硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器材料生长及器件制备研究
发布时间：2021-01-02 19:54
近年来,信息产业突飞猛进,现代光通信网面临着空前的挑战。光纤通信网的数据处理与收发模块中包含了大量的光电子器件,所以光电子器件直接影响着光纤通信网络的综合性能。与此同时,Si基超大规模集成电路经过大半个世纪的发展,已经完全成熟,现代通信网的电子终端正是以之为基础。如果能够实现光子器件与硅基微电子器件的高度集成（即光电集成）,就可以使得光通信网络与电子终端之间的联接更紧密,同时又可以充分发挥微电子器件的成熟工艺技术和光子器件系统带宽宽、传输速率高、抗干扰能力强等优势。在研究人员的长期努力下,许多硅基光器件,如硅基探测器、硅基光调制器等,都已获得成功应用,但硅基激光器方面进展缓慢。如今硅基光电集成面临的最严峻的挑战就是实现硅基激光器的实用化。然而,由于硅是间接带隙半导体材料,使得硅基发光器件的发展受到了极大限制。基于上述背景,本论文致力于通过直接外延的方式实现硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器,以解决硅基光源问题。论文围绕硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器材料生长及器件制备工艺展开研究。主要研究内容及成果如下:（1）本论文工作是在实验室前期有关GaAs/Si三步生长法的研究成果（GaAs外延层位错密度低至3×...
【文章来源】：北京邮电大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：112 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２．?１赝形生长和异变生长的示意图
图１．２．?２?ＧａＡｓ／Ｓｉ材料异变外延中反相畴示意图。??如图１．２．２所示，当ＧａＡｓ材料沉积到Ｓｉ衬底表面的原子台阶时，在垂直方??上，ＧａＡｓ晶胞只能与Ｓｉ原子台阶上下的二者之一保持一致，ＧａＡｓ晶胞的取??向受到Ｓｉ表面原子排列和外延生长条件影响。当Ｓｉ衬底出现单原子台阶时，ＧａＡｓ??Ｇａ原子和Ａｓ原子的排列形式会随之改变，使得台阶上下的ＧａＡｓ材料在边界??形成一个扩散边界面，与常规情况下边界层里的ＧａＡｓ阴阳离子键不同，此处??是由阳－阳离子键和阴－阴离子键组成的二维平面，称为反相畴位错。在这个缺陷??散边界平面会形成一个捕获区域，使得器件中的少数载流子寿命减小［２５］，同??，其还会使得多数载流子的散射增加［２６］，进而影响器件的性能。??除了上述在晶格常数和晶体结构方面的差异，在热膨胀系数方面，Ｓｉ和ＧａＡｓ??两种材料也存在很大的差异。在ＧａＡｓ／Ｓｉ材料生长完成后，生长温度降低的过程??，由于ＧａＡｓ和Ｓｉ两种材料的热膨胀系数不同，二者相差约６０％，致使二者??缩比例不同，产生热失配。由于ＧａＡｓ的热膨胀系数更大，收缩速度更快，从??在ＧａＡｓ／Ｓｉ外延层中产生张应变。应变发生在外延生长时从生长温度降低到室??
图１．２．?３?Ｓｉ衬底表面两种键结构类型Ｓｉ原子示意图Ｍ。??外，为了降低ＧａＡｓ／Ｓｉ外延层中位错密度，国内外研宄组近年来效的新方法，并且获得了不错的成果。２００５年，美国俄亥俄州７］应用超高真空化学气相沉积（ＵＨＶＣＶＤ）技术，在Ｓｉ衬底上，然后在其上利用金属有机物化学气相沉积（ＭＯＣＶＤ：?Ｍｅｔｉｃａｌ?Ｖａｐｏｒ?Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）技术技术完成了?ＧａＡｓ太阳能电池材料的制穿透位错密度为ｌ〇６ｃｒｒｆ２量级的ＧａＡｓ／Ｓｉ外延层。??００７年，美国密歇根大学研究组［５８］提出采用多层量子点作为位错利用量子点周围的应力场，使经过量子点附近区域的穿透位错传，不再继续向上层传播，以此降低上层材料的穿透位错密度。技术，获得了位错密为１０７?ｃｍ＿２量级的ＧａＡｓ／Ｓｉ外延层。??０１３年，英国伦敦大学学院研究组［５９］应用ＭＢＥ技术，采用ＩｎＡｌａＡｓ／ＧａＡｓ应变超晶格阻挡位错方法，获得了位错密度为３？５ｘ?１０Ｓｉ外延层。２０１６年，该研宄组利用ＡｌＡｓ成核层和ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ
【参考文献】：
期刊论文
[1]硅基Ⅲ-Ⅴ族量子点激光器的发展现状和前景[J]. 王霆,张建军,Huiyun Liu. 物理学报. 2015(20)
[2]Quantum dot lasers for silicon photonics [Invited][J]. Alan Y.Liu,Sudharsanan Srinivasan,Justin Norman,Arthur C.Gossard,John E.Bowers. Photonics Research. 2015(05)
[3]非晶硅薄膜晶化与结构特性的研究[J]. 何宇亮,刘湘娜. 电子学报. 1982(04)
本文编号：2953533
【文章来源】：北京邮电大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：112 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２．?１赝形生长和异变生长的示意图
图１．２．?２?ＧａＡｓ／Ｓｉ材料异变外延中反相畴示意图。??如图１．２．２所示，当ＧａＡｓ材料沉积到Ｓｉ衬底表面的原子台阶时，在垂直方??上，ＧａＡｓ晶胞只能与Ｓｉ原子台阶上下的二者之一保持一致，ＧａＡｓ晶胞的取??向受到Ｓｉ表面原子排列和外延生长条件影响。当Ｓｉ衬底出现单原子台阶时，ＧａＡｓ??Ｇａ原子和Ａｓ原子的排列形式会随之改变，使得台阶上下的ＧａＡｓ材料在边界??形成一个扩散边界面，与常规情况下边界层里的ＧａＡｓ阴阳离子键不同，此处??是由阳－阳离子键和阴－阴离子键组成的二维平面，称为反相畴位错。在这个缺陷??散边界平面会形成一个捕获区域，使得器件中的少数载流子寿命减小［２５］，同??，其还会使得多数载流子的散射增加［２６］，进而影响器件的性能。??除了上述在晶格常数和晶体结构方面的差异，在热膨胀系数方面，Ｓｉ和ＧａＡｓ??两种材料也存在很大的差异。在ＧａＡｓ／Ｓｉ材料生长完成后，生长温度降低的过程??，由于ＧａＡｓ和Ｓｉ两种材料的热膨胀系数不同，二者相差约６０％，致使二者??缩比例不同，产生热失配。由于ＧａＡｓ的热膨胀系数更大，收缩速度更快，从??在ＧａＡｓ／Ｓｉ外延层中产生张应变。应变发生在外延生长时从生长温度降低到室??
图１．２．?３?Ｓｉ衬底表面两种键结构类型Ｓｉ原子示意图Ｍ。??外，为了降低ＧａＡｓ／Ｓｉ外延层中位错密度，国内外研宄组近年来效的新方法，并且获得了不错的成果。２００５年，美国俄亥俄州７］应用超高真空化学气相沉积（ＵＨＶＣＶＤ）技术，在Ｓｉ衬底上，然后在其上利用金属有机物化学气相沉积（ＭＯＣＶＤ：?Ｍｅｔｉｃａｌ?Ｖａｐｏｒ?Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）技术技术完成了?ＧａＡｓ太阳能电池材料的制穿透位错密度为ｌ〇６ｃｒｒｆ２量级的ＧａＡｓ／Ｓｉ外延层。??００７年，美国密歇根大学研究组［５８］提出采用多层量子点作为位错利用量子点周围的应力场，使经过量子点附近区域的穿透位错传，不再继续向上层传播，以此降低上层材料的穿透位错密度。技术，获得了位错密为１０７?ｃｍ＿２量级的ＧａＡｓ／Ｓｉ外延层。??０１３年，英国伦敦大学学院研究组［５９］应用ＭＢＥ技术，采用ＩｎＡｌａＡｓ／ＧａＡｓ应变超晶格阻挡位错方法，获得了位错密度为３？５ｘ?１０Ｓｉ外延层。２０１６年，该研宄组利用ＡｌＡｓ成核层和ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ
【参考文献】：
期刊论文
[1]硅基Ⅲ-Ⅴ族量子点激光器的发展现状和前景[J]. 王霆,张建军,Huiyun Liu. 物理学报. 2015(20)
[2]Quantum dot lasers for silicon photonics [Invited][J]. Alan Y.Liu,Sudharsanan Srinivasan,Justin Norman,Arthur C.Gossard,John E.Bowers. Photonics Research. 2015(05)
[3]非晶硅薄膜晶化与结构特性的研究[J]. 何宇亮,刘湘娜. 电子学报. 1982(04)
本文编号：2953533
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2953533.html
教材专著
