硅基Ⅲ-Ⅴ族半導體激光器材料生長及器件制備研究
發(fā)布時間：2021-01-02 19:54
近年來,信息產(chǎn)業(yè)突飛猛進,現(xiàn)代光通信網(wǎng)面臨著空前的挑戰(zhàn)。光纖通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理與收發(fā)模塊中包含了大量的光電子器件,所以光電子器件直接影響著光纖通信網(wǎng)絡的綜合性能。與此同時,Si基超大規(guī)模集成電路經(jīng)過大半個世紀的發(fā)展,已經(jīng)完全成熟,現(xiàn)代通信網(wǎng)的電子終端正是以之為基礎。如果能夠實現(xiàn)光子器件與硅基微電子器件的高度集成（即光電集成）,就可以使得光通信網(wǎng)絡與電子終端之間的聯(lián)接更緊密,同時又可以充分發(fā)揮微電子器件的成熟工藝技術和光子器件系統(tǒng)帶寬寬、傳輸速率高、抗干擾能力強等優(yōu)勢。在研究人員的長期努力下,許多硅基光器件,如硅基探測器、硅基光調(diào)制器等,都已獲得成功應用,但硅基激光器方面進展緩慢。如今硅基光電集成面臨的最嚴峻的挑戰(zhàn)就是實現(xiàn)硅基激光器的實用化。然而,由于硅是間接帶隙半導體材料,使得硅基發(fā)光器件的發(fā)展受到了極大限制�；谏鲜霰尘�,本論文致力于通過直接外延的方式實現(xiàn)硅基Ⅲ-Ⅴ族半導體激光器,以解決硅基光源問題。論文圍繞硅基Ⅲ-Ⅴ族半導體激光器材料生長及器件制備工藝展開研究。主要研究內(nèi)容及成果如下:（1）本論文工作是在實驗室前期有關GaAs/Si三步生長法的研究成果（GaAs外延層位錯密度低至3×...
【文章來源】：北京郵電大學北京市 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：112 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖１．２．?１贗形生長和異變生長的示意圖
圖１．２．?２?ＧａＡｓ／Ｓｉ材料異變外延中反相疇示意圖。??如圖１．２．２所示，當ＧａＡｓ材料沉積到Ｓｉ襯底表面的原子臺階時，在垂直方??上，ＧａＡｓ晶胞只能與Ｓｉ原子臺階上下的二者之一保持一致，ＧａＡｓ晶胞的取??向受到Ｓｉ表面原子排列和外延生長條件影響。當Ｓｉ襯底出現(xiàn)單原子臺階時，ＧａＡｓ??Ｇａ原子和Ａｓ原子的排列形式會隨之改變，使得臺階上下的ＧａＡｓ材料在邊界??形成一個擴散邊界面，與常規(guī)情況下邊界層里的ＧａＡｓ陰陽離子鍵不同，此處??是由陽－陽離子鍵和陰－陰離子鍵組成的二維平面，稱為反相疇位錯。在這個缺陷??散邊界平面會形成一個捕獲區(qū)域，使得器件中的少數(shù)載流子壽命減�。郏玻担�，同??，其還會使得多數(shù)載流子的散射增加［２６］，進而影響器件的性能。??除了上述在晶格常數(shù)和晶體結構方面的差異，在熱膨脹系數(shù)方面，Ｓｉ和ＧａＡｓ??兩種材料也存在很大的差異。在ＧａＡｓ／Ｓｉ材料生長完成后，生長溫度降低的過程??，由于ＧａＡｓ和Ｓｉ兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同，二者相差約６０％，致使二者??縮比例不同，產(chǎn)生熱失配。由于ＧａＡｓ的熱膨脹系數(shù)更大，收縮速度更快，從??在ＧａＡｓ／Ｓｉ外延層中產(chǎn)生張應變。應變發(fā)生在外延生長時從生長溫度降低到室??
圖１．２．?３?Ｓｉ襯底表面兩種鍵結構類型Ｓｉ原子示意圖Ｍ。??外，為了降低ＧａＡｓ／Ｓｉ外延層中位錯密度，國內(nèi)外研宄組近年來效的新方法，并且獲得了不錯的成果。２００５年，美國俄亥俄州７］應用超高真空化學氣相沉積（ＵＨＶＣＶＤ）技術，在Ｓｉ襯底上，然后在其上利用金屬有機物化學氣相沉積（ＭＯＣＶＤ：?Ｍｅｔｉｃａｌ?Ｖａｐｏｒ?Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）技術技術完成了?ＧａＡｓ太陽能電池材料的制穿透位錯密度為ｌ〇６ｃｒｒｆ２量級的ＧａＡｓ／Ｓｉ外延層。??００７年，美國密歇根大學研究組［５８］提出采用多層量子點作為位錯利用量子點周圍的應力場，使經(jīng)過量子點附近區(qū)域的穿透位錯傳，不再繼續(xù)向上層傳播，以此降低上層材料的穿透位錯密度。技術，獲得了位錯密為１０７?ｃｍ＿２量級的ＧａＡｓ／Ｓｉ外延層。??０１３年，英國倫敦大學學院研究組［５９］應用ＭＢＥ技術，采用ＩｎＡｌａＡｓ／ＧａＡｓ應變超晶格阻擋位錯方法，獲得了位錯密度為３？５ｘ?１０Ｓｉ外延層。２０１６年，該研宄組利用ＡｌＡｓ成核層和ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ
【參考文獻】：
期刊論文
[1]硅基Ⅲ-Ⅴ族量子點激光器的發(fā)展現(xiàn)狀和前景[J]. 王霆,張建軍,Huiyun Liu. 物理學報. 2015(20)
[2]Quantum dot lasers for silicon photonics [Invited][J]. Alan Y.Liu,Sudharsanan Srinivasan,Justin Norman,Arthur C.Gossard,John E.Bowers. Photonics Research. 2015(05)
[3]非晶硅薄膜晶化與結構特性的研究[J]. 何宇亮,劉湘娜. 電子學報. 1982(04)
本文編號：2953533
【文章來源】：北京郵電大學北京市 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：112 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖１．２．?１贗形生長和異變生長的示意圖
圖１．２．?２?ＧａＡｓ／Ｓｉ材料異變外延中反相疇示意圖。??如圖１．２．２所示，當ＧａＡｓ材料沉積到Ｓｉ襯底表面的原子臺階時，在垂直方??上，ＧａＡｓ晶胞只能與Ｓｉ原子臺階上下的二者之一保持一致，ＧａＡｓ晶胞的取??向受到Ｓｉ表面原子排列和外延生長條件影響。當Ｓｉ襯底出現(xiàn)單原子臺階時，ＧａＡｓ??Ｇａ原子和Ａｓ原子的排列形式會隨之改變，使得臺階上下的ＧａＡｓ材料在邊界??形成一個擴散邊界面，與常規(guī)情況下邊界層里的ＧａＡｓ陰陽離子鍵不同，此處??是由陽－陽離子鍵和陰－陰離子鍵組成的二維平面，稱為反相疇位錯。在這個缺陷??散邊界平面會形成一個捕獲區(qū)域，使得器件中的少數(shù)載流子壽命減�。郏玻担�，同??，其還會使得多數(shù)載流子的散射增加［２６］，進而影響器件的性能。??除了上述在晶格常數(shù)和晶體結構方面的差異，在熱膨脹系數(shù)方面，Ｓｉ和ＧａＡｓ??兩種材料也存在很大的差異。在ＧａＡｓ／Ｓｉ材料生長完成后，生長溫度降低的過程??，由于ＧａＡｓ和Ｓｉ兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同，二者相差約６０％，致使二者??縮比例不同，產(chǎn)生熱失配。由于ＧａＡｓ的熱膨脹系數(shù)更大，收縮速度更快，從??在ＧａＡｓ／Ｓｉ外延層中產(chǎn)生張應變。應變發(fā)生在外延生長時從生長溫度降低到室??
圖１．２．?３?Ｓｉ襯底表面兩種鍵結構類型Ｓｉ原子示意圖Ｍ。??外，為了降低ＧａＡｓ／Ｓｉ外延層中位錯密度，國內(nèi)外研宄組近年來效的新方法，并且獲得了不錯的成果。２００５年，美國俄亥俄州７］應用超高真空化學氣相沉積（ＵＨＶＣＶＤ）技術，在Ｓｉ襯底上，然后在其上利用金屬有機物化學氣相沉積（ＭＯＣＶＤ：?Ｍｅｔｉｃａｌ?Ｖａｐｏｒ?Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）技術技術完成了?ＧａＡｓ太陽能電池材料的制穿透位錯密度為ｌ〇６ｃｒｒｆ２量級的ＧａＡｓ／Ｓｉ外延層。??００７年，美國密歇根大學研究組［５８］提出采用多層量子點作為位錯利用量子點周圍的應力場，使經(jīng)過量子點附近區(qū)域的穿透位錯傳，不再繼續(xù)向上層傳播，以此降低上層材料的穿透位錯密度。技術，獲得了位錯密為１０７?ｃｍ＿２量級的ＧａＡｓ／Ｓｉ外延層。??０１３年，英國倫敦大學學院研究組［５９］應用ＭＢＥ技術，采用ＩｎＡｌａＡｓ／ＧａＡｓ應變超晶格阻擋位錯方法，獲得了位錯密度為３？５ｘ?１０Ｓｉ外延層。２０１６年，該研宄組利用ＡｌＡｓ成核層和ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ
【參考文獻】：
期刊論文
[1]硅基Ⅲ-Ⅴ族量子點激光器的發(fā)展現(xiàn)狀和前景[J]. 王霆,張建軍,Huiyun Liu. 物理學報. 2015(20)
[2]Quantum dot lasers for silicon photonics [Invited][J]. Alan Y.Liu,Sudharsanan Srinivasan,Justin Norman,Arthur C.Gossard,John E.Bowers. Photonics Research. 2015(05)
[3]非晶硅薄膜晶化與結構特性的研究[J]. 何宇亮,劉湘娜. 電子學報. 1982(04)
本文編號：2953533
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