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InP/GaAs、GaAs/Si、InP/GaAs/Si异质外延生长技术及其在集成光电子器件中的应用

作　者: 吕吉贺
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: 异质外延单片集成可调谐波长选择性光探测器
分类号: TN304
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

人类通信需求量的急剧增长是光纤通信系统发展的潜在驱动力,而新一代光纤通信系统的发展必然要以新型通信光电子器件作为支撑。当前通信光电子器件正处于由分立转向集成的重大变革时期,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。本论文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规划（973计划）项目（No:2003CB314900）,及其课题组承担的国家863计划项目（No:2003AA31g050,2006AA032416,2007AA032418）、国家自然基金重点项目（No:90601002,60576018）和国际科技合作重点项目计划项目（No:2006DFB11110）展开的,针对GaAs/Si、InP/GaAs以及InP/GaAs/Si材料间的大失配异质外延生长开展了大量的研究工作,并在此基础上首次研制成功了单片集成的GaAs基和Si基新型波长选择性光探测器。主要研究成果如下所述:1、在InP/GaAs的异质外延生长方面取得重要进展。探索了InP低温缓冲层和InP/Ga_0.1In_0.9P应变超晶格（SLS）的最佳生长条件和结构参数,利用低压金属有机物化学气相沉积（LP-MOCVD）技术在GaAs衬底上外延生长出高质量的InP材料。在此基础上,在GaAs衬底上生长的2.6μm厚InP外延层的X射线衍射（XRD）ω-2θ扫描的半高全宽（FWHM）达到208arcsec,测试结果表明该外延层位错密度已降到了10⁷cm^-2量级。2、首次实现了单片集成的GaAs基长波长可调谐“一镜斜置三镜腔”光探测器。在GaAs衬底上,首先生长GaAs/AlAs法布里—泊罗（F-P）滤波腔,利用InP/GaAs（100）异质外延的低温缓冲层技术,继续生长出InP基的p-i-n光探测结构和斜面形成层。所制备的光探测器获得了51.5%的峰值量子效率、10.0nm的波长调谐范围、低于0.8nm的光谱响应线宽（FWHM）以及6.0GHz的3dB响应带宽。3、综合分析了引入楔形衬底导致的双波长现象,并制备出了单片集成可调谐双波长探测器。利用低温缓冲层技术,在生长完F-P腔滤波器的GaAs衬底上生长了InP基的p-i-n光探测结构。通过引入角度为3°的楔形衬底,使得探测器可以同时工作于两个波长（1537nm和1530nm）,此器件还有5nm以上的调谐范围,测试响应3dB带宽为6.4GHz,并探讨了其应用情况。4、在GaAs/Si外延方面取得突破。通过探索有偏角衬底、Al（GaAs）As低温缓冲层和循环热退火等技术的最优条件,在Si衬底上外延生长出了高质量的GaAs材料。对于1.2μm厚GaAs外延层,其XRDω-2θ扫描的FWHM仅为192.3arcsec,透射电子显微镜（TEM）图像显示外延材料层中位错能被有效弯曲、合并,测试结果表明在距GaAs/Si界面处0.5μm的位错密度为10⁷cm^-2量级。5、摸索出了一种GaAs层分两个阶段生长、中间插入刻槽工序（mid-pattern）的GaAs/Si无裂纹外延方法。先在Si衬底上生长1～3μm厚的GaAs层,然后通过刻槽（台面面积为700μm×800μm）释放热失配应力,最后进行二次外延,得到了13μm厚的无裂纹GaAs外延层。6、综合利用mid-patern无裂纹技术和低温缓冲层法实现了InP/GaAs/Si高质量外延。外延层包含13μm的GaAs基F-P腔和5μm的InP基p-i-n结构,由此制作出了Si基波长选择性、长波长光探测器,测试结果显示,选择波长为1495.5nm,线宽为2.0nm,暗电流仅为40.1nA。

全文目录

摘要  4-7
ABSTRACT  7-10
目录  10-12
符号说明  12-14
第一章绪论  14-21
  1.1 研究的背景和意义  14-18
  1.2 论文的结构安排  18-20
  参考文献  20-21
第二章大失配外延技术及晶体质量测试方法  21-46
  2.1 大失配异质外延的技术现状  21-30
    2.1.1 缓冲层技术  22-24
    2.1.2 柔性衬底技术  24-29
    2.1.3 选区外延技术  29-30
  2.2 金属有机化学气相沉积外延技术  30-32
  2.3 晶体生长质量的测试方法  32-40
    2.3.1 X射线衍射技术(XRD)  33-35
    2.3.2 光致发光技术(PL)  35-37
    2.3.3 扫描电子显微镜技术(SEM)  37-39
    2.3.4 透射电子显微镜术(TEM)  39-40
  2.4 本章小结  40-41
  参考文献  41-46
第三章 InP/GaAs(100)异质外延生长技术的研究  46-67
  3.1 引言  46-47
  3.2 低温缓冲层法InP/GaAs的异质外延生长  47-52
    3.2.1 单层低温缓冲层法  47-50
    3.2.2 低温InP缓冲层与正常外延层的形貌关系  50-52
  3.3 应变超晶格在InP/GaAs异质外延生长中的应用  52-63
    3.3.1 InP/Ga_xIn_(1-x)P应变超品格的生长  54-56
    3.3.2 Ga_(0.1)In_(0.9)P/InP SLS对InP/GaAs异质外延晶体的影响  56-61
    3.3.3 关于SLS方法InP/GaAs外延的应用  61-63
  3.4 本章小结  63-64
  参考文献  64-67
第四章 InP/GaAs单片集成器件的制作  67-98
  4.1 单片集成"一镜斜置三镜腔"光探测器  67-85
    4.1.1 "一镜斜置三镜腔"光探测器的提出  67-73
    4.1.2 单片集成"一镜斜置三镜腔光探测器"的外延、制备  73-78
    4.1.3 长波长"一镜斜置三镜腔"光探测器的测试  78-85
  4.2 关于楔形衬底的双波长探测现象的讨论和应用  85-93
    4.2.1 楔形衬底的双波长探测器的设计  85-88
    4.2.2 楔形衬底的双波长探测器的制备和测试  88-92
    4.2.3 应用讨论  92-93
  4.3 本章小结  93-95
  参考文献  95-98
第五章 GaAs/Si和InP/GaAs/Si异质外延及其器件制作  98-128
  5.1 引言  98-100
  5.2 热失配导致的应变和应力分布模型  100-105
  5.3 基于低温缓冲层法的Si(100)4°衬底的GaAs异质外延生长  105-111
    5.3.1 GaAs/Si(100)4°生长的实验方案  106-107
    5.3.2 实验测试结果与讨论  107-109
    5.3.3 基于Al(GaAs)As缓冲层的GaAs/Si(100)4°生长的实验方案  109-111
  5.4 基于刻槽工艺的mid-patternGaAs/Si外延技术  111-116
    5.4.1 问题的提出  111-113
    5.4.2 基于刻槽技术的mid-pattern外延实验  113-116
  5.5 InP/GaAs/Si外延及Si基波长选择性、长波长探测器的实现  116-120
  5.6 本章小结  120-121
  参考文献  121-128
第六章总结  128-130
致谢  130-132
攻读博士学位期间发表的学术论文和申请专利  132

InP/GaAs、GaAs/Si、InP/GaAs/Si异质外延生长技术及其在集成光电子器件中的应用

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