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1、第19卷第6期 半 导 体 学 报 Vol.19,No.61998年6月 CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSJune,1998InxGa1-xAsöInP应变量子阱中激子3跃迁能量随In组分的变化1王晓亮 孙殿照 孔梅影 侯 洵 曾一平(中国科学院半导体研究所 北京 100083)(1中国科学院西安光学精密机械研究所 西安 710068)摘要 本文研究了InxGa1-xAsöInP应变多量子阱中激子跃迁能量随In组分的变化.用国产GSMBE
2、设备生长了五个样品,这五个样品的阱宽均为5nm,垒宽均为20nm,唯一的不同之处是阱层中的In组分不同,In组分从0139变化到0168.用X射线双晶衍射及计算机模拟确定出了各样品阱层中实际In组分.用光致发光谱(PL)、吸收谱(AS)、光伏谱(PV)确定出了样品中的激子跃迁能量.对量子阱中的激子跃迁能量随In组分的变化进行了理论计算.结果表明:对给定阱宽的量子阱,随着In组分的增大,量子阱中11H和11L激子跃迁能量减小.11H与11L激子吸收峰间距随In组分的变化而变化,对5nm的量子阱,当x=01
3、42时,n=1的重、轻空穴量子化能级简并.当x<0142时,11L激子跃迁能量小于11H激子跃迁能量;当x=0142时,11L激子跃迁能量与11H激子跃迁能量相等;当x>0142时,11L激子跃迁能量大于11H激子跃迁能量.实验结果与理论计算结果符合得很好.PACC:6865,7280E,7855;EEACC:0510D,2520D,2530B1 引言InxGa1-xAsöInP材料系统在光电子器件领域和微电子器件领域具有重要应用,利用该[1,2][3]材料系统可以制备长波长光纤通信激光器、高电子迁移率
4、晶体管、电光调制器及开关[4～7][8～11]器件以及探测器等,因此该材料系统受到了广泛重视.InxGa1-xAs的特点是既可以匹配地(x=0153)生长在InP衬底上,也可以正失配(x>0153)或负失配(x<0153)地生长在InP衬底上,因此,利用InxGa1-xAsöInP材料系统通过共格生长可以形成平面双轴压应变或平面双轴张应变量子阱超晶格材料,这样,不仅可以通过合金组分的变化和量子尺寸[12,13]效应来调节材料和器件的性能,而且可以通过晶格失配引入的平面双轴应变来调节材[12]料和器件的性
5、能.因此,平面双轴应变的引入,为应用能带工程设计能带结构、剪裁材料的光电特性增加了一个新的自由度.在对光电子材料进行分析研究或设计光电子器件时,需3国家“863”高技术资助项目王晓亮 男,1963年出生,博士后,副研究员,从事半导体微电子及光电子超薄异质结构材料生长、物理及器件研究孙殿照 男,1942年出生,研究员,从事半导体超薄微结构材料及器件生长及特性研究1997204215收到,1997207203定稿418 半 导 体 学 报 19卷要知道InxGa1-xAsöInP
6、应变量子阱的光学性质随In组分的变化.我们在国产GSMBE设备上,生长了一系列具有不同In组分的InxGa1-xAsöInP应变量子阱超晶格材料,利用X射线双晶衍射、光致发光谱、吸收谱和光伏谱对所生长的样品进行了分析研究,确定出了量子阱中n=1轻、重空穴激子跃迁能量随In组分的变化规律.2 实验所研究的InxGa1-xAsöInP应变多量子阱样品的结构如图1所示.为了研究应变对多量子阱SMQW的影响,我们生长了五个具有图1所示结构的样品,这五个样品除了SMQWInP∶Be500nm区阱层的In组分不同、
7、因而应变不同外,其它参数均相同.用国i2InP200nm产GSMBE设备生长,Ë族源用固态源,Í族源为气态源.固态 周期数=20In源和Ga源的纯度分别为7N和8N,气态源浓度为100%的SMQW 阱宽=5nm 垒宽=20nm高纯AsH3和PH3,AsH3和PH3裂解炉温度为950℃.生长温i2InP200nm度约为500℃,阱和垒的生长速率均为110MLös.生长速率用反InP∶Si200nm射高能电子衍射(RHEED)测量.各层的生长时间由各层的厚N2InPSubstrate度和生长速率
8、决定.各层的生长均用计算机自动控制.首先在++N型(001)InP衬底上外延生长200nm的掺SiN型InP缓冲层,接着生长200nm厚的不掺杂的i型InP层,再生长20周期图1InxGa1-xAsöInP应变的InP(20nm)öInxGa1-xAs(5nm)不掺杂i型应变多量子阱多量子阱样品结构示意图(SMQW)区,在SMQW的上面生长200nm的不掺杂的i型+InP层,顶层为500nm厚的掺BePInP.这样,就形成了P2i2N结构.
