（微电子学与固体电子学专业论文）gaas、gasb基材料生长及其器件研究.pdf

摘要 i i 卜v 族化合物半导体出于它们具有独特的能带结构和性质，在微波器件、 光电器件、霍尔器件和红外元件等方面得到了广泛的应用。其中，g a a s 基材料 是目前研究最为成熟同时也是最重要的i i i v 族化合物半导体材判，g a s b 基材 料则是中红外光电子器件的首选材料。本论文主要对g a s b 基材料的分子柬外 延生长以及g a a s 基材料在器件方面的应用进行了研究。内容包括：锑化物量 子阱的分子束外延生长研究，a i g a l n p g a a sh b t 直流特性研究，n g a a s a u g e n i 欧姆接触研究；另外，本论文还研制了欧姆接触电阻率测试仪。 得到了一下结果。 一)计算了i n g a s b 、a i g a s b 、i i l g a a s s b 材料的禁带宽度、品格常数、临 界厚度、以及它们相互所组成的异质结带阶。详细分析了应变对异质 结带阶的影响。设计了一种新的量子阱结构，既 i n o3 5 g a o6 s s b i n o3 5 g a o6 5 a g ol s b o9 i n o3 5 g a o6 5 s b a i o3 5 g a o6 5 s b 第二类应 变量子阱，并系统描述了该应变量子阱子能带结构。 二) 采用固态源分子束外延方法在( o o dg a s b 衬底上生长了 i n o3 5 g a o6 5 s b i n o3 5 g a o6 5 a s o 】s b o9 i n o3 5 g a o6 5 s b a l o3 5 g a o6 5 s b 第二类应 变量子阱，测量了量子阱的光致发光( p l ) 特性。结果表明，增加 i n o3 5 g a 0 6 5 a s ol s b o9 厚度，p l 峰值波长逐渐增大，量子阱p l 强度大 大减弱；增加i n o3 5 g a o6 5 s b 厚度，p l 峰值波长逐渐增大，但量子阱 p l 强度衰减很小。通过对量子阱变温和变激发功率的p l 测量证实该 量子阱是准第一类量子阱发光。 详细阐述了a 1 g a l n p g a a sh b t 的制作工艺，并从理论和实验上深入 探讨了集电结结构对a i g a l n p g a a sh b t 直流特性的影响，表明在异 质集电结引入i - g a a s 层可消除电子阻挡效应。测量结果显示n p n 型 h b t 因异质集电结导带失峰出现电子阻挡效应，n p i n 型h b t 在异质 集电结引入i - g a a s 薄层，消除了电子阻挡效应。测量结果还表明 n p i n 型h b t 的拐点电压v k n 。和丌启电压v 。f i s 。均很小，且击穿性能 有很大提高。 四)研制了智能化的欧姆接触电阻率测试仪。i 薨仪器能进行六种方法的测 量，分别是线性传输线法，圆环传输线法，交叉四点法，四探针法， 接角坐一端电阻法，不等距四探针法。每一种测试方法都有相应的测试 程序与之配套。 五)研究了a u g e n i 与2 9 s i + 注入掺杂的n g a a s 欧姆接触特性。结果表 明，在非相干光快速合金化条件下，接触电阻率与2 9 s i + 注入条件无 关，其值均在3 x 1 0 7 q c m 2 左右。 a b s t r a c t i i l _ v c o m p o u n ds e m i c o n d u c t o r sm a t e r i a l sh a v eb e e nu s e dw i d e l yi nm i c r o w a v e h i g h s p e e de l e c t r o n i c ，h a l ld e v i c e s ，a n do p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sa n dc i r c u i t sd u et o t h e i ru n i q u eb a n ds t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e s g a a s i st h em o s tt e c h n o l o g i c a l l yi m p o r t a n t a n dt h em o s ts t u d i e dc o m p o u n ds e m i c o n d u c t o r sm a t e r i a l a n dg a s bi st h ep r e f e r r e d m a t e r i a lo fm i d i n f r a r e d o p t o e l e c t r o n i c d e v i c e s t h i st h e s i si sc o n c e r n e dw i t h m o l e c u l a rb e a me p i t a x y ( m b e ) o f a n t i m o n y b a s e di i 一v s e m i c o n d u c t o r sa n dd e v i c e a p p l i c a t i o no f t h ea r s e n i d e b a s e dl i l vs e m i c o n d u c t o r s t h em b eo fa n t i m o n y b a s e d m i d w a v ei n f r a r e dm u l t i p l eq u a n t u mw e l l s ，a i g a l n p g a a sh b t ，a n dn - g a a so h m i c c o n t a c ta r es t u d i e di nt h et h e s i s i na d d i t i o n ，w ed e v e l o pa ni n s t r u m e n tt om e a s u r et h e s p e c i f i cc o n t a c tr e s i s t a n c eo fo h m i cc o n t a c t s m a j o rr e s u l t so f t h et h e s i sa r ea b s t r a c t e d a sf o l l o w i n g ： 1 ) s o m ep a r a m e t e r s o f i n g a s b ，a 1 g a s b ，a n d i n g a a s s ba r ec a l c u l a t e d t h e i n o3 5 g a 06 5 s b i n o3 5 g a o6 5 a s o l s b o9 1 1 1 03 5 g a o6 5 s b a l o 3 5 g a o6 5 s b t y p e i im u l t i p l e q u a n t u mw e l l s f o rm i d w a v ei n f r a r e dd i o d el a s e r si s p r o p o s e d ，a n d t h eb a n d s t r u c t u r e so ft h eq u a n t u mw e l l sa r ed e s c r i b e ds y s t e m a t i c a l l y 2 ) i n o3 5 g a o6 5 s b i 1 03 s g a o6 5 a s oi s b o9 1 5 1 03 5 g a o6 5 s b a l o3 5 g a o6 5 s bt y p e i im u l t i p l e q u a n t u m w e l l sa r e g r o w nb y m b ea n d d e s i g n e d t o p r o b e t h ee f f e c to f i n o3 5 g a o6 5 a s ot s b o9l a y e rt h i c k n e s sa n di n o3 5 g a o6 5 s bl a y e rt h i c k n e s s o nt h e p h o t o l u m i n e s c e n c es p e c t r o s c o p y ( p l ) p r o p e g i e s a s t h e i n o3 5 g a o6 5 a s o3 s b o7 l a y e rt h i c k n e s si si n c r e a s e d ，as p e c t r a lr e ds h i f to f t h ep l p e a k sa c c o m p a n i e db y a s i g n i f i c a n td e c r e a s ei ni n t e n s i t yi s o b s e r v e d a st h ei n o3 5 g a o 6 5 s bl a y e rt h i c k n e s s i si n c r e a s e d ，w eo b s e r v eas p e c t r a lr e ds h i f to ft h ep l p e a k sa c c o m p a n i e db ya s l i g h td e c r e a s ei ni n t e n s i t y t h i sn e wq u a n t u mw e l l s t r u c t u r ei saq u a s it y p e i q u a n t u m w e l l 3 ) t h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fa 1 g a l n p g a a sh b t i sd i s c u s s e d ，a n dt h ee f f e c t so f b a s e c o l l e c t o rj u n c t i o ns t r u c t u r e t ot h e p r o p e r t i e s o fh b ta r ea l s os t u d i e d t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y t h r e el a r g e s c a l e a i g a i n p g a a sh b t sw i t h d i f f e r e n tb a s e c o l l e c t o rj u n c t i o ns t r u c t u r eh a v e b e e nf a b r i c a t e d t h ee l e c t r o n r e p e l l i n g e f f e c to ft h e c o n d u c t i o n b a n d s p i k e f o r m e da tt h e c o l l e c t o r h e t e r o j u n c t i o n w a so b t a i n e da tt h et r a n s i s t o r sw i t ha p + 一g a a s n a i g a l n p b a s e c o l l e c t o rj u n c t i o ns t r u c t u r e ，t oo v e r c o m et h i se f f e c tat h i ni - g a a sl a y e rw a s i n s e r t e db e t w e e nt h eb a s ea n dt h ea i g a l n p w i d e g a pc o l l e c t o r t r a n s i s t o 】。sw i t ha p + - g a a s i g a a s n a 1 g a l n p b a s e c o l l e c t o r j u n c t i o n s t r u c t u r es h o we x c e l l e n t c u r r e n t v o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c s 4 ) a ni n s t r u m e n tt om e a s u r et h es p e c i f i cc o n t a c tr e s i s t a n c e ( p c ) o fo h m i cc o n t a c t si s d e v e l o p e d t h ei n s t r u m e n tc a nm a k et h em e a s u r e m e n t o fp ci ns i xm e t h o d s ，a n d e a c hm e t h o dh a sap r o g r a mt om a t c h 5 1a u g e n i a uo h m i cc o n t a c tt on g a a sw i t h2 9 s i d o p e db yi o ni m p l a n t a t i o nh a v e b e e ns y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e da saf u n c t i o no fi m p l a n te n e r g ya n dd o s e l o w s p e c i f i cc o n t a c tr e s i s t a n c e ( p c ) v a l u e so f a r o u n d3 x1 0 7 q c m 2a r eo b t a i n e df o ra l l s a m p l e st r e a t e db yr t a w e o b s e r v en op cv a r i a t i o n sw i t h2 9 s i + i m p l a n te n e r g y a n dd o s e 附件一中国科学院上海微系统与信息技术研究所学位论文独创性声明及使用授权声明文本 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院上海微系统与 信息技术研究所或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一起工作的 同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 袭媳期：地螂加 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 学位论文使用授权声明 本人完全了解中国科学院上海微系统与信息技术研究所有关保留、使用学 位论文的规定，即研究所有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的论文在解密后遵守此规 定。论文的公柿( 包括刊登) 授权中国科学院上海微系统与信息技术研究所人才 教育处。 研究生签名搬导师签名 日期 里! 竺：竺! 些型! ! 皇鉴垒! ! 鲨! ! ! = 业塑 第一章引言 i i l v 族化合物半导体自从1 9 5 2 年w e l k e r 研究它们的半导体性质以来，由 于它们具有独特的能带结构和性质得到了很大发展，在微波器件、光电器件、 霍尔器件和红外元件等方面得到了广泛的应用。i l l v 族化合物半导体的特点集 中体现在以下几个方面。 1 ) 禁带宽度 禁带宽度是半导体材料最重要的参数之一。从器件应用的角度来看，禁带 , 宽度3 c d 能在高温下工作，禁带宽度大则本征载流子密度小，禁带宽度还决定 了发光器件的发光波长和光学吸收端。i i i v 族化合物半导体禁带宽度范围很 大，覆盖了从o 1 8 e v 一62 e v 的范围( 见图l 一1 所示) ，给器件制作提供了很大的灵 活件。 毫 一 等 罟 叠 l a t t i c ec o n s t a n t a ) 图1 1 部分i f f - v 族化合物及其合金的禁带宽度和点阵常数的关系 善 量 墨 嗖 三 专 2 ) 载流子迁移率 i i i v 族化合物半导体有比硅更高的迁移率( 见表1 - 1 所示) 。在制造高速、 超高速器件方面化台物半导体有很大的优势。 第一章引言 3 ) 能带结构 i i i v 族化合物半导体中，直接跃迁型的能带结构占多数( 见表】所示) ， 非常适宜制造光电子器件。 4 ) 混晶 混晶是指两科r 或两种以上的半导体通过一定途径形成具有中涮性质的半导 体。通过改变混晶的组分，可以在一定范围内控制它的物理性质。例如，通过 改变组分，可以得到不同禁带宽度的混品，这为制备异质结、超品格、量子阱 等新结构提供了一条广阔途径。 表1 一l 部分在i i i 一 孚尊傣一綦。帚。磊i 一 ( e v ) ( 3 0 0 k ) g a a s g a s b g a n g a p i n a s i n s b i n p a l a s a 1 s b s j 1 4 2 8 0 7 0 3 3 9 2 2 6 8 0 3 5 4 o 1 8 0 1 3 4 2 1 5 3 1 5 8 v 族化合物半导体和硅的物理参数 电子迁移率 ( c m 2 ( v s ) ) 空穴迁移率 ( c m ( v s ) ) 能带跃 迁 类型 直接 直接 直接 间接 直接 直接 直接 间接 间接 间接 在所有i i i v 族化合物半导体中，g a a s 材料研究最为成熟。与g e 、s i 等元 素半导体材料相比，g a a s 材料具有如电子迁移率高，禁带宽度大，能带结构为 直接跃迁型( 见图1 2 所示) 等特点。自1 9 6 3 年实验上证实g a a s 的耿氏效应后， g a a s 首先在体效应二极管、变容管、混频管、雪崩管等微波二端器件方面得到 应用，目前这些器件已比较成熟。7 0 年代以后，微波低噪声g a a sm e s f e t ， 功率g a a sf e t 大量兴起，进展极为迅速，在微波领域里占有无可匹敌的地 位。近年来以g a a s 材料为基础的高电子迁移率晶体管( h e m t ) ，异质结晶体管 f h b t ) ，二维电子气f e t ，可透基区晶体管等器件已应用于高速、高频领域； g a a s 超高速数字集成电路、o a a s 微波集成电路都己进入实用化和商品化阶 段，并应用于通讯、计算、测量、军事等多个领域。光电方面，1 9 7 0 年 一 一 伽 加咖如 加如 | | 驼煳 他矩 塔 舵一牾 |o o鲫鲫o o 一 5 功目o 3 0 o 8 o 一5 8 7 3 2 3 8 6 l 2 l g a a s 、g a s b 材料生k 及其器件研究 g a a s g a a l a s 双异质结激光器就实现了室温c w 工作。目前g a a s g a a i a s 激光 器的室温c w 工作寿命己达1 0 6 小时。以g a a s g a a i a s 激光器和发光管为光源 的o 8 0 9 p r o 波段的中小容量、中短距离的光纤通信已进入实用化阶段。 武 ， 7 心 g a a s 1 研 ( a ) 一 飞_ _ ， 心 认 f 一一、 厂 斩 处 p v v a v e v e c t o tk 图1 2 g a a s 能带结构 g a s b 材料长期以来一直是中红外波段激光器、探测器的首选材料。这是因 为g a s b 基二元、三元、四元系半导体材料的禁带宽度完全覆盖了2 - 5 p m 波 段，而a i s b 、g a s b 、i n a s 的晶格常数又非常接近，都在6 1 a 附近，有利于生 长高质量材料。此外g a s b 、i n a s 异质结为破隙型，能带结构非常特殊，为新型 器件设计提供了更大的能带裁剪的自由度。近年来随着分子束外延( m b e ) ，金 属有机化学气相沉积( m o c v d ) ，化学束沉积( c b e ) 等材料外延新工艺的出现和 改进，研制出了一批高性能的新型g a s b 光电子器件，主要有 a i g a a s s b i n g a a s s b 多量子阱激光器、a i s b i n a s i n g a s b 第二类量子级联激光 器、w 型激光器、i n g a a s s b 热光伏电池( t h e r m o p h o t o v o l t a i cc e l l ) 、g a i n a s s b 红 外探测器等。目前g a s b 中红外激光器、探测器已用于夜视、通讯、气象、大 气监测、工业探伤、地球资源探测、测温等军用和民用领域。 金属一半导体欧姆接触是一个古老的研究课题。但是随着器件的发展，又对 欧姆接触提出了许多新的要求。例如，近年来随着器件集成度提高，器件尺寸 减小，欧姆接触的压降占总压降的比重增大，严重地影响器件性能。另外，当 第一章引言 器件尺寸减小至亚微米量级时，对欧姆接触的热稳定性、均匀性、表面平整度 等也有更苛刻的要求。i i i v 族化合物半导体器件主要应用于微波、毫米波等领 域，器件工作频率高，由欧姆接触所引入的寄生电阻、寄生电容对器件性能的 影刚艮大，因此对欧姆接触有更高的要求。由此可见，欧姆接触的设计和制作 对提高器件的特性和可靠度非常关键。 本论文主要在g a s b 中红外量子阱分子束外延生长、a 1 g a i n p g a a sh b t 研 制、g a a s 欧姆接触三个方面进行了研究。论文各章的安排如下： 第一章是引言 第二章主要介绍了中红外量子阱激光器的应用，分子束外延原理、工艺， 以及本文提出的新型g a s b 中红外第二类量子阱的分子束外延生长和及其 光致发光特性。 第三章主要介绍了h b t 的工作原理和特性，a 1 g a l n p g a a sh b t 的优点； 探讨了集电结结构对a 1 g a l n p g a a s h b t 直流特性的影响。 第匹i 章主要讨论了欧姆接触的原理，i i i v 族化合物半导体欧姆接触制备， g a a s 欧姆接触研究现状；介绍了本文研制的欧姆接触电阻率测试仪的结构 和操作工序；并对2 9 s i + 注入n g a a s 欧姆接触进行了研究。 第五章是本论文的结论。 4 g a a s 、g a s b 基捌料生长发其器件铆 究 第二章g a s h 中红外量子阱材料结构设计、 分子束外延及其光学性能 半导体激光器是利用半导体中的电子光跃迁引起光子受激发射而产生的光 振荡器和光放大器的总称。由于其具有可靠、易用、体积小等优点，已被广泛 地应用于光通讯、痕董气体检测、激光雷达等领域，占据了相当大的市场，并 且随着光通信等行业的迅速发展，其产业前景非常乐观。 第- - l l 半导体激光器于1 9 6 2 年问世i l 4 】，这些激光器用g a a sp - n 同质结作 为有源区，此类激光器有一个致命弱点，即闽值电流密度特别高，通常在 5 1 0 4 a c m 2 1 1 0 5 a c m 2 ，因此只能在低温和脉冲状态下工作。1 9 6 3 年美国加 州大学的k r o e m e r 5 1 和前苏联科学院的a l f e r o v q 提出把一个窄带隙的半导体材 料夹在两个宽禁带半导体之间以形成异质结构，希望在窄带隙半导体中产生高 效率的辐射复合。这一理论设想大大促进了半导体激光器的发展。之后随着外 延技术的发展，一批低闽值电流密度( 1 6 0 0 a c m 2 ) 的a i g a a s g a a s 单异质结 和双异质结激光器相继问世 7 - 8 1 。这些激光器与理论预期完全一致，能提供载流 子和光的双重限制，大大提高了受激发射的效率，并逐渐走向应用。 进入8 0 年代以来，分子束外延( m b e ) ，金属有机化学气相沉积( m o c v d ) 和化学束外延( c b e ) 等晶体生长技术取得了重大进展，这些新的外延生长技术能 够精确控制晶体生长厚度达原子层的精度，而且不同材料交替生长时具有平整 陡峭的界面，界面态密度很低。因此，人们能够利用能带工程人为的改变结构 参数以获得所需要的量子肼、超晶格材料，优化激光器的性能。其中晟具代表 性的有各类量子阱激光器、应变量子阱激光器、垂直腔面发射激光器等。量子 肼激光器可以将电子、空穴对限制在一个很窄的区域内，大大提高了激光器的 性能，其阈值电流密度可降至5 0 0 a c m 2 9 1 。而且通过调节量子阱结构的阱宽， 能很方便地调节激射波长。应变量子阱激光器是由y a b l o u o v i t c h 、a d a m s 等人 提出的【1 0 。“，这种激光器结构利用应变改变量子阱中子能带的结构，达到进一 步降低闽值电流密度的效果。1 9 9 0 年h k c h o i 等人报导了i n g a a s a 1 g a a s 应 变量子阱激光器的研究结果，这种激光器室温下的闽值电流密度只有6 5 a c m 2 【1 2 】 5 第二章g a s h 中红外量子l ；j t4 _ 。e q ) ( 2 2 ) 2 1 2 中红外锑化物量子阱半导体激光器研究现状 目前中红外锑化物激光器主要有两大类，第一类激光器是以a 1 g a a s s b 、 i n g a a s s b 四元系材料组成的第一类量子阱、超品格为有源区，激射波长为1 8 2 8 i - t m 。篼二类激光器以i n a s ( i n ) g a s b 第二类量子阱、超品格为有源区，激射 波长为3 - 5 p m 。 一) 2 p m 波段锑化物激光器 该类激光器的有源区是由a 1 g a a s s b 、i n g a a s s b 四元系材料组成的第一类 量子阱。a i g a a s s b 、g a i n a s s b 四元系材料可以与g a s b 衬底品格匹配，其中作 为势阱区材料 1 , 0g a i n a s s b 的禁带宽度可以覆盖从1 7 p m 至4 4 u m 的波段， a i g a a s s b 则具有较大的禁带宽度和较低的折射率，可以用于限制层。自1 9 7 6 年前苏联的d o l g i n o v t l 8 1 等人首先用液相外延技术( l p e ) 制备成功1 7 8 p r o 室温 脉冲工作的g a s b a i g a a s s b 双异质结激光器以来，该类激光器已取得了重大进 展。表2 - 2 哼1 总结了2 a m 波段a i g a a s s b i n g a a s s b 激光器的发展历史。目前， g a i n a s s b a i g a a s s b 激光器主要向两个方向发展。第一是激射波长向长波长推 进。第二个发展方向是研制大功率的2 h m 激光器阵列。表2 3 【1 9 1 总结了目前国 际上2 a m 波段a i g a a s s b i n g a a s s b 多量子阱激光器的发展水平。 2 - 3 “m 锑化物激光器目前已应用于痕量气体的检测和工业过程控制。美国 s o u t h w e s ts c i n e c e s 公司用s a r n o f f 公司提供的2 6 5 p ma 1 g a a s s b g a l n a s s b 激光 器对n o 气体的吸收进行t i 9 1 u 量，其测量精度可达1 5 p p m 【2 0 ja 法国m o t e p e l l i e r i i 大学的v i c e t 等人研究了用外腔调制的2 3 5 p mg a l n a s s b g a s b 激光器对c o 和c h 4 气体的检测，测量精度达体积比0 3 p p m 。s a r n o f f 公司的m a t e l l e n i 用 他们研制的激光器检测生产过程中的水分，同样取得了满意的结果【2 ”。 1 0 g a a s 、g a s h 撼利制生长及j i _ ； ： 件研究 召召马 1 l 口口 工工 辨n _ 2 nc富薄_巨殳alolas蚤oasf薄等糍墨沸痢离拇 o | _ o 、f 耳了 一mn了3一c西 薹mm|e3蕾一了 一i l j 一 7 一乏n j 一 。口miat03 三也。 葺orking e暑om|_atclo i r m | _ 口o|吐noc | ( o f a y _ s 1 m = 广* 旷 口|-：k13 王| t ll了no|n广丁 埘|_30t_fr o o | _ 甘o r_柚一o： 互一r l l 了n o | n 广斗扩 蚰r-：o|_ff oot口o|_u一03 互i t l l ：n o i n r 广m厂可m r 勺m 广可m 王m王m 王m王田m兰m 一一 吣一 ”厶 u 一 口 口帅 u - 2 u o o 帅o o o1 7 口口 u 口1 1 啊 o 4 0 _ 4 0 口 呐口 u | 田l 巾 可i 帅巾 e 巾 n v vo v vo v vo n v v o x 刀1 - 乃1 _ 1 9 n 一心叫 1 9 1 9 1 9 一叫1 9 1 9 1 9 ：o价叮、o丁口工 口工 o 10c|11 wacic量 一乏 ovv刃mnor c i l0jt， 卫no，ci工亘j卫omf_一rr t a 口e r i laarravv手 。妯1 oo三n1_手c|广巾3西 第二章g a s b 中红外量予阱材料结构设计、分予束外延及其光学性能 f 3 乏f 3 百己t ) 呈 姗-3e薄潞一osbginsb藩半指时煳乌墅怔意吕如鞘簿泗 价，3 0 r _ f f oo|_口o，atio： c：vmrst1，o，zm、fi 互m x i n o 一f ： c ncmrst王o：口ei=m r | 一 一op帅b，o a | 净盯 里op1)，io口 a|op口，o a | b 而口 oh1口、o盯 田r0c|arm 卫量5fa(dcid 田r0盘re田r_o|i-o r0已rer。c|re 刀五om、巾dlci 口 - 2 叫 2 q o 一 吣o 驻oi、oii 刃一c|丑巾va、，口lc| a o _ 4 0 口 1 1 叽 1 了uu 饥 口o d 丘o o o 。 ( o o _ 【k lo价帅(c罩o m奢ienc吒 ( 二 一。一v v 一口一至虿一 o q 日石孚 协柚r n o r f f oorpoiation o u _ 2 0 n l v v 叫。一nvv一 茳汁。= w 0 o 16。晶吕jvv u。-4。再王u叫|l亨一 且。三口 n 曲 u 口掌 o v v 一vv(c毫)l 4v(。9s v一(cvv一 口“享 c nlcmrstif o ，z m 王巾x c o 一1 c：v西；it舡王ont口eiiier i i 10vv吾ra一 v一vv(p一 口n 1 ( 09j2右卷ll g a a s 、g a s h 笨利料生| 支及其器件研究 同年，美国海军实验室与休斯顿大学合作，将有源区改为w 形结构，研制 成功3 b i n 第二类量子级联激光器，实现了2 8 6 k 下激射，1 0 0 k 下最大输出功率 达5 3 2 m w 面，如图2 - 6 所示 3 4 - 3 6 1 。2 0 0 0 年，美国陆军实验室报导了2 1 7 k 下激 射的3 8 3 9 _ l m 第二类量子级联激光器，量子效率超过4 6 0 3 7 1 。由于锑化物材 料生长和器件工艺远不如砷化物、磷化物成熟，第二类量子级联激光器的性能 距离其理论预计还很远，但目前发展十分迅速。美圈陆军实验室已经研制成功 12 7 k 下连续工作的第二类量子级联激光器，7 7 k 下输出功率达 1 0 0 m w f a c e t 【= _ 8 1 。 锑化物激光器已被证明在2 - 5 p r o 中红外波段有其特有的优势，并且近年来 人们发现用含锑化合物材料适合于制备1 3 1 5 5 u r n 波段光通讯用的垂直腔面发 射激光器，因此锑化物激光器的未来市场前景非常广阔。美国休斯敦大学于 2 0 0 0 年成立了a p p l i e do p t o e l e c t r o n i c s 公司，生产锑化物激光器和量子级联激光 器，他们认为有亿级美元的市场。 2 2 分子束外延 分子束外延( m o l e c u l a rb e a me p i t a x y ，简称m b e ) 是上世纪7 0 年代在真空 蒸发的基础上迅速发展起来的制备极薄的单层或多层单晶薄膜的一种技术，它 是在超高真空的条件下，把一定比例的构成晶体的各个组分和掺杂原子( 分子) 以一定的热运动速度喷射到热的衬底表面来进行晶体外延生长的技术。 关于用真空蒸发技术制备化合物半导体薄膜，早在上世纪5 0 年代前后就有 报道。1 9 4 8 年，e l l e r n a n 等就曾用真空蒸发化合物方法生长了p b s 。但对于l i i v 族化合物半导体，由于v 族元素的蒸气压一般l l i i i 族元素大得多，若以化合 物作源，采用通常的真空蒸发难以获得符合化学计量比的单晶薄膜。1 9 5 8 年 g u n t h e r l 3 9 】首先用分立的蒸发源，分别蒸发i i i 族和v 族元素，供给过量的蒸气压 高的v 族元素，并保持衬底在适当的温度，生长获得了符合化学剂量比的i i i v 族化合物多晶薄膜，这种将蒸发源和衬底保持在三个不同温度蒸发生长化合物 薄膜的方法，被称为“三温度法”，它包含了m b e 技术基本思想。1 9 6 8 年 d a v e y 和p a n k e y 改进了该方法并成功地在g a a s 单晶衬底上实现了在真空条件 和加热衬底上外延g a a s 薄膜【4 0 】。 1 5 笫二章g a s b 中红外量子阱材料结构吐计、分子束外延及“光学性能 m b e 是三温度法的进一步发展，它们最大的不同点在于m b e 是在超高真 空下进行晶体生长。m b e 技术之所以在上世纪6 0 年代术，7 0 年代初出现并取 得迅速发展，与这时期超高真空技术和有关的表面分析技术的迅速发展密 刀相 关。1 9 6 8 年a r t h u r r 4 i 首先进行了g a 和a s 在g a a s 表面的反应动力学研究，奠 定了m b e 的理论基础。1 9 6 9 1 9 7 2 年间，a y c h o 4 2 4 4 1 进行了m b e 的开创性研 究，他将g a 源和g a a s 源放置在超高真空系统中，并分别加热至不同温度，产 生的g a 束和a s 束射向h n 姒l , # jg a a s 表面，一层接一层的生长出了符合化学计 量比的高质量的g a a s 薄膜单品，接着他又利用m b e 对g a a s 进行了n 型、p 型掺杂，制备出了多种半导体器件，并于1 9 7 1 年生长出第一个g a a s a i g a a s 超品格材料”1 。1 9 7 2 年l l c h a n g 在m b eg a a s a 1 g a a s 超晶格中观察到特有 的负阻现象，证实了e s a k i 和t s u 在1 9 6 8 年提出的超晶格概念时的设想，从此 m b e 技术引起了人们的极大兴趣。1 9 7 9 年t w ，t s a n g 【4 叫将m b eg a a s a 1 g a a s 双异质结激光器的闽值电流密度降到1 k a c m 2 以下，达到可与l p e 相比水平， 使m b e 在半导体器件研制中取得了突破性进展，被誉为是m b e 发展史上的第 二个里程碑，从此，m b e 被公认为是发展新一代半导体器件的关键技术而受到 愈来愈广泛的重视。 目前最典型的m b e 系统是由三个真空工作室，即进样室、预备分析室、和 外延生长室串连起来的。进样室用于换取样品，通常一次可以同时放八6 8 个 衬底片，有的还兼有对送入衬底片进行低温除气的功能。预备分析室可对送入 的衬底片进行除气处理，并可在这个真空室上配置a e s 、s i m i s 、x p s 、u p s 等分析仪器。外延生长室用于样品的分子束外延生长。每个室都有自己的无油 真空抽气机组，室之间通过插板阀隔离。样品通常室通过磁耦合式或导轨链条 式的真空传递机构在各室之削传递。 外延生长室是m b e 系统中最重要的一个真空工作室，它一般配置有分子束 源、样品架、电离记、高能电子衍射仪和四极质谱仪等部件。图2 7 是m b e 生 长室示意图，可以分为三个主要区域：第一个区域是分子束产生区，即束源 炉：第二个区域是接近衬底表面，各分子或原子束的交叠混合区；第三个区域 是衬底表面，即进行结晶过程的区域。 1 6 g a a s 、g 8 s b 基丰才睾4 生k 及3 e 件l i ) l ：p t 图2 、7m b e 生长室示意图 在第一个区域中，分子束从处于超高真空条件下加热的束源炉( k n u d s e n e f f u s i o n c e l l ) 中产生，束源炉的温度由比例一积分一微分( p i d ) 控制器精确控 制，并通过热偶提供温度反馈。分子束流的大小主要由束源炉的温度决定，其 稳定度可达1 。束源在垂直于衬底的法线方向时，其喷射出的束流在衬底表 面中心点a ( 图2 - 8 ) 的强度i a 为： 1 a = 1 1 1 舡1 ( f 2 篇【m o l e c u l e s c 小1 】 ( 2 3 ) 式中p 为蒸气压，m 为分子 量，t 为束源炉温度，“为衬 底中心与束源炉炉口的距离， a 。为束源炉口的面积。在衬底 表面偏离中心的b 点，束流强 度i b 为： ，日2 ，_ c o s 4 8( 2 4 ) 对于倾斜的束源炉，若其 炉口方向与衬底的法线方向夹 b s u b s t p 州e s u b s t r o t e 阳j j 图2 8 束流在衬底表面的分布分布1 4 引。( a ) 与 衬底法向垂直( b ) 与衬底法向夹角为币 1 7 第二章g a s b 中红外量予彤 材料结构设计、分子柬外延及其光学性能 角为击，其喷射出的束流在祠底表面中心点a 和偏离中心的b 点的强度i a 、 i b 分别为： ，：= ， c o s l 5 b ( 2 , 5 ) ，：；，d 乓c o s o c o s p + 庐) ( ：2 0 c o s 6 ) ，：5 ，一c o s p + 纠( ：6 ) b 上述结果是在理想情况下得出 的，实际情况下，坩埚的锥度、口 径、液面与炉口的距离等因素都会 对束流的强度和分布产t k 很大影 响，图2 - 9 给出了束源炉的结构示 意图。通过调节衬底和束源炉的距 离以及改进系统的几何结构，可以 减小i 。和ii b 。之间的差别，提高束 流在衬底表面的均匀性。 图2 - 9 束源炉结构示意图 第二个区域是分子柬的混合区。由于系统处于超高真空的环境里，分子的 平均自由程很长，可以认为入射分子之间没有发生碰撞或其他的相互作用。 真正的外延生长过程发生在第三个区域，即衬底表面。m b e 生长过程包括 了一系列表面过程，其中最主要的是阿4 8 1 ： ( n u c l e o t l o n ) 图2 - 1 0m b e 生长中各表面过程的示意图 1 8 g a a s 、g a s h 基材利生长及其_ ； 件研究 1 入射的组分原子或分子在衬底表面的吸附( 包括物理吸附和化学吸附) 。 2 吸附分子在表面的迁移和分解。 3 组分原子与衬底或外延层品格点阵的结合或在衬底表面成核。 4 未与衬底结合的原子或分子的热脱附。 图2 1 0 为这些过程的示意图。由于束源具有一定的温度，所以到达衬底 的分子或原子具有一定的动能分稚，有一部分原子或分子能克服表面势垒的束 缚，脱离衬底，因此必须考虑各组元的粘| j f 4 系数。在分子束外延中，i i i 族元素 的粘附系数接近于1 ，v 族元素的粘附系数受i i i 族元素原子的表面覆盖率的影 响，例如当利底表面不存在g a 原子时，a s 2 的粘附系数为0 ，丽当衬底表面存 在一个单原子层的g a 时，其粘附系数为l 。因此在分子束外延中生长速率主要 由1 1 3 族元素控制。 分子束外延技术与其他外延技术相比有许多明显的优点。m b e 的生长速度 慢( 约l p m d 、时) ，可在原子尺度范围内精确地控制外延层的厚度及异质结界面 平整度和掺杂分布。结合适当的掩膜技术，还可以制备出具有二维和三维图形 结构的薄膜。m b e 的生长温度低( 对