磷离子注入诱导InGaAsP/InP量子阱结构混合的研究

摘要

光子集成(PIC)及光电集成(OEIC)器件的制备中，量子阱混合技术(QWI)，作为一种十分有效的单片集成工艺手段，以其工艺简单、又能有效地调整量子阱材料的带隙而成为人们研究的热点。量子阱混合技术主要包括以下几种方法：杂质诱导扩散(IID)，离子注入诱导无序(IICD)，光吸收诱导无序(PAID)和无杂质空位扩散诱导无序(IFVD)。 为了比较IICD和IFVD对诱导量子阱无序的效果，本文首先采用磷离子(P+)注入诱导量子阱无序的方法研究了具有相同发射波长的InGaAsP／InP多量子阱。为了研究IICD技术中离子注入深度对QWI的影响，本文设计了具有不同发射波长的InGaAsP／InP双量子阱结构，并用IICD研究了材料带隙变化的情况。 首先，在离子注入诱导InGaAsP／InP多量子阱混合的实验中，为了比较IICD和IFVD的效果，我们准备了三组样品：纯离子注入样品；先用磷离子注入后，再用PECVD生长200 nm SiO<,2>作为退火覆盖层的样品和先用PECVD生长200姗SiO<,2>作为离子注入的掩膜后，再用磷离子注入的样品。根据TRIM-2000模拟计算，离子注入的能量采用160 keV，然后在高纯N<,2>的保护下进行780℃快速热退火 (RTA)30秒。用光荧光(PL)方法测试带隙兰移，结果表明：先离子注入再镀200 nm SiO<,2>方法得到的带隙蓝移较纯离子注入方法大，而纯离子注入方法又较先镀200 nm SiO<,2>膜，再进行离子注入的方法得到的蓝移大。三种方法得到的样品带隙蓝移都随注入剂量的增大而增大，然后趋于饱和，并发现，对应样品带隙蓝移量最大的离子注入剂量约为1O<'13>。实验结果同时说明，两种方法相结合，带一隙蓝移主要是由离子注入诱导引起，但SiO<,2>电介质膜对量子阱混合也起到促进作用。 为了研究离子注入深度对量子阱混合的影响，我们在距离样品表面不同深度处生长发射波长不同的双量子阱结构，一种样品距离表面较近的浅阱波长为1.52μm，深阱波长为1.59μm，另一种样品中，两个量子阱发射波长顺序与之相反。当用某一确定能量的离子注入诱导量子阱混合时，由于两个阱深度不同，所以得到的混合效应不同。根据TRIM-2000模拟计算，离子注入的能量为120 keV，其造成损伤的分布在量子阱区域前。注入后，在高纯N<,2>的保护下于700℃快速退火30秒。PL结果显示，小剂量注入的情况下(低于5×10<'11>／cm<'2>)，缺陷的扩散主要诱导了距离缺陷较近的浅阱的混合，且两个阱PL峰位仍能保持较好的分离；大剂量注入(大于1×10<'12>／cm<'2>)时，两个阱的PL峰位不再保持分离，甚至合并成了一个峰。在注入剂量达到约1×10<'13>／cm<'2>时，发射波长为1.59μm量子阱混合的效果比1.52μm量子阱更明显。 通过透射电子显微镜(TEM)对双量子阱结构混合前、后的阱区作了剖面微观分析，结果表明，在剂量为5×10<'11>／cm<'2>的磷离子作用下，量子阱仍然保持原有的晶格结构，但量子阱区的界限由于混合效应显得模糊，这和过去用二次离子探针(SIMS)研究量子阱混合的效果一致。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外量子阱混合的研究现状及前景

1.3 本论文的研究工作

第二章 量子阱混合的机理和实验方法

2.1 量子阱混合的机理

2.1.1 量子阱

2.1.2 带隙蓝移

2.1.3 量子阱混合的方法

2.2 实验方法

2.2.1 离子注入

2.2.2 PECVD技术

2.2.3 快速热退火(RTA)

2.2.4 光致发光(PL)谱

2.2.5 透射电子显微镜(TEM)

第三章 磷离子注入诱导InGaAsP/InP多量子阱结构的混合

3.1 实验过程

3.2 结果与讨论

3.3 小结

第四章 磷离子注入诱导InGaAsP/InP双量子阱结构的混合

4.1 样品设计的目的及结构

4.2 实验过程

4.3 结果与讨论

4.3.1 PL结果与分析

4.3.2 TEM分析

4.4 小结

第五章 全文总结

5.1 全文总结

5.2 今后工作的展望

参考文献

附录：攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢