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锑化物激光器、探测器m b e 生长与物理研究 唐田( 微电子学与固体电子学) 指导老师：张永刚 摘要 本论文针对2 p m 波段i n g a a s s b a l g a a s s b 多量子阱激光器和i n g a a s s bp i n 探 测器的特性和存在的问题，对激光器和探测器的材料物理、m b e 生长和工艺优化进 行了系统的研究，取得了如下结果： 计算了2 p r o 波段i n g a a s s b a 1 g a a s s b 应变多量子阱激光器的增益谱，系统研究了 应变、阱宽对增益谱的影响，得出提高应变或减小阱宽能提高激光器增益的结论。 对2 9 i n 波段i n g a a s s b a i g a a s s b 激光器的波导层进行了研究，应用传递矩阵法在 有效折射率框架下计算了平板波导的光限制因子，进行t 3 n 宽波导优化设计，得出厚度 为o 3 0 5 9 i n 的加宽波导层是较合适的结论。 根据有效质量框架下一维有限单阱k r o n i g p e n e y 模型，进行了 i n g a a s s b a 1 g a a s s b 量子阱激光器的子带跃迁设计。其计算结果能够反映多量子阱及 应变情况下各参数的变化趋势。以上计算分析表明，在采用单个a s 和s b 束源条件 下的i n 。g a l 一x a s o 0 2 s b o9 9 a 1 0 2 g a o8 a s o0 2 s b o9 8 量子阱连续生长方案是可以满足2 3um 波段激光器的需要的，但在激射波长较长时对材料的组份和应变控制要求也是十分苛 刻的。 采用固态源m b e 设备，研究分析了单层a 1 0 a a s s b 和i n g a a s s b 材料分子束外 延的生长参数及工艺技术。实验结果表明良好的衬底表面处理和适当生长温度是制备 高质量外延材料的首要条件。对于a 1 g a a s s b 材料，通过控制a s 和s b 元素的含量， 可以调节a 1 g a a s s b 与衬底的应变从正失配到负失配连续交化，并且保证材料的良好 质量。我们通过对生长条件的渐变，已成功制备出高质量的a 1 g a a s s b 梯度材料，其 a 1 组分从0 2 渐变到0 4 。 我们对材料掺杂特性进行了研究，a 1 g a a s s b 的n 型掺杂浓度达可以达到6 x 1 0 1 7 c m 一，p 型掺杂的a 1 g a a s s b 材料的空穴浓度可以达到2 1 0 1 8 c m 一。用轻掺t e 补偿p 型本底的方法实现了i n g a a s s b 载流子浓度的降低，其n 型载流子浓度达到3 1 0 1 6 c m 一。 基于以上的研究，我们生长了不同的量子阱材料，并对材料特性进行了测试分析。 结果表明，多量子阱材料与单阱材料相比，其有源区厚度较大，具有较高的载流子密 度，且光学限制因子也较高，所以其发光性能更好。多量子阱材料光致发光强度可以 比单阱高数倍，因此在较低的激发功率及较高的温度下都有较好的发光特性。 我们制各的i n o 1 5 g 8 08 5 a s o 0 2 s b o9 8 a 1 02 g a o8 a s o0 2 s b o9 8 多量子阱材料，阱厚为 1 0 埘m 阱数目为3 个，势垒厚度为1 5 r i m ，材料的室温发光波长在2 uj i 】附近，光致 发光性能良好。 采用我们生长的材料，制各出的脊波导激光器已实现了室温连续工作，最高脉冲 激射温度达9 0 。c ；i n g a a s s b a 1 g a a s s bp i n 探测器的反向击穿电压及暗电流等都比 以前有很大改善。 关键词：分子束外延；多量子阱；锑化物；激光器；探测器 s t u d yo nm b eg r o w t ha n dp h y s j o so fa n t i m o n i d el a s e ra n d d e t e c t o rm a t e r j a ls t a n g t i a n ( m i c r o e l e c tr o a i c sa n ds o l i d - s t a t e e l e c t t o n i cs ) d i l e c t e db y ：z h a n g y o n g g a n g a b s l j t a c i a i m i n ga tt h eo p t i m i z a t i o no fa l g a a s s b i n g a a s s bm u l t i p l e - q u a n t u m w e l l ( m q w ) l a s e r sa n dd e t e c t o r so p e r a t i n ga t2 9 m w a v e l e n g t hb r o a d ，t h em o l e c u l a r - b e a m - e p i t a x y ( m b e ) g r o w t ha n dp h y s i c so ft h ea n t i m o n i d em a t e r i a l sh a v eb e e ns t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e m a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： t h eg a i ns p e c t r ao f2 9 mw a v e l e n g t hb a n di n g a a s s b a 1 g a a s s bs t r a i n e dm q wh a v e b e e nc a l c u l a t e d ，w ea l s or e s e a r c h e dt h ee f f e c t so f s t r a i na n dt h ew e l lw i d t ho i 1t h eg a i ns p e c t r a r e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e lg a i no ft h el a s e r sc a nb ei m p r o v e db yi n c r e a s i n gs t r a i n o r d e c r e a s i n gt h ew e l lw i d t h t h eo p t i c a lc o n f i n e m e n tf a c t o ro ft h ew a v e g u i d el a y e ri nt h ea n t i m o n i d el a s e r sh a s b e e nc a l c u l a t e db yu s i n gt r a n s f e rm a t r i xm e t h o di ne f f e c t i v er e f r a c t i v ei n d e xf r a m e r e s u l t s s h o wt h a t w a v e g u i d e t h i c k n e s so f 0 3 0 5 9 m i s p r o p e r f o r 2 9 i nw a v e l e n g t h i n g a a s s b ，a l g a a s s bl a s e r s t h es u b b a n dt r a n s i t i o no fi n x g a - x a s 0 0 2 s b o9 8 a 1 0 2 g a 0s a s o o a s b o 9 8q u a n t u mw e l l l a s e rs t r u c t u r eh a sb e e ni n v e s t i g a t e db yu s i n gk r o n i g p e 衄ym o d e lu n d e re f f e c t i v em a s s f r a m e t h er e s u l t ss h o wt h a ti n g a a s s b a l g a a s s bi sas u i t a b l em a t e r i a ls y s t e mf o r2 - 3 9 i n q u a n t u mw e l ll a s e r s h o w e v e r , t h es e l e c t i o no fs u i t a b l ec o m p o s i t i o na n dt h ec o n t r o lo f t o t a ls t r a i na r ea l lv e r yc r i t i c a lb o t hi nt h es t r u c t u r ed e s i g na n di nm b e g r o w t h b a s e do n a b o v es i m u l a t i o n s ，t h ed e s i g no f t h el a s e r sh a sb e e no p t i m i z e d h i g hq u a l i t ya 1 g a a s s ba n di n g a a s s bm a t e r i a l sh a v eb e e ng r o w nb yu s i n gs o l i d s o u r c em b es y s t e mo ng a s bs u b s t r a t e t h er e s e a r c hs h o w st h a ta p p r o p r i a t es u b s t r a t e t e m p e r a t u r ea n dg o o ds u r f a c et r e a t m e n tp r o c e s sa r em o s ti m p o r t a n tt om a t e r i a l sg r o w t h t h es t r a i n i na 1 g a a s s bc a nb ec h a n g e df r o mc o m p r e s s i v et ot e n s i l eb ya d j u s t i n gt h ea s c o m p o s i t i o n h i g hq u a l i t yc o m p o s i t i o ng r a d e da i g a a s s bm a t e r i a l sh a v eb e e ng r o w nb y 1 i i s o l i ds o u r c em b e ，a n di t sc o m p o s i t i o ni sc h a n g e df r o m0 2t o0 4g r a d u a l l y t h ed o p i n go ft h em a t e r i a l sh a sb e e ns t u d i e d t h ent y p ec o n c e n t r a t i o ni na 1 0 a a s s b c a nb ed o p e dt oa b o u t6 1 0 17 c m 。，w h e r e a spt y p ec o n c e n t r a t i o nc a l lb ed o p e dt oa b o u t2 10 18 c m 3 t ed o p i n gw a su s e di ni n g a a s s bm a t e r i a l st oc o m p e n s a t et h eh i g h e rh o l e b a c k g r o u n d a n de l e c t r o nc o n c e n t r a t i o nc a nb ec o n t r o l l e dt ont y p eo f a b o u t3 10 1 6 c m 七， t h ep h o t o l m n i n e s c e n c e ( p l ) m e a s u r e m e n t ss h o wt h a tm u l t i p l eq u a m u r n - w e l l ( m q w ) m a t e r i a l sh a v eb e t t e ri u o r e s c e n c ei n t e n s i t yb e c a u s et h et h i c k e ra c t i v ez o n ea n dh i g h e r c a r r i e rd e n s i t ya sw e l la sb e t t e ro p t i c a lc o n f i n e m e n t ，s om q wm a t e r i a l sc a no p e r a t eu n d e r h i g h e rt e m p e r a t u r ea n dl o w e rd r i v i n gp o w e r i n 01 5 g a o 8 5 a s 00 2 s b o9 8 a l o2 0 a o8 a s o0 2 s b o9 8 3 q wm a t e r i a l sh a v eb e e ng r o w nb ym b ew i t hw e l lt h i c k n e s so f10 r i m a n db a r r i e r t h i c k n e s so f15 n m t h em a t e r i a l ss h o we x c e l l e n tp la t2n mw a v e l e n g t hb a n d r i d g ew a v e g u i d ei n o a a s s b a 1 g a a s s bm q w l a s e r sa n dd e t e c t o r su s i n gt h em b e m a t e r i a l sh a v eb e e nf a b r i c a t e d t h el a s e r sc a nb eo p e r a t e di nc o n t i n u ew a v em o d ea tr o o m t e m p e r a t u r e a n dt h eh i g h e s tp u l s eo p e r a t i o nt e m p e r a t u r e i sa b o v e9 0 。c t h ei - v c h a r a c t e r i s t i c sa n dd a r kc u r r e n to ft h ei n g a a s s b a 1 g a a s s bp i nd e t e c t o r sh a v eb e e n i m p r o v e de v i d e n t l y k e y w o r d s ：m o l e c u l a r b e a me p i t a x y ( m b e ) ；m u l t i p l e q u a n t u m w e l l ( m q w ) a n t i m o n i d e ；l a s e r s ；d e t e c t o r l v 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 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示t n 意。 研究生签名：瘥翌导师签名：l 鱼2 日期：之堕生 o 8 时，不存在不互溶隙，但是i n 组分x 0 8 ，a s 的组分o 2 y 0 9 时，材料进入不互溶隙。由于不互溶隙材料是热力学平衡下不稳定的合金系统，容易 发生分解，将会严重降低材料质量，影响激光器的性能。在l n g a a s s b 四元材料的生 长中，虽然在i n 组分较高的情况下，需要通过提高a s 的组分来降低材料和衬底的失 配，以减少缺陷的产生，但是a s 组分的提高有一定的限制。i n g a a s s b 中i n 组分在 o 5 0 8 时，a s 的组分由于限制也只能提高到0 2 左右。2 0 0 4 年德国的慕尼黑工业大 学的林春和a m n a n 等研制的i n o5 5 g a o4 s a s o 2 3 s b o7 7 a 1 03 g a o7 a s o0 2 s b o9 8 激光器川，量 子阱约有2 的压应变，应变较大，其2 0 下脉冲激射波长为3 1 6u m ，输出功率可 达到5 r o w ，激射模式为单模。该激光器材料就是由于考虑到不互溶隙的影响，没有 继续提高a s 的组分，以减少和衬底的失配。随着i n 组分从o 5 增加到o 8 ，a s 的组 中国科学腕上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 锑化物激光器、探测器m b e 生长与物理研冗 分最高也只能保持在0 2 左右，所以i n g a a s s b 和衬底的失配越来越大，晶格缺陷也 越来越多，会对激光器性能有一定的影响。其后，该研究小组又研制出3 2 3 5 u m 锑 化物激光器，其3 2 3 r 3 u m 均在可在室温下脉冲激射【5 2 。 图2 1 0t o u r n i e 理论计算得到的i n g a a s s b 不互溶隙 考虑到以上因索，对于3 - 5 1 t m 波段激光器，i n g a a s s b a 1 g a a s s b 材料体系组分 的变化有一定的限制，对提高激光器的性能有一定的不利影响。 为了制各出更长波段的高性能激光器，人们开始考虑新的激光器结构。对于锑化 物材料，其能带结构有其一定的特殊性，如图2 1 1 所示。随着材料组分的不同，i n 、 a 1 、g a 、a s 、s b 等组分组成的三元系、四元系材料其能带结构可从第一类结构转化 为第二类破隙型( b r o k e ng a p ) 结构。这种能带结构的特殊性给激光器的设计增加了新 的自由度，从而可以通过改变材料组分，改善激光器的性能。 1 9 9 5 年h k c h o i 采用i n a s s b i n a l a s s b 为有源区成功制备激射波长为3 9 “m 的 破隙型激光器，激光器可以在低温下连续工作。2 0 0 1 年法国m o n t e p e l l i e ri i 大学制备 了以i n a s s b i n a s 量子阱为有源层的激光器，其激射波长达到3 5 u m ，但是只能在2 0 0 k 下脉冲工作。 6 a s b a l s b 图2 1 l 部分i i i v 族化合物能带示意图 中固科学院上海微系统与信息技术研究所博士学住论文 第= 章文献综述 2 5 量子级联激光器 对于i i i - v 族化合物异质结和量子阱p - n 结激光器，其材料激射波长由于受材料 禁带宽度的限制有一定的局限，对于更长波段，例如8 - 2 0 x m 的远红外波段就无法达 到。自然界适合这一波段的半导体材料是p b 的化合物，但是其制备的激光器性能较 差，只能在低温下工作，输出功率也非常小( uw ) 。 1 9 7 1 年，k a z a r i n o v 首先提出了量子级联激光器的设想 5 3 1 。其工作原理是当超晶 格的势垒较厚的时候，第一个势阱中的基态电子通过隧穿效应到达下一个势阱的第二 激发态，而第二个阱中的第一激发态电子通过非辐射复合跃迁到同阱的基态，这样在 该阱的第二激发态与第一激发态之间就形成了粒子数反转，从而出现受激发射，发射 光的波长由第二激发态与第一激发态之间的能级差决定。由于此能量差与只与量子限 制效应有关，所以激光器的波长可以达到1 0 2 p m 数量级。另外由于电子在导带子能 级台阶上一级一级的跃迁，而且每次跃迁都发出一个光子，所以在这种量子级联激光 器中，注入一个电子可以产生数个光子，其量子效率比传统的半导体激光器有极大的 提高。 1 9 9 4 年，的f a s i t 等人第一次用m b e 成功制备了量子级联激光器( q u a n t u m c a s c a d el a s e r ) s 4 1 。该激光器的材料体系是与i n p 衬底匹配的 i n o5 3 g a o4 7 a s i n o5 2 a l o4 s a s 材料体系，材料激射波长为4 2 6 f x m ，在1 0 k 下工作。图2 1 2 为该量子级联激光器中工作层能带和波函数的示意图。1 9 9 5 年，b e l l 实验室又提出 了采用垂直跃迁模式的三阱耦台有源区的量子级联激光器，并可在室温下脉冲工作， 从此，大多数科学家都采用垂直跃迁方式设计量子级联激光器【5 ”。 根据构成量子级联激光器的超晶格能带结构的不同，可以分为第一类量子级联激 光器和第二类量子级联激光器。美国的j r m e y e r 和r o y a n g 认为第一类量子级联 激光器因为子带间跃迁的工作机制而导致了低的辐射效率和高泄漏，从而引起阈值电 流增加，所以他们开始了第二类量子级联激光器的研究1 5 “。1 9 9 6 年，美国海军实验 室研制出的第二类i n a s o a l n a s a 1 s b 量子级联激光器1 5 ”，工作温度达到2 8 5 k ，激射波 长为4 1 p m ，并将波长不断向前椎讲。 图2 1 2 量子级联激光器能带和波函数的示意图 随着研究的不断进行，量子级联激光器的性能不断提高。2 0 0 3 年，r q y m a g 研 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 4 锑化物激光器、探测器m b e 生长与物理研究 制出第二类的i n a s a 1 s b g a o7 i n o3 s b 量子级联激光器【5 “，激射波长为4 1 n n ，在1 4 5 k 温度下可以连续工作，阈值电流密度显著减小到9 刖c m 2 ，在8 0 k 时最大输出功率可达 到1 0 0 m w 。2 0 0 4 年，r q y 抽矿州在g a a s 衬底上制备出在3 0 0 k 温度下，可以脉冲 激射的量子级联激光器，波长为4 1 p a n 。2 0 0 5 年，q y a n g ，制备出g a i n a s a l a s s b 量子级联激光器【6 0 ，最高的脉冲激射温度达到4 0 0 k ，激射波长为4 5 p m ，在3 0 0 k 温度下，最大输出功率可达到7 5 0 m w 4 0 0 k 温度下输出功率也有3 0 m w ，特征温度为 1 7 1 k ；其研究小组同时制备出了g a i n a s a 1 g a a s s b 量子级联激光器，在3 0 0 k 下激 射波长为4 9 p m ，最高脉冲激射温度超过4 0 0 k ，特征温度为1 6 9 k 【6 “。同年，中科院 上海微系统与信息技术研究所的李爱珍【62 j 研究小组采用气态源m b e 设备制备出 g a o4 7 i n o5 3 a s a 1 0 4 8 i n o5 2 a s 材料体系的5 - 9 9 岬f p 型多模q c l 和单模分布反馈量子 级联激光器，其中d f bq c l 在7 0 k 的时候阈值电流为5 7 4 a c m 2 ，输出功率达到 5 0 r o w 。这些研究的进展，为量子级联激光器向实用化迈进，打下了坚实的基础。 2 6h a g a a s s b 探测器 2 - 5 岫波段是很重要的大气窗口，因此工作于该波段的探测器将在各个方面有着 广泛的应用。在军事上，可以用于红外成像、雷达探测等方面；在民用上，可用于污 染监控、气体分子检测等。根据前文可知，i n g a a s s b 四元材料通过改变组分，其波 长可以覆盖2 5 p m 波段，是制备中红外探测器的理想材料，而且用i n g a a s s b 材料制 各的该波段p i n 探测器可以有较高的工作性能【6 3 ，“】，所以我们希望可以制备出高性 能的i n g a a s s b 探测器，并向实用化发展。 红外光电探测器利用光电效应，通过吸收光子能量把价带电子激发到导带，实现 光电转换，输出的电信号的大小于吸收的光子数有关。常用的i n g a a s s b 探测器有两 种类型：一种是采用半导体材料制成p n 结，形成势垒区，红外光激发的电子和空穴 在p n 结势垒区被分开，积累在势垒两边，形成光生电动势，所以这种探测器也被称 为光电二极管；另外一种是量子阱探测器，将两种半导体材料交替生长形成超晶格， 电子和空穴被限制在能量较低的势阱内，而且由于量子限制效应，能量呈现量子化， 利用量子阱中不同能级电子跃迁进行探测。 i n g a a s s b 是窄禁带i i i v 族化合物半导体材料，具有较高的表面态和表面复合速 度，导致探测器的反向漏电流较大，限制了探测器的光电性能，也限制了探测器向实 用化发展。1 9 9 7 年美国m i t 林肯实验室的c h o i 在研究i n g a a s s b 热光伏器件时提出 了采用宽禁带a 1 g a a s s b 窗臼可以有效降低表面复合电流【6 ”，之后该方法也被应用于 i n g a a s s bp i n 探测器【6 ，实验发现可以显著改善探测器的反向特性，但器件的峰值 探测率并没有显著的提高。所以，科学家们的方向主要在于如何改善i n g a a s s bp i n 探测器的反向特性，提高探测率，以提高器件的光电性能。 i n g a a s s b 的传统生长方法是液相外延和金属有机化合物气相沉积( m o c v d ) 。 1 9 9 8 年美国a s t r o p o w e r 公司的s h e l l e n b a r g e r t ”j 等人用l p e 方法生长了采用a 1 g a a s s b 窗口的i n g a a s s b 探测器结构，截止波长为2 2 1 a m ，但是探测率比理论计算值 5 x 1 0 1 0 c m h z i 2 w 要低很多。2 0 0 0 年，俄罗斯的i o f f e 实验室也报导了l p e 生长的 2 4 2 5 5 r m ai n g a a s s b 探测器，但是性能也不理想。中国科学院上海微系统与信息技 术研究所( 原冶金所) 自“七五”以来长期从事m b e i n g a a s s b 材料和探测器的研究， 在“八五”期间，用m b e 材料做出1 6 元线列i n g a a s s bp i n 探测器，峰值探测率为 2 1 0 9 c m h z w ，无盲元，但其响应度有待改善。“九五”期间，上海冶金研究所研 制的i n g a a s s bp i n 单元和阵列室温探铡器已在地物光谱仪、热电测量等近1 0 个单位 进行实用化研究。 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 第：章文献综述 为了能够提高探测器的性能，人们设计出新的a p d 探测器结构，其基本工作原 理是在光电探测器的两端加上反向偏压，导致p - n 结内的电场随之增高，光生载流 子漂移速度加快，当电场增加到一定值时，有高能量的高速载流子从晶格中碰撞出二 次电子，二次电子又通过连锁反应碰撞出更多的电子，这种现象称为碰撞电离，导致 载流子雪崩式的猛增，所以输出的光电流相应地增大。由于内部存在这种电流增益效 果，其量子效率和探测率d 4 抽一般比p i n 探测器要高，但随之而来噪声影响也更大， 限制了灵敏度的进一步提高。在此基础上，人们又研制了一些改进型的器件，如达通 型a p d 和s a m ( s e p a r a t ea b s o r p t i o na n dm u l t i p l i c a t i o n ) a p d ，噪声和暗电流都有所减 小。 图2 1 3 ( a ) ( b ) 两图给出了l n g a a s s bp i n 探测器和s a m a p d 探测器的结构示意 图。对于p i n 探测器，光生载流子主要在非故意掺杂的i 区产生，然后经过内部电场 加速，漂移到两端的电极，形成光电流。相对于p n 结探测器，p i n 探测器有宽度较 大的非掺杂区，入射光能可激发出更多的载流子，有效地提高了器件的探测率。i 区 非故意掺杂，浓度很低，全部耗尽，光生载流子在整个i 区都有加速电场，器件的响 应速度也有所提高。p i n 探测器具有很宽的耗尽层，使结电容减小，有利于低频效应。 对于p i n 探测器，有源区i n g a a s s b 非故意掺杂层的本底浓度是影响探测器性能的重 要因素，本底浓度越低，器件的噪声越小，探测率越高。目前采用m b e 生长i n g a a s s b 非故意掺杂层的本底浓度一般在1 0 1 6 c m 。量级。 对于s a m a p d 探测器，光子吸收发生在窄禁带的i n o a a s s b 层，在经过电子数 量的增加之后，光生载流子被电场扫入宽禁带的a i g a a s s b 层，再流向电极成为光电 流。在这种结构中，雪崩区和分离电场区是分开的，经过了雪崩增益的暗电流可以被 有效减小，器件的噪声得到抑制。 ( a ) 中国科学院上海徽系统与信息技术研究所博士学位论文 1 6 锑化物激光器、探测器m b e 生长与物理研究 b 图2 1 3i n g a a s s b 探测器的结构剖面示意图，( a ) ：p i n 结构( b ) ：s a m a p d 结构 i n g a a s s b 探测器的 综上所述，i n g a a s s b 探测器在各个方面有着良好的应用前景，经过改进，其性 能也不断得到优化，但是在实用化方面还需要进一步的研究。 2 7 中科院上海冶金研究所( 现微系统所) 的锑化物材料与器件的研究 中科院上海冶金研究所( 现微系统所) 于上世纪八十年代起开展i i i v 族锑化物 光电材料与器件的研究工作，首先采用l p e 方法进行了i n a s p s b i n a s 材料体系的的 研究【6 8 ，并研制出1 3 2 岬波段光电探测器，其室温峰值探测率大于4 1 0 9 c m h z “2 w ， 响应速度为1 2 n s 旧，其后又采用m b e 方法进行了i n g a a s s b g a s b 材料体系的研究 并研制出2 2 6 1 - t m 波段高性能探测器【6 3 。1 9 9 3 年研制出我国第一个脉冲工作的 1 9 2 0 衄l 的i n g a a s s b a i g a a s s b 多量子阱激光器，其后，于上世纪九十年代研制出 了室温脉冲工作的2 b t m 波段多量子阱激光器，脊波导型器件的脉冲激射温度大于 8 0 0 c 7 。】，并在锑化物材料体系的生长及其测量表征和物理分析、中红外波段光电器 件的测量表征系统建立及相关技术开发等方面都有了较深厚的积累f 7 卜7 。”，目前2 1 a m 波段多量子阱激光器在室温连续工作条件下已具有良好性能，并在优化器件性能及探 索其应用方面继续开展工作 2 8 小结 外延技术的进展和用它制成所要求的结构在现代半导体物理和器件的发展中起 了不可或缺的作用。m b e 技术的出现更是激发了科学家们的想象力，给他们提供了 设计一系列人工纳米材料和器件的手段。m b e 与通常在热力学平衡条件下的生长方 法不同，它主要由分子束和晶体表面反应动力学所控制，具有一系列显著的优点，尤 其表现在高纯单晶和超精细结构的生长中。随着m b e 设备结构设计的不断完善，对 材料生长的研究分析也更加准确和详细，使之成为在半导体材料和器件中广泛应用的 技术。 i i i v 族化合物作为广泛应用于高速微波器件和高效光学器件的新型半导体材 中国科学院上海檄系统与信息技术研究所博士学位论文 第= 章文献综述 料，在持续发展的量子工程能带裁剪理论和m b e 工艺技术推动下，其材料体系的生 长机理被更加详细准确的研究，为生长出高质量的木习料做好了基础，并且其生长特性 可以作为制备其他材料体系的参考。 锑化物材料以其独特的能带结构和生长特性，在中红外激光器、探测器、高速微 波器件等领域有着广阔的应用前景，已经引起各国科学家的广泛重视，成为2 5 9 m 中红外波段的理想有源器件。经过长时间的努力，锑化物量子阱激光器的激射波长超 过3 9 i n ，量子级联激光器的波长超过5 1 a m ；器件结构从异质结发展到多量子阱和量 子级联结构；阙值电流密度从1 0 5 a c m 2 量级降到1 0 a c m 2 量级；激射功率从m w 增 加到w 级，并且部分激光器可以在室温连续激射，量子效率和使用寿命也大大提高， 为向实用化打下了坚实的基础。 i n g a a s s b 红外探测器作为可以在室温下工作的探测器，虽然目前在反向漏电流 和探测率等方面的性能还不是很理想，但是随着新结构和工艺的出现，其性能不断的 提高，希望在将来可以得到广泛的应用。 随着锑化物激光器、探测器研究不断的进行，我们可以预测，在未来的几年中， 锑化物在2 - 5 9 m 波段有源器件领域的地位仍将稳固，而且其材料生长和器件工艺尚 未完全成熟，仍有相当大的发展空间。 本章总结了m b e 在材料生长中的特性、半导体激光器和探测器的国际国内进展， 对锑化物激光器、探测器的特点和存在的问题进行了分析，并提出了研究方向。 中国科学院上海微系统与信包技术研究所博士学位论文 18 锑化物激光器、探测器m b e 生长与物理研究 第三章2 mi n g a a s s b a 1 g a a s s b 多量子阱激光器设计与优化 3 1 引言 i n g a a s s b a 1 g a a s s b 是2 3 t m 波段多量子阱激光器的理想材料体系。2 l a i n 波段 i n g a a s s b a i g a a s s b 多量子阱激光器材料体系的能带结构是第一类量子阱结构，采 用禁带宽度相对较窄的i n g a a s s b 材料为势阱层，禁带宽度相对较大的a 1 g a a s s b 材 料为势垒层。 对于i n g a a s s b a 1 g a a s s b 多量子阱激光器，除了材料生长质量和器件工艺对器件 性能有影响之外，我们可以通过对该材料体系的结构进行优化来调节激光器的性能。 通过调节i n g a a s s b a i g a a s s b 多量子阱材料体系的组分、势阱( 垒) 层的应变、势 阱( 垒) 层的厚度等，可以对量子阱中的电子能级位置、能带结构、激射波长、光增 益等进行设计，改善激光器的性能，为激光器的设计和优化提供了更大的自由度。 在激光器的整体结构设计上，还需要考虑带阶对载流子泄漏的控制，自由载流子 的吸收，材料对光场的限制等，这些因素很大程度上影响着激光器的阈值电流密度和 发光强度，是控制激光器性能的重要条件。 本章从g a s b 基材料( i n g a a s s b 、a 1 g a a s s b ) 的基本性质着手，主要包括通过二元 系和三元系材料参数计算四元系材料的晶格常数、禁带宽度、折射率等，在此基础上 对i n g a a s s b a 1 g a a s s b 多量子j 的能带结构、光学限制进行理论分析和设计优化讨 论，优化激光器的结构和各层材料的组分、厚度、掺杂浓度等参数，为材料生长和器 件制各提供理论依据，为研制高性能的激光器打下基础。 3 2i i i v 族材料基本参数的计算 i i i 族元素( a 1 、g a 、i n ) 和v 族元素( p 、a s 、s b ) 组成的化合物半导体是光电子器件 的重要材料。i i i v 族元素组成的三元、四元化合物由于其组分更复杂，所以可进行 调节的因素也更多，带给我们更多的材料设计自由度。我们可在更广的范围对它们的 晶格常数、能带结构等作适当的调节，调整其与衬底间达到晶格匹配或者存在适当的 应变，得到更优性能的器件。这对半导体激光器、异质结双极晶体管、高电子迁移率 晶体管等异质结器件尤其重要。三元、四元化合物有更多的变化因素，所以与二元化 合物相比，其性质也要复杂得多，这可以从这些材料参数的试验数据的多样性和复杂 性得到反映。简单情况下，这些三元、四元化合物的部分参数例如晶格常数等遵守 v e g a r d s 法则【7 8 】，可以对二元化合物参数进行线性插值得到，但是另外有些参数例 如带隙能量等必须要在线性插值的结果上考虑一定弯曲系数【7 。i v 二元材料的基 本参数可参见表3 1 ”。 3 2 1a 1 g a a s s b 和i n g a a s s b 的晶格常数 i n g a a s s b 四元材料的晶格常数，可通过对i n s b 、g a s b 、i n a s 、g a a s 四种二元 合金的线性插值得到，对于a l g a a s s b 四元材料的晶格常数，可通过对a 1 s b 、g a s b 、 a l a s 、g a a s 四种二元合金的线性插值得到，具体计算公式如下：( a 表示晶格常数) ： a l n g 。= k 口。+ ( 1 一x ) “。 0 一_ y ) + b d 。+ ( 1 一x ) a g a a 。】y ( 3 2 1 ) a a i g 。= i x 4 。+ ( 1 一x ) n 】( 1 一y ) + b 口。+ ( 1 一x ) - 。，】y ( 3 2 - 2 ) 中国科学院上海微乐统与信息技术研究所博士学位论文 1 9 第三章2 1 1 mi n g a hs s b a i g a as s b 多量子阱激光器设计与优化 表3 1 部分锑化物和砷化物材料的基本参数 m a t e r i a l s 常用参数 a l a sa l s bg a a s g a s b i n a s 1 1 1 s b a o ( a ) 5 6 6 06 1 3 65 6 5 36 0 9 66 0 5 86 4 7 9 e g 。( e v ) 2 ，9 5 2 2 i1 4 2 40 7 2 6o 3 5 4 0 ，1 7 2 e g 。( e v ) 2 3 62 2 11 7 3o 7 61 0 70 9 3 e g x ( e v ) 2 1 61 6 11 9 11 0 51 3 71 6 3 a ( e v ) o 2 8o 6 50 3 4o 8 0o 3 80 8 + n l c 0 1 50 1 20 ，0 6 70 0 4 10 ，0 2 3o 0 1 4 _ m h h o 7 60 9 4o 5 00 4 00 4 00 4 3 m l h o 1 5 0 ，1 10 0 8 7o ，0 50 0 2 60 0 1 5 丫l 3 4 54 1 57 6 51 1 8 0 1 9 6 73 5 ，0 8 忱 0 6 81 ，0 l2 4 14 0 383 71 5 6 4 怕 1 2 91 7 53 2 85 _ 2 69 2 91 6 9 1 a c ( e v ) 一5 3 3 85 46 3 3 35 1 a v ( e v ) 2 72 22 72 22 52 1 b ( e v ) 1 51 3 51 73 31 82 0 d ( e v ) 4 54 34 5 54 83 65 o c l l 1 2 0 28 9 41 1 8 88 8 48 _ 3 36 6 7 ( t 0 d y n c m 2 ) c 1 2 5 74 4 35 3 84 0 34 5 33 6 5 ( 1 0 1 1 d y n c m 2 ) c 4 4 5 4 24 0 85 9 44 3 23 9 63 0 2 ( 1 0 1 1 d y n c l n 2 ) v a l e n c e 0 0 0o 7 60 4 81 1 60 6 51 0 8 b a n d p o s i t i o n ( e v ) s 1 0 0 61 2 0 41 3 11 4 41 5 1 51 7 7 当a 1 g a a s s b 与g a s b 衬底匹配时，a 1 、a s 的组分有如f 关系： v ： ! ：唑 ( 3 2 3 1 。0 4 4 3 + 0 0 3 3 x 当i n g a a s s b 与g a s b 衬底匹配时，i i l 、a s 的组分有如下关系： v ： ! ：塑堑 ( 3 2 4 1 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 锑化物激光器探测器m b e 生长与物理研究 从式中可计算出当a 1 组分x = i 时，只要a s 组分为y = o 0 8 时，a 1 g a a s s b 就可以 和g a s b 衬底匹配。而当i n 组分x = l 时，a s 组分含量要很大， y = 0 9 时i n g a a s s b 才可以