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通信光电子半导体材料异质兼容的理论与实验研究

作　者: 熊德平
导　师: 任晓敏
学　校: 北京邮电大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 第一性原理计算 能隙弯曲参数 异质外延 光电子集成
分类号: TN304
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


本论文研究工作是围绕任晓敏教授为首席科学家的国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”（项目编号：2003CB314900）中课题一“单片集成光电子器件的异质兼容理论与重要结构工艺创新”（项目编号：2003CB314901）、任晓敏教授承担的国家自然科学基金“光信息功能材料”重大研究计划重点项目“GaAs、InP基功能楔形结构材料工艺研究及在新型光电子器件中的应用”（项目编号：90601002）展开的。新一代光纤通信系统的发展必然要以新型通信光电子集成器件作为支撑。而通信光电子集成器件研究所面临的最突出问题是半导体材料兼容、结构兼容和工艺兼容，而如何实现半导体材料的异质兼容最为重要，它包括两方面内涵，一个就是不同晶格匹配材料系间的兼容，简称为“异系兼容”；一个就是同一材料中不同带隙材料之间的兼容，简称为“异隙兼容”。本论文围绕着不同材料系间的“异系兼容”问题开展了大量的理论和实验工作，并基于“异系兼容”实验方面取得的成果，在GaAs基单片集成InGaAs／InP光探测器方面也进行了相应的实验研究，综合上述几方面的工作，已取得了以下主要研究成果：1．计算了BP、BAs、BSb的能带结构，得到了它们高对称点（Γ，L，X）的能隙，并通过与实验值的比较，预测了它们的能隙计算偏差，为推导含B三元系的实际能带结构打下了基础。2．计算了三元系BxGa1-xAs和BxGa1-xSb在B小含量范围（0％－18.75％）内的电子性质。BxGa1-xAs具有一个相对较小且与B含量关系不大的直接跃迁(Γ1c-Γ15v)能隙弯曲参数2.6eV，并且随着B的掺入此能隙增大，平均为～19meV／B％；BxGa1-xSb的直接跃迁(Γ1c-Γ15v)能隙弯曲参数为2.1eV，随着B的掺入此能隙仅以～7meV／B％速度增大；对比它们的混合焓，可预测BxGa1-xSb中B的并入比至少为6％。3．计算了十种含B三元系的直接(Γ1c-Γ15v)和间接跃迁(X1c-Γ15v)能隙弯曲参数，在此基础上，分析了BGaAsSb、BGaInAs等6种四元系与GaAs晶格匹配时的能带结构，结果表明：BGaInAs、BInPSb、BInAsP的直接跃迁(Γ1c-Γ15v)能隙可能覆盖光纤通信1550nm波段且为最低能隙，从而为GaAs基长波长光电子集成器件的发展提供了新的思路。4．通过插入InP／Ga0.1In0.9P应变层超晶格（SLS），进一步提高了采用低温缓冲层法生长的InP／GaAs（100）外延层晶体质量。InP外延层厚度为1.2μm时，其X射线衍射（XRD）的（400）ω-2θ及ω扫描的半高全宽（FWHM）分别为325arcsec和371arcsec；InP外延层厚度增加到2.6μm时，相应的FWHM降为203arcsec和219arcsec，经计算其位错密度为107cm-2量级。TEM测试表明SLS有效地阻挡了线位错在外延层中的延伸。5．采用低温缓冲层法并辅助SLS，在GaAs（100）衬底上生长10周期的InP／In0.53Ga0.47As量子阱（MQW）。XRD显示较清晰的卫星峰，由其角间距计算的周期厚度与生长设计值吻合；室温光荧光谱（PL）的中心波长位于1625nm，其FWHM为47meV，此MQW光学特性与InP衬底上制备的相同MQW基本一致；这些表明，采用上述方法生长的InP／GaAs（100）外延层的晶体质量已基本达到制备单片集成光电子器件的要求。6．在低温缓冲层法生长的InP／GaAs（100）异质外延层上制备InGaAs／InF PIN探测器，其吸收层为300nm，台面面积为50μm×50μm时，在1550nm波长处器件的响应度为0.12A／W，对应的外量子效率为9.6％，3dB带宽达到了6GHz。7．通过优化低温GaAs缓冲层的生长条件，在Si衬底上生长GaAs外延层。对于无偏角Si衬底上生长的1.8μm厚的GaAs外延层，其XRD（400）ω-2θ扫描和ω扫描的FHM分别为440arcsec和503arcsec；改用Si（100）偏（011）4°角衬底极大地提高了外延层的晶体质量，同样对于1.8μm GaAs外延层，XRD测试相应的FWHM分别为298arcsec和338arcsec，其厚度提高到3.5μm时，XRDω扫描的FWHM为216arcsec，计算的穿透位错密度为107cm-2量级，TEM测试表明GaAs外延层中的线位错密度较低。2005年6月，973项目在中期评估中成绩优异，创新成果突出（包含本论文工作），科技部为该项目增拨研究经费200万元，以资鼓励。另外，本项目组的一项成果“高速窄线宽可调谐的解复用光接收集成器件及其关键制备工艺”，入选了2006年度中国高等学校十大科技进展，并获得了北京市科学技术奖二等奖（初评通过），并已上报国家技术发明二等奖，目前正在评审中；该成果是采用品片键合技术（准单片集成）完成的，而本论文中所取得的结果-GaAs基单片集成InGaAs／InP光探测器是其后续成果，该器件是采用直接异质外延法制备的，标志着本项目组的工作又取得了新的重要进展。

全文目录


摘要  4-7
ABSTRACT  7-11
目录  11-13
符号说明  13-15
第一章 绪论  15-19
  1.1 研究的背景和意义  15-16
  1.2 论文的结构安排  16-17
  参考文献  17-19
第二章 第一性原理计算的理论基础和CASTEP简介  19-38
  2.1 引言  19-20
  2.2 密度泛函理论(DFT)  20-29
    2.2.1 从波函数到电子密度  20-22
    2.2.2 Hohenberg-Kohn定理  22-24
    2.2.3 Kohn-Sham方程  24-25
    2.2.4 局域密度近似(LDA)与广义梯度近似(GGA)  25-27
    2.2.5 Kohn-Sham方程平面波表达  27-29
  2.3 电子与离子相互作用赝势近似  29-31
  2.4 第一性原理的算法及CASTEP软件特点  31-35
  参考文献  35-38
第三章 含B化合物新材料的理论计算  38-69
  3.1 引言  38-40
  3.2 Ⅲ-Ⅴ化合物半导体的基本特征  40-45
    3.2.1 二元系的晶格结构  40-41
    3.2.2 Ⅲ-Ⅴ半导体固溶体  41-45
  3.3 BP,BAs,BSb的电子性质  45-50
  3.4 含B三元系能隙计算  50-63
    3.4.1 超胞近似  51-52
    3.4.2 B_xGa_(1-x)As的电子性质  52-55
    3.4.3 B_xGa_(1-x)Sb的电子性质  55-60
    3.4.4 其它几种含B三元系的能隙弯曲参数  60-63
  3.5 含B四元系能隙计算  63-66
  参考文献  66-69
第四章 InP/GaAs(100)异质外延生长缓冲层技术的研究  69-108
  4.1 引言  69-73
    4.1.1 缓冲层技术  70-72
    4.1.2 InP/GaAs异质外延的概况  72-73
  4.2 异质外延晶体质量的表征技术  73-78
    4.2.1 X射线衍射技术  74-76
    4.2.2 透射电子显微镜术(TEM)  76
    4.2.3 光致发光技术(PL)  76-78
  4.3 低温缓冲层法InP/GaAs的异质外延生长  78-85
    4.3.1 单层低温缓冲层法  78-81
    4.3.2 低温InP缓冲层与正常外延层的形貌关系  81-83
    4.3.3 双低温缓冲层法  83-85
  4.4 应变超晶格在InP/GaAs异质外延生长中的应用  85-95
    4.4.1 InP/Ga_xIn_(1-x)P应变超晶格的生长  86-88
    4.4.2 Ga_(0.1)In_(0.9)P/InP SLS对InP/GaAs异质外延晶体的影响  88-95
  4.5 InP/GaAs异质外延在单片集成PIN光探测中的应用  95-103
    4.5.1 InP/GaAs异质外延衬底In_(0.53)Ga_(0.47)As/InP MQW的生长  95-100
    4.5.2 GaAs衬底单片集成In_(0.53)Ga_(0.47)As PIN探测器的制备  100-103
  参考文献  103-108
第五章 GaAs/Si的异质外延生长  108-122
  5.1 引言  108-111
  5.2 基于低温缓冲层法的GaAs/Si(100)异质外延生长  111-116
    5.2.1 GaAs/Si(100)生长的实验方案  111-112
    5.2.2 实验测试结果与讨论  112-116
  5.3 Si(100)4°偏角衬底的GaAs异质外延生长  116-120
    5.3.1 实验测试结果与讨论  116-120
  参考文献  120-122
第六章 总结  122-124
致谢  124-126
攻读博士学位期间发表的学术论文  126-127

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 一般性问题 > 材料
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