利用低压金属有机化合物化学汽相沉积（MOCVd）生长技术在InP衬底上生长IngAAS/InP应变量子阱、超晶格和IngAASP/InP量子阱结构材料，利用77k光荧光（Pl）测量这一应变量子阱和量子阱的光学性质，利用双晶X光测量应变超晶格的性质。InGaAs/InP strained quantum well and superlattice,and InGaAsP quantum well were grown on InP substrate by low-pressure metal organic vapor deposition (LP-MOCVD).The optical characteristics of the strained quantum well and quantum well were studied by photoluminescent (PL) at 77 K, while the characteristics of InGaAs/InP strained superlattice are measured by X-ray double crystal diFFraction.福建省自然科学基金;国家自然科学基

刘宝林

陈朝

陈松岩

陈龙海

Xiamen University Institutional Repository

①1997-10-27 收稿;1997-12-28 定稿②本文得到福建省自然科学基金和国家自然科学基金资助第 19卷第 5期 半　导　体　光　电 Vol.19 No.51998 年 10月 Semiconductor Optoelectronics Oct.1998InGaAs(P)/ InP 应变量子阱和超晶格的光电性质①②刘宝林　陈松岩　陈龙海　陈　朝(厦门大学 , 厦门 361005)摘　要:　利用低压金属有机化合物化学汽相沉积(MOCVD)生长技术在 InP 衬底上生长 In-GaAs/ InP 应变量子阱 、超晶格和 InGaAsP/ InP 量子阱结构材料 ,利用 77 K 光荧光(PL)测量这一应变量子阱和量子阱的光学性质 ,利用双晶 X光测量应变超晶格的性质。关键词:　化合物半导体　MOCVD　应变量子阱　超晶格中图法分类号:　TN304.23Optoelectronic characteristics of InGaAs(P)/InPstrained quantum well and superlatticeLIU Baolin CHEN Songyan CHEN Longhai CHEN Chao(Xiamen University , Xiamen 361005 ,CHN)Abstract:　InGaAs/ InP st rained quantum well and superlattice , and InGaAsP quantum well w ereg row n on InP subst rate by low-pressure metal org anic vapor deposition(LP -MOCVD).The opticalcharacteristics of the strained quantum well and quantum well were studied by photoluminescent(PL)at 77 K , while the characteristics of InGaAs/ InP strained superlattice are measured by X-ray doublecrystal diff raction.Keywords:　Semiconductor Compound ,MOCVD ,Strained Quantum Well , Superlatt ice1　引言随着 MOCVD 、MBE 和 CBE 等超薄外延生长技术的不断的发展 ,国际上在半导体方面的研究已由 50年代的 PN结工程逐步转向 80年代利用量子阱效应和应变效应的能带工程[ 1] ,它使我们能克服在某些应用方面过去被认为是材料本征缺陷的困难[ 2] 。国际上从 80年代后期开始在这方面进行了大量的研究 ,并取得很好的结果[ 3] 。文中给出了利用 LP -MOCVD生长技术生长的 InGaAs/ InP 伸张和压缩应变量子阱和匹配 In-GaAsP/ InP 量子阱 ,并研究了它们的光学性质 ,同时研究了 InGaAs/ InP 应变超晶格的生长及特性。2　InGaAs/ InP 应变量子阱的样品制备实验样品采用法国 ASM 公司进口的 OMR-2型 LP-MOCVD设备进行生长 , Ⅲ族源和Ⅴ族源分别为 TMGa ,TM In和 PH3 ,AsH3 。样品生长时 TM-Ga和 TM In的源温分别为-11 ℃和 30 ℃,使用的PH3和 AsH3 纯度为 100%。衬底采用电子部十三所生长的〈100〉方向 n型高导 InP 衬底片。由于 In-GaAs的生长最佳温度是在 625 ℃[ 4] ,因此我们 In-GaAs/ InP 应变量子阱的样品都是在 625 ℃进行生长的 。样品生长前用有机溶剂进行常规处理后 ,用0.5%的溴甲淳腐蚀 30 s ,再用去离子水冲净备用。在生长升温过程中 ,当反应室温度升到300 ℃时 ,反应室通入 PH3对衬底进行保护 ,并直接将温度升到650 ℃对衬底进行高温去氧化膜处理 ,尔后把温度降到 625 ℃进行缓冲层 、量子阱区和顶层生长 。图1给出了 InGaAs-InP 生长时的中断过程 ,我们采用本系统每步最小允许时间 2 s进行中断 ,根据气流模型 ,样品表面在 0.5 s内就可以换成新的气氛 ,因此 ,如果条件允许 ,应采用更短的时间进行中断 。具体的生长条件见文献[ 5] 。图 1　InGaAs-InP的 MOCVD生长中断过程F ig.1 　The inter ruption process of I nGaAs -I nP grow n byMOCVD3　结果与讨论根据 K .P 能带理论[ 6] ,由于应变量子阱能级的位置就是对应于能带在 K 空间Γ点的位置 ,而在这一点 ,重 、轻空穴带发生解耦 ,即它们没有相互作用 ,因此 ,应变量子阱能级的计算可以用传统的量子力学方势阱方法求解[ 7]　　　　tan 2m＊w E/ h2)1/2W/2 Ps t　　　= m＊b (ΔV h-E) n/(m＊w E)1/2(1)式中 , m ＊b 和 m＊w 分别为阱和垒区的 <100>方向的载流子的有效质量 , W 为阱宽 , h 为普朗克常数 ,其数值为 h 除以 2π, ΔVh 为重空穴或轻空穴在阱区和垒区的势垒高度差 。对于应变量子阱 ,由于应变使重 、轻空穴发生分裂 ,使得这一高度差不相等 。应变量子阱与无应变量子阱利用公式(1)计算能级的唯一区别在于:在应变量子阱中 , ΔV h 对重 、轻空穴是不同的 ,而在无应变量子阱中它们是相同的 ,对于电子的能级的计算与无应变的相同。它的具体计算方法和结果参见文献[ 8] 。根据理论计算可知 ,阱宽大于 5.0 nm 时 ,第一能级波函数在势垒中的穿透深度小于 5.0 nm ,因此 , 20.0 nm 的势垒宽度足以阻挡阱与阱之间的波函数的相互作用 。我们生长多量子阱势垒区宽度选择 20.0 nm 。3.1　InGaAs/ InP 压缩应变量子阱当 xGa<0.47时 , In1- xGa xAs材料会产生压缩应变 ,相应体材料的 E g会向长波长方向移动。根据上面的生长条件和生长过程 ,用 MOCVD生长出应变为 0.5%(相应于 xGa=0.4)的 InGaAs/ InP 三个量子阱结构 ,三个阱区的生长时间分别为 8 s , 10 s和 20 s ,我们测量其生长速率约为 2.0 μm/h , 因此生长厚度预计应分别为 4.5 nm , 5.6 nm 和 11.6nm 。在 77 K温度下测量其PL 光谱如图 2所示 ,从中可以看出其中有三个峰 ,它们的位置分别为 1.42μm ,1.47μm 和 1.608 μm 。计算可知 ,它们相应于室温波长分别为 1.48 μm , 1.55 μm 和 1.696 μm 。众所周知 ,与 InP 匹配的 InGaAs体材料的 77 K 温度带边吸收峰为 1.57 μm ,而我们测量得到的第三个吸收峰为 1.608 μm(>1.57 μm), 这主要是由于In0.6Ga0.4As的禁带宽度比 In0.53Ga0.47As 的小 ,而在阱宽较大时 ,量子化的能级仍不够大 ,使得此时的跃迁能量比与 InP 匹配的体材料的 InGaAs的禁带宽度还要小。这也说明此时的 InGaAs处于压缩应变状态 ,这正是压缩应变量子阱的一个特征 。从理论计算可知 , 三个应变量子阱的阱宽分别为 4.6nm ,5.5 nm和 11.0 nm , 与实验结果基本一致 。　　图 2　量子阱结构图和 0.5%压缩应变 InGaAs/ InP三个量子阱结构样品的 77 K PL 光谱Fig.2　Structure of the quantum w ell and PL spectrum of0.5% compressed strained quantum well at 77 K3.2　InGaAs/ InP 伸张应变量子阱图 3给出了生长伸张应变为 0.5%的 4 个量子阱的77 K PL 光谱 ,从中也可以看出 ,由于量子效应引起能级的明显移动 , 77 K 峰值波长位置分别为1.43μm , 1.38 μm ,1.33μm ,和 1.28 3 μm ,其中第一和第四个量子阱的全半高峰宽(FWHM)分别为17.6 meV 和 17.9 meV , 这四个量子阱对应室温(300 K)的吸收峰值波长分别为1.496 μm ,1.44μm,1.396 μm和 1.34 μm ,由理论计算可知 ,它们的阱宽分别为 11.0 nm ,9.0 nm ,7.0 nm 和 5.0 nm 。而我们生长这四个阱区的时间依次为 20 s , 16 s , 12 s301第 19 卷第 5 期　　　　　　　　　刘宝林等:　InGaAs(P)/ InP 应变量子阱和超晶格的光电性质　　　　　　　　　　　　和 8 s ,根据 2 μm /h 的生长速率可知 ,这四个阱对应的阱宽分别为 11.0 nm , 8.8 nm , 6.7 nm 和 4.5nm ,两者比较基本一致。图 3　0.5%伸张应变 InGaAs/ I nP 四个量子阱结构样品的77 K PL 光谱F ig.3　PL spectrum of 0.5% ex tend strained quantum well at77 K3.3　InGaAs/ InP 应变超晶格对于阱和垒厚度相等的应变超晶格 ,其平均晶格常数将为阱和垒的晶格常数的平均值 ,所以应变超晶格总的临界层厚度 将比单层的要大得多 。如果选择缓冲层的晶格常数等于这一平均晶格常数 ,超晶格的临界层厚度将为无穷大。只要阱和垒的厚度小于其单层临界层厚度 ,这种结构就是稳定的 ,与生长厚度无关 。根据文献[ 5]的 InGaAs的生长条件 ,衬底温度选择 630 ℃,在生长 InGaAs/ InP 超晶格之前 ,生长一层 0.5 μm 的 InP 缓冲层和 1 μm的 InGaAs过渡层(控制其组分为生长超晶格中 In-GaAs的组分的一半)。接着生长 20 个周期的 In-GaAs/ InP 超晶格 ,超晶格中的 InGaAs生长时 TM-Ga流量改变为 7.7 μmol/min ,其他参数与过渡区的相同 。我们生长阱和垒的厚度都为 15 nm 。此时阱区与衬底之间的失配为 0.6%,对应这种超晶格的失配度为 0.3%,其单层临界层厚度为 40.0 nm 。所以上述参数生长的应变超晶格是不会失配的。图4给出了上述样品的 X 光双晶衍射图 ,从中可以看出:零级峰与衬底峰不重合;零级峰两边不对称;峰的强度并不单调变化等应变超晶格的 X光衍射图特点 。其中峰间隔为 10' ,根据 X光衍射公式LSL =λ/2cos(θB)δθ (2)式中 , λ为 x 光波长 , θB 为布拉格角 , L SL为超晶格的周期 , δθ为卫星峰间隔 。可以计算得到界面超晶格的周期为 31.1 nm 。另外 ,对于第 n 级衍射峰全半高峰宽(ΔW)与超晶格厚度波动(d1)具有ΔW =nλd 1[ 2cos(θB)L2SL]-1 (3)从图中可以看出第二级卫星峰全半高峰宽为1 .8' ,可以计算出超晶格的周期厚度波动为 0.89 nm 。图 4　20 个周期的 I nGaAs/ InP伸张应变超晶格 X 光单晶衍射图Fig.4　Sing le crystal X-diffraction of 20 period InGaAs/ InPstrained-layer supperlattice3.4　1.55 μm 波长 InGaAsP/ InP 量子阱的生长特性利用生长与 InP 匹配的 1.55 μm 波长的 In-GaAsP材料的条件 ,我们生长了如图 5(a)所示的InGaAsP/ InP 单量子阱结构 , 其中参考层生长 5min ,势垒区生长 1 min ,厚度为(20.0 ～ 30.0)nm ,顶层 InP 生长 3 min ,厚度为 100.0 nm ,阱区生长 7 s ,图 5　InGaAs/ I nP 单量子阱结构图(a)和 I nGaAs/ I nP 量子阱 77 K PL光谱(b)Fig.5　(a) The structure of I nGaAs/ InP QW;(b)The PLspectrum of InGaAs/ I nP QW at 77 K302　　　　　　　　　　　　　　　　　　　半　导　体　光　电　　　　　　　　　　　　　　　1998 年 10 月厚度约为 4.5 nm , InGaAsP/ InP 的中断比较简单 ,PH3始终不断 , InP 到 InGaAsP 时 ,把 TM In中断 2s后 ,开AsH3 2 s ,把四个源都打开就可生长。而 In-GaAsP 过渡到 InP时 ,只要把 Ga , In 和 As源关闭 2s后 ,把 In源打开即可。图 5(b)给出了上述结构的77 K 温度下的 PL光谱 ,从中可以看出有二个主峰 ,峰值 波 长分别为 1.448 μm 和 1.333 μm , 其 中1.448μm 为 InGaAsP 参考层的 PL 光谱 ,1.333 μm处为 InGaAsP/ InP 的量子阱的结果 ,其全半高峰宽为 18.0 meV 。从中可以明显看出由于量子效应 ,阱区材料峰值波长明显向短波方向移动。从理论计算可以知道 ,光荧光测出阱宽为 4.6 nm ,与外延层生长控制的基本一致。4　小结(1)生长了应变为 0.5%三个阱的 InGaAs/ InP压缩应变量子阱 ,最小阱宽为 4.6 nm 。并且观察到量子化能级的能量大于与 InP 匹配的 InGaAs的体材料的禁带最小本征跃迁能量的现象 。(2)生长了伸张应变为 0.5% 4 个阱的 In-GaAs/ InP 应变量子阱结构 ,最小阱宽为 5.0 nm ,最小全半高峰宽为 17.6 meV 。(3)采用无失配超晶格结构 ,在衬底温度为630℃时 ,生长了周期长度为 31.0 nm 20个周期的高质量超晶格 ,利用 X光双晶衍射测得单边 6个 ,两边共 9个峰的 X光衍射图 ,利用其半峰宽可以计算出其界面不平整度为 0.89 nm 。(4)生长了 1.55 μm 波长 InGaAs/ InP 单量子阱 ,77 K光荧光量子阱半峰宽为 18.0 meV ,阱宽为4.6 nm 。参　考　文　献1　Yablonovitch E , Kane E O.Band structure engineering ofsemiconductor lasers for optical communications.J.Light-wave Technol., 1988;6(10):1 292 ～ 1 2962　Adams A R.Band-structure engineering for low -thre-shold high -efficiency semiconductor lasers.Electron Let-ter , 1986;22(5):249 ～ 2503　Lee T P.Advance in long wavelength semiconducto r laserfo r optical fiber communication.Proceeding of the IEEE ,1991;79(3):253～ 2754　刘宝林 , 杨树人 , 陈佰军.LP-MOCVD生长温度对 I n-GaAs 性能的影响.发光学 报 , 1993;14(4):384～ 3905　刘宝林 , 黄美纯 , 陈松岩等.高性能 InP/ InP 、InGaAs/I nP 体材料 LP-MOCVD生长.厦门大学学报(自然科学版), 1997;36(4)540～ 5446　Ahn D , Chuang S L.Optical gain and gain suppression ofquantum well laser w ith valence band mixing.IEEE J.Quantum Electron., 1990;26(1):13 ～ 247　席夫 L I.量子力学.北京:人民出版社 , 1982:40～ 478　刘宝林 , 刘式墉.InGaAs(P)/ InP 应变量子阱能带计算和有源区材料的选择.光子学报 , 1993;22(2):114 ～120刘宝林　男 ,1963年 5月生 ,副教授 。303第 19 卷第 5 期　　　　　　　　　刘宝林等:　InGaAs(P)/ InP 应变量子阱和超晶格的光电性质　　　　　　　　　　　　

Optoelectronic characteristics of InGaAs (P)/InP strained quantum well and superlattice

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