多變量離子注入型量子阱混雜效應(yīng)
發(fā)布時(shí)間：2021-07-22 15:18
為實(shí)現(xiàn)InP基單片集成光電子器件和系統(tǒng),對(duì)InGaAsP/InGaAsP分別限制異質(zhì)結(jié)多量子阱激光器結(jié)構(gòu)展開量子阱混雜（QWI）技術(shù)研究。在不同能量P離子注入、不同快速熱退火（RTA）條件以及循環(huán)退火下,研究了有源區(qū)量子阱混雜技術(shù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用光致發(fā)光（PL）譜進(jìn)行表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在不同變量下皆可獲得量子阱混雜效果,其中退火溫度影響最為顯著,且循環(huán)退火可進(jìn)一步提高量子阱混雜效果;PL譜藍(lán)移隨著退火溫度、退火時(shí)間和注入能量的增大而增大,退火溫度對(duì)藍(lán)移的影響最大,在注入劑量為1×1014 ion/cm2,注入能量為600keV,750℃二次退火150s時(shí)獲得最大藍(lán)移量116nm。研究結(jié)果為未來基于QWI技術(shù)設(shè)計(jì)和制備單片集成光電子器件和系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。
【文章來源】：激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2020,57(01)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
P+不同注入能量下注入深度分布。
圖1 P+不同注入能量下注入深度分布。A組樣品利用普通紫外光刻機(jī)進(jìn)行光刻；然后利用型號(hào)為NV-GSD-HE離子注入機(jī)進(jìn)行離子注入，注入條件為P+注入、注入劑量為1×1014 ion/cm2、注入能量為300keV及600keV；有機(jī)清洗去膠之后采用等離子化學(xué)氣相沉積（PECVD）生長50nm厚的SiO2介質(zhì)層，然后將其解理成3 mm×3 mm的樣品；選用型號(hào)為RPM2000的PL光譜儀，在室溫下測量每個(gè)樣品的PL譜線，激光器功率為48.5 mW，狹縫寬度為0.1mm，由此獲得各樣品在QWI之前的原始量子阱材料的PL譜；之后，用RTA-500型快速熱退火爐在650～750℃下對(duì)A和B樣品按50℃溫度間隔進(jìn)行快速熱退火處理，時(shí)間分別為60,90,150s，退火過程中，為防止磷揮發(fā)對(duì)樣品質(zhì)量產(chǎn)生影響，可將每個(gè)樣品放置于一個(gè)直徑為10.16cm的Si片上，樣品頂層蓋上直徑為5.08cm的InP襯底片，且通入N2作為載氣保護(hù)；為排除熱場不均勻性對(duì)QWI實(shí)驗(yàn)的影響，所有樣品均置于退火爐同一位置。高溫快速退火誘導(dǎo)之后，繼續(xù)對(duì)所有樣品在相同條件下進(jìn)行PL譜表征，用以對(duì)比分析QWI前后的波長藍(lán)移、PL強(qiáng)度以及半峰全寬（FWHM）變化。A組樣品具體工藝流程圖如圖3(a）所示。
注入能量分別為300keV和600keV時(shí)，經(jīng)不同溫度退火后，A樣品PL譜的峰值波長變化情況如圖4所示。可以看出隨著退火溫度增加，A樣品PL譜的峰值波長逐漸藍(lán)移，在600keV、750℃條件下藍(lán)移量最大，為102nm。在離子注入實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)行RTA處理，一方面是消除離子注入所造成的晶格損傷，提高晶體品質(zhì)，另一方面是高溫可促使有源區(qū)的量子阱混雜。PL譜藍(lán)移量隨退火溫度增加而增加，這是由于在RTA作用下，大量的空位或缺陷向有源區(qū)移動(dòng)，雖然一部分間隙原子和空位在移動(dòng)過程中會(huì)進(jìn)行復(fù)合，但是仍有大量空位和間隙原子進(jìn)入有源區(qū)，導(dǎo)致有源區(qū)中的Ⅲ族原子和Ⅴ族原子發(fā)生互擴(kuò)散，使得量子阱材料的禁帶寬度變寬，量子阱發(fā)光波長變短，出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象，即RTA促使量子阱中構(gòu)成阱壘材料的原子發(fā)生互擴(kuò)散，使得量子阱材料對(duì)應(yīng)的禁帶寬度變寬，阱壘界面模糊，宏觀上表現(xiàn)為量子阱的發(fā)光峰藍(lán)移，從而測量結(jié)果就是PL譜藍(lán)移。從圖4還可以看出，當(dāng)注入能量增大時(shí)，藍(lán)移量增大，原因是注入離子與靶原子之間的作用會(huì)由能量較低時(shí)起主導(dǎo)作用的彈性碰撞（把動(dòng)能傳遞給靶原子，引起原子移動(dòng)）轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰枯^高時(shí)起主導(dǎo)作用的非彈性碰撞（把能量傳遞給電子，引起電子的反沖或激發(fā)），而且能使產(chǎn)生空位的深度更大，更集中于有源區(qū)界面，因此能更有效地促進(jìn)量子阱發(fā)生混合而產(chǎn)生更大的藍(lán)移。4.2 退火溫度和退火時(shí)間對(duì)波長藍(lán)移的影響
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]張應(yīng)變GaInP量子阱結(jié)構(gòu)變溫光致發(fā)光特性[J]. 林濤,寧少歡,李晶晶,張?zhí)旖?段玉鵬,林楠,馬驍宇. 光子學(xué)報(bào). 2019(01)
[2]無雜質(zhì)空位誘導(dǎo)量子阱混雜研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 林濤,孫航,張浩卿,林楠,馬驍宇,王勇剛. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2015(03)
[3]Zn雜質(zhì)擴(kuò)散誘導(dǎo)AlGaInP/GaInP量子阱混雜[J]. 林濤,鄭凱,馬驍宇. 光學(xué)學(xué)報(bào). 2008(11)
[4]InGaAsP/InP Double Quantum Well Intermixing Induced by Phosphorus Ion Implantation[J]. CHEN Jie~1, ZHAO Jie~1, WANG Yong-chen~1, HAN De-jun~2(1. College of Phys. and Electron. Inform. Sci., Tianjin Normal University, Tianjin 300074, CHN; 2. The Key Lab. of Education Ministry on Radiation Beam and Materials Modification, Beijing Normal University, Beijing 100875, CHN). Semiconductor Photonics and Technology. 2005(04)
[5]InGaAs/InGaAsP量子阱激光器材料帶隙藍(lán)移研究[J]. 劉超,李國輝,韓德俊,姬成周,葉小玲. 北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2001(02)
本文編號(hào)：3297393
【文章來源】：激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2020,57(01)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
P+不同注入能量下注入深度分布。
圖1 P+不同注入能量下注入深度分布。A組樣品利用普通紫外光刻機(jī)進(jìn)行光刻；然后利用型號(hào)為NV-GSD-HE離子注入機(jī)進(jìn)行離子注入，注入條件為P+注入、注入劑量為1×1014 ion/cm2、注入能量為300keV及600keV；有機(jī)清洗去膠之后采用等離子化學(xué)氣相沉積（PECVD）生長50nm厚的SiO2介質(zhì)層，然后將其解理成3 mm×3 mm的樣品；選用型號(hào)為RPM2000的PL光譜儀，在室溫下測量每個(gè)樣品的PL譜線，激光器功率為48.5 mW，狹縫寬度為0.1mm，由此獲得各樣品在QWI之前的原始量子阱材料的PL譜；之后，用RTA-500型快速熱退火爐在650～750℃下對(duì)A和B樣品按50℃溫度間隔進(jìn)行快速熱退火處理，時(shí)間分別為60,90,150s，退火過程中，為防止磷揮發(fā)對(duì)樣品質(zhì)量產(chǎn)生影響，可將每個(gè)樣品放置于一個(gè)直徑為10.16cm的Si片上，樣品頂層蓋上直徑為5.08cm的InP襯底片，且通入N2作為載氣保護(hù)；為排除熱場不均勻性對(duì)QWI實(shí)驗(yàn)的影響，所有樣品均置于退火爐同一位置。高溫快速退火誘導(dǎo)之后，繼續(xù)對(duì)所有樣品在相同條件下進(jìn)行PL譜表征，用以對(duì)比分析QWI前后的波長藍(lán)移、PL強(qiáng)度以及半峰全寬（FWHM）變化。A組樣品具體工藝流程圖如圖3(a）所示。
注入能量分別為300keV和600keV時(shí)，經(jīng)不同溫度退火后，A樣品PL譜的峰值波長變化情況如圖4所示。可以看出隨著退火溫度增加，A樣品PL譜的峰值波長逐漸藍(lán)移，在600keV、750℃條件下藍(lán)移量最大，為102nm。在離子注入實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)行RTA處理，一方面是消除離子注入所造成的晶格損傷，提高晶體品質(zhì)，另一方面是高溫可促使有源區(qū)的量子阱混雜。PL譜藍(lán)移量隨退火溫度增加而增加，這是由于在RTA作用下，大量的空位或缺陷向有源區(qū)移動(dòng)，雖然一部分間隙原子和空位在移動(dòng)過程中會(huì)進(jìn)行復(fù)合，但是仍有大量空位和間隙原子進(jìn)入有源區(qū)，導(dǎo)致有源區(qū)中的Ⅲ族原子和Ⅴ族原子發(fā)生互擴(kuò)散，使得量子阱材料的禁帶寬度變寬，量子阱發(fā)光波長變短，出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象，即RTA促使量子阱中構(gòu)成阱壘材料的原子發(fā)生互擴(kuò)散，使得量子阱材料對(duì)應(yīng)的禁帶寬度變寬，阱壘界面模糊，宏觀上表現(xiàn)為量子阱的發(fā)光峰藍(lán)移，從而測量結(jié)果就是PL譜藍(lán)移。從圖4還可以看出，當(dāng)注入能量增大時(shí)，藍(lán)移量增大，原因是注入離子與靶原子之間的作用會(huì)由能量較低時(shí)起主導(dǎo)作用的彈性碰撞（把動(dòng)能傳遞給靶原子，引起原子移動(dòng)）轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰枯^高時(shí)起主導(dǎo)作用的非彈性碰撞（把能量傳遞給電子，引起電子的反沖或激發(fā)），而且能使產(chǎn)生空位的深度更大，更集中于有源區(qū)界面，因此能更有效地促進(jìn)量子阱發(fā)生混合而產(chǎn)生更大的藍(lán)移。4.2 退火溫度和退火時(shí)間對(duì)波長藍(lán)移的影響
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]張應(yīng)變GaInP量子阱結(jié)構(gòu)變溫光致發(fā)光特性[J]. 林濤,寧少歡,李晶晶,張?zhí)旖?段玉鵬,林楠,馬驍宇. 光子學(xué)報(bào). 2019(01)
[2]無雜質(zhì)空位誘導(dǎo)量子阱混雜研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 林濤,孫航,張浩卿,林楠,馬驍宇,王勇剛. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2015(03)
[3]Zn雜質(zhì)擴(kuò)散誘導(dǎo)AlGaInP/GaInP量子阱混雜[J]. 林濤,鄭凱,馬驍宇. 光學(xué)學(xué)報(bào). 2008(11)
[4]InGaAsP/InP Double Quantum Well Intermixing Induced by Phosphorus Ion Implantation[J]. CHEN Jie~1, ZHAO Jie~1, WANG Yong-chen~1, HAN De-jun~2(1. College of Phys. and Electron. Inform. Sci., Tianjin Normal University, Tianjin 300074, CHN; 2. The Key Lab. of Education Ministry on Radiation Beam and Materials Modification, Beijing Normal University, Beijing 100875, CHN). Semiconductor Photonics and Technology. 2005(04)
[5]InGaAs/InGaAsP量子阱激光器材料帶隙藍(lán)移研究[J]. 劉超,李國輝,韓德俊,姬成周,葉小玲. 北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2001(02)
本文編號(hào)：3297393
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