Ⅴ/Ⅲ族气体源流量比对AlGaInP材料MOCVD外延生长的影响

用MOCVD系统外延生长AlGaInP材料时往往要通入过量的PH3来获得足够大的Ⅴ/Ⅲ族气体源流量比,以便得到高质量的晶体结构.分别采用1 000 ml/min和400 ml/min 的PH3流量(对应的Ⅴ/Ⅲ比分别为723和289),利用低压金属有机物化学气相沉积(LP-MOCVD)系统生长了AlGaInP材料,并使用MOCVD在位监测(in-situ)软件、X射线双晶衍射仪以及光荧光测试系统等对样品进行了测量分析.发现Ⅴ/Ⅲ比不但会影响AlGaInP材料的生长速度,对外延材料与衬底GaAs的晶格失配度和材料的光学特性也有影响.     

NH3流量调控Ⅴ/Ⅲ比对HVPE生长GaN薄膜的影响

氢化物气相外延(HVPE)法具有生长成本低、生长条件温和、生长速率快等优点,被认为是生长高质量GaN单晶衬底的最有潜力的方法。为了优化HVPE生长GaN的条件,通过改变NH3流量调控Ⅴ/Ⅲ比(NH3流量与HCl流量之比)。通过建立简单的生长模型,对不同Ⅴ/Ⅲ比下GaN薄膜形态变化的机理进行了分析,研究了HVPE生长过程中氮源(Ⅴ族)和镓源(Ⅲ族)不同流量比对结晶质量和表面形貌的影响。实验结果表明,低Ⅴ/Ⅲ比会导致成核密度低,岛状晶胞难以合并;高Ⅴ/Ⅲ比会降低表面Ga原子的迁移率,导致表面高度差异大,结晶质量差。与Ⅴ/Ⅲ比为15.000和28.125相比,Ⅴ/Ⅲ比为21.250时更适合GaN薄膜生长,得到的晶体质量最高。     

Ⅲ/Ⅴ比对GaN等离子体辅助MBE生长的影响

在射频（RF）等离子体辅助分子束外延（MBE）系统中，采用低温缓冲层等一系列生长工艺制备出二维生长模式的GaN材料；通过研究Ⅲ／Ⅴ比的调节对GaN生长的影响，确定了微富Ga的MBE生长GaN的优化条件；对GaN富Ga和富N状态的表面形貌和结构进行了比较，富Ga条件下的GaN具有更好的表面和材料特性；通过Hall和光致发光（PL）谱测试研究了GaN的电学和光学性质，GaN的黄带发光（YL）与GaN中生成能最低的ⅤN和VGa缺陷态有关。     

生长温度对In0.82Ga0.18As表面形貌和结晶质量的影响

采用低压金属有机化学气相沉积(LP-MOCVD)技术,在InP衬底上外延生长In0.82Ga0.18As.研究生长温度对In0.82Ga0.18As表面形貌、结晶质量和Ⅲ族源铟镓比的影响.扫描电子显微镜观察样品的表面形貌.X射线衍射用于表征材料的组分和结晶质量.结果表明,生长温度强烈地影响In0.82Ga0.18As材料的表面形貌和结晶质量.样品的表面形貌随生长温度的增加由典型的2D生长模式过渡到3D生长模式.X射线衍射曲线半峰全宽为1224、1454、2221、2527 S,分别对应于生长温度为410、430、450、470℃四个样品.此外,Ⅲ族源铟镓比值也随生长温度的增加从0.42增大到4.62.     

In0.53Ga0.47As/InP红外探测器材料与线列器件

采用LPMOCVD技术生长了In0.53Ga0.47As红外探测器器件结构材料,其晶格失配为2.19×10-4.利用锌扩散制备探测器单元和1×256线列器件,光谱响应范围为O.90～1.70 μm,量子效率为73%,在零偏压下,暗电流为1.62×10-8A,动态零压电阻为2.72×105Ω.单元探测器波段探测率为1.71×1012cmHz1/2W-1.     

Ⅴ/Ⅲ对P型GaP掺杂及红光LED量子效率的影响

利用低压金属有机物化学气相沉积(LP-MOCVD),对红光发光二极管(LED)的窗口层掺杂进行研究。分别在Ⅴ/Ⅲ比为13、26和52的情况下生长GaP材料,结果发现,Ⅴ/Ⅲ比影响Mg的掺杂浓度和载流子迁移率。在上述Ⅴ/Ⅲ比下生长的GaP,外延生长出红光LED外延片并制备器件,结果发现,生长GaP层时,Ⅴ/Ⅲ比为52的红光LED与Ⅴ/Ⅲ比为13相比,输出光功率提高了23.7%,轴向光强提高了20.4%。     

InGaAs/InP材料的MOCVD生长研究

研究了InGaAs/InP材料的MOCVD生长技术和材料的性能特征。InP衬底的晶向偏角能够明显影响外延生长模型以及外延层的表面形貌,用原子力显微镜(AFM)观察到了外延层表面原子台阶的聚集现象(step-bunching现象),通过晶体表面的原子台阶密度和二维生长模型解释了台阶聚集现象的形成。对外延材料进行化学腐蚀,通过双晶X射线衍射(DCXRD)分析发现异质结界面存在应力,用异质结界面岛状InAs富集解释了应力的产生。通过严格控制InGaAs材料的晶格匹配,并优化MOCVD外延生长工艺,制备出厚层InGaAs外延材料,获得了低于1×1015cm-3的背景载流子浓度和良好的晶体质量。     

重掺InP生长的InGaAs外延层迁移率的测量

通过衬底剥离技术对以重掺N型磷化铟(N+-InP)衬底生长的In0.53Ga0.47As外延层的迁移率测量方法进行了研究。首先,采用环氧树脂胶将In0.53Ga0.47As外延层粘贴在半绝缘蓝宝石衬底上,以盐酸溶液腐蚀掉InP衬底;之后,采用扫描电子显微镜能谱及金相显微镜对InP衬底的剥离情况及In0.53Ga0.47As薄膜的损伤情况进行了检测;最后采用范德堡法对粘贴在半绝缘蓝宝石衬底上的In0.53Ga0.47As薄膜的迁移率进行了测量。通过对比试验得出,剥离InP衬底的In0.53Ga0.47As薄膜的迁移率测量结果与理论值符合较好,与真值偏差在20%以内。     

InGaAs/InP材料的Zn扩散技术

使用MOCVD反应室进行了InGaAs和InP材料上的Zn扩散工艺条件研究.通过控制扩散温度、扩散源浓度和扩散时间三个主要工艺参数,研究了InGaAs/InP材料的扩散系数和扩散规律,获得了优化的扩散条件.试验表明,该扩散工艺符合原子扩散规律,扩散现象可以用填隙-替位模型解释.样品经过快速退火过程,获得了极高的空穴浓度.InP的空穴浓度达到7.7×1018/cm3,而InGaAs材料达到7×1019/cm3.在优化的扩散条件下,Zn扩散的深度和浓度精确可控,材料的均匀性好,工艺重复性好,能够应用于光电探测器或其他器件.     

高功率980nm半导体激光器有源区制备中的Ⅴ/Ⅲ比优化

高质量的MOCVD外延材料是研制高性能半导体光电器件的基础.通过制作简单的量子阱结构,利用光荧光系统进行快速表征,得到Ⅴ/Ⅲ比不但会影响PL的强度,还会影响片内均匀性的结论.根据标准偏差统计法,确定了InGaAs量子阱外延的最佳Ⅴ/Ⅲ比为35.基于优化的外延参数,制备了波长为980 nm的半导体激光器,在15A脉冲电流下,腔面未镀膜时器件的平均输出功率为9.6W,中心波长为977.2 nm.研究结果为半导体激光器的研制提供了一种快速有效的方法.     

一种低暗电流高响度InGaAs/InP pin光电探测器

分析了InGaAs/InP pin光电探测器暗电流和响应度的影响因素,并对MOCVD外延工艺以及器件结构进行优化,从而提高器件响应度和降低暗电流。采用低压金属有机化学气相沉积设备(LP-MOCVD)成功制备了InGaAs/InP pin光电探测器,得到了高质量的晶体材料,InGaAs吸收层的背景浓度低于4×1014 cm-3。利用扩Zn工艺制作出感光区直径为70μm的平面光电探测器。测量结果显示,在反偏电压为5 V时,暗电流小于0.05 nA,电容约为0.4 pF。此外,在1 310 nm激光的辐照下,器件的响应度可达0.96 A/W以上。     

MBE脱氧条件与InGaAs/InP APD性能的相关性

InP基InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD）对近红外光具有高敏感度,使其成为微弱信号和单光子探测的理想光电器件。然而随着先进器件结构越来越复杂,厚度尺寸从量子点到几微米不等,性能越来越受材料中晶格缺陷的影响和工艺条件的制约。采用固态源分子束外延（MBE）技术分别在As和P气氛保护下对InP衬底进行脱氧处理并外延生长晶格匹配的In_0.53Ga_0.47As薄膜和APD结构材料。实验结果表明,As脱氧在MBE材料质量方面比P脱氧具有明显的优势,可获得陡直明锐的异质结界面,降低载流子浓度,提高霍尔迁移率,延长少子寿命,并抑制器件中点缺陷或杂质缺陷引起的暗电流。因此,As脱氧可以有效提高MBE材料的质量,这项工作优化了InP衬底InGaAs/InP外延生长参数和器件制造条件。     

MOVPE生长1.3 μm无致冷AlGaInAs/InP应变补偿量子阱激光器研究

通过低压金属有机化学气相外延 (LP MOVPE)工艺生长了AlGaInAs应变补偿量子阱材料 ,通过X射线双晶衍射、光荧光、二次离子质谱的测试分析得到了材料生长的优化工艺参数 ,降低了材料中的氧杂质含量 ,得到了高质量AlGaInAs应变补偿量子阱材料 ,室温光致发光半宽FWHM =2 6meV。采用此外延材料成功制作了 1 3μm无致冷AlGaInAs应变量子阱激光器 ,器件测试结果为 :激射波长 :12 90nm≤ λ≤ 1330nm ;阈值电流 :Ith(2 5℃ )≤15mA ;Ith(85℃ )≤ 2 5mA ;量子效率变化 :Δηex(2 5～ 85℃ )≤ 1 0dB。     

MOCVD生长1.06μm波段InGaAs/GaAs单量子阱材料的发光特性研究

利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术,在不同偏向角的GaAs衬底上生长了InGaAs/GaAs单量子阱外延结构。通过对样品室温光致发光(PL)谱测试结果的分析,讨论了衬底偏向角、量子阱层生长温度以及V/III比对外延片发光波长、发光强度及PL谱半峰全宽(FWHM)的影响。发现在相同生长条件下,对于InGaAs/GaAs应变量子阱结构,在GaAs(100)偏111A晶向较小偏向角的衬底上生长的样品PL谱发光强度较大,半峰全宽较窄;量子阱层低温生长的样品发光强度更强;增大量子阱层V/III比可以提高样品的发光强度,同时PL谱峰值波长出现红移。     

基于碳掺杂InGaAs材料的InP DHBT分子束外延生长研究

采用固态源分子束外延系统(SSMBE),以四溴化碳(CBr₄)作为碳掺杂源,研究基于碳掺杂InGaAs材料的InP双异质结双极晶体管(DHBT)分子束外延生长工艺。通过In原子补偿工艺,补偿基区InGaAs材料中被CBr₄刻蚀的In原子,调整In组分使InGaAs-C外延层与InP衬底晶格匹配。通过界面层Ⅴ族元素切换工艺,减少InP/InGaAs界面层四元合金材料的形成,避免四元合金界面对后续湿法工艺的影响,降低材料表面粗糙度。利用优化后的材料外延工艺,得到表面颗粒密度为15/cm²,基区InGaAs-C材料P型掺杂浓度为5.25×10¹⁹cm^-3,方阻非均匀性为0.5%的InP基DHBT完整结构材料,利用0.7μm InP DHBT工艺平台,得到增益为41、击穿电压为4 V、截止频率为341 GHz、最大震荡频率为333 GHz的InP基DHBT器件。     

64×64 InGaAs/InP三维成像激光焦平面探测器

针对900~1 700 nm波长无扫描激光三维成像雷达的需求,研制了一种规模为6464的线性模式雪崩焦平面阵列（LM-APD-FPA）,它由InGaAs/InP雪崩光电二极管阵列与CMOS专用读出电路（ASIC）组成。该器件采用飞行时间（TOF）测距的方式工作,APD光敏芯片将脉冲激光信号转化成脉冲光电流,读出电路对其进行放大、阈值比较后实现激光探测并在每个单元获取光脉冲的飞行时间,将其转化成二进制编码信号后串行输出。测试结果表明,6464 LM-APD-FPA有效像元最小可探测光功率值约为400 nW,时间分辨率为1 ns。用该探测器在激光雷达系统上实现了无扫描单脉冲激光三维成像,表明了线性模式激光焦平面探测器可用于激光三维成像领域。     

基于锌扩散的InGaAs/InP平面型红外探测器快速热退火研究

系统研究了快速热退火对锌扩散的In_0.53Ga_0.47As/InP PIN探测器的影响。利用电化学电容电压和二次离子质谱技术分析了退火前后Zn和净受主的浓度分布,结果表明退火过程会影响杂质浓度,但不影响扩散深度。制备了不同退火条件的In_0.53Ga_0.47As/InP PIN探测器。器件测试反映,未退火的探测器在260~300K具有更低的器件电容和更高的激活能。通过暗电流成分拟合对器件暗电流机制进行分析,未退火器件表现出更低的肖克利-里德-霍尔产生复合电流和扩散电流,因而室温下未退火器件具有更高的峰值探测率。为了制备高性能低掺杂吸收层结构的平面型InGaAs探测器,快速热退火是不必要的工艺。     

In0.53Ga0.47As/InP高速光电二极管材料生长及光电性能

利用低压MOCVD技术制备PIN结构的InP基InGaAs外延材料。采用分层吸收渐变电荷倍增(SAGCM)结构,通过两次Zn扩散、多层介质膜淀积、Au/Zn p型欧姆接触、Au/Ge/Ni n型欧姆接触等标准半导体平面工艺,设计制造正入射平面In_(0.53)Ga_(0.47)As/InP雪崩光电二极管器件。该器件采用与InP衬底晶格匹配的In_(0.53)Ga_(0.47)As材料做吸收层,InP材料做倍增层,同时引入InGaAsP梯度层。探测器件光敏面直径50μm,器件测试结果表明该器件光响应特性正常,击穿电压约43 V,在低于击穿电压3 V左右可以得到大约10 A/W的光响应度,在0 V到小于击穿电压1 V的偏压范围内,暗电流只有1 nA左右。光电二极管在8 GHz以下有平坦的增益,适用于5 Gbit/s光通信系统。     

可见增强的32×32元平面型InGaAs/InP面阵探测器

为了实现In Ga As探测器响应波段向可见增强,在传统的外延材料中加入一层In Ga As腐蚀阻挡层,制备了32×32元平面型In Ga As面阵探测器,采用机械抛光和化学湿法腐蚀相结合的方法,去除了In P衬底.结果表明,探测器的响应波段为0.5~1.7μm,室温下在波长为500 nm处的量子效率约为16%,850 nm处量子效率约为54%,1 550 nm处量子效率约为91%.暗电流大小与衬底减薄之前基本保持一致.理论分析了材料参数对器件量子效率的影响,为进一步优化可见波段探测器的量子效率提供了依据.