銻化物材料表面特性及微納結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、近年來，銻化物由于其獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，已經(jīng)成為制作2-5μm中紅外波段半導(dǎo)體激光器的首選材料。銻化物材料由于其窄帶隙和直接帶隙輻射復(fù)合躍遷效率高的優(yōu)點(diǎn)，使得銻化物半導(dǎo)體激光器具有效率高、外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外延生長(zhǎng)制備簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)。但是，銻化物材料嚴(yán)重的表面態(tài)問題最終引起的災(zāi)變性光學(xué)鏡面損傷（COD）一直限制著激光器的進(jìn)一步發(fā)展，尤其是限制激光器的輸出功率和可靠性。另外，波長(zhǎng)拓展以及實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)鎖定是半導(dǎo)體激光器研究和發(fā)展的重要內(nèi)容。從應(yīng)

2、用的角度來看，對(duì)具有穩(wěn)定發(fā)射波長(zhǎng)的分布反饋（Distributed Feedback, DFB）半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）的需求越來越迫切，內(nèi)置布拉格光柵是DFB-LD的重要組成部分，其性能的好壞直接決定激光器性能的優(yōu)劣。
　　因此，本論文以銻化物材料表面特性及微納結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，圍繞銻化物材料表面態(tài)以及內(nèi)置布拉格光柵的主題，深入探討和研究以提高銻化物半導(dǎo)體激光器的輸出功率和可靠性為目的的材料鈍化技術(shù)和內(nèi)置布拉格光柵制備技術(shù)。

3、通過表面微區(qū)分析技術(shù)研究銻化物材料表面特性及微納結(jié)構(gòu)。主要研究?jī)?nèi)容和研究結(jié)論如下：
　　(1)銻化物材料表面特性及微納結(jié)構(gòu)的理論研究
　　研究了銻化物材料表面態(tài)來源以及表面態(tài)對(duì)激光器性能的影響，指出表面態(tài)導(dǎo)致的非輻射復(fù)合是銻化物半導(dǎo)體激光器腔面發(fā)生COD，影響激光器性能的主要原因；分析了內(nèi)置布拉格光柵對(duì)銻化物分布反饋半導(dǎo)體激光器性能的影響。以上研究及分析為設(shè)計(jì)和制備出具有良好表面性能的銻化物材料及光柵微納結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

4、
　　(2)鈍化技術(shù)和光柵制備技術(shù)以及表征分析方法
　　為了研究GaAs、GaSb、GaAsSb高表面態(tài)的問題，介紹濕法鈍化技術(shù)和干法鈍化技術(shù)的基本原理及特點(diǎn)；介紹了 DFB-LD內(nèi)置布拉格光柵結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)；詳細(xì)闡述研究材料表面特性及微納結(jié)構(gòu)幾種有效的表面微區(qū)分析技術(shù)，如光致發(fā)光（PL）光譜技術(shù)、近場(chǎng)光學(xué)顯微術(shù)（SNOM）、原子力顯微術(shù)（AFM）、X射線光電子能譜技術(shù)（XPS）等。
　　(3)銻化物材料含硫溶液濕法鈍

5、化技術(shù)研究
　　為了克服常規(guī)含硫溶液濕法鈍化的缺點(diǎn)，提出利用4種含硫溶液的方法對(duì)銻化物材料進(jìn)行鈍化處理，包括：1)(NH4)2S中性溶液，2) S2Cl2溶液，3)電化學(xué)刻蝕結(jié)合(NH4)2S中性溶液，4)沉積ZnS薄膜層。通過PL光譜(含單點(diǎn)PL光譜和PL mapping)、AFM、XPS等表面微區(qū)分析技術(shù)研究了鈍化后GaAs、GaSb、GaAsSb表面光學(xué)、形貌等特性。結(jié)果表明，采用本文所提出的含硫溶液濕法鈍化后GaAs、Ga

6、Sb、GaAsSb發(fā)光強(qiáng)度分別提高了3~5倍、14~25倍、24~25倍，較常規(guī)含硫溶液濕法鈍化后樣品的發(fā)光強(qiáng)度均有進(jìn)一步提高。
　　(4)銻化物材料氮鈍化技術(shù)研究
　　為克服含硫溶液濕法鈍化的二次氧化問題，以及反應(yīng)副產(chǎn)物難以去除、濕法鈍化樣品表面過于粗糙等缺點(diǎn)，本文提出利用基于等離子體增強(qiáng)原子層沉積（PEALD）技術(shù)的干法鈍化——氮鈍化技術(shù)。在PEALD過程中，采用NH3等離子體（plasma）對(duì)材料表面進(jìn)行N刻蝕預(yù)處理，

7、然后在刻蝕后的表面沉積AlN薄膜。通過PL光譜(含單點(diǎn)PL光譜和PL mapping)、AFM、XPS等表面微區(qū)分析技術(shù)研究鈍化后GaAs、GaSb、GaAsSb表面光學(xué)、形貌等特性。結(jié)果表明，氮鈍化技術(shù)可以很好的抑制GaAs、GaSb、GaAsSb表面態(tài)，經(jīng)氮鈍化處理后 GaAs、GaSb、GaAsSb表面具有良好的光學(xué)、形貌等特性。獲得的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：等離子體功率200W，刻蝕400周期；AlN薄膜沉積溫度250℃，AlN薄膜

8、沉積200周期。XPS和PL光譜測(cè)試分析表明，在最優(yōu)工藝條件下，可以完全去除材料表面Ga-O、As-O、Sb-O鍵，鈍化后GaAs、GaSb、GaAsSb發(fā)光強(qiáng)度可分別提升2.5倍、15倍、14倍左右，而且15天內(nèi)樣品發(fā)光強(qiáng)度緩慢下降且僅下降20％，15天后樣品發(fā)光強(qiáng)度不再下降，最終PL強(qiáng)度是初始PL強(qiáng)度的80%，鈍化效果可長(zhǎng)期有效保持。
　　(5)銻化物材料內(nèi)置布拉格光柵微納結(jié)構(gòu)研究
　　優(yōu)化設(shè)計(jì)了分布反饋半導(dǎo)體激光器（D

9、FB-LD）內(nèi)置布拉格光柵的階數(shù)、周期、占空比、深度等結(jié)構(gòu)參數(shù)。確定基于GaSb的布拉格光柵結(jié)構(gòu)的參數(shù)：光柵階數(shù)為二階，周期為1μm，占空比為25%，厚度為30nm；確定基于GaAsSb的布拉格光柵結(jié)構(gòu)的參數(shù)：光柵階數(shù)為二階，周期為1.1μm，占空比為25%，厚度為30nm。通過電子束直寫（EBDW）曝光和電感耦合等離子體（ICP）刻蝕技術(shù)制備光柵；為解決GaSb、GaAsSb表面態(tài)影響 ICP刻蝕深度的問題，提出將氮鈍化技術(shù)用于該光柵