（微电子学与固体电子学专业论文）GaInNAs半导体合金物性的第一性原理研究.pdf

( g a ，i n ) ( n ，a s ) 半导体合金物性的第一性原理研究 摘要 ( g a ，in ) ( n ，a s ) 半导体合金物性的第一性原理研究 专业名称：微电子与固体电子学 申请者姓名：汤莉莉 导师姓名：唐吉玉 本文采用基于第一性原理的m a t e r i a l ss t u d i o 软件模拟了在半导体合金材 料发展过程中具有代表性的三种材料即g a l n a s 、g a l n n a s 和g a l n n 的一些物理 性质，所得结果对工艺的改进具有一定的参考价值。 g a i n a s 材料是在g a a s 材料的基础上发展起来的新型三元半导体合金材 料。它是以晶格匹配的方式长在i n p 衬底上，用这种材料可以制造出各种类型的 半导体激光器。但由于制作出来的激光器在发光效率、输出功率、工作频率、阈 值等方面不是很理想，所以应用受到了一定的限制。同时随着半导体材料的不断 发展，出现了宽带隙g a n 材料，这种材料是一种理想的短波长发光器件材料。 由二元g 口调制得到的g a l n n 新型三元半导体合金发光材料，其发光频率覆盖 了从红色到紫外的光谱范围。 对于i n 含量较高的g a l n a s 和g a l n n 三元合金材料，虽然其半导体器件的 制作工艺水平随着技术的发展在不断进步，但物理特性的理论方面仍有较大的研 究空间。比如，与发光波长直接关联的材料带隙，以及对应的弯曲系数( b o w i n g p a r a m e t e r ) 、晶格常数和键长与组分的关系，目前国内外有关这方面的研究比较 少，而这些物性对工艺本身又有一定的影响，鉴于此，借鉴前人的方法，本文采 用基于第一性原理的m a t e r i a l ss t u d i o 软件分析了不同组分条件下材料的带隙， 及其对应的晶格常数、键长、弯曲系数( 仅g a l _ x l n 。n 材料) 等参数与组分的关 ( g a ，i n ) ( n ，a s ) 二仁导体合金物性的第一性原理研究 系，并将模拟值与实验值进行比较。结果显示，模拟带隙值与实验值基本相符合， 品格常数和键长稍微偏小，g a 。_ x l n 。n 弯曲系数值为b = 3 9 8 e v 。模拟结果能定 性地反映材料的物理特性，具有一定的现实意义。 g a l n n a s 材料是在g a n a s 材料的基础上发展起来的新型四元半导体合金 材料。它可以在g a a s 衬底上一次性的外延生长出长波长v c s e l ( 垂直腔面发射 激光器) ，成为制作适应1 3 0 - - 1 5 5 pm 通讯低损耗低色散窗口的半导体激光器 的理想材料。 对于g a l n n a s 材料，通过调节合金中的n 和i n 组分，可以生长在g a a s 衬 底上并且获得所需长波长的能带结构。然而，生长过程中n 的引入造成了发光性 能的恶化。通常通过快速热退火( r t a ) 方法来减少非辐射复合中心，但同时又 引发了带隙的显著蓝移。众多的光谱研究认为，合金中n 最近邻原子环境的变化 是导致蓝移的主要原因。退火使得i n - n 键的数目大大增加，改善了局域应变， 并且能减少体系总应变。 本论文在前人的热力学统计分布模型的基础上，采用基于第一性原理的 m a t e r i a l ss t u d i o 软件中的d m o l 3 模块计算并读取特定组分条件下超单胞的平均 键长，并利用平均键长与应变的近似关系，讨论了退火前后体系应变的变化。结 果发现：( 1 ) 退火过程中g a - n 键向i n - n 键的转换，造成的结果是二者局域应变的 改善：( 2 ) 完全退火后，i n n 键数目显著增加，i n n 键和g a _ n 键平均键长相对于退 火前均有减小，并且二者的应变均在3 左右，退火引起的应变减小约为1 5 i n a s 键的应变略有减小，而g a - a s 键略有升高；( 3 ) 退火后晶格常数相对于退 火前更接近无应变的情况，在退火导致合金微结构变化过程中，体系总应变也呈 减小趋势。这些模拟结果对。i n ，n ，a s 。一，基器件的生长和设计具有一定的参 考价值和指导意义。 关键词：g a i n , l s ：g a l n n a s ：g a l n n ：第一性原理：平均键长：带隙：弯曲系数 fir s t p rin cip l e in v e s tig a tio no nt h ep h y s ic a l c h a r a c t e ris tic so f ( g a ，i n ) ( n ，a s ) s e mic o n d u c t o ra l l o y a b s t r a c t m a t e r l a l s m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i ds t a t ee l e c t r o n j c s n a m e ：t a n gl i l i s u p e r v i s o r ：t a n gj i y u t h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fg a l n a s ，g a l n n a s a n dg 口觑 s e m i c o n d u c t o r a l l o ya r el n v e s t i g a t e du s i n gt h ef i r s tp r i n c i p l em o d e l i n g ，w h i c hi sb e n e f i c i a lt oi m p r o v e t h eg r o w t ht e c h n o l o g yo ft h e s em a t e r i a l “口m sl san e w t e r n a r ys e m i c o n d u c t o ra l l o yd e v e l o p e do nt h eb a s i so fg a 触 m a t e n a l i tc a nb eg r o w no nl a t t i c em a t c h e di n ps u b s t r a t e ，a n du s e dt om a n u f a c t u r c v a n o u s t y p e s o fs e m i c o n d u c t o r l a s e r s h o w e v e r ，s i n c et h el a s e rp r o d u c e di sn 。ti d e a l mt n ea s p e c t s ，s u c ha sl i g h t - e m i t t i n ge f f i c i e n c y , o u t p u t p o w e r , o p e r a t i n gf r e q u e n c y , t h r e s h o l d ，t h e r ew i l lb es e v e r a lr e s t r i c t i o n si n i t sa p p l i c a t i o n s m e a n w h i l eb vt h e c o n t l n u o u sd e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s ，g a n w i d e b a n d g a pm a t e d a l s ， w h l c hc a nb eak i n do fi d e a ls h o r t w a v e l e n g t hl i g h t e m i t t i n gd e v i c es t u f f , b e ：g i nt o a p p e 鸥a 1 1 dt b el i g h t e m i t t i n gf r e q u e n c yo f t h en e wt e r n a r ya l l o ys e m i c o n d u c t o r l i g h t - e m i t t i n gm a t e r i a l sg a l n nm o d u l a t e db yt h ed u a la l l o yg a n , c o v e ft h e s p e c t r u m s c o p ef r o mt h e r e dt ot h eu l t r a v i o l e ts p e c t r a lr a n g e f o rt h er i c h i n m a t e r i a lg a l n a s a n dg a n n t e r n a r ya l l o v s ，t h e m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m em a t u r e ，b u tt h e r ei s s t i l ll a 唱e rs p a c ef o rt h e r e s e a r c ho nt h em o d e l i n go ft h e i rp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c a m o n gt h e m a t e r i a lb a n d g a p t j l a t e m i t t i n gw a v e l e n g t hd i r e c t l yr e l a t e dt oa n dt h e i r c o r r e s p o n d i n gb e n d i n g c o e m c l e n t ( b o w l n gp a r a m e t e r ) ，t h el a t t i c ec o n s t a n t ，b o n dl e n g t h s ，a n dc o r n p o n e n t s ， t n e r ea r es m a l lt h e o r e t i c a ls t u d ya th o m e a n da b r o a da tp r e s e n t ，b u ts i n c et h ef a c tt h a t i i i ( g a ，i n ) ( n ，a s ) 二仁导体合金物性的第一性原理研究 t h e s ep h y s i c a lp r o p e r t i e sh a v eac e r t a i ni m p a c to nt h ec r a f ti t s e l f , s ot h i sp a p e ru s e s t h em a t e r i a l ss t u d i os o f t w a r eb a s e do nf i r s tp r i n c i p l e st oa n a l y z et h er e l a t i o n s h i p s a m o n g t h eb a n dg a p sa n dt h e i rc o r r e s p o n d i n gl a t t i c ec o n s t a n t ，t h eb o n dl e n g t h ，t h e b o w i n gp a r a m e t e r ( o n l yg a l 一，i n ，nm a t e r i a l ) a n dt h ec o m p o n e n t so nt h eb a s i so f t h ep r e v i o u sm e t h o d c o m p a r i n gt h es i m u l a t e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，t h er e s u l t s s h o w e dt h a ta l lt h es i m u l a t e db a n dg a p sv a l u ea r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h e p r e v i o u sr e s e a r c h e s ，a n dt h el a t t i c ec o n s t a n ta n dt h eb o n dl e n g t hb e c o m eal i t t l e s m a l l e r , a n dt h eb o w i n gp a r a m e t e r ( b ) o fg a l - x i n ，n i sb = 3 9 8 e v t h es i m u l a t i o n r e s u l t sc a nq u a l i t a t i v e l yd e s c r i b et h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a t e r i a l ，w h i c h h a sap r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e g a l n n a si san e wk i n do fq u a t e r n a r ya l l o yd e v e l o p e do nt h eb a s i so fg a n a s u s i n ge p i t a x yt e c h n o l o g y , g a a s b a s e dl o n g w a v e l e n g t hv c s e l ( v c s e l ) c a nb e f a b r i c a t e dw i t ht h i sq u a t e r n a r ya l l o y i ti sa ni d e a lm a t e r i a lf o rs e m i c o n d u c t o rl a s e r w i t he m i t t i n gw a v e l e n g t ho f1 3 0 - 1 5 5 , u m f o rg a l n n a s ，t h r o u g ht h ea d j u s t m e n to ft h ena n di nc o m p o n e n t si nt h ea l l o y , l a t t i c em a t c h e dg a l 一罩i n ；n y a s l y g a a sq we m i t t i n ga td e f i n i t el o n gw a v e l e n g t h c a nb ea c h i e v e d h o w e v e r , t h eg r o w t ho ft h i sd i l u t en i t r i d es e m i c o n d u c t o ri s c o m p l i c a t e db yp h a s es e p a r a t i o ne f f e c t sd u et ot h es o l u b i l i t yl i m i to fn i t r o g e n ，w h i c h l e a d st op o o ra s - g r o w np h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l ) e f f i c i e n c i e s r a p i dt h e r m a la n n e a l i n g ( r t a ) i su s u a l l yu s e dt o d e c r e a s et h ed e n s i t yo ft h en o n - r a d i a t i v er e c o m b i n a t i o n c e n t e r sa n di m p r o v et h em a t e r i a lq u a l i t y m e a n w h i l e ，i tc a u s e sad r a s t i cb l u e s h i f to f b a n d g a p m a n ys p e c t r a lr e s e a r c h e sh a v ef o u n dt h a tt h ec h a n g e so fn c e n t e r e dn n e n v i r o n m e n ta r et h em a i nf a c t o ro ft h eb l u e s h i f l a n n e a l i n gm a k e st h ei n c r e a s eo f 1 1 1 nb o n d i m p r o v et h el o c a ls t r a i na n dd e c r e a s et h et o t a ls t r a i no ft h es y s t e m i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so ft h ep r e v i o u st h e r m o d y n a m i cs t a t i s t i c a ld i s t r i b u t i o n m o d e l ，t h eo p t i m i z e db o n dl e n g t h so fs u p e r c e l l su n d e rd i f f e r e n tn c a r e s t - n e i g h b o r e n v i r o n m e n t sa r eo b t a i n e du s i n gd m o l 3m o d u l ei nm a t e r i a ls t u d i ob a s e do nt h ef i r s t p r i n c i p l e ，a n dt h e n t h et o t a ls t r a i no ft h es y s t e mb e f o r ea n da f t e ra n n e a l i n gi s i n v e s t i g a t e db yd i s c u s s i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea v e r a g eb o n dl e n g t h sa n d s t r a i n i tw a sf o u n dt h a t ：( 1 ) w h e na n n e a l i n g ，t h eg a nt r a n s f o r m i n gt ot h eh l - n c o n f i g u r a t i o nr e s u l t si nt h ei m p r o v e m e n to fl o c a ls t r a i n ( 2 ) a f t e rf u l l ya n n e a l i n g , t h e n u m b e ro fi n - ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e ，a n dt h ea v e r a g eb o n dl e n g t h so fi n nb o n da n d g a nb o n db o t hr e d u c e t h es t r a i no ft h et w ob o n d sa r ea ta r o u n d 3p e r c e n t ，a n dt h e i v ( g a ，i n ) ( n ，a s ) 半导体合金物性的第一性原理研究 s t r a i nr e d u c ea b o u t1 5 p e r c e n tc a u s e db ya n n e a l i n g t h ei n a sb o n ds l i g h t l y d e c r e a s e sw h i l et h eg a a sb o n di n c r e a s e ss l i g h t l y ；( 3 ) t h ea n n e a l e dl a t t i c ec o n s t a n ti s c l o s e rt ot h ef r e es t r a i nl a t t i c ec o n s t a n tt h a nt h ep r e a n n e a l i n g ，a n dw h e na n n e a l i n g l e a d st ot h ec h a n g eo fm i c r o - s t r u c t u r e ，t h et o t a ls t r a i no ft h es y s t e ma l s od e c r e a s ea f t e r a n n e a l i n g ，w h i c hi si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ep r e v i o u sr e s e a r c h e s t h e s es i m u l a t i o n r e s u l t sh a v eac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ea n dg u i d i n gs i g n i f i c a n c et ot h eg r o w t ha n dt h e d e s i g no ft h e 伪1 一，砌，y a s l 叫b a s e dd e v i c e k e yw o r d s ： g a l n a s ；g a l n n a s ；g a l n n ；f i r s tp r i n c i p l e s ；a v e r a g eb o n dl e n g t h ； b a n d g a pe n e r g y ；b o w i n gp a r a m e t e r v 华南师范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，是本人在导师的指导下，独 立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，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：孑另荔荔)佑义作有佥铂：孑f dp pj 日期：7 矾曰年二月乙日 学位论文使用授权声明 论文作者签名：三己氦蓄1导师签名： 彩么 日期：砷年6 月乙日日期：加彳年z 月2 日 ( g a ，i n ) ( n ，a s ) 半导体合金物性的第一性原理研究 第一章绪论 半导体材料是指电阻率在1 0 7 q c m 1 0 咱q c m ，介于金属和绝缘体之间的 材料。半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要 基础材料，支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业的发展。 半导体材料及应用己成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标 j ： 地t x e , o 在半导体产业发展中，一般将硅、锗称为第一代半导体材料；将砷化镓、磷 化铟、磷化镓、砷化铟、砷化铝及其合金等称为第二代半导体材；而将宽带隙 ( e g 2 3 e v ) 的氮化镓、碳化硅、硒化锌及其合金等称为第三代半导体材料。上 述材料是目前主要应用的半导体材料。本文主要介绍了由二元化合物g a a s 和 g a n 调制得到的三种发光材料即g a l n a s 、g a l n n a s 和g 口饥，由于它们在微 电子和光电子器件领域具有十分广阔的潜在应用优势和前景，已成为该类领域人 们研究的热门课题。 1 1g a i n a s 材料的介绍 g a l n h s 材料是在g a a s 材料的基础上发展起来的新型三元半导体合金材料。 它可以晶格匹配的长在i n p 衬底上，用这种材料可以制造出各种类型的半导体激 光器。 目前，随着光通信中革命性光发射器件l d 的制作工艺不断进步，g a a s 及其 合金g a l n a s 制成的第三代高速宽带的应变层量子阱( s l - q w ) 激光二极管( l d ) 和垂直腔面发射激光器( v c s e ll d ) 已获得重大进展。一些新型光源，如量子点 ( q d ) l d 、量子级联激光器( q c l ) 、光子晶体激光器( p cl d ) 和微碟激光器等 也随着光通信应用的需求获得重大进展。用于光通信的光源前景看好，光源性能 g a ，i n ) ( n ，a s ) 半导体台盒物性的第一性原理研究 不断提高和新型器件不断被开发出来。其闽值电流密度和工作电压不断降低，发 光波长覆盖了从短波长到长波长的光谱范围。周1 1 为一g a i n a s 量子点v c s e l 的结构图。 等：_ r “ 图卜1g a l n a s 量子点v c ：s e l ，的结构图 近年来，美普斯顿大学研制的13 um 波长g a l n a sm o wl d 功率达4 5 0 m w 、 闽值电流密度为19 k a c m 2 。并实现了新一代高速宽频带光源无致冷工作 的应变层。wl d 。瑞典r o y a l 技术大学研制出在室温下具有创纪录的12 6 um 波 长大应变双o wg a l n a s g a a sv c s e l ，可在宽的温度范围( 1 0 1 2 0 ) 连续工作， 最大输出功率 l m w ；同时0 9 8um 波段g a l n a s g a a s 系列的v c s e l 也趋于成熟 部分产品已进入市场。德国维尔茨堡大学研制成功的09 8pm 波长s 形弯曲脊 形波导s o wg r i ns c hg a l n a s a 1 g a a sp cl d 的c w 闽值电流为5 7 m a ，另外研制 成功的l6 u 波长、8 个共平面发射g a l n a s p i n p 删s c h 微型短腔p cl d ，获 得2 4 l 的最小闽值电流和2 9 的最高外量子效率，室温c w 输出功率达4 m w 。美 z i a 激光公司开发的1 3 um 波长g a l n a s g a a sq dl d 闽值电流密度为1 6a c m 2 并开发出连续调谐范围为1 4 l _ 6 5um 的低阈值电流q dl d 。奥地利维也纳科 技大学成功研制出将强电子限制优点与a 1 g a a s g a a s 超晶格( s l ) 结构优良性能 相结合的q c l ( 室温脉冲) 。传统fp 结构和单模发射d f b 两种结构的g a a s 基s l q c l 均获得约3 0 0 k 的创纪录工作温度，发射波长为1 26ur f l ，在7 8 k 时，获得 1 6 k a c m 2 的低闽值电流密度和2 4 0 m w 的高峰值功率。美国加州大学研制出 15 9 9 ”m 波长、室温连续工作的光泵浦g a l n a s g a l n a s p 微碟激光器( 阈值泵浦 功率为1i m w ) 之后，又成功研制出垂直耦合的微碟激光器。 l r 岫 p 卧 ( g a ，i n ) ( n ，a s ) 半导体合金物性的第一性原理研究 1 2g a i n n a s 材料的介绍 1 2 1g a i n n a s 材料的发展 g a i n n a s 材料是在g a n a s 材料的基础上发展起来的新型四元半导体合金材 料。它可以在g a a s 衬底上一次外延生长出长波长v c s e l ( 垂直腔面发射激光器) ， 成为制作适应1 3 0 1 5 5l am 通讯窗口的半导体激光器的理想材料。 1 9 9 6 年，日本的日立公司首先提出了g a l n n a s 量子阱异质结构材料，并于 1 9 9 7 年制成了室温连续工作的1 。3 0um 的g a i n n a s 单量子阱激光器1 ，特征温度 ( t 。) 高达1 2 6 k ，其结构如图i - 2 所示。中科院半导体所是国内最早开展g a l n n a s 材料生长以及器件制作研究的单位。2 0 0 5 年，该所报道了中国第一只1 3 0um 单量子阱边发射激光器h 3 ，其阈值电流密度为i k a c m z ，输出功率为3 0 m w 。 p t | b 童鞠赫 图卜2g a l n n a s 激光器结构示意图 g a l n n a s 材料的出现解决了传统g a i n a s p 材料中的热特性不好需额外冷却 装置、长波长v c s e l ( 垂直腔面发射激光器) 中d b r 制备困难、i n p 基材料价格昂 贵等缺点。而且，同传统的i n p 基的g a i n a s p 材料系列相比，g a a s 基的g a i n n a s 材料还具有以下几点明显的优势：( 1 ) g a l n n a s 的晶格常数和g a a s 基片向匹配， 其晶格常数在很大范围内可以进行调整，可以在g a a s 衬底上生长，从而可以结 合成熟的a i g a a s g a a sb r a g g 反射镜生长垂直腔表面发射激光器，制备出高质 3 ( g a ，i n ) ( n ，a s ) 半导体合金物性的第一性原理研究 量的v c s e l 。而传统的i n p 基的g a l n a s p 材料只能和a i g a a s g a a sb r a g g 反射 镜粘合。和g a a s 基片匹配所带来的另外一个优点是可以把光电器件和成熟的 g a a s 高速集成电路集成在一块片子上，从而极大地提高了系统的集成度和稳定 性，降低了制造成本。( 2 ) 由于n 的掺人，g a l n n a s g a a s 具有很大的能带弯曲 系数，使得发光波段可以满足通讯要求。而且它的导带带阶大于g a l n a s p i n p ， 大带阶能增强对电子的约束作用，使得材料的a e 很大，从而提高以g a i n n a s g a a s 为基的激光二极管的温度特性。 g a l n n a s 材料制备工艺的发展成熟，将推动长波长v c s e l 的商品化和产业化， 并可能在将来全面取代传统的i n p 基长波长半导体激光器，成为光纤通信、互联 网和光信号处理等的关键元件。 1 2 2g a i n n a s 材料的基本性质 在传统i i i v 半导体g a a s 和i n p 中，一般情形下的掺杂会引起带隙减少， 晶格常数增大；而在其中掺杂n 时，在带隙减少的同时晶格常数不但不减少反而 会增大。图i - 3 展示了i i i - v 族半导体合金中晶格常数与带隙之间的关系啼1 。可 以看出，在g a a s 中加入n 原子与加入i n 原子的作用是不同的，加入i n 原子会 引起合金带隙减小晶格常数增加，而加入n 原子则会使合金晶格常数和带隙同时 都减少。这样，如果在g a a s 中同时引入i n 原子和n 原子，则可通过调节组分关 系，得到带隙减小晶格常数变化合符要求的长波长禁带宽且低应变的材料。 图1 - 3i i i - v 族半导体合金中晶格常数与带隙之间的关系 g a l n n a s 材料中晶格常数与带隙的异常关系，其实质源于n 和a s 在原子大小和 4 一o一6joc叫口m16口c西 g a ，i n ) ( n a s ) 半导体台金物性的第一性原理研究 电负性上的巨大差异。n 原子的半径为0 0 7 n m ，而a s 原子的半径为0 1 2 4 a m ；n 的 电负性为3 ，而p ，a s ，s b 等的电负性值范围是l3 1 l6 4 。众多的研究发现，每 增加1 的n ，造成的带隙减少在l o o m e y 以上。以至于当加入的n 含量足够高时，人 们认为g a l n n a s 材料将由半导体性向半金属性过渡。生长得到的g a i n n h s g a a s 量子阱结构，其波长覆盖的范围将从09 um 直至1 几um 。 然而，n 引入使得发光波长有红移的同时，对材料的发光特性也产生一定的 影响。其主要表现在：( 1 ) n 原子引人的成分的不均匀所带来的带尾会强烈影响其 发光性能，尤其是低温下的激子性能；( 2 ) n 能减小光跃迁矩阵元，从而恶化发光 性能。一般认为n 能级与导带的r 能级会互相排斥，从而造成带隙下降及晶体缺陷。 g a l n n a s 中i n 原子的加入，可以减少应变与晶格缺陷，使得g a l n n a s 与g a a s 晶格匹配成为可能。从图1 3 可以看出，g a n 与g o a s 晶格常数的差别很大。如果将 g a a s n 直接生长在g a a s 衬底上，会产生很大应变，而i n 成分的增加可以进行有效 的调节。同时，d u b o z 等人的研究认为，i n 原子减少了n 原子造成的带隙红移。 图卜4 展示了n 造成的相对红移与i n 含量的理论关系。可以看出，同组分的g a i n a s 中n 掺杂含量越高，相对带隙红移越大；而n 组分一致时，i n 含量越高相对带隙红 移反而越小。 一 0 h 毫 ” - a2 5 o 05 l52 n c o n t o n t 件j 图卜4g a i i i n a s 相对于g a i n a s 的带隙红移与组分之间的芙系 对于半导体激光器的有源区材料，要求它在和其他高带隙材料混和时，要形 成有足够高的势垒来实现对电子和空穴的有效限制。而由于空穴有效质量要比电 子大，导带电子比空穴更容易溢出，因此主要还是希望导带有足够高的电子势垒， 这样可以实现对电子溢出的有效限制。 m m t暮芒；、p。；詈口暑4m ( g a ，i n ) ( n ，a s ) 半导体合金物性的第一性原理研究 g a l n n a s g a a s 量子阱有着很好的电子限制能力。图卜5 为g a l n n a s g a a s 量子 阱的能带示意图1 。可以看出，g a l n n a s 材料的量子阱在导带处形成的势垒要比 g a l n a s p 材料高得多，在组分相同的情况下，g a l n n a s 的导带带阶要l l g a l n a s p 的 高l o o m e v 以上。因此在实际的器件应用中会形成对载流子更好的限制。高温工作 时减少了电子的溢出，减少了漏电流，进而提高了器件的特征温度，从而解决了 传统g a l n a s p i n p 基材料温度特性不好，需要额外冷却装置的问题。 e v g 7 h t 。，n 矗 朔。 毒w e y 。f 手v 图1 - 5g a l n n a s g a a s 量子阱的能带示意图 图1 - 6 展示了i n 含量为0 3 时，g a l n n a s 中电子有效质量与n 组分之间的关系 盯1 。空心正方形为相应的实验值。图中n 含量为1 时，电子有效质量几乎是不含n 时的1 5 倍。即当n 组分升高时，g a l n n h s 的电子有效质量远远大于i n 含量相同的 g a l n a s 材料，这是由于n 原子能级与导带r 能级互相排斥，使得导带的电子有效质 量因此增加，几乎可以达到a i g a l n a s 的1 6 倍。有效质量的增加，使得电子在有 源层中的移动率减小，造成g a l n n a s 的透明载流子( t r a n s p a r e n c yc a r r i e r d e n s i t y ) 较高，这是一项不利的因素。由态密度( d e n s i t yo fs t a t e s ) 的公式中 可得知，电子有效质量越大，导带的态密度便越高，使得在g a l n n a s 材料中，导 带与价带的态密度较为匹配，因此电子易于垂直跃迁发光，不需经过动量的改变， 也就是增益随着输入载子的变化较敏感，微分增益( d g d n ) 较高，在信号传输上 可以有高速的调变率，这项特性让g a l n n a s 比其它材料更适合用于未来的高速网 络传输。 6 ( g a ，i n ) ( n ，a s ) ? 卜导体合金物性的第一性原理研究 黪 蔷 肇 波长t t t l l 图1 - 7g a l n n a s 的折射率图 对于半导体激光器的有源区材料，从光限制的角度讲，要求其有足够高的折 射率，和垒层形成足够大的折射率台阶，实现对光场有效的限制。与常见的i i i v 族化合物半导体材料一样，g a l n n a s 材料的折射率随着带隙的减小而增大。 g a l n n a s 和g a i n a s 材料的折射率和波长的关系如图卜7 所示。由图可见g a l n n a s 材 料的折射率要l l g a i n a s 的大，同时随着n 组分的增加和带隙的减小，其折射率也 在增大。这表明，从限制光角度考虑，g a l n n a s 材料也是一种十分理想的半导体 激光器的有源区材料船】。 1 2 3g a i n n a s 材料微结构的研究现状 g a 。i n ，n y a s 。一，合金中，由于存在四种不同i i i v 族元素的组合，其微结 构是十分复杂的。理想模型中，考虑各元素随机均匀分布在相应主族的格点位置。 合金的物理参量，可以根据线性组合，依据费加德( v a g a r d ) 定律得到。 7 一譬一x擎母co a憾可c彤 气l_o一谤皤毋p=o，莓廿ej罄co-_硌$一 ( g a ，i n ) ( n ，a s ) 半导体台金物性的第一性原理研究 然而，n 的引入首先在能带结构上破坏了类似g a i n ，a s 原有的线性规律。 而且作为四元体系，n 也增加各二元化台键分布的不确定性。与g a i na s ，# ，四 元合金相比，其微结构在不同生氏条件和退火处理下，有着显著的不同。 k u r t z 等人。3 在使用傅立叶红外光谱( f t i r ) 研究低n 组分g a i n n a s 的结构叶，发 现退火后除了对应于一血。函。团蔟r p c an 键的4 7 0 c m 。特征峰之外，还存在分别 对应于_ v 一n ，g a ，团蔟中6 a n 键和i nn 键的4 8 8 c m - 1 和4 5 7 c m l 特征峰。如图卜8 ( c ) 中所示，样品为直接生长得到的以及退火后的1 0um 厚伪 如。凹v n 2 一s o 嘲合 盒，图卜8 ( a ) 和图卜8 ( b ) 展示了退火导致的微结构变化。前者为退火前红外 光谱预测的结构，而后者为退火后预测的结构。可以证实，退火使得i n n 键的数 目犬大增加。 几乎同时k l a r 等人o ”研究了退火前后g a n a s g a a s ，g a i n a s g a a s 及 g a 。i n 。n ，a s 。g a a s 量子阱的光调制反射( p r ) 光谱。结果发现，如图卜9 所示， 两种三元合金量子阱退火前后的p r 峰基本没有变化。而对于含n 四元台金量子阱， 退火后出现了p r 峰的显著蓝移。同样，光敛荧光( p l ) 光谱研究也发现，如图卜1 0 所示随着温度的升高，四元合金的带隙蓝移越发明显。在退火温度小于6 0 0 时， 峰蓝移不大。退火温度大于7 0 0 时，蓝移可达至u 7 0 m e v 。退火导致了n 近邻原子环 境的变化，使得n 周围的g a 原子数变少，即i nn 键的数目大量增加。 凹卜8 ( a ) 为孤立的n 自l i n 原于模型；( b ) 为n 虽近邻有一个i n 原子模型，( c ) 为g a l n n a s 退火前 后的f i r 吸收光谱 ( g a ，i n ) ( n ，a s ) 半导体合金物性的第一性原理研究 e 舱r 9 y 【e 、，l a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e 【。c 】 图i - 9 直接生长以及6 2 5 下不稳图1 - 1 0 ( a ) 为不稳定退火后的蓝移； 定时不同量子阱的p r 光谱( b ) 退火温度与蓝移的关系 l o r d i 等人1 使用近边x 射线表细结构谱( n e x a f s ) 研究了退火前后g a l n n a s 体系最近邻的n - i n 键分布，发现对于无应变( u n s t r a i n e d ) 和应变( s t r a i n e d ) 结构，退火前以及退火后，n 最近邻i n 原子数目均基本一致。如图i - i1 所示，对 于只含一个n 原子的单胞，退火后平均i n - n 键数目在合金层无应变( u n s t r a i n e d ) 时约为2 2 ，而有应变( s t r a i n e d ) 时为2 o z _ 右。退火前后两种结构对应的i n n 键数目基本一致，退火使得i n n 键大大增加。所以，应变的存在对生长过程中键 的分布影响不大。 差喜 己t ， 錾 图卜l l 应变对退火前后g a i n n a s 材料中i n n 键分布的影响 9 【，、砸屯u o ul葛。霉鬲笛拦再箬毒o互 ( g a ，i n ) ( n ，a s ) 半导体合金物性的第一性原理研究 1 3g a l n n 材料的介绍