光電子集成中的異質(zhì)外延與新材料研究.pdf

1、本論文研究工作是圍繞任曉敏教授為首席科學(xué)家的國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目“新一代通信光電子集成器件及光纖的重要結(jié)構(gòu)工藝創(chuàng)新與基礎(chǔ)研究”(項目編號：2003CB314900)中課題一“單片集成光電子器件的異質(zhì)兼容理論與重要結(jié)構(gòu)工藝創(chuàng)新”(項目編號：2003CB314901)、任曉敏教授承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金“光信息功能材料”重大研究計劃重點項目“GaAs、InP基功能楔形結(jié)構(gòu)材料工藝研究及在新型光電子器件中應(yīng)用”(項目編號：

2、90201035)展開的。本論文重點圍繞光電子集成中的大失配異質(zhì)兼容(異材料系兼容)問題展開研究，取得的主要研究結(jié)果如下： 1.基于MOCVD技術(shù)的InP/GaAs異質(zhì)外延體系中低溫InP緩沖層表面形貌研究。實驗發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整生長參數(shù)，可以在低溫InP緩沖層表面形成不同的微結(jié)構(gòu)形貌，即，島(island)，凹坑(pits)和波紋(ripples)等。生長溫度為400～450℃時，外延層表面以InP島為主要結(jié)構(gòu)；生長溫度為500℃

3、，表面形成具有一定晶向排列的波紋結(jié)構(gòu)，而在685℃時退火90s后，波紋結(jié)構(gòu)消失，最終生成凹坑結(jié)構(gòu)，而這種凹坑結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生將更有利于應(yīng)變能的釋放。同時，進(jìn)一步理論分析表明，當(dāng)體系失配應(yīng)變能超過某一臨界值εc時，通過外延層表面起伏釋放應(yīng)力的機(jī)制占主導(dǎo)地位，此時通過調(diào)整生長溫度，可以在InP緩沖層表面將形成特殊的微結(jié)構(gòu)。該研究結(jié)果對進(jìn)一步探索InP納米微結(jié)構(gòu)的自組織行為具有指導(dǎo)意義。 2.基于MOCVD技術(shù)的InP/GaAs異質(zhì)外延體系

4、中緩沖層力學(xué)行為研究。實驗發(fā)現(xiàn)，在InP/GaAs異質(zhì)外延過程中插入450℃生長的LT-InP/LT-GaAs雙低溫緩沖層時所獲得的InP外延層的晶體質(zhì)量要好于單低溫緩沖層的情況。通過XRD的測試分析，得出雙低溫緩沖層在垂直于生長平面的方向發(fā)生了一定的形變，這種形變的產(chǎn)生有助于緩解異質(zhì)外延體系中由于晶格失配而產(chǎn)生的應(yīng)變。該研究結(jié)果表明了多層緩沖層結(jié)構(gòu)在異質(zhì)外延體系中具有類似柔性襯底的作用。 3.基于MOCVD技術(shù)的InP/GaA

5、s橫向外延(ELOG)生長動力學(xué)研究。實驗發(fā)現(xiàn)，橫向生長區(qū)域的InP表面形貌與V/III比，掩膜寬度和生長時間密切相關(guān)。當(dāng)掩膜寬度小于5μm，V/III比低于300，則橫向生長區(qū)域的InP側(cè)面起伏不平，產(chǎn)生“晶面競爭”效應(yīng)；而通過適當(dāng)增加掩膜寬度(5～20μm)，可以抑制“晶面競爭”，獲得平整光滑的外延層表面。此外，我們建立了基于MOCVD技術(shù)的ELOG生長速率模型。該模型將氣相擴(kuò)散與掩膜表面擴(kuò)散相結(jié)合，解釋了掩膜寬度、窗口寬度以及有效

6、掩膜寬度對ELOG中橫向和縱向生長速率的作用機(jī)制，并且定性討論了主要生長參數(shù)(V/III比，窗口/掩膜寬度)對橫向生長速率和縱向生長速率的基本影響。該研究結(jié)果對于實現(xiàn)ELOG生長過程的準(zhǔn)確控制具有重要的指導(dǎo)意義。 4.BxGa1-xAs和T1xGa1-xAs的第一性原理研究。提出采用團(tuán)簇近似理論建立合金隨機(jī)模型，該模型能夠充分考慮局部原子的結(jié)構(gòu)弛豫特性，實現(xiàn)對大失配晶體結(jié)構(gòu)的合理描述。基于團(tuán)簇近似理論，我們重點計算了GaAs:B

7、和GaAs:T1的直接帶隙(?！?隨組份的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)BxGa1-xAs的帶隙與組分呈現(xiàn)明顯的非線性關(guān)系，而T1xGa1-xAs的帶隙與組分的基本為線性關(guān)系。進(jìn)一步研究表明，T1xGa1-xAs的直接帶隙如果要達(dá)到1eV，T1的并入組分需要達(dá)到14％，而T1-As與Ga-As的8％鍵長失配度很可能使得合金在達(dá)到該組分之前就產(chǎn)生了分凝，因而無法獲得高質(zhì)量的合金晶體。該研究結(jié)果為課題組進(jìn)一步實驗探索GaAs:B及其相關(guān)新材料的新特性提供