锑化物材料表面特性及微纳结构研究

发布时间：2018-02-28 23:30

本文关键词： 锑化物材料半导体激光器表面特性钝化光栅微纳结构　出处：《长春理工大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近年来,锑化物由于其独特的能带结构和性质,已经成为制作2-5μm中红外波段半导体激光器的首选材料。锑化物材料由于其窄带隙和直接带隙辐射复合跃迁效率高的优点,使得锑化物半导体激光器具有效率高、外延结构设计和外延生长制备简单等一系列优点。但是,锑化物材料严重的表面态问题最终引起的灾变性光学镜面损伤(COD)一直限制着激光器的进一步发展,尤其是限制激光器的输出功率和可靠性。另外,波长拓展以及实现波长锁定是半导体激光器研究和发展的重要内容。从应用的角度来看,对具有稳定发射波长的分布反馈(Distributed Feedback,DFB)半导体激光器(DFB-LD)的需求越来越迫切,内置布拉格光栅是DFB-LD的重要组成部分,其性能的好坏直接决定激光器性能的优劣。因此,本论文以锑化物材料表面特性及微纳结构作为研究对象,围绕锑化物材料表面态以及内置布拉格光栅的主题,深入探讨和研究以提高锑化物半导体激光器的输出功率和可靠性为目的的材料钝化技术和内置布拉格光栅制备技术。通过表面微区分析技术研究锑化物材料表面特性及微纳结构。主要研究内容和研究结论如下:(1)锑化物材料表面特性及微纳结构的理论研究研究了锑化物材料表面态来源以及表面态对激光器性能的影响,指出表面态导致的非辐射复合是锑化物半导体激光器腔面发生COD,影响激光器性能的主要原因;分析了内置布拉格光栅对锑化物分布反馈半导体激光器性能的影响。以上研究及分析为设计和制备出具有良好表面性能的锑化物材料及光栅微纳结构提供了理论依据。(2)钝化技术和光栅制备技术以及表征分析方法为了研究GaAs、GaSb、GaAsSb高表面态的问题,介绍湿法钝化技术和干法钝化技术的基本原理及特点;介绍了DFB-LD内置布拉格光栅结构的制备技术;详细阐述研究材料表面特性及微纳结构几种有效的表面微区分析技术,如光致发光(PL)光谱技术、近场光学显微术(SNOM)、原子力显微术(AFM)、X射线光电子能谱技术(XPS)等。(3)锑化物材料含硫溶液湿法钝化技术研究为了克服常规含硫溶液湿法钝化的缺点,提出利用4种含硫溶液的方法对锑化物材料进行钝化处理,包括:1)(NH4)2S中性溶液,2)S2Cl2溶液,3)电化学刻蚀结合(NH4)2S中性溶液,4)沉积ZnS薄膜层。通过PL光谱(含单点PL光谱和PL mapping)、AFM、XPS等表面微区分析技术研究了钝化后GaAs、GaSb、GaAsSb表面光学、形貌等特性。结果表明,采用本文所提出的含硫溶液湿法钝化后GaAs、GaSb、GaAsSb发光强度分别提高了3~5倍、14~25倍、24~25倍,较常规含硫溶液湿法钝化后样品的发光强度均有进一步提高。(4)锑化物材料氮钝化技术研究为克服含硫溶液湿法钝化的二次氧化问题,以及反应副产物难以去除、湿法钝化样品表面过于粗糙等缺点,本文提出利用基于等离子体增强原子层沉积(PEALD)技术的干法钝化——氮钝化技术。在PEALD过程中,采用NH3等离子体(plasma)对材料表面进行N刻蚀预处理,然后在刻蚀后的表面沉积AlN薄膜。通过PL光谱(含单点PL光谱和PL mapping)、AFM、XPS等表面微区分析技术研究钝化后GaAs、GaSb、GaAsSb表面光学、形貌等特性。结果表明,氮钝化技术可以很好的抑制GaAs、GaSb、GaAsSb表面态,经氮钝化处理后GaAs、GaSb、GaAsSb表面具有良好的光学、形貌等特性。获得的最优工艺参数组合为:等离子体功率200W,刻蚀400周期;AlN薄膜沉积温度250°C,AlN薄膜沉积200周期。XPS和PL光谱测试分析表明,在最优工艺条件下,可以完全去除材料表面Ga-O、As-O、Sb-O键,钝化后GaAs、GaSb、GaAsSb发光强度可分别提升2.5倍、15倍、14倍左右,而且15天内样品发光强度缓慢下降且仅下降20%,15天后样品发光强度不再下降,最终PL强度是初始PL强度的80%,钝化效果可长期有效保持。(5)锑化物材料内置布拉格光栅微纳结构研究优化设计了分布反馈半导体激光器(DFB-LD)内置布拉格光栅的阶数、周期、占空比、深度等结构参数。确定基于GaSb的布拉格光栅结构的参数:光栅阶数为二阶,周期为1μm,占空比为25%,厚度为30nm;确定基于GaAsSb的布拉格光栅结构的参数:光栅阶数为二阶,周期为1.1μm,占空比为25%,厚度为30nm。通过电子束直写(EBDW)曝光和电感耦合等离子体(ICP)刻蚀技术制备光栅;为解决GaSb、GaAsSb表面态影响ICP刻蚀深度的问题,提出将氮钝化技术用于该光栅结构的制备。通过SNOM、AFM、SEM等表面微区分析技术研究光栅结构表面形貌等特性。结果表明,引入氮钝化技术制备的光栅微纳结构,可以解决由GaSb、GaAsSb表面自然氧化层引起ICP刻蚀速率不可控的问题。引入氮钝化技术制备光栅结构,可精确控制ICP刻蚀深度,制备的光栅结构满足设计要求,具有良好的表面形貌等特性。
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【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN248

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