o i 2 7 ，p p 1 1 8 - 1 2 5 ，1 9 7 4 【6 y s c h a n g ，s n a r i t s u k a , t n i s h i n a g a , o p t i m i z a t i o no fg r o w t hc o n d i t i o nf o rw i d e d i s l o c a t i o n f r e eg a a so ns is u b s t r a t eb ym i c r o c h a n n e le p i t a x y , j c r y s t a lg r o w t h1 9 2 ， 1 9 9 8 ，1 8 2 2 【7 】l i u ，j l ；t o n g ，s ；l u o ，yh ，e ta 1 ，h i g h - q u a l i t ) ，g ef i l m so ns is u b s t r a t e su s i n g s b - s u r f a c t a n t 。m e d i a t e dg r a d e ds i g eb u f f e r s , a p p l p h y s l e t t ，7 9 ，2 0 0 1 ，3 4 3 1 - 3 4 3 6 【8 】g o l d m a n ，r s ；k a v a n a g h ，i cl ，a n dh h w i e d e r , e ta 1 ，c o r r e l a t i o no fb u f f e r s t r a i nr e l a x a t i o nm o d e sw i t ht r a n s p o r tp r o p e r t i e so ft w o - d i m e n s i o n a le l e c t r o ng a s e s , j a p p l p h y s ，8 0 ，1 9 9 6 ，6 8 4 9 - 6 8 5 4 【9 】9k i m u r a , t a t s u y a ；k i m u r a ，t a d a s h i ，a n de i t a r oi s h i m u r a , e ta 1 ，i m p r o v e m e n to fi n pc r y s t a lq u a l n y g r o w no ng a a ss u b s t r a t e sa n dd e v i c ea p p l i c a t i o n s , j c r y s t g r o w t h , 1 0 7 ，1 9 9 1 ，8 2 7 - 8 3 1 【1 0 】j o y e e ，b d a n db a l d r e y ，j 八，s e l e c t i v ee p i t a x i a ld e p o s i t i o no fs i l i c o n ，n a t u r e ，1 9 5 ， 1 9 6 2 ，4 8 5 惚8 【1 1 】n a