AlGaInP/GaInP量子阱混杂机理分析与实验研究

摘要

量子阱混杂(QWI)是通过一定的技术手段，促使量子阱和量子垒之间的不同原子相互扩散，改变量子阱区的材料组分从而改变量子阱的各类特性参数。量子阱混杂的系统研究，不仅有助于深入了解Ⅲ-Ⅴ化合物半导体材料的物理特性，同时在工程上也利于摸索出控制性好、重复性好的工艺条件，在改善大功率半导体激光器的光学灾变损伤特性上有潜在的应用价值。
　　本文主要针对AlGaInP系材料的量子阱结构进行量子阱混杂的理论分析和实验研究。理论分析方面，建立量子阱混杂过程中的扩散模型，对量子阱混杂原理进行理论验证。实验上，分别选取不同波长的半导体激光器外延片，首先进行器件特性模拟，然后分别进行了无杂质空位诱导量子阱混杂实验(IFVD)和离子注入诱导量子阱混杂实验(IIID)，并对实验样品的测试结果进行理论分析。
　　理论方面，利用扩散动力学原理，采用数学归纳法，得到扩散过程中单量子阱和多量子阱中有源区Ⅲ族原子组分浓度函数，利用多元化合物禁带宽度计算公式求出有源区材料的禁带宽度表达式，然后利用MATLAB软件对组分浓度函数和禁带宽度变化进行模拟，对量子阱混杂过程进行了模拟验证。
　　实验方面，对670nm GaInP/AIGaInP激光器外延片，对其进行光电特性模拟和晶体品质测试。然后，对外延片采用电子束蒸发生长135nm HfO2介质膜，并在800℃-1000℃，步长50℃，20s下快速退火，之后对样品进行PL光谱测试。实验中在1000℃、20s退火条件下，样品获得最大18nm的波长蓝移。
　　对650nm GaInP/AlGaInP激光器外延片，对其进行光电特性模拟和晶体品质测试。然后，对外延片采用电子束蒸发生长250nm SiO2介质膜，并在700℃-950℃，步长50℃，60s下快速退火，之后对样品进行PL光谱和XPS测试。实验结果表面：样品在900℃、60s的退火参数下获得最大28nm的蓝移；量子阱混杂过程主要作用在有源区，对限制层和衬底没有明显影响；退火之后，在SiO2介质膜中检测到明显的Ga元素和少量的In元素，侧面印证了无杂质空位诱导量子阱混杂的原理。
　　对808nm InGaAsP/GaInP激光器外延片，对其进行光电特性模拟和晶体品质测试。然后，对外延片采用磁控溅射生长200nm SiO2介质膜，分别采用温度梯度和时间梯度两种退火方案对其进行快速退火，之后对样品进行PL光谱和XPS测试。实验中首次发现样品的发光波长红移，文中从量子阱组分的梯度变化角度对此做了理论分析。
　　最后，选取650nm GaInP/AlGaInP激光器外延片进行离子注入诱导量子阱混杂实验。注入粒子类型为N离子，注入能量为40keV，注入剂量为le17 ions/cm2，离子注入完成后对样品在750℃，40s一200s，步长40s的条件下快速退火来诱导量子阱混杂。PL光谱测试结果表明：样品的波长蓝移随着退火时间的增加而增加，750℃、200s的退火参数下获得54．9nm的最大蓝移量和17．7nm的最小光谱半宽。

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1 绪论

1.1 大功率半导体激光器简介

1.2 量子阱混杂

1.3 论文主要内容

1.4 本章小结

2 量子阱混杂技术的理论研究

2.1 扩散模型

2.2 量子阱混杂过程模拟

2.3 本章小结

3 670nm GaInP/AlGaInP量子阱混杂的工艺研究

3.1 量子阱混杂实验介绍

3.2 HfO2介质膜诱导混杂及分析

3.3 SiO2介质膜诱导混杂及分析

3.4 本章小结

4 808nm InGaAsP/GaInP量子阱混杂的工艺研究

4.1 器件结构模拟与基本特性测试

4.2 量子阱混杂结果及分析

4.3 本章小结

5 离子注入诱导量子阱混杂的工艺研究

5.1 基本原理及设备介绍

5.2 器件结构

5.3 离子注入参数选择

5.4 量子阱混杂结果分析

5.5 本章小结

6 总结

致谢

参考文献

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