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气态源分子束外延材料生长及特性和量子级联激光器材料生长研究

李华  
【摘要】: 本学位论文围绕量子级联激光器(QCL)的材料生长、特性和气态源分子束外延(GSMBE)技术为主线展开。本文针对量子级联激光器对InP基、GaAs基异质纳米结构材料的要求,对材料的气态源分子束外延生长、质量控制和特性进行了深入的研究和分析,达到有所发现、有所创新,指导器件结构和生长工艺优化,研制出器件质量的QCL材料。主要结果如下: 1、用GSMBE技术生长了高质量的与InP和GaAs晶格匹配的Ⅲ-Ⅴ族基础材料,包括InP衬底上生长InP、InGaAs、InAlAs和在GaAs衬底上生长AlGaAs等。其中三元系外延材料的X射线衍射结果表明外延层的半峰宽仅略大于衬底半峰宽,达到了共格生长。由于作为QCL有源区阱层材料的InGaAs的质量对QCL的性能影响显著,研究了不同生长温度对InGaAs材料的结晶质量、电学和光学特性的影响,以及生长温度对InP材料的表面缺陷密度和电学性能的影响,获得了生长InP和QCL材料的优化条件。 2、用X射线衍射方法研究了InP基InGaAs、InAlAs双轴应变体系。定量计算了材料的临界厚度与组分的关系。在X射线对称衍射的基础上,加入了非对称衍射方法,精确标定了应变材料的弛豫比例。发现随着InAs摩尔组分的变化,In_xGa_(1-x)As、In_xAl_(1-x)As两种材料外延层从完全应变到完全弛豫的组分区间比较小,x的变化范围都在0.1以内。所生长的压应变In_xGa_(1-x)As(x>0.53)材料的部分应变区间要大于张应变的In_xAl_(1-x)As(x<0.52)材料的部分应变区间。 3、研究了InP基InGaAs、InAlAs和GaAs基A1GaAs材料的组分对Si掺杂行为的影响,发现InGaAs材料的掺杂浓度不受组分的影响,而后两种材料都有类似“V”形的掺杂谷,并且InAlAs材料还存在两个Si掺杂隙。揭示了两种含Al材料的掺杂谷都发生在直接-间接能带的转换点附近,表明能带转换对掺杂浓度有非常显著的影响,从能带理论和Hall测试两方面都做出了定性的解释。对InAlAs材料的变温霍尔研究表明,在掺杂谷附近它的施主离化能增加得很快,这也从实验上证实了能带类型转换点附近施主能级的异常变化。 4、研究了2英寸InP基晶格匹配的InGaAs和InAlAs材料的组分均匀性,分析了生长条件和生长方法对均匀性的影响,获得了组分波动小于±0.1%的InGaAs、InAlAs材料,为QCL和其它器件结构的生长提供了大面积均匀性的保证。研究了GSMBE单原子层控制方法,设计了精确标定材料生长速率的实验,并分别应用于晶格匹配和应变补偿材料体系,所生长的QCL有源区结构实际厚度与设计厚度误差小于2%,表明这种标定方法非常可靠。 5、研究了外延材料表面缺陷的起因和降低缺陷密度的途经。采用特殊温区结构的Ga和In束源炉以及科学地调控升降温过程,可使外延材料表面缺陷密度从10~3/cm~2降至10/cm~2,为研制高质量激光器打下优良的材料品质基础。 6、用GSMBE技术生长了一系列F-P腔和DFB量子级联激光器材料,研究了不同的注入区掺杂浓度及二元或三元系波导包覆层对QCL器件性能的影响。在亚洲首先研制出5~10gm范围内多模F-P腔QCL,实现了低温连续和室温脉冲激射。器件测试结果表明降低注入区的掺杂浓度有利于降低阈值电流密度,并且InP的波导包覆层比InAlAs有更好的散热性能。所生长的QCL结构在亚洲首先研制出7.4、7.6、7.7、8.4μm单模DVB-QCL,低温和室温阈值电流最低分别达到了574A/cm~2(70K)和970A/cm~2,最高连续工作温度达到了135K,并被成功地应用于探测N_2O气体。 本论文对GSMBE技术、InP基和GaAs基基础材料以及QCL器件结构材料的生长优化和特性研究,为量子级联激光器材料与器件的研制提供了支持和可靠依据,并为后续的MBE方面的工作提供了有参考价值的信息。


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