2023年12月13日发(作者:山河之书)
第42卷第4期2021年4月发光学报CHINESE
JOURNAL
OF
LUMINESCENCEVol.
42
No.
4Apr.
,
2021文章编号:1000-7032(2021)04-0448-07InGaAs/GaAsP应变补偿多量子阱MOCVD生长王
旭,王海珠*,张
彬,王曲惠,范
杰,邹永刚,马晓辉(长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室,吉林长春130022
)摘要:利用金属有机化学气相沉积技术在GaAs衬底上开展了大失配InGaAs多量子阱的外延生长研究。针
对InGaAs与GaAs之间较大晶格失配的问题,设计了
GaAsP应变补偿层结构;通过理论模拟与实验相结合的
方式,调控了
GaAsP材料体系中的P组分,设计了
P组分分别为0,0.128,0.184,0.257的三周期In”
Ga-*
As/
GaAs1-yPy多量子阱结构;通过PL、XRD、AFM测试对比发现,高势垒GaAsP材料的张应变补偿可以改善晶体
质量。综合比较,在P组分为0.
184时,PL波长1
043.
6
nm,半峰宽29.9
nm,XRD有多级卫星峰且半峰宽较
小,AFM粗糙度为0.
130
nm,表面形貌显示为台阶流生长模式。关
键词:金属有机化学气相沉积;InGaAs/GaAsP;应变补偿;多量子阱;晶格失配
中图分类号:TN304.
2
文献标识码:A
DOI:
10.
37188/CJL.
20200379Growth
of
InGaAs/GaAsP
Strain-compensated
Multiple
Quantum
Wells
via
MOCVD
TechnologyWANG
Xu,
WANG
Hai-zhu*
,
ZHANG
Bin,
WANG
Qu-hui,
FAN
Jie,ZOU
Yong-gang,
MA
Xiao-hui(State
Key Laboratory of
High
Power
Semiconductor
Lars
,
Changchun
University
of
Science
and
Technology,
Changchun
130022
,
China
)
* Corresponding
Author,
E-mail:
whz@
cust. edu.
cnAbstract:
The
large
mismatched
InGaAs
multiple
quantum
wells
on
GaAs
substrates
were
prepared
by
metal-organic
chemical
vapor
deposition(
MOCVD)
technology.
In
order
to
solve
the
large
lattice
mismatch
between
InGaAs
and
GaAs,
the
GaAsP
strain
compensation
layer
structure
was
designed.
And
our
systematically
theoretical
and
experimental
studies
were
performed
upon
the
composition
adjustment
of
P
in
the
GaAsP
materials.
The
three-periods
In*
Ga—*
As/GaAs|_
y
Py
multi
-quantum
wells
structures
with
the
P
component
of
0,
0.
128,
0.
184,
and
0.
257
were
prepared.
Compared
with
PL,
XRD,
AFM
testing
results
of
the
samples
with
and
without
GaAsP
layer,
it
is
found
that
tensile
strain
compensation
of
higher
barrier
GaAsP
material
could
improve
the
crystal
quality.
When
the
content
of
P
was
0.
184,
the
PL
wavelength
of
InGaAs/GaAsP
MWQs
was
1
043.
6
nm,
the
FWHM
was
29.
9
nm.
The
XRD
peaks
had
multi-level
satellite
peaks,
and
the
FWHM
of
the
satellite
peaks
was
small.
The
AFM
roughness
was
0.
130
nm,
and
the
surface
morphology
showed
a
step
flow
growth
words:
metal-organic
chemical
vapour
deposition(
MOCVD)
;
InGaAs/GaAsP;
strain
compensation;
multiple
quantum
wells;
lattice
mismatch收稿日期:2020-12-12;修订日期:2021-01-04基金项目:吉林省科技发展计划(2GX)资助项目Supported
by
J
ilin
Science
and
Technology
Development
Plan
(2GX)第4期王
旭,等:InGaAs/GaAsP应变补偿多量子阱MOCVD生长4491引
言半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠性
高、使用寿命长、功耗低等方面的优势,近几年在
很多领域得到了广泛的研究和应用,其中近红外
波段更是研究的重点[1-2]o在近红外的870
~
1
100
nm波段,对于GaAs基半导体激光器来说,
有源区需要采用InGaAs应变量子阱得以实现。
发光波长越长,量子阱结构需要越小的带隙材料。
In含量的增多意味着存在较大的晶格失配,高应
变会使薄膜更容易产生缺陷[3],进而影响晶体质
量,甚至影响器件的性能和寿命。前期的研究发
现,当In”
Ga_
*
As量子阱中In含量大于0.25时,
其外延生长中会出现层-层生长模式向层-岛生长
模式的转变[4],而对于获得高质量的外延材料来
说,二维台阶流生长模式是首选的生长模式[5]
o对于高应变InGaAs量子阱外延生长的研究,
多采用应变补偿的方式减小或消除应力的影响,
其中InGaAs/GaAsP应变补偿多量子阱结构被设
计并广泛应用在光电半导体器件领域[6-7]
o为了
获得高质量的InGaAs量子阱外延材料,利用
GaAsP拉伸应变材料作为势垒层,抵消高In组分
InGaAs的压缩应变,降低材料的平均净应变,可
以避免由于应变积累引起的晶格弛豫和三维生
长。同时,GaAsP材料有更高的带阶,对载流子具
有更好的限制作用和高温特性[8-9]
o在InGaAs高
应变量子阱外延生长研究方面,国内外文献都有
报道。2005年,Sass等[10]报道,对于具有晶格失
配a/a
=9.
3
X
10-3和临界厚度15
nm厚度的
In0.13Ga0.87As/GaAs(001)体系,外延层超过
4.
5
倍的临界厚度时开始弛豫。2010年,日本东京大
学Wang等[11]在通过原位表面反射率监测In0.217-
Ga0.783A^^GaAs0.616P0.384多量子阱生长过程中,发
现当应变平衡不完全时,多量子阱(Multiple
quantum
wells,MQWs)的表面反射率会下降,表明晶格
弛豫会降低晶体生长质量。2014年,长春理工大
学高功率半导体激光国家重点实验室戴银等[12]
利用低压金属有机化学气相沉积技术生长高应变
InGaAs/GaAs单量子阱,通过改变生长速率、优化
生长温度和V/皿,改善量子阱样品的室温光致发
光特性。2019年,美国伯利恒理海大学Sun等[13]
在高应变InGaAs量子阱的厚度接近临界厚度
时,研究了
GaAsP拉伸约束势垒对InGaAs/GaAs
MQWs中部分应变弛豫的抑制作用。由此可见,
关于GaAsP材料应变补偿的研究工作还有待进
一步的探索。因此,本文针对大失配InGaAs量子
阱半导体激光器外延生长技术的需求,开展In-
GaAs/GaAsP
MQWs外延生长的研究。为了探究
不同应力下
InGaAs
量子阱的外延晶体质量,通过
金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术,优化有
源区多量子阱整体平均失配状态,分析对外延样
品晶体质量的影响,并获得了外延晶体质量较好
的生长参数,为改善高应变InGaAs量子阱的应力
积累提供技术支撑。2
外延结构设计及生长为了研究大失配下薄膜材料的生长参数,设
计了
InGaAs/GaAs应变多量子阱结构,量子阱个
数为3,其中阱垒层厚度分别为9
nm和13
nm。
利用Crosslight软件进行前期模拟,并结合前期的
实验结果,调整InGaAs量子阱中In的组分,使其
发光波长在1.04
jm附近。保持InGaAs阱层材
料In的组分、厚度以及垒层厚度不变,搭配不同
P
组分的
GaAsP
垒层材料,
探索
GaAs(
P)
垒层材
料对量子阱发光的影响。同时,通过调整GaAsP
材料中P的组分,进而改变了整个结构系统的累
积应变状态,观测其对外延生长质量的作用。本
文选取三周期的
In*Ga-”As/GaAs-,Py(x
=0.
274;
y
=0,0.
128,0.
184,0.
257)应变补偿多量子阱
(以下简称多量子阱)结构进行实验对比。并通
过模型固体理论[14-16]对量子阱能带的带边能量
进行计算,获得了导带和价带的带阶,如公式(1)
和(2):
(1)其中,AEc表示导带的带阶,EGaAs(P)表示垒层材料GaAs(P)的导带的应变带边能量,EInGaAs表示阱层
材料InGaAs的导带的应变带边能量。△E、,EGaAs(P)(2)其中,AEv表示价带的带阶,E严aAs表示阱层材料
InGaAs的价带的应变带边能量,EGaAs(P)表示垒层
材料GaAs(P)的价带的应变带边能量。此外,计算了平均失配,给出了平均应变计算
公式:£
=
(nw
Tw
久
+
nb
Tb
勺)/
(nw
Tw
+
nb
Tb),(3)450发
光
学
报第42卷其中,%、也分别表示阱、垒材料的层数,Tw和T
料与衬底的失配度,s表示量子阱的平均失配度。
分别表示阱、垒的厚度,Sw、sb分别表示阱、垒材
获得的具体信息如表1所示。表1理论结果:无应变时的材料带隙(300
K)、带边能量(导带、重空穴带、轻空穴带)、导带和价带的带阶、平均应变Tab.
1
Theoretical
results:
material
band
gap
(300
K)
,
band
edge
energy
(
conduction
band,
heavy
hole
band,
light
hole
band)
,
band
offt
and
average
strainQuantum
well
details
In0.274GaAs
well00.128Eg/eV1.046
51.424
01.566
81.633
2Ec/eV
-5.546
9-5.382
6-5.342
2-5.321
3Em/eV
-6.685
7E^/eV
-6.786
8-6.806
6-6.851
4-6.871
3-6.897
4△&(/meV
LEv/meV
Average
strain
s/%-6.806
6-6.881
5164.29204.75120.91195.750.
803
10.531
80.413
10.258
4GaAsPy
barrier0.184-6.914
7-6.958
3225.61228.94272.620.2571.721
7-5.289
6257.26根据阱垒材料不连续的能量位置,绘制了不
同P组分的InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱的能
a
1
-
0.
25
v
(
h
c
J2
+
1)⑷hc
=k
J2n&
1
+
v
Iln
a带连接图,如图1所示。-5.2-5.4-5.6InGaAs-Ec-5.8-6.0In0.274Ga0.72&As/GaAs0.872P0.128In0.274Ga0.72gAs/GaAs-6.2-6.4InGaAs-Ehh-6.6GaAsPy-Ehh-6.8=InGaAs-Eh
=-7.0-25
-20
-15
-10
-5
05
10
15
20
25Z/nm其中,a为应变层的晶格常数;系数k在应变层超
晶格、单量子阱和单应变层三种情况下分别为1,
2,4;
s
=
La/a为失配度;v为泊松比,v
=
c12/
(cii
+
ci2
)
oAu二款匸工如图
2
所示,其中
In0.274
Ga0.726
As/GaAs0.743-
P0.
257
和
In0.
274
Ga0.
726
As/GaAs。.
816
P0.184
多量
子阱厚
度在临界厚度以下,而
In0.274
Ga0.726
As/GaAs0.743
-
P0.128和In°.274
Ga°.726
As/GaAs的厚度分别在三周
期、两周期时超过临界厚度。而当外延层厚度超
岀临界厚度时,外延晶体质量将会大幅度降低。
为了进一步验证InGaAs/GaAsP多量子阱的生长
图1不同P含量InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱的能带
连接图Fig.
1
Energy
band
connection
diagram
of
InGaAs/GaAsP
strain
compensation
quantum
wells
with
different
质量,我们利用MOCVD生长技术,从实验方面进
行了更加详细的研究。103w
P
contentsurnSSQLDP*从表1和图1均可发现,随着势垒P组分的
增加,导带和价带带阶也会增加,从而可以增强对
载流子的限制作用。并且,较于GaAs(y(P)
=0)
、w
I—lqH作垒,GaAsP应变补偿层的引入减小了整个样品
的净压应变,使样品的平均失配减小且平均失配
0-1-101234随P组分增加而减小。Average
strain
/
%同时,在应变系统中产生缺陷的临界厚度也
被参考用于设计外延层结构中。基于Matthews-
Blakeslee理论[17]和设计的InGaAs/GaAsP量子阱
图2
InGaAs/GaAsP量子阱的平均应变和临界厚度Fig.
2
Average
strain and
critical
thickness
of
InGaAs/GaAsP
quantum
wells参数信息,计算了
InGaAs/GaAsP量子阱的平均
利用德国AIXTRON公司的200/4型MOCVD
应变和临界厚度的关系。具体平均应变可以通过
设备开展大失配InGaAs/GaAsP多量子阱外延生
长研究,以TMIn、TMGa和AsH3
APH3为川
族源
公式(3)算岀,临界厚度hc也可以通过下列公式
得到:和V族源,氏作为载气,在反应室压力保持在第4期王
旭,等:InGaAs/GaAsP应变补偿多量子阱MOCVD生长45110
000
Pa(100
mbar)条件下进行生长实验。同
时,量子阱材料的生长温度为600弋,InGaAs和
GaAs(P)的V/皿分别为51和115。在前期生长
速率的实验方面,我们已经获得了
InGaAs和
GaAs(
P)两种材料生长速率分别为0.
244
nm/s
和
0.
175
nm/s,P
组分
0,0.
128,0.
184,0.257
对
应的气相体积比PHb/(AsH3
+PH3)为0%、65%、
73%、80%。选取
5.08
cm(2
in)
(001)取向的
n
型GaAs
0°偏角衬底,首先生长300
nm
GaAs缓冲
层,接着生长3个周期InGaAs/GaAsP多量子阱
(阱层和垒层厚度分别为9,13
nm),最后生长50
nm
GaAs盖层,结构如图3所示。GaAs
capping
layerInGaAs/GaAsP
MQWs
period:
3GaAsP
barrier
InGaAs
well图3应变补偿量子阱外延结构Fig.
3
Strain
compensation
quantum wells
epitaxial
structure3
实验结果与分析3.1不同P组分的多量子阱PL光谱分析图4给出了不同P组分的多量子阱样品的室
温PL测试结果。在图4中,可以明显地观察到在
室温条件下,所有被测样品的发光峰都在1
043.6
nm附近。并且随着GaAsP材料中P组分增加,
发现被测样品的发光波长略有蓝移但不明显。而
且,在950
nm波长附近观察到一个发光强度较弱
的峰。通过相关文献的研究报道,考虑应该是导
带第一子能级和价带轻空穴带第一子能级
(cl-lhl)能带之间跃迁所致[18-20]。同时,为了进一步比较差异,我们对不同P
组分的多量子阱样品的室温PL光谱测试结果进
行了分析,结果如图5所示。从发光强度的角度
进一步考虑,如果GaAsP材料中P组分越高,势
垒就越高,对载流子的限制能力越强,相应地就会
增强InGaAs/GaAsP多量子阱的发光强度。从图
5中我们可以明显发现,不同P组分的多量子阱的1.61.41.2:1.00.80.60.40.20-0.2850900
950
1000
1050
1100姿/
nm图4不同P组分多量子阱的光致发光测试结果Fig.
4
Photoluminescence
test
results
of
multiple
quantumwells with
different
P
components发光强度确实随P组分增加而增强。随着GaAsP
材料中P组分从0.
128增加到0.257,发光峰的
半峰宽依次为37.
8,29.9,31.4
nm,而相同生长
条件下外延的InGaAs/GaAs多量子阱样品的发
光峰半峰宽是39.
1
nmo从样品测试的半峰宽可
以分析出,相较于GaAs作垒(y(P)
=0),InGaAs/
GaAsP多量子阱样品的发光峰半峰宽有一个明显
的减小,尽管P组分为0.257略微增加,但半峰宽
整体呈现出下降趋势。从发光峰半峰宽减小的角
度可以推断出,随着GaAsP应变补偿程度的增
加,阱垒材料的异质界面粗糙程度在变小,减少了
界面质量对发光谱的展宽影响。通过强度、半峰
宽与P组分的关系的综合对比发现,样品In0.274-
Ga0.726As/GaAsa816P0.184多量子阱的PL光谱半峰宽
最窄,In0.274Ga0.726As/GaAs0.743
P0.257
多量子阱的
PL
光
谱发光强度最高。与GaAs(y
(P)
=0)势垒相比,
GaAsP势垒可以提高样品的光学性能。11$
11
3811
11
卫•n
11皂
o$
它
o
oU3UI
OO0050.10
0.15
0.20
0.25
0.30P
content图5不同P组分与光致发光半峰宽和强度关系Fig.
5
Relationship
between
different
P
components
and
photoluminescence
half-width
and
intensity3.2不同P含量的多量子阱XRD分析为了进一步验证上述推断,我们又对InGaAs/ 452发
光
学
报第
42
卷GaAsP多量子阱样品的生长质量进行了进一步表
征。图6给出了不同P组分(0,0.
128,0.184,
0.257)的InGaAs/GaAsP多量子阱样品在(0-20
摇摆曲线测试条件下的XRD测试结果,其中,曲
线强度最高最尖锐的峰对应于GaAs衬底(004)
的Bragg衍射峰,并且均出现了多级衍射峰。通
过公式(5)可以计算多量子阱周期厚度:T
=
A/(2A0cos0sub.
)
,
(5)其中T代表周期厚度J为X射线波长为多
量子阱衍射峰角间距,0sub.为GaAs衬底的Bragg
衍射角。结合对XRD测试结果的计算,我们可以
计算出
P
组分为
0,0.
128,0.
184,0.
257
时,In-
GaAs/GaAsP多量子阱样品的周期厚度分别为
21.5,22.
1,21.8,22.3
nm,基本符合预期厚度。通过对InGaAs/GaAsP多量子阱样品卫星峰
的半峰宽数据分析,得到P组分在0,0.
128,
0.
184,0.257
时,GaAs
主峰左侧(31.5。~32.5°)
相同级次的卫星峰半峰宽分别约为324,270,
241,238
arcc。半峰宽越小表明
InGaAs/GaAsP
多量子阱样品具有越好的晶体质量。P组分在
0.184和0.
257时有较小半峰宽,其质量较好,并
且与图5中PL光谱半峰宽分析的测试结果一致。
另外,对于样品测试的卫星峰可以分析出,P组分
在0,0.128,0.184,0.257时,GaAs主峰左侧分别
含有5,6,8,7个卫星峰;P组分为0和0.
128时,
最左侧(31°~31.5°)高阶卫星峰不明显。对比Fig.
6
XRD
test
results
of
different
P
componentsP组分0.184和0.257卫星峰可以发现,理论上
相邻卫星峰间距是相等的,但在P组分0.
257时,
31.2。附近卫星峰明显缺级,猜测可能是界面粗糙
导致的。对4组样品的XRD测试信息(卫星峰数
量和半峰宽)进行比较,P组分为0.
184的多量子
阱结构有较好的晶体质量,这与之前PL光谱半
峰宽的测试结果一致。3.3不同P含量的多量子阱AFM分析为了进一步分析样品的外延质量,我们还对
不同P组分的样品进行了原子力显微镜(Atomic
force
microscope,
AFM
)测试,结果如图
7(a)-
(d)所示,其表面形貌显示为InGaAs/GaAsP多量
子阱样品的生长模式。当P组分为0时,样品平
均失配率最大,达到0.
8031%
,如图2临界厚度
结果给出那样,超过临界厚度过多,此时台阶边缘
弯曲,并在台阶边缘出现二维(2D)小岛,如图
7(a)所示。此时AFM测试结果的粗糙度较大,
达到0.
171
nm。如图7(b)所示,当引入GaAsP
作为势垒层后,P组分在0.
128时,总压应变有所
抵消,二维小岛有所减少,但台阶形状仍没有改
善,此时粗糙度为0.
168
nm,数值略有减小。与
图2给出的临界厚度的理论计算结果一致,图
7(a)、(b)中样品的多量子阱结构外延厚度均超
出了临界厚度,不均匀应变使其形貌上呈现出二
维小岛,说明已经发生晶格弛豫,生长的多量子阱
外延层局部高应变区域以形成2D小岛的方式得
到释放。同时随着继续生长,吸附原子为了降低
材料体系的表面能,倾向于在2D小岛的台阶边
缘而不是顶部成核,因此,岛屿将横向增长[2i]o而当P组分为0.184时,台阶边缘近乎平行,台
阶高度均在0.
36
nm以内,为一个分子层(Monolay-
er,ML)高度,可以认为是台阶流生长模式,如图7(c)
所示。通过AFM的测试结果可以发现,此时粗糙度
最小,粗糙度为0.130
nm。随着P组分继续增加,在
P组分为0.257时,粗糙度为0.
148
nm,如图7(d)所
示。结合之前的PL、XRD分析结果,推断是随着生
长时PH3的流量增加,在InGaAs外延层上生长
GaAsP材料后的异质界面,更多的P扩散以及In的
表面偏析[22-23]使异质界面变得粗糙。总体来看,P
组分0.184时表面形貌最好,0.257次之,0.128,0较
差。并且可以分析出,P组分为0.257时,尽管相较
0.184粗糙度有所增加,但仍比整体存在较大应力的
P组分为0和0.
128时晶体质量要好,说明更高 第4期王
旭,等:InGaAs/GaAsP应变补偿多量子阱MOCVD生长453的P组分的应变补偿有助于缓解应力积累,获得
较好的表面形貌。4
结
论本文采用理论计算和实验相结合的方式,利
(a)0.4
nm(b).0.5用MOCVD生长技术,开展了大失配InGaAs/
GaAsP
多量子阱外延生长技术的研究。
通过保持
I-0.4
nm量子阱的InGaAs组分和厚度参数一定,调整垒层
GaAsP材料的P含量,进而改变InGaAs/GaAsP多
量子阱结构的应力情况。研究结果表明,在
0
Height
2.0
滋m
0Height
2.0
滋mGaAsP
材料中
P
含量分别为
0,
0.
128,
0.
184,
0.
257时,样品的室温PL发光峰强度随着P组分
的增加而明显增强,PL发光峰的峰位略微蓝移,
半峰宽整体有减小趋势。样品的XRD测试结果
显示,随P组分增加,可以清晰地发现高阶卫星
峰。样品的AFM测试结果显示,超出临界厚度会
0
Height
2.0
滋m
0
Height
2.0
滋m出现层-岛生长模式,而合适的应变补偿有助于缓
图7不同P组分样品的AFM测试结果o
(a)y(P)
=0;
(b)
y(P)
=0.
128;(c)
y
(P)
=0.
184;(d) y
(P)=
0.257。解应力积累,可以获得较好的表面形貌。当
GaAsP
材料中
P
组分为
0.
184
时,
PL
半峰宽为
29.9
nm,其XRD有多级卫星峰且半峰宽较小,
AFM粗糙度0.130
nm,表面形貌显示为台阶流生
Fig.
7
AFM
test
results
of
different
P
components
samples.
(
a)
y(
P)
=
0.
(
b)
y(
P)
=
0.
128.
(
c)
y(
P)
=
0.
184.
(d)y(P)
=0.257。长模式,生长质量最好。参考文献:[1
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士,副研究员,博士研究生导师,2012
年于吉林大学获得博士学位,2014年
士研究生,2018年于长春理工大学
获得学士学位,主要从事半导体外
延生长的研究。E-mail:
1518242962@
qq.
com清华大学博士后,主要从事半导体激
光外延材料制备及应用的研究。E-mail:
whz@
cust.
edu.
cn
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