（凝聚态物理专业论文）含磷ⅢⅤ族化合物半导体材料mbe生长与特性研究.pdf

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7日 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 :_ 皮彪 2 夕 。 7 年 亨月 阵 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 10 年解密后适用 本授权书。 全 导教师签名: 甲李 伺 学位论文作者签名: 伎 咸 解 密时间: 2 口 17年 犷 月 7 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 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。 除文中已 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 : 沈 危 卫 四7年了月1 华日 第一童 含礴化合物半导休器件的应用与发展 第一章含磷化合物半导体器件的应用与发展 第一节前言 人类进入21世纪，科技发展日 新月异，以电子通信、光纤通信为代表的高 科技领域又迎来了 新的发展机遇， 科技进步不断推动信息产业向更高、更快的 方向发展，同时对支柱的基础产业一半导体行业也提出了新的、更高的要求， 要求器件向尺寸小型化、性能优异化、功能集成化方向发展。分子束外延 ( mol e c u l arb e p i ta 叮， m b e) 技术把薄膜材料的厚度从纳米量级推进到亚 微米级以 至单原子层尺度，使人们能够采用能带裁剪工程设计材料与器件结构。 mb e 由于在材料化学组分和生长速率控制等方面的优势，非常适合于各种化合 物半导体及其合金材料的同质结和异质结外延生长。 】 n p 基和g 创 仙 基含磷化合物 半导体材料及其组成的三元、四元合金材料因其组元组份连续可调 ( 禁带宽度、 晶格常数亦可调) 而覆盖电磁波谱的一些重要的波段，成为电子、光电子领域 的关键性的、不可替代的基础材料，在现代电子通信、光电通信系统中有及其 广泛的 应用。 表1 . 1给出了几种重要的g a a s 基和i n p 基三元、 四元合金禁带宽度、 晶格常数的插值计算公式。 表1 . iv / 1 1 1 多元合金材料的禁带宽度与晶格常数 (30()k ) g 衡址1 峭 as eg= 0 . 3 6 + 0 . s o s x + 0 .5 5 5 x2( ev) eg= 0. 3 24+ 0. 7x十 0. 矿 ( ev) 晶格常数a(x片 .6 5 3 3 x + 6 .o 5 8 4(l -x) 晶格与】 n p 匹配的组份:g 鞠47 in0一sl as 玩兀 伽 . 淤 eg“1 3 5 + 0 .6 6 s x + 0 . 7 5 5 护( ev) 晶 格常数 a ( x 卜 5. 4 5 05 (l 一 x 汁 5 .8 688x 晶格与g 几 a s 匹配的组份:c 匈， 1 场.构 p g 加 1 魂 a 为 p i ， eg( x ，y) 一 1 .3 5 功 .6 6 : x 一 1 .o 6 8 y 扣.7 5 8 x 2 扣.0 7 5 尹 一肠 叭 y . 0 . 3 2 2 x 子 y 均. 0 3 犷 减 x 丹 卜5 8 6 8 8 一4 1 7 6x十 0 . 1 8 9 6 y 扣. o l 2 5 xy 晶格与i n p 匹配的in 组份:x 昌 0 . 1 8 9 4 ) ( 0. 418 4 臼 0 . 加2 3 v) h卜 树 川龙 口 街 彻 e g ( x， y 卜 司 . 3 6 十 2 .093 x-0.62gy 刊. 57 份祀.43砂+l.01 3 xy- 2. oxy ( 1 一 x- y ) 晶格与玩 p 匹配的 b 组份: ( h 功 5 2 a 与 .4 . 狱h 场 .， 3 g ao 朋 ) : ， a s 第一章 含礴化合物半导体器件的应用与发展 从表1 . 1中可以 看出，inxgal 一中hi 组分在0. 49附近时，其晶格常数与 g 拟 仙 晶格常数基本匹配. 同样， 在g a 戈 in l 一5 材料中， in 组份为0. 51时， 其晶 格常数与 i n p 晶格常数基本匹配。图1 . 1给出了v 八 1 1 族化合物半导体能隙宽度与晶格常数 的关系。 官3月右曹召，月诊 .才仑釜，署居 0 9 器: 一a s b . 一 、 、 叫 、 !j气 )一又 一 咬 、丈 、二 、 二 :一 烈 钾一; 一 丫、 、 断，日胆 却 1 耐1 花 招 即 尹_ ， 习 未 气 一 澎 、 、 ; 一 入 一j ! - 一 !- 一c心 七 一! . 人， i n s 七 一 郭奏，一一一飞 涤 、 、 蒸 肠 面 “ 一、(a ) 图1 . 1化合物半导体的能隙宽度和晶格常数的关系 在v 月 】 1 族化合物半导体异质外延材料与器件的设计中，必须对晶格常数、 禁带宽度等参数进行选择和优化。 从图1 . 1可以 看出， 三元、四元合金材料为材 料与器件的设计提供了很大的灵活性和选择性。 在半导体材料的大家族里， 以1 曲 基和g a a s 基为代表的含磷化合物半导体材料在其中占用重要地位，主要得益于 含磷化合物半导体材料具有很多优越的特性，自身具有抗氧化、便于应力补偿 设计和可制作长波长器件， 使其在激光器 111 、 探测器12 、高 速器件3j 和太阳能电 池141 等方面发 挥着重 要作用。目 前， 金属有机化合物化学 气相沉积 ( m ocv d ) 均 、 气 源 分 子束( g s m b e ) 161 和 化学 束 外延( c v d ) 【 刀 是 外延生长 含磷 材 料的 主 要手段，但由于金属有机化合物和氢化物等有毒、易燃易爆源料所带来的安全、 费 用和环保等问 题， 其发展将最终受 到限 制。 19 7 9 年， 卓以 和等人151 第一 个实现 了 mb e 生长含磷化合物半导体材料，从此，出现了许多关于固态源红磷的蒸发 第一章 含确化合物半导体器件的应用与发展 生长高 质量的 淤外延材料的研究报道:同 时，关于 使用g apigj 和1 o p 多晶材料1101 作为磷源生长i n p 夕 卜 延材料也有报道，但存在着从源材料带入杂质增加污染的可 能，该方法的材料生长研究逐渐减少。传统固源mb e 技术由于磷的饱和蒸汽压 高、磷有多种同素异构体、白磷易嫩等原因而很难用于含磷材料的生长，九十 年代发展起来的基于三温区阀控裂解技术的新型全固源mb e 技术，克服了传统 mb e 技术生长含磷材料的难题，拓展了侧 旧 e 可生长材料的范围，同时不存在 mo c v d 、g s m b e 和c b e 所面临的问题，在费用、安全性、可操作性以及材料 质量等方面都具有相当的优势，成为具有希望的外延技术之一，并引起了广泛 的研究兴趣。由于通过阀控制裂解炉的固体磷源mb e 外延材料具有优异的性能 和无环境污染等优点，该技术逐渐成为含磷mb e 外延材料的主要方向. 第二节含磷化合物半导体激光器的发展 1 . 2 . 1 ( 含磷)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 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，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反转现象，这种现象对激光器也有破 坏作用， 对in g 田 肠 p /b 企激光器来说， 主要是受热反转的限制， 而不是灾变光损 伤的限制1 1 1 一 1 3 0 半导体材料的表面复合速率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 3 第一章 含磷化合物半导体器件的应用与发展 发射波长810 一 780 仙 的g a a s 和aig 留 抽材料童子阱激光器来说， 0 留 始的功率 极限为1 1 m w 角 m z ，而aig a a s 材料仅为8 一 s m w 怂 m 平 。 因此研究者们用g al n a s p 来取代aig 以 a s 作为波导层和包层，主要的优点是: ( l) g al 加 仙 p具有较低的表面复合速率，增强了激光器光镜端面的灾变光 损伤阐值; (2) g a lr 护 。 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 l n a sp灾变光损伤的阐值功率可达1 8mwlc m z 。 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，从光区产生的光子通过半导体时有部分可以被 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 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闭值高、腔面抗氧化能力 强、电阻低、热传导性好、转换效率高等优点，是高功率半导体激光器发展的 重 要 方 向 ，14- 191 。 因此，含磷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 含磷量子阱激光器的发展 波长范围从73 o llm 到1 0 0 0 . 叭 的量子阱半导体檄光器口 卜 2 4 技术已 经很成熟， 其中波长为8 08nm的半导体激光器是目 前使用较多的激光器之一， 产品 适用于激 光泵源、医学、印刷、加热、材料处理、打标等需要高亮度、长寿命的应用领 域. 1 9 95年， h . j . y 尹 5 1 等人通过实 验研究和理论模拟设 计了 一种in g 目 如 p / g 创 仙 第一章 含礴化合物半导体器件的应用与发展 材料激光器的 优化结构。 1 996 年， 由 j. 九 州 k， a.0 叮 匕 址 nni l o v 和 h.a so n e n lz 】 等人首 次用气态源分子束外延生长了发射波长为8 08恤 的0 叮 田 钻 p 茂 知 峨 5 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 】 g 留 肠 基激光器性能要好。 加 c 妞 a s p ( 油 仙材料系的有源层加 0认s p 比aig 创 抽具有更多的优点，使其可 靠性、高功率密度值、大功率应用成为可能，然而in g 田 钻 p/ g a， 臼 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，导致阂值电流增 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。1 997 年， p e kl 以s avo 】 幽eniz 刀 等人报道 了 用固态源分子束外延制备的张应力g a l 血 p /gal 山 仙 p 单量子阱结构， z n u n 腔长阐 值电 流为 23o a lc 扩，i nun 腔长可以 达到z w的 输出 功率;1 998 年， r f . n a b i ev 281 等人研究报道了一种发射波长为8 08nm 、总效率高达56%的单管激光器，包层 肠 g 别 叼 p 高的势垒能够有效地抑制高温下载流子的泄漏。 威斯康星大学赖德光子学中心和相干公司的 d.b ot ez 等人发展了一种由 0. 8 脚 叮 宽城s g 鞠 .刃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 阿 场j g 丸尹限制层和inoj( g 御s ai”) “ p 包层包围的场伪 g ao .， i a 匆 .少 似量子阱， 具体结构见图1 . 2 。 包层包层 型掺杂 l 劫 域 g . 。 夕山 知 少 l s 脚 . 】 脚j c彻少 仪即m l sn 口 .口.甘.1. 喇留 1 州 g目 a企 t子阱 图1 . 2 包层含铝的激光器 这种结构提高了 输出 功率和器件寿命，无铝宽波导结构提供了 低损耗、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 第一章 含磷化合物半导体器件的应用与发展 靠性，包层区为提高效率和功率改善了载流子限制。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。 在940nm 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 n 们 。 时， 条 宽10 。 卿连 续 输出 功 率 为 3 w i29。 脊 形 波 导 5 00 阿条宽 连续 输出 功 率 为 5. 3 w， 斜率效率为 0. 9 w / a 3 oj 。 g 配 匕e rb erti3i l 等人研制了 940 刊 旧 in g 田 肠 /i n g 目 臼 p / g 田 仙 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 脚 宽的 波导层最大w a l lp lug效率为6 00/0 .继续增加波导层的厚度到1 . 5 卿 ，得到 1 00卿条宽 器 件 在输出 功 率为 3 w 时的 退 化率 低 于10 一 恤， 并且 该 器件在 输出 功率 为 4 w时 仍具有长期可靠性。 加04年， 万春明 132 1 等人 报道了 一 种采用大光学腔结 构的 i n 。 护 国 g a a s / aig 几 a s应变量子阱高功率半导体激光器，对1 00林 m 条 形， 1 0 00卿 腔长的制备器件测试表明 ， 器件的 最大 连续输出 功率达到 z w， 峰值波 长为939 . 4 lun ，远场水平发散角为10。 ，垂直发散角为3 00器件的阐值电流为3 00 1 】 】 a。 980 i u l l 波长无铝激光二极管主要用作掺饵光纤的泵源， 在gso nm 泵浦激光器 中， 传统的激光器常用aig a a s 作波导层或包层。 为了克服aig a a s 基0 .9 8 卿泵浦 激光器的稳定性问题， 科研人员用加 c 叨来代替aig a a s 。 iji c hi 等人首次用b g ap 代替aig a a s 取得突破性进展后133 一，许多科研人员开始了 i n g ap代替aig a a s 用 作包层的 研究工作阴。 yen en i36 1等人 用实验 证实了 无铝量子阱 激光器能 够抑制暗 线。 h ar 口a so n e n 口 刀 等 人 首 次 研 究 了 波 导 层 中 功 。 a a s p 组 分 不 同 对 器 件 性 能 的 影 响， 对促 进了 器件的 优化提供了 依 据。 随 后诵c hi o o hku bo3bl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 。 1 99 3 年， g 以 记 。 ngzang i3 9 等 人通过对材料加 g 氏 a s/ g al n a s p/ g a h lp 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玩 g 田 仙 i c 厄 i n a s p iga l n p 器件， 最低阂值电流密度可 达7 2 a/c lnz，内部量子效率高 达9 4 %，以 及内波导损失为5. 电 口 . 1 ， 透明电 流密度 和 增益 系数 分别 为 33习 m z 和 0. 0 9i cm 阿a， ， 桥 波导 激光 器 得 远 场发 散 角垂直 方向 为 4 70、 侧向 为1 30。1 9 95年， h 五 如toivon e n l40 等人报道了 利用s s m b e 制备 的g 涵 认 喇 g a 丘 沪 比 p i g al n p 量子阱桥波导激光器，工作功率为25场 m w，最大输出 第一章 含礴化合物半导体器件的应用与发展 功率为 450tnw。 1 996 年， p e 记 。s avol 山e n iz 刀 等人用m b e 设备生长了 性能稳定的 c . 1 血 a 州g 班 创 仙 p ighaln p 发射单模桥波导激光器，该激光器工作功率为260 m w， 最大输出功率可以达到550 m w， 1 5 肠 口 w条件下初步寿命检测长达4 5 00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。 在9 8015 5 0 . . 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1 480 刘 tnl n g 田 如 p 压 企 长波长最早实用化，用于155 仓 m n 波 长光放大。90年代开始研制水平可达到5 0 肠 m w以上单模。以功 0 田 仙 为有源区， aig 留 抽 为波导层的应变量子阱， 波长范围 覆盖了 从5 80一1 06伪 口 14 1 明; 使用应 变补偿g a a s p 隔离层，成功实现了对于大于1 o 0()口 叮 的发射波长的量子阱激光器 143 叫。 980 钊 叮 in g a a 创 g 田 肠 激光二极管用于15 5 0 o m 光纤放大器， 吸收效 率更高， 噪音更低，因而比1 480 口 m 泵浦源更受欢迎，在无中继长途大容量数字光通信和 孤子波 传输系统广泛应用。 1 .3 阿和1 . 55阿 b g 创 抽 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 一 1 5 “ m 波长生产技术己 成熟. 19 82 年 ， w.t. t 晓 in g 川 等 人首 次 成 功 地 应 用分 子束 外 延生 长了 1 . 3 p m 波 长 b g a a s p 八 n p 双异质结半导体 激光器， 采用宽面 ( 3 8 0 、 2 00脚 ) f- p 腔结构、 有源层的厚 度为 0. 2 阿， 最 低阐 值电 流 为19 0 脚 吹 口 2 。 1 9 89 年， p. m e 汕an l46 等 人 利 用 应变 量 子 阱 材 料 in g a a s 洲 g 田 公 也 产 生了 1 . 3 脚波 长的 激 光 发 射。 19 95 年， p. 而ag araj助 1 4 刀 等人又利用应变量子阱 材料 h “ 臼 p 月 五 g 留 肠 p 也产生了1 .3 卿波长的 激光发 射。 1 . 2 。 3 含磷应变量子阱激光器 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限质 量14 司 ， 进一步减小了 价带间的 跃迁， 从而使 q w激光器的阂 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小和俄歇复合的降低而 进一步 改 普了 温 度 特性， 实 现了 激 光 器无 致冷工 作. 1 991 年， m .h o p n ， 9 等人生长了i n a 创 i np压应力量子阱激光器， 当温度达到3 0 0 k 时发射波长可以扩展 到 2. 23 脚。 1 99 5 年， s e o u n g . h 叭 旧 。p 毗15 0 等 人 从 理 论 上 研究了 加 g 目 曰 如 g 田 如 p z g a a s 量子阱激光器的阐值电流和温度特性。理论结果显示:与非补偿 in 肠 认以 in g 田 抽 p z 位 叭5 量子阱激光器相比， 应力补偿结构具有更低的阂 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 第一章 含磷化合物半导体器件的应用与发展 及应力 补偿使得器件性能 对温 度的 依 赖性减弱。1 9 %年， tos hi aki f ukuna g alsl 等人又从实验上验证了s eou n g . h 叭 旧 叮p 出 上 提出的理论，该器件0. 75inm 腔长的闽 值电 流密度为 z ooa /c m z ， 特征 温度为 2 68 k ， 发射波长为1 06卿， 25 下功率在 zs0 m w工作1 0 0()小时后仍然能稳定工作。以 a l 仓认5 为波导层，张应变的g a a s p 量子阱， 具有更好的 可靠性152-531 。 图1 .3 为 to如山等开发的 具有代表意义的张应 变和应变补偿量子阱激光器结构。 (.l . 州 白 叨 透 峨匆戒. 酬 匆 丫 峨 扒m卜 ”归， 口 呢 n 伪消. 代ea:1.6 加协， 加m . 盛 目 . ; 0 ， ， 肠 ino 曲 as、 口 . 117 n m. 公 目.: 孟1 % n g 民 . p ( 匆 二 1 . 叹 翔 v n 伍 目切代匆 二 1 . 汉 犯丫 ) 1 加 m， 八 日口 公 l m， 出 目翻 : ， 0. 了 肠 ( b) 如山 日 肠 州匆. 1 召 匆 仍. 山 . . 尸 匀 目 匕 : 口 % . 州自目妞 侧.7 n 口 卜山州.: 之， % . 心 . 诀 侧 例 自 卜， 月翔 仍“ 知 m ， 人 目 . : 口 % 一印 图1 . 3( a) 为应变补偿的量子阱激光器能 带图 (b)为张应变量子阱激光器能带图 第三节i n g a a s ll n p光电探测器的发展 由于功 g 留 仙 八 口 光电探测器具有良 好的性质，在成本、性能、工艺和实用 性等方面具有较强的优势。 i n o 田 ”材料系列生长技术多样化，比h g c d te 更易 于生长具有高灵敏度和探测率以及很小的暗电流:可在室温下工作，降低甚至 取消了 探测器对制冷器的依赖性，简化了辅助设备，减小了 探测器的尺寸，降 低了 制 作 成本。 场朋 g 匈 4 ， as 的 禁带宽 度为0. 75ev， 截止 波长为1 . 7 阿 ， 能覆盖 光纤 通 讯 领域常用的长波长 1 ，3 脚 叮 ， 1 55阿 波段。 玩 万 g a l 明 as 随着组分变化，带 隙可 在0. 3 5 一 1 .43ev 范围内 变化， 可覆盖1 一 3 卿 红外 波段。 此外场月 g 助 47 a s 和 衬底】 h p 形成晶格完全匹配， 因此可以 在】 n p衬底上生长高质量的外延层， 可制 备高 性能 器件1川。 加 0 田 如 汤 碑 光电 探测器广泛的 应用于 在军 事、民 用领域，军 第一章 含研化合物半导休器件的应用与发展 事上用于夜间探测、军事侦察、 雷达预普、成像与测量等;民用中可用于高速 光纤通信、空间 遥感、工业过程控制和特种条件温度测量，另外由 于很多物质 在该波段具有不同的光谱效应， 这类红外探侧器还被用于不同物质的辨识以 及 空间 对地探测、了 解资源分布、土坡水分监测、大气成分分析、农作物估产等 方面有着重要地应用， 习 。因 此， 在已 被大t应用并具 有广泛发展空间的 含磷化 合物半导体材料中，加 g 曰 肠 山 企探侧器材料已成为其重要部分. 玩 肠 动 国i n p光电探测器具有良 好的性质，自20 世纪80 年代中期以来，有 关 卜 3 阿 波长范围的探测器材料，先后提出的有 insb 旧gcd te爪 t s i以及 如 g 时 匕 瓜 企等。 加 g 目 肠 压 企材料制作的探测器在成本、 性能、工艺和实用性等 方面具有较强的优势。它具有直接禁带、室温工作和高纯度的优点，由它制作 的光电 探测器具有极低的暗电 流和噪声冈。 1 978 年p 。 眨 阁 】 和h o p so n 应用加 g 曰 始 p 合金系 材料制 成光纤通信的长波长 波段光电 探测器以 来15n， 玩 g 田 ” p合金系材料的 优点 逐渐 被人们认识到，并且 进行了 大量的 材料生长和器件制作 上的 研究155 侧。 加 g 田 ” p 合金系材料有很高的 电子迁移率， 特别是合金系中的城53 0 匈 涛 7 户 在 3 00k环境下它的禁带宽度为 0. 75e v ， 截止波长约为1 . 7 脚 叮 ， 正好可以覆盖光纤通信用的1 .3 一 1 .55阿 披长， 电 子迁移率可高 达1 2000c m z 刃，s ， 可以 制成响应速度很高的 光电 探测器， 而且其晶 格可以 和加 p 完全匹配， 因而可以方便地在i n p 衬底上生长出 质量优越的外延层， 这些优点使得城53 g a0 月 沪 成为光纤通信探测器的优先选择的材料。 在探测波长 为2. 5 脚 以 下时， 加 g 目 肠器件已 经表现出比h 启 cdtc更优越的 性能， 表1 .2列 表 1 . 2 1 瑞a a s 和h 邪d t e 的触 的比 较 知 伽. 工作温 度 ( k) 凡a ( 众山 2 )凡a ( 幻 泊 m z ) i n ga as h 启 c d te 1 .43 0 02 . s x l o ， 4 x l 护 2 2 01 . 3 x l o .7 x l 0 6 1 . 73 0 02 . 5 又 1 0 ，z x l 护 22 o1 . 3 x l o ，2 欠 1 0 5 2 . 13 oo 2 .5 x l 护7 x 1 0 ， 2 2 06 5 x l 0 ，7 x l 护 2 . 5 3 0 01 3 x l 护l x l 0 i 2 2 01 . 0 x 1 0 5l x l 护 第一章 含磷化合物半导体器件的应用与发展 出了 不同 波段下两种器件的殉a对比 161。 从表1 一可以 看出， 300k对应室温， 220 k对应四级热点制冷温度， 在相同 波段下加 c a 八 丑 的r o a比h gcd te高出1 一 2 个数量级。利用 ino.犯 g 匈 鸿 ， 抽 材料制作出了各种结构的光电探测器有 a p d ( 盯 a l an c 址 p h o tc 吐 iode s ，雪崩光电探测器i62) ) 、p in 光电探测器631、 m s m 户 p d 伽d 幻 一 哭 m i co n d u c to r- m 咧， 金 属 一 半 导 体 一 金 属 光电 探测 器 164) 。 所用的 材料生长手段也多种多样， 有液相外延归ele愁 、金属有机物汽相外延 伽。 v d 脚 b 、 分 子 束 外 延 ( mbe) 伟 刀 等 。 在光纤通信需求的 推动下， i n g 创 ”材料和器件得到了 很大的发展，技术日 益成熟，己具备大规模生产的能力。应用也由光纤通信扩展到其他方面，其中 红外遥感是一个重要的应用领域，红外遥感技术可用于对洲际导弹的探测、识 别、跟踪和大气层内外核爆炸的探测等，还可应用于农牧业、森林资源的调查、 开发和管理及森林火灾的探测。 第四节其它含磷化合物半导体材料与器件的研究进展 1 . 4 . 1 自组织生长量子点 ( 线)材料及器件研究进展 目 前采用应变自 组织生长量子点的方法已 被广泛应用于各种材料体系，包 括 域伽) as / g a a s l皓 vo ， ges il， 1一， 坷g a ) as/ a ig 司 仙 73 刊， h 田 / 。 涵 企 175 一7 司 ， 肠 人 m / g a a 认 5 77 刀 幻 ， 方 护 臼 几 企 渺 侧。 用1 1 j p基材料作为衬底，外延用窄禁带的玩 人 5 材料作为有源区可实现常波 长波段( 尤其是另一重要的光纤通信窗口1 . 55” m ) 激射， 拓展其应用范围。 1 9 95 年， n 。 忱 e l ls l 等首次 用m o v e p 在】 n p(3l l)a 旧衬底 上 用aig 几 a s 作为缓冲层 生长了复合结构的玩 g aas 量子盘， a f m测试得到in g 乞 a s 量子盘的横向尺寸约 为1 0()功 吐 ，高为3 tnn ， 但其均匀性和有序性明显没有g 留 公(31 1) 户 以 b 衬底好。 法国p o n c b et i sz j 等用 气源m b e( gs一 m b e) 在淤 ( 001)衬底上用i n p 作为缓 冲层自 组织生长了i n a s 童子点， 透射电镜揭示i n 人 5 的自 组织生长存在两种生长 模式:当1 田 钻淀积厚度为 1 5 ml和 1 . s ml时i d 户 量子点较大，直径在 3 0 n m 左右，高s din 左右且随机分布，密度较小:当加 a s 继续淀积到2. 0 n l以上时， 大的1 川 钻t子点分解成大小约2 0 n o 1 ， 高2- 3 nln 的 小 量 子点， 沿l 10分布，密 度增长了一倍;同时他还研究了加 人 5 盆子点中的应力， r ， m 明光谱表明盆子点 第一章 含礴化合物半导体器件的应用与发展 内 残存应力较高。 1 9 %年， 加拿大微电子研究院的s. f ai 址 d 等首次用固态源m b e 在功 p( 001)衬底上以】 n a i a 微缓冲层自 组织生长了单、双层i n 肖 名 t子点183， 电 镜照片揭示量子点的横向尺寸为41士 5 哑 ， 高为7. 6 到 口 ， 覆盖率大于8 0 %，同 时还指出 】 n a s/lnp 体系自 组织量子点的临界厚度，成核生长明显与 功 a s/ g 山 铀 体系不同， 光致发光谱 ( pl) 的 峰位在 1 .56卜 m ，半高宽为 1 2 o m e v 。1997 年 ， 台 ， 即 因 ”等 人 194进 一 步 用g s . 侧 旧 e ， 在淤 ( 001)衬 底 上自 组 织 生 长了互 。 a s 量子点， p l 峰位在1 . 8 林 m左右，半高宽为3 5 m e v 。 1 o p 基量子点材料虽然其研究刚刚