GAAS微探尖的制备与转移
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利用梯度掺杂获得高量子效率的GaAs光电阴极|
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vbgaas单晶片抛光技术研究
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91InGaAs_InAlAs多量子阱电吸收光调制器
第19卷第1期半导体学报Vol.19,No.11；王健华金峰俞谦孙可李德杰；(清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室北；蔡丽红黄绮周钧铭；(中国科学院物理研究所北京100080)；王玉田庄岩；(中国科学院半导体研究所国家光电子工艺中心北京1；摘要用国产MBE设备生长出与InP衬底晶格匹配的；材料的量子限制Stark效应及其与光偏振方向有关；材料制作的脊
　第19卷第1期　　　　　　　　半　导　体　学　报　　　　　　　　Vol.19,No.1　　1998年1月　　　　　　CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORS　　　　　　Jan.,1998　InGaAs/InAlAs多量子阱电吸收光调制器王健华　金　峰　俞　谦　孙　可　李德杰(清华大学电子工程系　集成光电子学国家重点实验室　北京　100084)*蔡丽红　黄　绮　周钧铭(中国科学院物理研究所　北京　100080)王玉田　　庄　岩(中国科学院半导体研究所　国家光电子工艺中心　北京　100083)摘要　用国产MBE设备生长出与InP衬底晶格匹配的InGaAs/InAlAs多量子阱材料,并对材料的量子限制Stark效应及其与光偏振方向有关的各向异性电吸收特性进行研究.用该种材料制作的脊波导结构电吸收调制器在2.4V驱动电压下实现了20dB以上消光比,光3dB带宽达3GHz.PACC:S,78651　引言光调制器是光纤通信系统中的重要器件,用半导体量子阱材料制作的电吸收型光强度调制器具有驱动电压小、调制速率高、频率啁啾小、易于和半导体激光器单片集成等优点.多量子阱(MQW)电吸收型光调制器利用的是量子限制Stark效应(QCSE),即当量子阱区存在垂直于阱壁方向的电场时,它的吸收带边会发生红移[2].在众多的半导体多量子阱材料中,与InP衬底晶格匹配的In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48AsMQW材料具有独特的优点.它的吸收带边在光通信所用的1.55Lm附近;其价带不连续小,光生空穴泄放快,比InGaAsP材料有更大的饱和吸收光强,近年来在国际上得到广泛重视.此外,利用调制器的非线性调制特性可以产生超短光脉冲链,并进而用于生成光孤子.相比于其它一些生成光孤子的方[3][1]　*本课题为863高技术计划和国家自然科学基金资助项目王健华　女,1946年出生,副教授,目前主要从事半导体光电子器件的材料特性评价及器件研制金　峰　男,1970年出生,硕士研究生毕业,目前在美国读博士俞　谦　男,1972年出生,博士研究生收到,定稿44　　　　　　　　　　　　　　　半　导　体　学　报　[4,5]19卷法,这种方法比较简单,而且有高度的灵活性与可靠性.本研究利用国产分子束外延(MBE)设备生长出高质量In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48AsMQW异质结构材料,并通过X射线双晶衍射及吸收光电流谱测量等手段,对材料特性进行深入研究.在此基础之上制作出电吸收光调制器,并对器件性能进行测量与分析.2　材料生长与特性测量2.1　材料生长本文所用InGaAs/InAlAsMQW材料是在中国科学院物理研究所的国产IV型MBE设备上生长的,衬底为掺硫的n型InP衬底,外延层为p-i-n结构.在InP衬底上首先生长厚度为200nm的n型(N=1×10cm)InAlAs下包层,然后是不掺杂的12个周期的In-GaAs/InAlAsMQW结构,阱宽和垒宽均为8.5nm,接着是1.5Lm厚的p型(P=1×10-319-31818-3cm)InAlAs上包层,最后是100nm的p型高掺杂(P=1×10cm)InGaAs电极接触层.2.2　X射线双晶衍射测量由于InAs与GaAs(或AlAs)的晶格常数相差较大(约7%),InGaAs与InAlAs中In组分必须严格控制在与InP匹配的组分附近,因此对材料生长要求很高.X射线双晶衍射提供了评价材料生长质量的有力手段.图1为利用国家光电子工艺中心的日本RigakuSLX-1AX射线双晶衍射仪测量的样品材料在InP衬底(004)晶面Bragg反射峰附近的X射线衍射图.图中横坐标为2倍Bragg角,纵坐标为衍射强度的对数.其中No.5为InP衬底(004)晶面衍射峰;No.3和No.4峰分别对应于p+-In-图1　MQW材料在InP(004)反射峰附近的X射线双晶衍射图GaAs和p-InAlAs层;No.6为MQW零级峰;No.7和No.2分别为MQWn=+1和n=-1的卫星峰;No.1为MQWn=+3的卫星峰.其中n=±1卫星峰关于零级峰完全对称.图中看不到n=±2卫星峰,是因为所设计量子阱材料的阱、垒宽度相同,致使2级卫星峰出现消光.从X射线双晶衍射图上各衍射峰的位置,可推算出样品各层的晶格匹配情况与组分,计算结果如下:表1　样品各外延层晶格失配情况与对应In组分偏差$HMQWP-InAlAsP-InGaAs+E⊥-1.4×10-38.8×10-4-3E∥-7×10-44×10-41.2×10-3In组分偏差-0.01+0.006+0.°-0.031°-0.080°2.3×101期　　　　　　　　王健华等:　InGaAs/InAlAs多量子阱电吸收光调制器　　　　　　　　45表中$H为外延层Bragg角与InP衬底(004)晶面的Bragg角HB之差;E⊥和E∥分别为外延层在垂直和平行外延层方向上的晶格失配度.可以看出,外延层的晶格失配在1～2×10,In组分偏差为1～2%.由Bragg方程2DsinH=LK,其中D为MQW的周期(D=阱宽+垒宽);K为X射线波长;L为衍射级数.利用MQWn=±1卫星峰与零级峰角距离$H,可求出MQW的周期B附近对H取差分有D.在H±1-3D==2cosHB(°)我们得到D=17.0nm,所以阱、垒宽度为8.5nm.由于材料用于制作波导型调制器,因此量子阱层上面有很厚的InAlAs包层及用作欧姆接触的InGaAs层,在如此厚包层的情况下,仍清楚观察到MQW层的衍射峰及卫星峰,bsung条纹,说明多量子阱生长的一致甚至在卫星峰之间还能看到一些更加细小的Pendello性、均匀性乃至于界面平整性都很好[6].2.3　吸收光电流谱测量由于电吸收光调制器主要是利用多量子阱材料所具有的量子限制Stark效应,因此材料在垂直于阱壁方向的电场作用下,其吸收边是否会发生红移,就成了判断材料结构设计是否合理及材料生长质量好坏的重要标志.为了测量光吸收电流谱,首先把材料制成宽接触二极管.然后将一束光从单色仪引出,用Glan-Talor棱镜起偏后聚焦照射到二极管的解理腔面上.图2和图3分别为光场平行于MQW层(TE偏振)和光场垂直于MQW层(TM偏振)测得的光电流谱.图2　TE偏振吸收光电流谱图3　TM偏振吸收光电流谱可以清楚看到,无论对于TE或TM偏振,当外加电压由+0.15V变至-2.5V时,均可观察到明显的吸收边红移,即量子限制Stark效应.同时我们也看到这一效应与入射光偏振态之间的关系:对TE偏振,当反向偏压较小时,可观察到重空穴激子吸收峰,而反向偏压加大后,MQW区的强电场引起激子峰展宽,使之难以分辨;对TM偏振,仅在无偏压时对应于,.46　　　　　　　　　　　　　　　半　导　体　学　报　19卷3　电吸收强度调制器的制作与特性测试3.1　器件制作电吸收强度调制器采用脊波导结构,如图4所示.脊顶宽度为3Lm,底部宽度为5Lm.采用高脊或低脊波导结构,当脊的高度大于量子阱区、上包层和电极接触层之和时即称为高脊结构.为减小器件电容,p电极层只留下三部分,即覆盖在脊波导上的条形电极、脊波导一侧的用于焊接的矩形电极,以及它们的连接部分.其中矩形电极的典型尺寸为80×130Lm,它与n型包层之间为SiO2介质膜,厚度为1Lm;连接部分在脊两侧,宽各为5Lm,长度与脊波导相同,下面绝缘层设计为0.3Lm的SiO2.器件长度为150～300Lm.3.2　静态特性电吸收型光调制器的静态特性包括通过调制器后的近场光斑形状,静态调制特性,消光比,驱动电压及插图4　电吸收强度调制器结构示意图入损耗等.在观察近场光斑时,采用分布反馈(DFB)半导体激光器为光源,光经尖锥光纤耦合到调制器脊波导中.脊波导输出光用透镜成象在摄像机的靶面上.用显示器观察脊波导端面处光斑的形状,并用示波器取出一条经过光场中心的扫描线,监视光强变化.图5(见图版I)为低脊结构调制器的输出光强随器件反向电压的变化.由图中可以看到,当反向电压从1.5V变到3.9V,即驱动电压为2.4V时,光斑几乎完全消失(图中Vm为调制器上所加反向偏压,其中包括1.5V的反向偏置电压).由对应的光强变化可得,消光比在20dB以上.实验证明,采用高脊波导结构可提高对基模的限制能力,模斑形状更近于圆形,使与光纤的耦合效率提高,光纤-光纤的插入损耗可达13.4dB.而对低脊波导结构插入损耗通常都超过20dB.3.3　频率响应特性在调制器的频率响应特性测试中,光源使用的是分布反馈式半导体激光器,激射波长为1.57Lm,出纤功率为1～2mW.光经尖锥光纤耦合到器件的脊波导内.调制信号是由网络分析仪一端口送出的微波扫频信号.调制后的光信号再耦合进尖锥光纤,送到光探测器转化为电信号.探测器输出的电信号再经前置放大器放大后输入网络分析仪另一端口,得到的S12参数就是光调制器的频率响应.系统中使用的微波传输线的特性阻抗为508.器件长150Lm,电容值为3pF.一个508的微波匹配电阻与调制器并联.图6为实测的频率特性曲线与根据器件高频电路模型计算的频率特图6　实测与根据器件高频电路1期　　　　　　　　王健华等:　InGaAs/InAlAs多量子阱电吸收光调制器　　　　　　　　47为3GHz.计算曲线与实测曲线在低频端有较大差异,说明在低频段的电路模型与实际有差异.此外,调制器的插入损耗较高,使实测数据的稳定性降低,也是二者不能十分吻合的原因.4　讨论4.1　关于频率特性调制器的工作频带宽度主要受限于器件的电容与电感.而脊波导结构器件的电容主要是p电极与n型衬底之间形成的电容.对于本器件实测的这一数值为3.0pF,远远大于理论计算的结果.为寻找引起电容增大的原因,进行了一系列实验研究.实验结果证明,引起电容增大的原因主要为如下两方面:其一是矩形电极及其与条形电极连接部分下面的SiO2绝缘层不纯导致其相对介电常数增大;其二是SiO2绝缘层的实际厚度比设计值薄,尤其是在刻蚀脊顶p电极窗口时,由于HF酸的钻蚀使SiO2绝缘层变薄.因此,改进SiO2成膜工艺和p电极窗口刻蚀工艺是减小器件电容的主要方面.电感主要来自封装中器件管座使用的SMA接头的内导体与p电极的连接.减小接头内导体与p电极间的距离,将有利于减小电感.只要我们在上述两个方面加以改进,器件的工作频带将可达10GHz以上.4.2　关于插入损耗在研究中,器件的插入损耗最好达13.4dB,它包括耦合损耗、端面反射损耗和波导传输损耗,其中两个端面的耦合损耗是最主要的.在光纤通信系统中为更好地发挥半导体电吸收强度调制器驱动电压低、调制频带宽和开关比大等优点,同时克服插入损耗大的缺点,最好的方法是将其与分布反馈激光器集成.另一条为单独使用调制器而采取的途径是在脊波导调制器上加一放大段,使其构成无损甚至带有增益的调制器,这也是目前国际上的发展趋势之一.5　总结生长出高质量In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As多量子阱材料,对其晶体质量及光学特性进行分析.研制出多量子阱电吸收光调制器,并对存在问题及改进措施进行分析.参考文献[1]　D.A.B.Miller,D.S.Chemla,T.C.Damenetal.,Phys.Rev.B,3.[2]　司伟民,李德杰,王健华,等,通信学报,):55.[3]　B.J.Hawdon,T.Tutken,A.Hangleiteretal.,Electron.Lett.,.[4]　M.Suzuki,H.Tanaka,K.Utakaetal.,Electron.Lett.,7.[5]　E.Yamada,K.WakitaandM.Nakazawa,OFC’93,SAnJose,U.S.A.,1993,MD7-1.[6]　M.A.Hiyanriza,Jpn.J.Appl.Phys.,9.包含各类专业文献、生活休闲娱乐、中学教育、文学作品欣赏、应用写作文书、幼儿教育、小学教育、高等教育、91InGaAs_InAlAs多量子阱电吸收光调制器等内容。　
　应变量子阱)半 导体激光器除具有半导体激光器的体积小,价格 低,可以直接调制等...作为 EDFA 的泵浦源,980nm 低阈值大功率 AlGaAs/InGaAs,InGaAlP/InGaAs,等应... 　可以直接调制等优点,已成为光纤通信系统重 要组成部分,大容量光纤通信的发展对半...[5], InAs/GaAs,InGaAlP/InGaAs, InGaAs/GaAs 应变量子阱激光器相继研制成功... 　按照使用的材料,光调制器可以分为: 半导体光调制器:主要是电场吸收型调制器,材料多为 InGaAs/InAlAs 和 InGaAs/InGaAsP 多量子阱。半导体的电光调制器较少,因为... 　激子吸收在外电场作用下的非线性变 化,通过外部反馈元件的正反馈作用可 实现光双稳功能;通过多量子阱电吸收 及电色散效应,可对光强进行调制,从而实现光调制开关... 　改变调制器上的偏压,使多量子阱(MQW)的吸收边界波 长发生变化,进而改变光束的...MOCVD 特别适用于生长与 GaAs 和 InP 晶格匹配的 AlGaAs 和 InGaAs、InGaAsP ... 　电吸收波导调制器原理:电吸收调制器是一种 PIN 半导体器件,其 I 层由多量子阱(MQW) 波导构成。当调制电压使 PIN 反向偏置时,入射光完全被 I 层吸收,入射光... 　电吸收波导调制器原理:电吸收调制器是一种 PIN 半导体器件,其 I 层由多量子阱(MQW) 波导构成。当调制电压使 PIN 反向偏置时,入射光完全被 I 层吸收,入射光... 　电吸收调制器(EAM)是一种 P-I-N 半导体器件,其 I 层由多量子阱(MQW)...光放大器噪声指数定义为光放大前的光电流信噪比 SNR in 与放大后的光电流信噪... 　美国加利福尼亚大学研制出级联行波 EA 光调制器,通过 MOCVD 生长技术,采 用在半绝缘 InP 衬底上的应变补偿 InGaAsP 量子阱结构,获得了&-25dBm 的平 均光输出...您所在位置： &
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本课题的开展，通过工艺优化，提高了晶体材料电参数和结构参数的均匀性，
降低了位错密度，减小了孪晶生成的几率，这样就降低了VB-GaAs晶体的生长成
本课题从以下四个方面开展了工作：
1、VB-GaAs晶体生长热场设计，建立晶体生长所需的稳定热场系统，减小生成
孪晶的几率。
通过对vB工艺晶体生长界面处热量输运的动力学原理和热量输运与固液界
面关系的分析，我们了解到，由于GaAs晶体生长为过冷生长，热场内的结晶前
沿需要一定的纵向温度梯度，同时，由于热场内存在热对流、热辐射，使得热场
的热分布不均匀，致使热场的径向温度分布不均匀，晶体生长过程中就会有热应
力的产生，其结果是导致了晶体中位错、晶格缺陷的产生，对器件的性能产生影
响。因此对热场的优化设计及调整，选择合理的温度分布曲线是晶体生长能否成
功的关键。
2、开展高精度控制引晶位置研究，提高引晶成功率。
我们在vB单晶炉上从籽晶井的上下两端各引出一路热偶信号。在移动埚位，
即选择不同的引晶温度梯度时，通过这两个热偶信号就可确定引晶位置。籽晶熔
化程度的控制也将对引晶能否成功、成晶率的提高及降低位错密度会产生一定的
3、开展固液交界面形状研究，优化工艺参数，降低晶体位错密度。
生长界面的形状可以反映热场的现状。我们通过调整单晶炉的热场结构、高
低温区的温度设定，即通过改善热场温度分布来改善生长界面，并且辅以对生长
速率的控制，使其达到或接近较理想的生长固液界面。经过工艺优化，成晶率有
了很大的提高。
4、开展计算机热场模拟研究
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