InGaAsPInP量子阱激光器的模型分析

华南师范大学

硕士学位论文

InGaAsP/InP量子阱激光器的模型分析

姓名：陈贵楚

申请学位级别：硕士

专业：微电子与固体电子学

指导教师：范广涵

20040501

华南师范大学硕士学位论文

摘要

半导体激光器是一种电致发光器件，自６０年代被发明以来，得到了迅猛的发展。随着其新结构与新材料出现以及其器件功能的不断扩展，它在越来越多的领域得到了广泛的应用，如光通信、光存储、军事、生物等各方面，因此关于半导体激光器的有效应用也是一项值得研究的课题，有重要的现实意义。通常对于有半导体激光器应用的系统来说，激光器是此系统的关键部件，激光器本身的状态对于整个系统的性能有至关重要的影响，所以激光器与外围驱动电路作为一个体系来分析其性能特征是很有必要的，显而易见，对半导体激光器定模即构造其电路模型有助子其在系统中的有效应用。

ＩｎＧａＡｓＰ四元系长波长量子阱激光器是目前在高速光纤通信中应用最为广泛的一类激光源，构建其电路模型有助于完成光发射机的优化设计，这对于高质量的光通信传输系统有非常重要的意义。围绕以对此类激光器的定模为中心，本文的工作主要如下：

１．对ＩｎＧａＡｓＰ量子阱材料生长、测试及器件制作工艺作了详细的说明，ＩｎＧａＡｓＰ四元系材料的ＭＯＣＶＤ高质量生长需要调整很多参数如Ｖ／ｍ、中断时间等；三种检测手段（ｘ射线双晶、ＰＬ光荧光、ＥＣＶ）能保证材料生长的质量；激光器的后续制作工艺如腐蚀、电极制备、解理等对器件的运作性能也有重要的影响。２．介绍了几个有特色的比较典型的半导体激光器的定模工作，它们是阈值以下的半导体激光器、双异质结半导体激光器及多模半导体激光器，主要了解激光器定模的原理、方法及一些处理技巧，对后面量子阱激光器的定模起一个向导作用。３．详细说明了确定半导体激光器速率方程的一些重要参量的方法，如：载流子在三维ＳＣＨ区的输运行为对激光器的调制特性有较大影响；量子阱对载流子的捕获是一个复杂的过程，文中给出了量子捕获时间的计算方法以及实验证明；多量子阱中载流子输运与分布也是相当复杂的问题，文中给出了隧穿对问与热发射时间的计算方法；光增益是关键的参量，它的解析式相当繁琐，由实验曲线拟合其较为简明的经验式，对定模工作是有利的。

４．在已发表的二层电路模型基础上提出了三层模型，在所依据的参数基本相同的情况下，对模型进行模拟，并对所获的结果进行比较讨论。对ＧＲｏｓｓｉ提出的多量子阱激光器的电路模型进行了改造，考虑到模型的实用性，模型用多个分支电路来描述，以便在模拟时调整参数的设置相对容易，获得结果更快。另外，对［ｎＰ系量子级串激光器的定模作了有特色的工作，得到了一些有价值的结论。关键词：半导体激光器：ＩｎＧａＡｓＰ；量予阱：电路模型。

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Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｓｅｍｉｃｏｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒ（ＬＤ）ｗｈｉｃｈｉＳａｃｕｒｒｅｎｔ－ｄｒｉｖｅｎｄｅｖｉｃｅｈａｓｇｏｔｔｅｎａｄｒａｓｔｉｃｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎｃｅｉｔｗａｓｉｎｖｅｎｔｅｄｉｎ１９６０ｓ．Ｗｉｔｈｎｅｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｍａｔｅｒｉａｌｓｅｍｅｒｇｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｅｘｐａｎｄｉｎｇｏｆｄｅｖｉｃｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ＬＤｉｓａｐｐｌｉｅｄｆｏｒｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｄｏｍａｉｎｓｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙＳＵｃｈａｓｏｐｔｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄａｃｃｅｓｓ、ｍｉｌｉｔａｒｙａｆｆａｉｒｓ、ｂｉｏｌｏｇｙａｎｄＳＯｆｏｒｔｈ．ＳｏｔｈｅｖａｌｉｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＬＤｉＳａｗｏｒｔｈｙ－ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｓｕｂｊｅｃｔｔｈａｔｈａｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ．ＮｏｒｍａｌｌｙａｓｆｏｒａｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｉＳｃｏｎｃｅｒｎｅｄｗｉｔｈＬＤ，ｔｈｅｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆＬＤｈａｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｍｐａｃｔｕｐｏｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍｆｕｎｃｔｉｏｎｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｎｕｃｌｅｕｓｓｔａｔｕｓ．ＳｏｉｔｉＳｉｍｐｅｒａｔｉｖｅｔｏａｎａｌｙｓｉｚｅｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｏｆＬＤｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｗｉｔｈｅｘｔｅｍａｌｄｒｉｖｅｎｃｉｒｃｕｉｔ．Ｏｂｖｉｏｕｓｌｙｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇｉｔｓｃｉｒｃｕｉｔｍｏｄｅｌｉｓｕｓｅｆｕｌｆｏｒｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．

ＩｎＧａＡｓＰｌｏｎｇ－ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌｌａｓｅｒｉｓａｔｐｒｅｓｅｎｔａｐｐｉｅｄｍｏｓｔｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙｉｎｏｐｆｉｃａｌｆｉｂｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇｉｔｓｃｉｒｃｕｉｔｍｏｄｅｌｃａｒｌ．ｏｐｔｉｍｔｚｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒａｎｄｉｔｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｔｏｄｅｓｉｇｎｈｉｇｈ－ｑｕａｌｉｔｉｅｄｏｐｔｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．ＣｙｃｌｉｎｇａｒｏｕｎｄｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｍｏｄｅｌｏｆＱＷｌａｓｅｒ，ｍａｉｎｗｏｒｋｓｄｏｎｅａｒｅｍｅｎｔｉｏｎｅｄａｓｆｏｌｌｏｗ：

１．ＤｅｐｉｃｔｉｎｇＩｎＧａＡｓＰｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌｌａｙｅｒｅｐｉｔａｘｙ、ｍａｔｅｒｉａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｄｅｖｉｃｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｈ的ＣＶＤｅｐｉｔａｘｙｎｅｅｄｓｔｏｒｅｇｕｌａｔｅｓｏｍｅｐａ舟ｍｅｔｅｒｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇＶ／ｍａｎｄｉｎｔｅｒｖａｌ．Ｔｈｒｅｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｓｕｃｈ勰ｘ－ｒａｙｄｏｎｂｌｅｄｉｆｆｉａｅｔｉｏｎｅｒ、ＰＬｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅａｎｄＥＣＶＣａｎｅＢｓｕｒｅｔｈｅｌａｙｅｒｅｐｉｔａｘｙｑｕａｌｉｔｙ．ＩｎａｄｄｉｔｉｏｎｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇＹｌｉｋｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎ、ｅｌｅｃｔｒｉｅａｌｐｏｌｅａｎｄｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇｍｉｎ＇ｏｒａｌｓｏｈａｖｅｃｒｉｔｉｃｉｍｐａｃｔｏｎｄｅｖｉｃｅｏｐｅｎ，ｉｏｎｆｏｎｅｔｉｏｎ．

２．ＩｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇｓｅｖｅｒａｌｃｌａｓｓｉｃａｌｃｉｍｕｉｔｍｏｄｅｌｓｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇＬＤｓｕｃｈａｓｂｅｌｏｗＩｔｈＬＤ、ｄｏｕｂｌｅｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅＬＤａｎｄｍｕｔｔｉｍｏｄｅＬＤ．ＩｔｃａｌｌｍａｋｅａｇｕｉｄｅｔｏｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔＱＷ－ＬＤ’Ｓｃｉｒｃｕｉｔｍｏｄｅｌｂｙａｃｑｕａｉｎｔｉｎｇｓｏｍｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ、ｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇｍｏｄｅｌ．

３．ＩｌｌｕｓｔｒａｔｉｎｇｓｏｍｅｍｅｔｈｏｄｓｔｈａｔｃａｎｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＬＤ’Ｓｒａｔｅｅｑｕａｔｉｏｎｅｘｐｌｉｃｉｔｌｙ．Ｆｏｒｉｎｓｔａｎｃｅ，ＣａｒｒｉｅｒｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｉｎｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓＳＣＨｒｅｇｉｏｎｃａｎａｆｆｅｃｔｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒＣＯＩＬＳｐｉＣＵＯＵＳｌｙ．ＱｕａｎｔｕｍｃａｐｔｕｒｅｉＳａｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｃａｐｔｕｒｅｔｉｍｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｔｅｓｔａｌｅｐｒｏｖｉｄｅｄ．ＩｔｉＳｄｉｍｃｕｌｔｔｏａｓｃｅｒｔａｉｎｃａｒｒｉｅｒ’Ｓｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｍｕｌｔｉｐｌｙｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｓａｎｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｔｉｍｅａｎｄｈｅａｔｉｎｇｅｍｉｔｔｉｎｇｔｉｍｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓａｒｅａｌｓｏｐｒｏｖ！ｄｅｄ．ＯｐｔｉｃａｌｇａｉｎｗｈｏｓｅｆｏｒｍｕｌａｉＳｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｉＳａｃｒｉｔｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒａｎｄｉｔｉｓｕｓｅｆｕｌｆｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇｍｏｄｅｌｔｏｏｂｔａｉｎａｃｏｎｃｉｓｅｆｏｒｍｕｌａｂｙｍｅａｎｓｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｃｕｒｖｅ．

４．Ｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇｔｈｒｅｅ．１ｅｖｅｌｍｏｄｅｌｏｎｂａｓｉｓｏｆｔｗｏ－ｌｅｖｅｌｍｏｄｅｌｐｕｂｌｉｓｈｅｄｂｅｆｏｒｅ．１１ｌｅｃｉｒｃｕｉｔｍｏｄｅｌｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄｓｏｍｅｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｇｏｔｔｅｎｂｙｔａｋｉｎｇａｃｃｏｕｎｔｉｎｔｏｔｈｅｓａｍｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＭＱＷ－ＬＤｃｉｒｃｕｉｔｍｏｄｅｌｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙＧＲｏｓｓｉｉＳａｄｏｐｔｅｄｔｏｂｅｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄｂｙｓｏｍｅｓｏｌｏｓｕｂｃｉｒｃｕｉｔｓＳｏｉｔｉＳｅａｓｙｔｏｒｅｇｕｌａｔｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｏｏｂｔａｉｎｒｅｓｕｌｔｓ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ．ｃｉｒｃｕｉｔｍｏｄｅｌｏｆｑｕａｎｔｕｍｃａｓｃａｄｅｌａｓｅｒｗｈｏｓｅｌａｔｔｉｃｅｍａｔｃｈｓｗｉｔｈＩｎＰｈａｓｂｅｅｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄａｎｄｓｏｍｅｖａｌｕａｂｌｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｈａｖｅｂｅｅｎｇｏＲｅｎ．．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒＩｎＧａＡｓＰ；Ｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌ；Ｃｉｒｃｕｉｔｍｏｄｅｌ３

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第一章绪言

半导体激光器（ＬＤ，Ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅ）是一类由电流驱动的理想的光子源器件，自１９６４年被发明以来，经历了几个重要的发展阶段，在器件结构方面，由早期的同质结、单异质结、双异质结发展到量子阱、应变量子阱以及分布反馈式和垂直腔结构等，现在自组装量子点和单极性量子级串结构的激光器也发展成熟起来了，其可靠性寿命从最初的几分钟增加到现在的几十万小时的连续工作，波长范围从近红外向两端拓展，现已覆盖到中远红外和紫外波段，输出功率也从开始的几个毫瓦发展到现在的百瓦级，与其它类型的激光器如固体钕玻璃激光器或气体Ｃ０２激光器相比，半导体激光器由于具有如下突出的优势而受到广泛的应用：１．半导体激光器是直接的电子一光子转换器，它的转换效率很高，理论上其内量子效率接近１００％，由于实际存在某些非辐射复合损失，其内量子效率要低一些，但仍可达７０％。

２．半导体激光器所覆盖的波段范围最广，可以通过选用不同的有源材料或改变多元化合物半导体各组元的组分得到范围很广的激射波长以满足不同的需要。３．半导体激光器的使用寿命最长，目前用于光纤通信的ＬＤ，其工作寿命可达数十万小时。

４．半导体激光器的体积小、重量轻、价格便宜，这也是它的突出优点。

半导体的应用是相当广泛的，它的出现使得作为“信息基础设施”主体的光纤通信成为现实并得以迅速发展：使得以光盘为主体的信息存储技术及光复印技术不断更新换代。随着新材料与新结构的出现及激光器输出光束质量的提高，半导体激光器的应用也不再局限于信息领域，它在材料加工与精密测量等方面也有很大的应用潜力。由于ＬＤ的独特优点，它在军事上也有广泛的应用，如澳４距、致盲、对潜通信、制导等，是光电对抗的有生力量。另外，半导体激光器在生物与医学方面也开始有了初步的应用，其前景相当看好。尽管半导体激光器已有很辉煌的历程，但现今它仍是光电子领域中最活跃的研究课题，新的有源材料与新的器件结构仍不断涌现，使激光器的性能不断提高，其激射波长继续向红外和紫外扩展，以满足日益增长的需要。

目前半导体激光器主要的应用是光电集成电路（ＯＥＩＣ，Ｏｐｔｏ－ＥｌｅｅｔｒｏｎｉｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）和光纤通信中光发射机。ＯＥＩＣ是将光子器件与电子器件集成在一块的系统，对它的研究正处于方兴未艾的阶段，但与微电子集成系统相比，其发展要延缓很多，主要是由于两种器件的材料与工艺的兼容性不太理想，需要解决很多的技术问题。与微电子集成系统比较，ＯＥＩＣ的计算机辅助设计有其特殊的地方，在ＯＥＩＣ中传输的不仅有电信号，而且还有光信号，虽然它们都是电磁波，但它们的传输途径与处理方法是有较大差别的，传输电信号的媒介是导线或微带线，而传输光信号的是光波导，对电信号处理采用‘流’的概念，而对光信号则用‘波’的理论来处理。随着ＯＥＩＣ集成度的提高，ＯＥＩＣ的设计会变得越来越难，设计者将面临的问题是如何快速精确地设计出高性能器件，最直接的方法是计算机辅助设计，对ＯＥＩＣ进行电路级模拟来预测系统的整体性能，从而来验证设计的正确性。而要想对ＯＩＣＥ进行系统的计算机辅助设计，首要的任务是对光电子器件进行定模，即构建其相应的电路模型。半导体激光器是ＯＥＩＣ系统中的核心部件，构造好它的电路模型对ＯＥＩＣ的设计具有至关重要的意义。

同时作为信息技术主体的光纤通信高速发展也促进了半导体激光器的飞跃，早在１９６７年单异质结激光器出现以前，高锟就提出了用光导纤维来传输信息的

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理论与初步实验，随后贝尔实验室认识到半导体激光器在光纤通信中的重要作用，从而开始了半导体激光器与光纤技术并驾齐驱发展的时代。最早进入光纤通信实用的是Ａ１ＧａＡｓ半导体激光器，其激射波长是０．８３～０．８５ｕｒｎ，对应于光纤损耗谱的第一个窗口（约２ｄＢ／ｋｉｎ），随着损耗更小、色散系数接近于零的１．３ｕｍ单模光纤与损耗进一步减小的１．５５ｕｍ单模光纤的出现，波长覆盖范围为１．０ｕｍ～１．６５ｕｍ的ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ长波长半导体激光器也受到了越来越多的关注。

本论文的重要工作是构造ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ长波长量子阱激光器的电路模型，通过分析载流子在器件中的输运行为，得到确定其速率方程中的各重要参数的方法，然后用电路元素对速率方程进行改造，从而得到激光器相应的电路模型。与微电子器件不同的是，半导体激光器不仅有电学量，而且还涉及到光学量，因此在构造其电路模型时，必须用等效的电学量来取代光学量，从而能利用电路模拟软件如Ｐｓｐｉｃｅ完成对模型的仿真，这也是光电子器件电路模型的一个特点。显而易见，构造这种激光器的电路模型是有相当重要意义的，在光通信网络中，光发射机是传送数据的“源”，而半导体激光器是发射机的核心部件，确定好激光器的电路模型，结合它的寄生参量和外围驱动电路进行模拟仿真，能得到光发射机的一些重要特性，如脉冲响应、调制响应等，从而能对光发射机完成整体的优化设计，这对高质量的光通信传输系统的设计也有重要的意义。

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第二章ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子阱材料的生长、测试及器件制作工艺

ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子阱激光器的性能除了与器件的结构优化设计有关之外，主要与量子阱半导体材料的ＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔ，金属有机化合物气相淀积）生长以及后续的器件制作工艺有着非常重要的关系，材料生长过程中异质结界面的平整度、阱与垒的厚度均匀性等以及器件制作工艺中刻蚀的精度、腔丽的制作、欧姆电极的处理等都对激光器的性能有重要影响，而材料结构性质的测试如Ｘ射线双晶衍射、光荧光ＰＬ测量、ｃ．Ｖ载流子浓度测量等对材料的高质量生长提供强有力的保证。

２．１ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子阱激光器的材料、结构与特性

２．１．１

与ＩｎＰ衬底晶格匹配的Ｉｎ，。Ｇａｊ．沁ｖＰｌ。四元合金是用于１．３１ｕｒｎ和１．５５ｕｍ波ｌｎＧａＡｓＰ半导体材料参数ｆｌ】

段最广泛的光电子材料，由于有ｘ与Ｙ两个可以调整的组分变量，在选择晶格常数与能带间隙Ｒ方面组合的自由空间较大；在这种合金材料中，原子Ｉｎ（ｒｈ＝１．４４Ａ）被Ｇａ（ｒｏ．＝１．２６Ａ）取代所产生的晶格畸变可以通过Ａ蜘１．１８Ａ）适当取代Ｐ（昂＝１．１Ａ）而得到孙偿。另外，它的直接带隙取较宽，对应予０．９２ｕｍ～ｌ。６８ｕｒｎ的波长。四元系合金的晶格常数与组分的关系可阻用费加德定律确定，对于Ｉｎ。Ｇａｌ钟ｌ。，可以用三元合金（Ｉｎ。Ｇａｌ－ｘ）心和（ＩｎｘＧａｌ－ｘ）Ｐ的晶格常数通过线性内插法求得，也可以用如下公式计算：

ａ（ｘ，Ｙ）＝．磅椴ｈｂ＋工（１一Ｙ）口＂＋（１一ｘ）ｙａｃ№＋（１一ｘ）０一），）ｄＭ（１）

将四种二元合金的晶格常数代入，经整理后得到：

ａ（Ｉｎ，Ｇａｌ。ＡｓｙＥ＿）＝５．８６９６—０．４１８４ｘ＋０．１８９４ｙ＋０．０１３ｘｙ（２）

如果ｂＡ；Ｇａｌ－ｘＡｓ—ｌ－ｙ材料的晶格常数与ｈＰ相匹配的话，组分Ｘ和Ｙ必须满足如下关系【２】：

工：殳：堡墅（３）

１一Ｏ．０３砂

类似地Ｌｎ．ｘＣ，－ａｔ．ｘＡｓｙＰｌ哼材料的带隙Ｅｇ与组分关系也可以得到如下表达式：

乜（ｘ，ｙ）＝ｏ．３５＋０．６６８ｘ－１．１７ｙ＋０．７５８ｘ２＋ｏ．１Ｂｙ２－０．０６９ｘｙ－０．３２２ｘ２ｙ－０．０３ｘｙ２这种材料的带隙Ｅｓ与组分关系也可以用三维图形来表示如图ｌ所示：

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佰

ｈＩＰｙ———’触

图１Ｉｒ正ａＡｓ晗金的带隙与坦分的关系

１ｎ。Ｇａｔ＿ｘＡ妒１．ｙ材料的折射率对异质结激光器限制有源区的光场作用大小有决定意义，它与组分的关系比较复杂，与Ｙ组分的关系如下图所示：

齄蜷波长（ｍ）

图２ＩｎＧａＡｓＰ的折射率与姐分以及波长的关系

半导体材料的介电常数ｅ是一个重要的参量，它能确定异质结对电场的限制作用大小，Ｉｎ；Ｏａｔ．；ＡＳｙＰｌ．ｙ材料的介电常数与组分的关系如下图所示：

Ｙ——●

图３ＩｎＧａＡｓＰ的介电常数与组分的关系

要弄清载流子在ＩｎＧａＡｓＰ量子阱激光器中的输运情况，则载流子的迁移率也是一个必须了解的参量，Ｉｎ。ＧａＩ一。Ａｓ，Ｐ１．ｙ材料的迁移率与ｙ组分的关系如下所示：７

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由于ＩｎＧａＡｓＰ材料是生长在ＩｎＰ的衬底上制作量子阱结构器件，则与ＩｎＰ相匹配的ＩｍＧａｌ．ｘＡｓｙＰｌ－ｙ材料参数如下表：

参数与组分ｘ，ｙ的关系

带隙岛Ｅ产１．３５．０．７２３＇＋０．１２ｙ２

自旋轨道分裂带Ａ（ｅｖ）铷．１１＋０．３１ｙ－０．０９ｘ２

重空穴有效质量ｍ址／ｍｏ＝（１－ｙ）【０．４５ｘ＋０．７９（１－ｘ）］＋ｙ【０．４ｘ＋０．４５（１－ｘ）】

轻空穴有效质量ｍｆｆｍｏ＝（１－ｙ）［ｏ．１４ｘ＋０．１２（１－ｘ）Ｉ＋ｙ［Ｏ．０８２ｘ＋０．０２“ｌ－ｘ）］

电子有效质量ｍｇｍｏ卸．０８０－０．０３９ｙ

折射率ｎ＝３．４＋Ｏ．２５６３，－０．０９５ｙｚ

介电常数ｅ鼍１－ｙ）【９．６１ｘ＋８．４（１－ｘ）］＋ｙ［０１２．２ｘ＋１３．１（１－ｘ）】

２．１．２ＩｎＯａＡｓＰ量子阱激光器的结构形式

量子辨激光器的具体结构是丰富多样的。主要有两大类：单量子阱（ＳＱＷ）与多量子阱（ＭＱＷ）形式。单量子阱的结构又有多种形式，如下图所示：

１厂

ｊＬ善姜图５单量子ｆ｝Ｉ＃激光器的常见结构

第一种是简单地把ＤＨ激光器的有源层变薄，做成单量子阱结构，但是由于有源层太薄，光场限制作用减弱，对导波光的有效增益变小，影响了激光器的高性能特性。针对这一点，后来提出了改良的分别限制异质结结构（ｓｅｐａｒａｔｅｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，简称ＳＣＨ）激光器，如上图中Ｓｔｅｐ－ＳＣＨ－ＳＱＷ和ＧＲＩＮ．ＳＣＨ．ＳＱＷ，主要由量子阱有源区来实现载流子的限制，而光场的限制由两侧的ＳＣＨ区来完成。激光器的有源层的厚度薄会带来另外一个问题，就是造成载流子收集不易，注入的载流子容易产生泄漏，降低了有效的载流子注入效率，解决这一问题的办法是采用多量子阱（ＭＱＷ）结构，如下图所示：

鹏ＷＳＣｌｔ－Ｍｑ苜

图６多量子阱激光器的结构

采用多量子阱可以加厚有源区，从而提高载流予的收集效率，但阱之间的异质结界面对载流子输运的阻碍会减弱载流子的注入效率。另一方面，即使采用多量子阱，有源区的宽度也是较薄的（０．１．１ｕｍ），所以为了提高激光器的性能，采用ＳＣＨ结构来增加对光场的限制是可行的，如上图中的ＳＣＨ－ＭＱＷ。

２．Ｌ３量子阱激光器的优良特性

量子阱激光器与普通异质结激光器相比，其性能不仅表现为参数方面的提高，从原理上看，它反映出质的飞跃性的变化。自８０年代起，应变多量子阱激光器研究引起了人们的极兴趣，因为晶格失配引入的应变可以改变材料重要的性质，如晶格常数、能带结构、带隙大小、垂直输运的有效质量、态密度等，它是“能带工程”的体现，并预示着新的发展方向。

量子阱激光器由于量子结构的采用而具有如下一些突出的优点【４】：

（１）改变量子阱的厚度可以在相当宽的范围内改变激射波长。

（２）注入载流子能提供更高的增益，这能使阈值电流降低，而且随温度变化小，

温度的稳定性好。

（３）注入的载流子大部分用来克服内部损耗，只要较小的注入载流子就能有高

的效率，产生更大的功率，适于制作大功率激光器阵列。

（４）量子阱激光器的增益变化只引起较小的折射率改变，所以光谱线变窄，频

率啁瞅小。

（５）由于价带的轻、重空穴带量子化能级分离，因此对ＴＥ与ＴＭ模式有选择

控制性能。

（６）微分增益系数高，能在更高的调制速率下工作，动态特性好。

２．２材料的ＭＯＣＶＤ生长

半导体材料的生长有很多方式，如液相外延（ｕ吧）、ＭＯＣＶＤ、分子柬外延（ＭＢＥ），这些方式各有优势，ＬＰＥ的生长精度不高，但成本较低，ＭＢＥ能够精确到单原子层，但不能批量生产，而ＭＯＣＶＤ解决了高难生长技术和量大面广所要求的低廉价格之间的矛盾，是目前光电器件生长的主要方式。

２．２．１ＭＯＣＶＤ技术概述

ＭＯＣＶＤ又叫金属有机化学气相外延（ＭＯⅥ）Ｅ），是目前应用十分广泛的气相外延生长技术。它是Ｍａｎａｎｓｅｖｉｔ在１９６８年提出的制备化合物半导体单晶材料的方法［５１１６１。８０年代以来得到了迅速的发展，日益显示出在制各薄层异质材料，特别是在生长量子阱和超晶格方面的优越性。ＭＯＣＶＤ采用ⅡＩ族、Ⅳ族的金属有机化合物（如ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＴＭＡＩ）和Ｖ族、Ⅵ族元素的氢化物（如ＡｓＨ３、ＰＨ３）作为源材料，以Ｃｐ２Ｍｇ和Ｓｉ也为掺杂剂。ＩＩＩ族、Ⅳ族的金属有机化合物源材料放在鼓泡器中，用氢气或惰性气体作为载气，将其携带出来与Ｖ族、Ⅵ族元素的氢化物源材料混合，通入反应室。当它们流经加热衬底表面时，在衬底上发生热分解反应，外延生成化合物晶体薄膜。ＭＯＣＶＤ技术反应式一般可表示为【７］

Ｒ—Ｍ＋恐一Ｍ２一Ｍ—Ｍ２＋Ｒ一心个

Ｍｌ＝ＨＩＭＩ＝ＩＩＭ１＝ＩＶＲＩ＝ＣＨ３、Ｃ２Ｈ５

Ｍ２－ＶＭ２＝ＶＩＭ２＝ⅥＲｌ对ｉ、ＣＨ３、Ｃ２Ｈ５

Ｒｌ－Ｍ１和Ｒ２一Ｍ２为反应的有机源材料。作为ＭＯＣＶＤＭＯ源，一般有以下要求【８】：１．常温下为液体，有适当而且稳定的蒸气压，通过控制源温、源压和载气流量来保证能重现和精确控制进入反应室的源的剂量。

２．适当的热分解温度，在外延生长温度下基本完全分解，以提高源的利用率。在生长温度下活性较低，不与配合使用的其他源发生预反应；在储存温度下要求稳定。

３．易于合成与提纯，易于提纯到９９．９９９％以上的高纯度。

４．低毒性与可接受的价格。

源化合物缩写熔点（℃）ａｂ

舢（ＣＨ３）３ＡＩ皿讧Ａｌ１５８．２２４２１３４．８３

源

（Ｃ２Ｈｓ）３ＡＩＴＢＡｌ．５８１０．７８４３６２５

Ｇａ（ＣＨ３）３Ｃｒａ羽旧ａ．１５．８８．５０１１８２４

源

（Ｃ２Ｈｓ）３Ｇａ１１ＢＧａ．８２．５９．１７２２５３２

ｈ（ＣＨ３ｈ１．ｎ卫Ⅵｍ８８１０．５２０３０１４

源（ＣａＨ５）３Ｉｎ弛－３２１１．０５４２８５ｌ

ＭＯＣＶＤ技术日益受到广泛的重视，主要是由于具有下列一些显著的特点：

１．可以合成任意组分组成的人工合成材料，形成厚度精确控制到原子级的薄膜。用来生长化合物器件的各组分和掺杂剂都是以气态通入反应器，而固相组分又直接与气相组分相对应。因此，可以通过精确控制各种气体流量来控制外延层的组分、厚度、导电类型和载流子浓度。可以通过迅速改变气体组分和流速生长薄到几埃、十几埃的薄层和多层结构。

２．可制成大面积均匀薄膜。因为材料生长的速率是由材料表面上反应的分子密度或浓度决定的，在一定的温度下，气体分子密度是由气体压强唯一地决定。由于晶体生长是在单温区内以热分解进行，所以只要精确控制气体流量和衬底温度即可保持恒定的生长速率，工艺简单，便于获得大面积、厚度和组分均匀的外延片及实现多片生长，适于工业化批量生长。

３．纯净的材料生长技术。由于不使用液体容器（例如坩埚）及低温生长的气相反应，使得污染来源减到最少。而且有机源特有的提纯技术使得ＭＯＣＶＤ技术比其他半导体材料生长技术生长的材料纯度提高了一个数量级。

４．灵活的气路控制技术。气体源的快速切换保证了陡峭异质结界面的形成。生长过程全自动化控制，使得人为随机因素减至最小，保证了重复性。晶体生长速率与ＩＩＩ族源的供给量成正比，因而改变输运量，就可以大幅度地改变外延生长速度（Ｏ．０５～１ｕｍ）。

５．低气压外延生长是ＭＯＣⅥ）技术中很有特色的技术。ＬＰ－ＭＯＣＶＤ的低气压，可以减少生长过程中的存储效应和过渡效应，因而减少杂质缓变和组分缓变，生长出陡峭的外延层界面；可以减少某些气相中有害预反应，便于生长ＩｎＰ、

ＩｎＧａＡｓＰ等含Ｉｎ、Ｐ组分的化合物外延层。ＬＰ－ＭＯＣＶＤ的高速气体改善衬底上方温度和反映剂的均匀性，有助于改进生长层的均匀性。

２．２．２ＭＯＣＶｌ０生长设备

ＭＯＣＶＤ装置从反应室来看有立式和卧式，加热方式有高频感应加热和辐射加热，工作气压有常压和低压。ＭＯＣＶＤ系统一般包括气体处理系统、反应室、控制系统、尾气处理系统和安全报警系统。

图ｉＭＯＣＶＤ系坑示意图

１．气体处理系统：

气体处理系统包括了源气的供给，分配和输运。

图２气体处理系统

管道中的气流是通过响应速度快、控制精度高的质量流量控制器（１ｖＩＦＣ）、压力控制器（Ｐｃ）、电磁瞬和气动阀组合使用来实现控制的。源材料注入反应室由平衡气压系统控制，保证了注入气压的稳定性。气体的输运管道都是不锈钢管道。为了防止存储效应，管道内进行电解抛光。管道的街头采用氩狐焊或ＶＣＲ方式连接。

２．反应室：

反应室中核心部分是基片加热和高速旋转的转盘。反应气体氢化物和金属有机化合物由高纯氢携带，从反应室顶部高速喷出，到达被加热高速旋转的基片表面附近混合，进行化学反应，在基片表面实现外延生长。基片台转盘表面附近反应剩余产物在高速旋转的基片台作用下被撒向基片表面以外，新的反应气体不断被喷射向基片表面。始终保持在基片表面附近不存留已反应中间产物，基片表面的反应始终是新的反应气体在进行，始终保持基片的外延层晶体生长过程一致。

反应室内部装有辐射加热系统，加热板通过热辐射加热距离很近的托盘支架，再以接触传输的方式传热给衬底托盘和衬底。反应室内表面通流量恒定的高纯氢气，形成“罩流”，把源材料气体与反应室的金属壁隔离。一方面可以限制源材

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料在温度精确控制的衬底表面，一方面可以保护反应室内壁的清洁。反应室外表面，尤其是上方一般通冷却水，使得气体首先遇到的热体是衬底。

Ｈ２口放１ｔ２Ｖ摊Ｉｔ２

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Ｉ｜｜！

图３反应室示意图

３．尾气处理设备：

尾气主要有两个来源。一是“ｖｅｎｔ”管道中排出的携带有源材料的气体。为了减少输入气体流速的变化，携带有源材料的气体有时被旁路有时通入反应室。旁路时，就成为了尾气。二是经过反应室反应但末分解的气体。反应气体经过反应室反应大部分气体已分解，仍有小部分气体未反应，成为尾气排出。

尾气处理系统是一个毒气吸收器（ＴｏｘｉｃＧａｓＡｂｓｏｒｂｅｒ），内部装有活性炭，主要用来吸收ＡｓＨ３、ＰＨ３。后面有两个反倒流瓶，用来使系统与外界大气隔离。

尾气进＾却广］［

在材料生长的过程中，气态的ＡｓＨ，、ＰＨ３进入ＴＧＡ后，被吸附在活性炭表面，排放到大气中的主要是氢气和少量甲烷。材料生长结束后，将Ｎ２和少量空气通入ＴＧＡ中，吸附在活性炭表面的缸Ｈ３、ＰＨ３被氧化成Ａｓ２０３和Ｐ２０３和水。Ａｓ２０３和Ｐ２０３以固态的形式留在ＴＧＡ中，排到大气中的是Ｎ２和反应剩余的空气以及反应生成的水。

４．控制系统

控制系统负责控制气体流量、压力、衬底温度和气路中各种阀门等。它控制ＭＯＣＶＤ系统按照设计的程序运行。控制系统中的安全连锁装置可以防止人为的误操作，并在事故时自动进入系统保护状态。

５．安全保护和报警系统

为了安全，ＭＯＣＶＤ具有ＡｓＨ３、ＰＨ，毒气泄漏检测仪和氢气泄漏检测仪。一旦出现不安全因素，系统将立即停止生长，关闭所有的气动阀，停止任何气体进入ＭＯＣＶＤ系统，同时也停止向ＴＧＡ排气。一般在ＭＯＣＶＤ系统中，备有高纯Ｎ２旁路系统，断电或者其它原因引起不能工作时，通入纯Ｎ２保护生长的片子或系统内的清洁。在停止生长时，也通入纯Ｎ２来保护系统。为了应急断电的以外情况，ＭＯＣＶＤ必须各有不间断电源，保证系统在断电的意外情况下能够连续不

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间断供电，确保系统安全正常的运行。

２．２．３ＭｏＣＶＤ技术应用与展望

能批量进行生产是ＭＯＣＶＤ的一个突出的优点，ＭＯＣＶＤ采用气相反应使得大面积均匀生长成为可能，气相反应也从根本上消除了容器带来的污染，目前直接检测晶片外延生长过程的技术正在引入ＭＯＣＶＤ系统，各有机源气流的精确计算机编程控制以及在线检测已经可以达到精确至原子层厚度和组分控制，精确控制不仅从根本上消除了ＭＯＣＶＤ有剧毒有机源可能的危害，而且还使很贵重的有机源用量非常节省，大规模生产时其利润仍相当可观。

ＭＯＣＶＤ技术解决了高难的生长技术与量大面广所要求的低廉价格之间的尖锐矛盾，同时这种技术的发展与化合物半导体材料研究和器件制造的需求紧密相关，反过来又促进了新型器件的研制，目前各种主要类型的化合物半导体器件制作中都用到了ＭＯＣＶＤ技术，如异质结双极晶体管（ＨＢＴ）、高电子迁移率晶体管ｆｒｍＭＴ、ＭＯＤＦＥＴ和ＨＦＥＴ）、太阳能电池、激光器（ＬＤ）、光探测器、场效应晶体管（ＦＥＴ）以及发光二极管（ＬＥＤ）等是当前正在用ＭＯＣＶＤ技术进行研究、发展和生产的几种器件【１０】，而在发光器件如ＬＤ、ＬＥＤ的生产中。广泛采用ＭＯＣＶＤ技术生长进行批量生产已是不争事实，它的优点是可以选择多种金属有机化合物作为源材料，具有生长多种组分化合物半导体的灵活性，并且可以通过改变组分来调节发光波长，目前ＧａＡＩＡｓ、ＩｎＧａＡＩＰ、ＧａｌｎＮ、ＩｎＧａＡｓｆＰ）系的半导体发光器件已经产业化。

到目前为此，ＭＯＣＶＤ技术得到长足发展，取得了多项新进展，主要体现下面几个方面：（１）设计了新的反应器结构，改善了大面积生产时外延层组分和厚度的均匀性；（２）将光子引外延过程，开发了光诱导ＭＯＣＶＤ技术；（３）利用掩膜技术或聚焦的激光束扫描，进行ＭＯＣＶＤ的选择生长；（４）利用Ｖ族的烷基化合物代替ＡｓＨ３等剧毒气体，提高了外延系统的安全性。ＭＯＣＶＤ技术的这些新进展已经或将会对微波器件和光电器件的研制产生很大的影响，但它的重要缺陷是缺乏实时在位监测生长过程技术，最近提出用表面吸收谱来实现在位监测。对于一些特殊的器件如：超大面积太阳能电池、电致发光显示板和高温超导层的材料生长，考虑到这些多元化合物作为原材料的稳定性和蒸汽压并不总是彼此类似，完全基于目前的ＭＯＣＶＤ技术进行生长，可能是不够的，可利用几种技术联合起来，如ＭＯＣＶＤ－ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ－ＣＶＤ等等，预料还会出现与ＭＯＣＶＤ有关的新生长技术。ＭＯＣＶＤ技术在半导体材料和器件制各方面取得了巨大的成功，但它仍是一种发展中的半导体超精细加工技术，ＭＯＣＶＤ技术的进一步发展将会给微电子和光电子技术带来更广阔的前景。

２．２．４ｌｎＧａＡｓＰ／ｌｎＰ量子阱材料的ＭＯＣＶＤ生长

ｌｎＧａＡｓＰ量子阱材料是以ＩｎＰ衬底生长于其上的，这种半导体材料由于不含有ＡＪ组分，能大量减少在ＭＯＣｖＤ高温淀积过程中所带来的碳与氧的污染，对制造高质量的单晶薄膜材料有益。尽管如此，要生长出符合要求的Ｉｎ。Ｇａｌ。ＡｓｖＰｌ＿ｖ材料还是有相当大的难度，因为既要与ＩｎＰ衬底晶格匹配又要使发光的波长符合特定的范围，这就要求在生长过程中能精确地控制ｘ与Ｙ的组分，这是有一定难度的，要求技术人员对ＭＯＣＶＤ生长设备相当了解且要有很丰富的生长经验。ＩｎＧａＡｓＰ材料的ＭＯＣＶＤ生长一般采用低压状态，原因是：（１）在生长不同组分的各层时，前一层组分对后一层组分的影响和自掺杂减小到最小：（２）能避免气相中的寄生反应和ＰＨ３在进入反应器以前就发生分解；（３）由于Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３的反应速度比Ｇａ（Ｃ２Ｈ５）３快得多，通过减压能抑制其反应速度。我们生长所使用的

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ＭＯＣＶＤ设备是美国ＥＭＣＯＲＥ公司出品的ＧＳ／３２００系统，是适合于生长半导体光电材料的理想设备，材料生长常用的Ⅲ族源是ＴＭＧａ和ＴＭＩｎ，ＴＭＩｎ是固体，使用时重现性较差，现在有一些改善的方法，ＴＨｉｎ虽然是液体，但它极易与ＰＨ３发生寄生反应，降低生长质量，故不常用。Ｖ族源用ＰＨ３和ＡｓＨ３，Ｐ型与Ｎ型掺杂剂分别是ＤＥＺｎ和ＳｉＨ４，载气是高纯Ｈ２，衬底是（１００）取向掺Ｓ的ｎ＋一ＩｎＰ。

实验中所生长的多量子阱器件结构图如下所示：

Ｃ，ｏｎｔ∞ｔｌａｙｅｒ－－－——ｐ＋－ＩｎＯ吐ｓ，小．５４１０１８ｃｍ＂３

ＵｐｅｒＳｅ蛐】邑弘ｚ——ＣＭ击ｎｇｌ６，Ｈ—ｐ．１蛳，１０１７ｃ，ｍ－３

Ｂ㈣Ｔ——＼；ｍ毗０Ｐ（１３１瑚）

讯Ⅱ——Ｘ１万ｉ－ＩＩｏ吐０Ｐ（１．６删

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跏娲ｒｈ弘ｒ—●——ｐ，－ＩｎＰ，．ｕ：．Ｔ，＇１０１８ｃｍ－３

Ｓｄ峪＇ｔｍｌｅ．．．一●——ｎ斗－ｈＰ

图５ＳＣＨ－ＸＱＷ的锫构示意图

器件的生长顺序如下：在重掺Ｓ晶向（１００）的ＩｎＰ衬底上依次生长ｎ－ＩｎＰ缓冲层（Ｓｉ掺杂），不掺杂的下波导层，不掺杂的四量子阱结构的有源区（Ｌｗ－固ｎｍ，ＬＢ＝１５ｎｍ），不掺杂的上波导层，Ｐ－ＩｎＰ盖层（Ｚｎ掺杂），Ｐ＋．Ｍａ触欧姆接触层（Ｚｎ掺杂）。

在生长之前，必须对ｈｌＰ衬底进行仔细的清洗，其过程如下表：

表２１１１Ｐ村底的清洗

超声清洗Ｃ－＇Ｉ－１３０Ｈ５分钟ａ￡ＩＭＣｌ２１０分钟

Ｃｈ３０Ｈ５分钟

腐蚀Ｈ２０：ｔｔ２Ｓ０４：１４２０２＝１：３：１１分钟

腐蚀停止后Ｈ２０，ＣＨ３０Ｈ

经过检查ＭＯＣＶＤ设备各项运作指标无异后，衬底放入生长炉就可以进行生长，但要能生长出符合要求的量子阱材料，生长的各项参数应该谨慎设定好，如下表：

表３ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｏＰ量子阱材料的生长条件

生长温度℃ＶｍＩ、ｊ｜Ｖ（Ｐ／Ａｓ）Ⅲ皿（Ｉ们ａ）

ｈＩＰ６００２５０

ＩｎＧａＡｓＰ（１．３ｕｒｎ）６００８０，－－２￣２．１

ＩｎＯａＡｓＰ（１．６ｕｒｎ）６００１００～３５－３．４

从上表中可以看出，ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子阱材料的生长比较复杂，不仅要控制Ｖ／ｍ，还要控制Ｖ／Ｖ和ＩＩＩ，ⅡＩ，特别是ＰＨ３和ＡｓＨ３热稳定性差异较大，后者容易分解，Ａｓ优先进入固相，从而导致固相组分控制较困难。

如果要生长高质量的量子阱材料，必须严格控制阱和垒的厚度、组分以及界面的陡度，而这要求在生长过程中还要注意以下几个方面：

１．中断生长。在ＭＯＣＶＤ技术中，中断生长是指在生长异质界面时，切断ＩⅡ族源，停止～段生长时间后，再输入Ⅲ族源开始后续外延层的生长，在中断生长时，既可以不通入Ｖ族源（只通Ｈ２），也可以根据需要分别通入不同的Ｖ族源。由于

ＭＯＣＶＤ的晶体生长反应是在高温（６００℃）下热分解中进行的，外延层中的ＩＩＩ族原子与Ｖ族原子的挥发性差别较大，在新生的外延层与待生的外延层生长中断期间，为了防止新生的外延层中的Ⅲ族原子从其中挥发出来，劣化新生外延层的光滑平整表面，必须在此中断期间，当ⅡＩ族源源气关断以后，继续开通一段时间（～１０秒）Ｖ族源气，以期对新生外延层的后沿界面进行空流保护【１１】［１２】。另一方面，由于Ⅲ族源气有～定的存储效应，因此刚生长完的外延层所需要的ＩＩＩ族源气会对后续待生长的外延层的前沿界面有影响，基于这一点，也有必要采取中断生长，用Ｖ族源气加上高速大流量载气进行冲洗。中断生长能保证异质界面生长干净，特别是在ＩｎＰ到ＩｕＧａＡｓＰ过渡区大的界面生长，选择合适的短时间中断方式是必要的。

２．组分的控制。ＩｎＧａＡｓＰ量子阱材料的组分决定着发光波长的长短及晶格常数的大小，所以组分的精确控制是器件制作是否符合要求的关键。由于阱层很薄，直接进行组分分析比较困难，关于量子阱组分的控制主要是从研究一般微米级厚的外延层的数据外推而来的。通常认为固相中Ｉｎ／Ｇａ原子数比正比于气相中的Ｐ曰Ⅱ。／Ｐｎ‰，有经验公式Ｐｎ血／Ｐｎ蛔。＝ｘ，Ｃ（１－ｘ），Ｘ是ｈ原子所占的比例，Ｃ是一个经验常数，它可以通过测量材料的Ｘ射线衍射图中零级卫星峰和衬底峰之间的角距求出。

３．阱层厚度的控制。生长层的厚度也是一个难以精确控制的量，如果有源区阱层与垒层的厚度有较大的误差，这对于器件的影响是不言而喻的。在一定的生长条件下，外延层的厚度等于生长速率与时间的乘积，生长速率通常是由微米级外延生长求得的，研究表明，这种推算出来的生长速率也适合于极薄层厚度的控制（￣ｎｍ），尽管有实验结果显示在生长每一个阱层的初期，生长速率有一个超过正常体材料生长速率３￣４倍的极大值，然后再稳定到正常值，但目前有实际生长过程中仍采用前面介绍的方法来估算阱层厚度是可行的。

２．３材料的测试与分析

影响ⅡＩ—Ｖ族化合物半导体光电器件性能与可靠性的因素是多方面的。如：各层的厚度、组分、带隙、界面失配等结构因素；缺陷、位错、应力、界面粗糙、深能级杂质、不均匀掺杂等外延晶片质量因素。外延晶片可以通过观察其表面来判断生长质量，如外延晶片表面出现“麻点”、白色雾状斑、表面呈浅蓝色、有平行状或蝌蚪状网络等，这些都是外延晶片质量较差的标志。但是有时晶片表面的光洁平整并不能说明内层生长结构是完美的，要分析晶片内的结构参数，只有通过一些仪器检测，才能作出判断，这样经过表观与仪器检测，对外延晶片生长质量进行评估，发现晶片生长的问题，找出改进晶片质量的工艺途径。ｘ射线双晶衍射［１３１、光荧光ＰＬ［１４１、电化学ｃ．ｖＢ５］是外延片研制过程中非常重要的三种测试手段。

２．３．１ｘ射线双晶衍射表征

ｘ射线双晶衍射技术广泛应用于测定半导体异质结的结构、应变及其生长质量［１６１１１７１，，这是由于这种测试技术不需要复杂的样品制备，不破坏样品，而且双晶摇摆曲线对晶体结构的变化非常灵敏，通过模拟实验所测量的双晶摇摆曲线，可以精确地得到外延层中的结构变化信息，如应变分布、界面状态及厚度等有用参数［１８］［１９１１２０１。随着量子阱材料的发展与应用，ｘ射线双晶衍射也被广泛应用于测定这种材料的结构参数，通过运用ｘ射线运动学衍射理论［２１１或动力学衍射理论［２２１对量子阱材料的摆动曲线进行计算模拟，可以得到多层结构的组

分、厚度、应力等信息。比较起来，运动学理论的物理意义相当明显，计算量较小，与之相比，动力学理论的计算要复杂得多，物理意义也没有这样明确，但它依据的理论基础更加严谨，获取的信息更加精确。

实验测量得到ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子阱材料的ｘ射线双晶摇摆蓝线如下图所示：

２Ｂ（。）

图６ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ多量子阱结构的ｘ—ｒａｙ双晶摇摇曲线

从上图可以看出，多量子阱的ｘ射线双晶摇摆趋线有其自身的特点，一般由一个外延衬底峰与一组强度不等、峰之间的角间距相同的衍射峰组成，对于生长质量好的量子阱样品，则在主衍射峰之间还会出现干涉的小峰，但是衍射峰中的“零”级主峰以及强度分布的确定是较困难的，在小应变系统中“零”级峰往往具有最高的强度，而在大失配系统中则会出现衍射消光的现象【２１】，给结构参数的精确测定带来难度。文献ｆ２３】对运动学衍射的理论模型作了详细的推导，得到了能计算出多量子阱结构的周期Ｄ、周期数Ｍ、平均应变及分层厚度的公式如下：

Ｄ：ｉ啦ｋ（１）

△以ｓｉｎ（２％）

Ｍ：堡（２）

△％

等＝［ｅｏｓ（Ｔｎ。，Ｄ）】２（３）

』１

／Ｘ０。是蜂的主极大值之间的角度，△０Ｍ是相邻主极大值间的次极大值之间的角度。但当要求得到进一步的信息如各层的组分、厚度、界面间的平整度、过渡层的宽度等，由运动学理论并不能得到结果，这就要求更为准确的动力学模型［２４１，它是以高木方程为基础，通过考虑各层外延层的多次反射，得到第ｋ层外延层的两个界面处的反射率迭代关系：Ｒ。：—ＲｋＳ＋ｉ（Ｅ＋ＢＲ—ｋ）ｔａｎ（－ＤＳｔｋ）（４）

‘“

Ｓ—Ｉ（Ｂ＋ＡＲｋ）ｔａｎ（－ＤＳｔｔ）

然后从衬底界面出发，利用上式逐层向上迭代，就可以得到样品表面的反射率振幅，取其平方即为样品表面处的反射率，而实验测得的Ｘ射线双晶摇摆曲线是参考晶体与被测样品反射曲线的卷积［２５１：

月ｃ（卢）＝叩ＩＲ。（ａ）Ｒ“（口一ｆ１）ｄａ（５）

式中，Ｒｊ与Ｒ１１分别是参考晶体与被测样品的反射曲线，Ⅱ是常数，１３是第二晶１６

体入射束偏离Ｂｒａｇｇ角的角度。如果知道各层厚度与组分的大致取值范围，就可以用上式进行模拟计算，通过调整各层的厚度与组分使模拟曲线与实验曲线相拟合，如果两条曲线达到了最佳的吻合，此时所依据的厚度与组分就是各层的实际参数。另外，动力学模型对界面的粗糙程度、薄膜的应变等都有较好的描述。２．３．２光荧光ＥＬ测试

当半导体材料受到激发时，电子从价带跃迁到导带，从而产生非平衡载流子。处于高能态的（导带底）的非平衡电子可以直接越过禁带与价带中的空穴复合，也可以通过缺陷或杂质引入的带隙能态与价带空穴复合，如复合时伴以发射光子，则称为辐射复合，否则称为非辐射复合。光荧光测试是采用光激励的方式，是光致发光的形式，具有样品制备简章、灵敏度高和非破坏性等优点，是半导体材料的光学性质研究中广泛使用的光谱技术之一。

激励光源一般是激光器（如５３２ｎｍ，要求其光子能量比半导体材料的带隙大）。激光入射到被测的半导体材料上，入射光在向材料内部传播的同时也被能带隙小于或近似等于光子能量的材料所吸收，从而产生非平衡载流子，在经过极短时间（～ｌＯ也ｌＯ以ｏＳ）的弛缓后到达能带边缘，复合后发出的各种能量的光子通过单色仪分光和光检测器将光信号转变为电信号而得到ＰＬ谱。由于跃迁几率不同，只有能带隙较窄的材料才有明显的荧光峰。

荧光峰的形状、强度、半宽度、曲线的光滑度等都有材料的能有效带隙、质量优劣的信息。光荧光的测试对材料生长质量的状况比较敏感，荧光峰半宽度与缺陷、位错等有密切的关系，荧光强度与非辐射复合中心有关，峰波长的变化是由于ＭＯＣＶＤ反应室中气相组分变化（或源的流场分布）以及衬底温度变化所致，曲线的光滑度可能与界面粗糙度及材料吸收有关，此外，光荧光测试对测试点的位置也非常敏感，它可以方便地提供材料横向均匀性的信息。一般来说，在相同的材料、结构与入射光功率下，荧光峰强度越高、半宽度越窄、曲线越光滑，则该种材料质量越好。下图是ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子阱结构材料的ＰＬ谱：

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图７ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子阱的ＰＬ谱

光荧光ＰＬ还可以用来测量材料的组分，其特点是高精度（可以反映出很小的数值变化）、低准确率（与采用的计算方法和分析模型有关），对于四元系的材料需要考虑两个独立变量来计算组分：ＰＬ发射波长（确定能带间隙）和ｘ－ｒａｙ双晶摇摆曲线（给出晶格常数）。其次，如果将光源由激光器换成白光光源（如碘钨灯），则可以利用白光干涉原理来测量薄膜的厚度，当光照射到多层结构的表面时，光被样品上具有不同折射率的每一层界面反射回来，每一界面之间的反射光发生干涉作用产生干涉图案，其频率取决于每一层的光学厚度，光干涉测厚的基本原理如下：

２ｎ。ｈｃｏｓ０±１／２＝ｍ五，ｍ＝０，Ｉ，２……（６）１７

２ｎ。ｈｃｏｓＯ±２／２＝ｍ２，ｍ＝１／２，３／２，５／２……（７）

对反射光谱作傅里叶转换能得到对应于干涉图案波长的一组峰，由此可计算各层的厚度，但是对于多层结构如果直接对反射光谱进行傅里叶变换，将会产生大量的干涉峰以至于难阻进行数学处理，ＢＭ．Ｌａｃｑｕｅｔ推导了一个简单的公式解决了这一难题【２６】。

２．３．３电化学ｏ－ｖ测试

利用ｐｎ结或肖特基势垒在反向偏压时的电容特性，可以获得材料中杂质浓度及其分布的信息，这类测量称之为ｃ．ｖ测量技术，这种测量技术能使我们获得外延层中的有意掺杂与非故意掺杂的情况，从而来调整生长工艺提高外延晶片的生长质量。

传统的ｃ．ｖ测量需要制备一个金属一半导体相接触的肖特基结二极管，由于测量的对象是结或势垒，因此该方法的纵向分布的可钡４深度受到了结或势垒雪崩击穿的限制，但电化学ｃ．ｖ测量采用选择好的电解液与半导体样品接触形成肖特基结，在一个不变的低反偏压下，采用一边剥蚀掉与电解液刚接触过的已经测完的半导体薄层，一边接着测量下一层半导体薄层的微分电容来获得半导体样品掺杂轮廓的信息。利用耗尽层的ｃ．ｖ关系可以计算出半导体材料不同深度的载流子浓度分布，其函数关系如下：

Ⅳ＝去，砑Ｃ面３（８）

式中，Ｎ是载流子浓度，Ｃ是电容，Ａ是势垒结面积。利用可控电极溶解和原位ｃ．ｖ测量，按“测量—刻蚀一测量一刻蚀…”的方式来逐层剥蚀，逐点测量半导体材料的载流子浓度值，从而得出载流子浓度随深度分布的剖面曲线。耗尽层深度由平板电容器公式给出：ｗｄ爿８０ｅ／ｃ），而腐蚀层深度由法拉第定律来计算：Ｗ，＝（Ｍ／ＺＦｄ）ＸＪ．Ｉｄｔ，则总深度、Ⅳ＝Ｗ矿Ｗ，

在电化学ｏ－ｖ测量中，由于半导体材料与腐蚀液形成韵肖特基结是整个测试回路的主体部分，所选用的腐蚀液是否适合被测的半导体材料，直接决定了该势垒结电极是否可控腐蚀、腐蚀的速率、腐蚀后结面是否平整以及结电阻、结偏置电压、结偏置电流的大小等，所以对于这种测量技术关键是找到一种适用的腐蚀液，优化测量参数特别是测量电压和腐蚀电流的选取，才能得到准确可靠的结果。２．４器件制作工艺

半导体激光器的制造工艺从原理上与半导体电子器件的工艺有很多相似之处，但由于光电子器件的材料、结构及性能方面的特殊要求，制造中采用很多新工艺、新技术，尤其是量子阱与超晶格结构的器件。下图是氧化物隔离条形（ＯＩＳ）半导体激光器的制各工艺流程：

圆圆圈

豳圈一圆一圈一囹一圈一固丫圆南～

２．４．１衬底准备与外延

衬底的选择是激光器制造的第一步，必须考虑与形成异质结材料的品格匹圈图８半导体激光器的散谴工艺流程配，要有一定的晶向或偏离一定角度，要有适当的掺杂浓度，表面与内部的缺陷要少，表面平整、光亮、无划痕，要有一定的厚度以保证其有较强的机械强度，对于ＩｎＧａＡｓＰ量子阱结构材料，其生长衬底是高度掺Ｓ晶向（１００）的ｎ＋４ｎＰ。外延生长工艺是激光器制造工艺中的核心工艺，它是决定器件性能和成品率的关键步骤，在４．１中我们已经详细讨论了ＩｎＧａＡｓＰ量子阱材料的ＭＯＣＶＤ生长。２．４．２淀积与腐蚀

淀积Ｓｉ０２或ｓｉ３Ｎ４薄膜是为了使外延层在扩散或腐蚀时起到掩蔽的作用，这是半导体制造工艺中的常规工艺。但对于ＩｎＰ系的半导体激光器的制造而言，由于ＩｎＰ材料在高温下有热腐蚀作用，所以一般用低温沉积工艺。腐蚀是根据激光器设计的结构和所用的材料来制各所需要的各种形状的重要工艺环节，分为两类：湿法与干法腐蚀，适用范围是不同的，一般情况下用湿法腐蚀来得到形状各异的Ｖ形、梯形、台阶、脊形等，而干法腐蚀主要用于微小结构的精细刻蚀，比较复杂。对于ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ材料采用化学湿法腐蚀常用的腐蚀液有ＨＣＩ、３Ｈ２Ｓ０４＋Ｉ－１２０２＋Ｈ２０、Ｂｒ２＋ＣＨ３０Ｈ等。

２．４．３电极制各

电极制作又称为欧姆接触制备是制造激光器工艺中看起来非常简单但十分重要的工艺，其性能的优劣不仅影响器件的功率转换效率，而且也关系到器件工作的热状态，直接影响器件的可靠性寿命，到目前为此，各类型的激光器的欧姆接触已有成熟的工艺，但其过高的电阻率还是需要克服的障碍。对于ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子阱激光器的欧姆电极的制备，ｎ．ＩｎＰ的欧姆接触材料用得最多的是Ａｕ．Ｓｎ，厚度约为１５００Ａ．２０００Ａ，合金温度是４３０℃，时间１．３分钟。也有采用Ｉｎ－Ｓｎ．Ａｇ系统的，厚度约为２０００Ａ．２５００Ａ，合金温度在４００℃下恒温０．５．２分钟，这些制各方式都能得到约１０。４Ｑｃｍ。２的比接触电阻。而ｐ－ＩｎＰ材料多采用ｚｎ．Ａｕ，也有采用Ｍｇ．Ａｕ或Ｔｉ－Ｐｔ的，合金条件类似于ｎ—ＩｎＰ材料，但其比接触电阻不如ｎ型材料低。

２．４．４后步工艺

解理技术是将已做成器件的芯片分解为单个管芯的手工技术性很强的工艺，

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