首先从理论上研究了在应变情况下量子阱中能级的计算，然后利用lP-MOCVd研究了IngAAS/InP组份的控制及生长条件，最后生长伸张应变为0.5%的四个量子阱IngAAS/InP结构材料，利用Pl光谱测量得最小阶宽为1.8nM。The energy levels of quantum well (QW) under diFFerential strain have been calculated,the composition and growth rate of InGaAs matched with InP have been studied by Low Pressure Metallorganic Chemical Vapour Deposition (LP-MOCVD).Four-QW InGaAs/InP with 0.5% tensile strain has been grown.The narrowest well width is 1.8 nm by PL spectroscopy measurement

刘宝林

刘式墉

杨树人

陈佰军

Xiamen University Institutional Repository

第 15卷 第 3期1 9 9 5年 8月固体电子学研究与进展R E S E AR CH 乙 P R OR G E S S OF S S EV ol.1 5,N o.3Ma y. ,1 9 9 5L P一M O C V D 生长伸张应变I n G a A s I/ n P 多量子阱的研究刘宝林`杨树人 陈佰军 刘式墉(吉林大学电子工程系、集成光电子学国家重点实验室,长春,1 3 0 0 2 3)* ( 厦门大学物理系,3 6 1 0 0 5 )19 9 4一 0 6一 0 1收稿,1 9 9 5一 0 4一 0 3收改稿提要 首先从理论上研究了在应变情况下量子阱中能级的计算,然后利用 L P一M O C V D 研究了 I n Ga A s I/ n P 组份的控制及生长条件,最后生长伸张应变为 0.5 %的四个量子阱 nI Ga A s I/ n P 结构材料,利用 P L 光谱测量得最小阱宽为1.8 n m。关键词:L P一M O C v D nI Ga A s/ ln P 伸张应变 量子阱中图分类号:0 4 7 1.4 T N 3 o 4·0 5 4T h e S t u d y o n M u l t i P l e Q u a n t u m We l l o f T e n s i l e-S t r a i n e d I n G a A s / I n P Gr o w n b y L P一M O C V DL i u B a o l i n’Y a n g S h u r e n C h e n B a i ju n L i u S h i y o n g(刀亡户t.of E le e t or.E n g i n e e r in g,J i l i n U n iv. ,C ha n g c h u n,1 3 0 0 2 3 )` ( P勺s ic D e P t.of X ia m e n U n i v. ,3 6 1 0 0 5 )A b s t r a e t : T h e e n e r g y l e v e l s o f q u a n t u m w e l l ( g W )u n d e r d i f f e r e n t i a l s t r a i nh a v e b e e n e a l e u l a t e d,t h e e o m p o s i t io n a n d g r o w t h r a t e o f I n G a A s ma t e h e d w i t h In Ph a v e b e e n s t u d i e d b y L o w P r e s s u r e M e t a l l o r g a n i e C h e m i e a l V a p o u r D e p o s i t i o n( L P一M O C V D ).F o u卜 Q W In G a A s / I n P w i t h 0.5% t e n s i l e s t r a i n h a s b e e n g r o w n.T h e n a r r o w e s t w e l l w id t h 15 1.8 n m b y P L s P e e t r o s e o P y me a s u r eme n t.K e y Wo r d s : L P一M O C V D I n G a A s / I n P T e n s i l e一 s t r a i n O W1 引 言由于量子效应引起半导体中原来简单的价带中重、轻空穴带分裂,从而引起人们广泛的重视。IA Ga A s / G a A s lj[ 和 nI G a A s / nI P 图量子阱结构不仅使其器件性能明显改善,而且不断研制出新的功能器件。最近又发现应变效应能够进一步改变半导体中的能带结构,利用量子阱区的压缩应变可使重、轻空穴的能级分裂比纯量子效应更大,最高空穴子带有效质量进一步减小 3j[。因此,在半导体光电器件方面的应用更引起人们的重视。虽然利用伸张应变可以实现重轻空穴能带反转,固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 1 5 卷但最高空穴子带在生长平面方向具有较重的有效质量,这似乎对改善器件的性能不利。因此,伸张应变的研究开始并不 引起人们的重视,但是进一步分析发现川,由于此时最高空穴态为13 2/,士 1 / 2) 态,它与导带作用具有较大的增益矩阵元,因此利用伸张应变效应仍然可以实现激兴器低闽滇川,并且利用它还可以实现更大输出功率,由于此时导带中电子与 }3 / 2,士 1 2/ >态空穴作用,激射模不为传统结构中的 T E 模,而为 T M 模「6」。首先从理论上研究了应变量子阱中能级计算,在 实验上利用 L P一M O C v D 技术研究 nIG a A S体材料组份和生长速率的控制,最后生长了伸张应变为 0.5%的四个量子阱的伸张应变量子结构,并在 7 K 下利用 P L 光谱分析了它的结构。虽然国内对压缩应变量子阱效应已有不少的报道,但伸张应变的研究尚未见到。2 应变量子 阱的能级计算在应变量子阱中,由于应变和量子阱的效应同时存在,能带和能级的计算分析比普通量子阱要复杂得多,根据 K·P 能带理论,如果不考虑应变对 L ut igne r参数的影响,应变和量子阱效应可以单独考虑。此时,双轴应变效应产生效果可以分解为纯单轴应变和纯静压应变的效果。纯静压应变只均匀地改变材料的性能,而单轴应变则改变晶体的对称性。当计算应变量子阱中的能级时,重、轻空穴在 r 点解偶,因此重、轻空穴的能级计算可 以单独考虑。在半导体中,如果外延层的晶格常数与衬底的晶格常数不相等时,只要外延层厚度小于其临界层厚度,这一失配使外延层 晶体发生双轴应变,而不会引进位错,在生长平面方 向应变为 [, 〕 :￡ / 一 ￡二 一 c ya s 一 “e倪 e为外延层的晶格常数,( 1 )其中a ,为衬底的晶格常数,ae个相反的应变:由于泊松效应,在生长方向会产生一。 ae 一 二二二 C二二二二— 乙—乞刀一 J~ 份 ` — `J川 , , ,1—口。为泊松比,对于 nI Ga A s, 。近似为 0.3〔 6习 ,因此纯静水压应变 气l和单轴应变 氖￡v o l = cx 二十 气,+ ￡z 二= ￡刀气x一 气 一￡ / - 一 2￡ /( 2 )分别为:( 3 )( 4 )纯静水压应变 `。 1只使材料禁带宽度改变 △E g,单轴应变 凡二则改变晶体的对称性,使重、轻空穴能带在 r 点分裂,分别上移和下移 S 量。△E g 一 a·` ol (5 )S = 一 b· ` a二 ( 6 )其中a 、 b 分别为纯静压形变势和单轴形变势,都为负值,当a 。>a ,时,外延层受双轴压缩应变,此时,勺 < O, △E g > 0,S > O,因此,重空穴态在轻空穴之上。同样,当 a。< as时,外延层受双轴伸张应变时,勺 > O,△E g < o,S < O,应变使轻空穴态高于重空穴态。将应变哈密顿矩阵作为微扰加入 K·P 微扰理论的能带矩阵中,利用量子阱的边界条件就可以计算出应变量子阱的能带 l[’ 〕。对于计算量子阱的能级,由于它相 当于计算能带 r 点的能量位置,根据 K·P 能带理论,在 r 点重、轻空穴解偶,也可以用传统的方势阱方法计算量子阱能级与阱宽的关系图:t a n 〔 ( ZM 奋E / h,)’ ` 2 · w / 2〕 = [材咨 (△E 一 E ) / (材 j E ) j “2( 7 )3期 刘宝林等:L P一M O CV D 生长伸张应变 n I GaAs/InP 多量子阱的研究其中 h 一轰,、 为普朗克常数,、 和 、 为量子阱和势垒区载流子的有效质量,△二 为势垒高度,满足方程 ( 7) 的能量 E 就为量子化能级,它显然为阱宽 W 的函数,对于 匹配量子阱量子化能级可以直接 由此式求得 ls[ 〕。对于应变量子阱价带空穴的势垒高度应作如下修正,对于重、轻空穴势垒高度由 0.5 5 ( E g、 一 E g,)分别变为 0.5 5 ( E g b 一 E gw) 一 △E g + S 和 0.5 5 ( E gb一 E g w ) 一 △E g 一 S 两个不 同的值,E g 、 和 E gw分别为垒和阱体材料的禁带宽度,0.5 为 nIG a A s I/ n P异质结的能带断续系数,<1 0 >方向有效质量与 L ut in ger参数 y, 、 了。 和 )3有如下关系:m h h一m。/ (了,一 y)、mlh ’ 一 me/ (了,+ y3),m。为自由空间电子有效质量,把这些改变后的关系代入 ( 7) 式,很容易求出应变量子阱导带电子和价带空穴的第一量子化能级 △E。和 △E、 ,因此,应变量子阱的第一个电子能级到高空穴能级的跃迁能量为:h u ~ E g + △E g 一 }S } + △E。+ △Eh( 8 )图 1给出了三个不 同应变大小和无应变下 nI Ga A s /日蕊\华月nI P 应变量子阱在 30 o K 下波长与阱宽的关系,在应变下a 和 b 等值采用表 ( 1) 给出的 nI As 和 G a A s 的参数 内插求得。表 I l n As和 GaAs的材料参数 [̀’习a/eV b /eV y1 y 2 y 3 m户( me)G a A s 一 8.23 一 2.0 6.5 9 2.2 5 2.8 6 0.0 6 9I n As 一 6.0 一 1.8 1 9.6 7 8.3 7 9.2 9 0.0 2 33 样品制备样 品采用从法国 A SM 公司进 口 的 O M R一12 型 L P-M O C V D 设备生长,V 族源采用进 口的纯 P H3和 A s H3 ,l 族 Ga源为进 口 的 T M Ga , nI 源为南京大学提供的T M I n,T M I n 源温为 3 0.0 ℃,即M G a 为一 1 1 C,反应室0 5.0 10.0 1 5.0阱宽 /n m图 1 InGaAs/ I n P 应变量子 阱 3 o 0 K光荧光峰值波长位置与阱宽的关系。( a )应变。 / 为一 %; ( b ): 才 = 一 0.5环; ( e ) 。才 = o ; ( d )即 一 。.5% 伸张应变压力为 1 k0 Pa ,生长时衬底温度为 62 5 ℃,系统总 HZ流量为 S L /m in,在整个外延过程中,T M nI的流量为 10 拜m l/ m in,调整 T M Ga的流量来调整 nI Ga A s 中 Ga的含量。生长 nI Ga A s 的 v / l为 6 0 ~ 7 0, I n P 的 V / l 比为 2 5 0一 3 0 0。.体材料 nI Ga A s 中的 Ga含量由 ( 0 0 4) 面 X 光双晶衍射峰的峰值位置来确定,其生长厚度不应小于 1 拼m,本研究生长的为 1.3一 1.5 拌m,如果生长厚度太薄,测量要用复杂的 X 光方法才能准确确定 Ga的含量。如果太厚则浪费源。nI G a A s 和 nI P 的生长厚度用显结并在高倍显微镜和扫描电镜的方法测得,用来测量的样品表面须光亮。量子阱的生长采用 P H3保护 nI P 和A s H3保护 nI Ga A s,其切换时间采用本 L P一M O C V D 设备的极限时间:21 ,P H3换 As H3也用 2” 。4 实验结果与讨论nI G a A s 体材料的组份及生长速率对于 nI Ga A s l/ n P 应变量子阱,nI G a A s 的组份及生长速率控制是至关重要的。它能准确控制应变大小和量子阱的阱宽和垒宽。图 2给出了 X 光双晶衍射测量得到的 nI Ga A s 中 Ga含量与 T M Ga流量的关系。随着 T M Ga流量增加,nI G a A s 中固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 1 5卷G a的含量增加,并且在与 nI P 匹配点附近成线性关系。下 9’o 丫 .3 0月一.尸日魏\并侧平州的V.9三0·一。日魏\侧据4.5 5.5卜LL卜ùLì.30亡口nJ.0芝卜X图 2 T M I n = 1 0 拜mol /m in时利用 T M Ga , T M In和 AsH3 L P一M O C V D 生长 I nl一 二Ga 二As时, x与 T M Ga流速的关系T M Ga6 5、7。5 8.5流速 /拌mo l·m i n 一,图 3 T M I n = 2 0 拌mo l / m in 时,I n G a A s 体材料生长速率与 T M Ga流量的关系图 3是 nI Ga A s 的生长速率与 T M Ga流量的关系,由这一关系可以看出,在与 nI P 匹配点附近,其典型生长速率为一 2 拜m h/,它相当于每秒生长两个单原子层。另外,由这一拟合关系外推出 T M Ga流量为零,即生长 nI As时生长速率为 0.97 拌m h/,与 nI P 的生长速率一致,这与早期报道的利用 M O C V D 生长 l 一 V 族材料,在 V / l 适当范围内,其生长速率与 l 族源流量有关,而与 v 族源流量无关的结论一致。0.5% 的伸张应变量子阱生长用衬底片是河北半导体研究所提供的高质量 ( 1 0 0) 士 1l0 N型高导 nI P 片。由于采用失配外延,生长多量子阱时,没有生长参考层,在 nI P 衬底上生长一层非掺杂 nI P 缓冲层,厚度为 0.5一 0.8 拌m,nI P 势垒厚度为 20.0 n m。根据理论计算,量子阱阱宽在 1 0.0 n m 以下,第一能级的波函数在势垒中的穿透深度小于 5.0 n m,使得用 P L 法测量能级能真实反应单量子阱的效应。所以 20.0 n m 的势垒宽度足以阻挡住多量子阱中阱与阱之间波函数的相互作用。量子阱结构如图 4所示,其生长时间依次为: 1 8’、1 0’、7”、3’。应变为 0.5%伸张应变,即 nIl一 二 G a二A s 中,x 为 0.54,因此调整的流速为 7.4 拌m ol /m in,此时生长速率 2.2 拌m h/,它们对应宽度为 1 1.0、6.1、4.2 和 1.8 n m。由于选择应变大小为 0.5写,此时临界层厚度在30.0 n m 以上,选择这样的结构可以确保整个结构无弛豫发生。缓冲区 阱区 1 阱区 2 阱区 3 阱区 4 顶层生长时间一丁几-月- 几』-2 0,1 8一0,7一5,图 4 伸张应变为0.5% 的四个 nI Ga A s I/ n P量子阱的结构1。3 1.4波长 /料m图 5 7 7 K 时的 P L 光谱

The Study on Multiple Quantum Well of TensileStrained InGaAs/InP Grown by LP-MOCVD

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/121299/LP%ef%bc%8dMOCVD%e7%94%9f%e9%95%bf%e4%bc%b8%e5%bc%a0%e5%ba%94%e5%8f%98InGaAs_InP%e5%a4%9a%e9%87%8f....pdf?sequence=1&isAllowed=y

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