光电子集成中的异质外延与新材料研究

摘要

本论文研究工作是围绕任晓敏教授为首席科学家的国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”(项目编号：2003CB314900)中课题一“单片集成光电子器件的异质兼容理论与重要结构工艺创新”(项目编号：2003CB314901)、任晓敏教授承担的国家自然科学基金“光信息功能材料”重大研究计划重点项目“GaAs、InP基功能楔形结构材料工艺研究及在新型光电子器件中应用”(项目编号：90201035)展开的。本论文重点围绕光电子集成中的大失配异质兼容(异材料系兼容)问题展开研究，取得的主要研究结果如下： 1.基于MOCVD技术的InP/GaAs异质外延体系中低温InP缓冲层表面形貌研究。实验发现，通过调整生长参数，可以在低温InP缓冲层表面形成不同的微结构形貌，即，岛(island)，凹坑(pits)和波纹(ripples)等。生长温度为400～450℃时，外延层表面以InP岛为主要结构；生长温度为500℃，表面形成具有一定晶向排列的波纹结构，而在685℃时退火90s后，波纹结构消失，最终生成凹坑结构，而这种凹坑结构的产生将更有利于应变能的释放。同时，进一步理论分析表明，当体系失配应变能超过某一临界值εc时，通过外延层表面起伏释放应力的机制占主导地位，此时通过调整生长温度，可以在InP缓冲层表面将形成特殊的微结构。该研究结果对进一步探索InP纳米微结构的自组织行为具有指导意义。 2.基于MOCVD技术的InP/GaAs异质外延体系中缓冲层力学行为研究。实验发现，在InP/GaAs异质外延过程中插入450℃生长的LT-InP/LT-GaAs双低温缓冲层时所获得的InP外延层的晶体质量要好于单低温缓冲层的情况。通过XRD的测试分析，得出双低温缓冲层在垂直于生长平面的方向发生了一定的形变，这种形变的产生有助于缓解异质外延体系中由于晶格失配而产生的应变。该研究结果表明了多层缓冲层结构在异质外延体系中具有类似柔性衬底的作用。 3.基于MOCVD技术的InP/GaAs横向外延(ELOG)生长动力学研究。实验发现，横向生长区域的InP表面形貌与V/III比，掩膜宽度和生长时间密切相关。当掩膜宽度小于5μm，V/III比低于300，则横向生长区域的InP侧面起伏不平，产生“晶面竞争”效应；而通过适当增加掩膜宽度(5～20μm)，可以抑制“晶面竞争”，获得平整光滑的外延层表面。此外，我们建立了基于MOCVD技术的ELOG生长速率模型。该模型将气相扩散与掩膜表面扩散相结合，解释了掩膜宽度、窗口宽度以及有效掩膜宽度对ELOG中横向和纵向生长速率的作用机制，并且定性讨论了主要生长参数(V/III比，窗口/掩膜宽度)对横向生长速率和纵向生长速率的基本影响。该研究结果对于实现ELOG生长过程的准确控制具有重要的指导意义。 4.BxGa1-xAs和T1xGa1-xAs的第一性原理研究。提出采用团簇近似理论建立合金随机模型，该模型能够充分考虑局部原子的结构弛豫特性，实现对大失配晶体结构的合理描述。基于团簇近似理论，我们重点计算了GaAs:B和GaAs:T1的直接带隙(Γ→Γ)随组份的变化趋势，发现BxGa1-xAs的带隙与组分呈现明显的非线性关系，而T1xGa1-xAs的带隙与组分的基本为线性关系。进一步研究表明，T1xGa1-xAs的直接带隙如果要达到1eV，T1的并入组分需要达到14％，而T1-As与Ga-As的8％键长失配度很可能使得合金在达到该组分之前就产生了分凝，因而无法获得高质量的合金晶体。该研究结果为课题组进一步实验探索GaAs:B及其相关新材料的新特性提供了研究依据。 5.利用LP-MOCVD生长工艺在GaAs(001)衬底上生长BxGa1-xAs外延层。以三乙基硼、三甲基镓和砷烷为反应源，调整生长温度和V/III比等主要生长条件，当生长温度为580℃时，获得B的最高并入比为5.8％的BxGa1-xAs单晶外延材料，XRD和AFM测试结果表明了BxGa1-xAs良好的外延晶体质量。该研究工作为课题组含B四元系新材料的实验探索奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2研究背景和意义

1.3本论文的结构安排

参考文献

第二章基于低温缓冲层技术的InP/GaAs外延生长机理研究

2.1引言

2.2外延生长技术与测试技术简介

2.2.1金属有机化学气相沉积

2.2.2晶体生长质量的测试方法

2.3大失配异质外延基本理论模型

2.4低温InP缓冲层的特殊表面形貌

2.4.1实验结果

2.4.2分析与讨论

2.5双低温缓冲层的力学形变效应

2.5.1实验结果

2.5.2分析与讨论

2.6本章小结

参考文献

第三章InP/GaAs横向异质外延和生长模型研究

3.1引言

3.2 InP/GaAs的ELOG实验方案

3.3特殊表面形貌分析

3.3.1 Ⅴ/Ⅲ和掩膜宽度的影响

3.3.2生长时间的影响

3.4生长动力学的数值模拟

3.4.1气相扩散生长速率

3.4.2表面迁移速率

3.4.3讨论

3.5本章小结

参考文献

第四章 特殊Ⅲ-Ⅴ化合物的第一性原理研究

4.1引言

4.2第一性原理计算

4.3BAs在Ⅲ-Ⅴ族中的特殊性

4.4 半金属化合物：Ⅲ-Bi和TI-Ⅴ

4.5本章小结

参考文献

第五章 GaAs基新合金材料的第一性原理研究

5.1引言

5.2模型与计算方法

5.2.1虚晶近似

5.2.2团簇近似

5.3结构和电学特性

5.4本章小结

参考文献

第六章BGaAs化合物的LP-MOCVD生长实验

6.1引言

6.2硼源的选择

6.3 BGaAs生长方案

6.4 B组分的测量

6.5结果分析

参考文献

第七章总结

致谢

攻读博士学位期间已经发表的学术论文