PDF《热壁外延与》

实验技术

3 集成光电子国家重点联合实验室资助项目 收到初稿 修回 热壁外延与 ? √ 族半导体红外器件

3 杨玉琨 李冬妹 陈海勇 于三邹广田 吉林大学超硬材料国家重点实验室 长春 摘要文章介绍了热壁外延 ? ∞ 技术及其应用 主要介绍了用热壁外延技术制作的几种 √ 族半导体红外探测器和激光器 介绍了这方面国际上近年来的一些新进展 同时也介绍了我们自己的工 作 关键词 热壁外延 √ 族半导体 红外探测器 红外激光器 ΗΟΤ ?ΑΛΛ ΕΠ ΙΤΑΞΨ ΑΝΔ ΙΡ ΔΕ? ΙΧΕΣ ΜΑΔΕ ΟΦ √ ΣΕ ΜΙΧΟΝΔ ΥΧΤΟΡΣ ( Νατιοναλ Λαβορατορψ οφ Συπερ Ηαρδ Ματερ ιαλ σ, ? ιλ ιν Υνι? ερ σ ιτψ, Χηανγχηυν ) Αβσ τραχτ ? ? ∞ Κεψ ωορδσ ? √ ∏ 现在 人们对半导体薄膜和异质结构材料 很感兴趣 因为能用它们做出性能优良的电子 器件 特别是光电器件 生长这类材料的技术主 要是分子束外延 ∞ 和金属有机化学气相 沉积 ≤ ? ? 但是这两种技术设备昂贵 工 艺复杂 而热壁外延 ? ? ∞ 设 备简单 工艺简单≈ 我们≈ 对通用的 ? ∞ 装置作了重大简化 使之更加简单 由于 ? ∞ 是在接近热力学平衡条件下进行外延生长 因 而能生长出晶体结构完美的单晶外延层 我们 已用这种技术和自制的简化的 ? ∞ 装置 生 长了几种 √ 和√半导体薄膜≈ ) !异 质结≈ 和超晶格≈ 我们的 ? ∞ 外延炉温度不高 不超过 ε 设备的极限真空度只有 ? ° 还 没有成分 !晶体结构和膜厚的原位监测装置 但 是它却能胜任 √ 族半导体材料的外延生 长 这是因为 ° * 等铅盐化合物和 ∞∏!≥ 等元素在 ) ε 便有较高的蒸汽压 易于加热蒸发 因而外延炉的温度不必很高 ? ∞ 炉内有大量的蒸发源的蒸汽 因 而炉内残余气体的分压强比炉外真空环境要低 得多 即炉内保持更清洁的环境≈ 在室温下对°≥°≥和°*的面充以 ? 朗缪尔 的氧 氧的粘附 系数分别为 ? ? 和?而砷稳的 面则为 即铅盐 √ 族半导体氧的粘附系数至少比 ∏族化合物 # # 物理 低 个数量级 因而对真空度要求不苛刻 √ 族化合物的离子键强 加热蒸发 时不易离解 因而外延层的成分易于控制 在?∞炉中 外延层的生长速率主要 由蒸发源的温度决定 可以低到 Λ 蒸发 源的温度恒定 外延层的厚度就由生长时间决 定 我们通过生长时间精确控制外延层厚度 用?∞技术生长出 超晶格≈ 用√族窄带半导体制作红外探测器已 有几十年 但是这类材料同硅的晶格失配大 热 膨胀系数相差也大 如°*和≥的晶格失配 高达 热膨胀系数相差 倍 因而人们认 为不可能在硅上外延生长这类材料 而是用 ? 和≤等单晶作衬底 这样就不可能实现 光电集成 而且 √ 族半导体的介电常数非 常大 用这种材料制作的红外探测器响应太慢 因而 年代后期以来被碲镉汞 ≤ * 材料所 取代 ≤ * 等√族窄带半导体材料难制备 稳定性差 * 键的结合力弱 带来器件 工艺中的一些困难问题 而√族窄带半导 体材料易制备 稳定性好 没有处理汞的困难 用这种材料制作的红外探测器量子效率高 其 灵敏度可以同 ≤ * 材料制作的器件相比较 甚至还要高些 而且器件的噪声低 可以通过掺 杂锡 !铕等元素来改变能隙 制作出覆盖 ) Λ 的红外探测器 √ 族半导体易于制 作出大面积性能均匀的材料 以适应制作列阵 的需要 所以近年来人们又开始关注 √ 族 窄带半导体 为了在硅衬底上制作铅盐 √ 族半导体 红外探测器 以便和硅 ≤ ≤ ?相结合而发展成单 片红外成像器件 必须克服在硅上外延生长 ° * 和°≥等√族半导体材料的困难 等人≈ 用∞技术在 ≥ 衬底上生 长≤?≥??缓冲层 然后用 ? ∞ 技 术外延生长 ° * 再镀上 ° 做出了 ° ° * 肖特基结红外探测器 温度下的探 测率 ?3 达到 ? ? 并制作出了 线列阵 年 等人≈ 用?∞技术在硅上生长了 ≤ ? ? 缓冲层 再外延生 长°*制作出了 ° * 的 结和 ° ° * 肖特基结红外探测器 温度下的探测 率?3 分别达到

1 ? ? 和1??这样便借助缓冲层克服了 在硅上外延生长 √ 族窄带半导体的困难 凝视焦平面列阵对响应时间要求相对放宽 √ 族半导体完全能满足要求 因而近年来 用√族窄带半导体制作红外探测器的研究 工作又开始活跃起来 近年来 人们开始试探直接在硅上外延生 长√族半导体 我们≈ 用自制的简化的 ? ∞ 装置在 ≥ 衬底上直接外延生长了 ° * 单晶外延层 制备了 ° * ≥ 异质结 | 等人≈ 研究在硅上直接外延生长 ° ≥ 等人≈ 用?∞技术在 ≥ 衬底上生长出 ° * 单晶薄膜 年≥等人≈ 预言可用 ° * ≥ 异质结制作成量子效 率达到百分之三十几的中红外探测器 在他们 的启发下 我们研制了 ° * ≥ 异质结 中红外探测器 室温下量子效率达到 探 测率 ?3 达到

1 ? ? 年 等人≈ 用?∞技术生 长了 ° * 掺杂超晶格 并制作成功光电导红 外探测器 红外光照射产生的电子和空穴被分 别限制在 型和 型层内 难于复合 使载流子 寿命增加两个数量级 显示了极好的光电导响 应在温度下峰值探测率Δ3∴??中远红外激光器在高分辨红外光谱 !大气 污染监测和工业生产过程的控制与监测等领域 有着广泛的应用 近年来 随着红外光纤研究工 作的进展 可望实现低损耗的远距离光纤通信 氟化物玻璃光纤的损耗比普通玻璃光纤低两个 数量级 其最低损耗波长约为 Λ 因此要研 制此波长的红外激光器 作为这种光纤通信的 光源 实现 ) Λ 波段激光输出最有希望的 材料是 √ 族铅盐化合物和 ∏ 族的 ≥ 基化合物 在)1Λ波段 ∏族 半导体激光器取得了较好的进展 但制作波长 # # 卷年期更长的激光器 √ 族半导体就是最可用的 材料 而且用这种材料制作的激光器具有谱线 极窄和可调谐等优点 因而越来越受到人们的 重视 前些 年 人们 就用 ? ∞ 技术 用°*°≥和°≥*等材料制作成功红外激光器 它们的输出波长为 ) Λ 工作温度都低于 近年来报道了采用 和°≥≥等材料制作的激光器 这类激光器的输 出波长为 ) Λ 由于有效的载流子限制和 较小的俄歇复合 它们的脉冲工作温度已经超 过 为了降低阈值电流和进一步提高工作 温度 人们采用多量子阱 ± ? 结构 因为在 多量子阱中 为实现粒子数反转所要注入的载 流子密度很小 而光学增益较大 ° ξ ∞∏ξ ≥ 和°ξ≥ξ≥等材料的能隙随 着∞∏ ≥ 或≥≥含量的增加很快增大 但晶格常 数却不明显增大 同°≥接近匹配 ∞∏等元素 扩散系数小 有利于形成突变异质结 等人≈ 于 年用 ? ∞ 技术制作了 ° ≥ ≥ ° ≥ 多量子阱激光器 他们用 ? ∞ 技术首先 在°≥衬底上外延生长一层 ° ≥ Λ 然后 生长 °

1 ≥

1 ≥ 限制层 Λ 和用来作光学 限制的 °

1 ≥

1 ≥ 层1Λ再外延生长 ± ? 有源区

1 Λ 它是由 个周期的 °

1 ≥

1 构成 接着 在有源区上外延生长 °

1 ≥

1 ≥

1 Λ 和°1≥1≥Λ限制层 然后做成条形激光 器宽Λ长Λ它的脉冲工作温度达 到1Λ这是报道过的以 ° ≥ 为基的 激光器的最高工作温度 参考文献≈杨玉琨 孟庆巨 吴连民 物理 ) ετ αλ ∏ ≤ ) ετ αλ ≤ ∏ ? √ ) ≈ 杨玉琨 孟庆巨 杨慧等 吉林大学自然科学学报 ) ≈ 杨玉琨 杨易 赵斌等 发光学报 ) ετ αλ.

∏ ≤ ) ≈ 杨玉琨 熊欣 李文明等 真空科学与技术 ) ≈ 杨玉琨 李文明 熊欣等 辽宁大学学报自然科学版 ) ≈ ≤ ετ αλ. ∏ ∏ ° ) ≈ ≤ ° ≠ ετ αλ. ° ) ≈ 杨玉琨 李文明 于磊等 半导体学报 ) ≈ | ° ? ετ αλ. ° ) ετ αλ. * ≥ ? )

2 ) ετ αλ. ° * ) ≈ ? ∞ ετ αλ. ° ) ≈ ≥ ∏ ετ αλ.≥ ≥ ∞

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