InGaAsP_InP多薄层异质_省略_材料的晶格驰豫和晶体质量蜕化研究_丁国庆

DOI:119990.137年56　第/j.gtxyj4期.1999.04.015

(总第94期)光通信研究STUDYONOPTICALCOMMUNICATIONS1999(Sum.No.94)文章编号:1005-8788(1999)04-0055-05

InGaAsP/InP多薄层异质结构材料的晶格驰豫

和晶体质量蜕化研究

丁国庆

(武汉电信器件公司,湖北武汉　430074)

摘　要:　介绍应变量子阱材料的稳定性理论——能量平衡模型;报告几个典型的与晶体质量蜕化有关的光荧光谱;计算几种常用应变多量子阱结构材料的临界弹性应变量;指出非应变盖层可提高阱层临界应变量;初步讨论实际可允许应变量与理论计算应变量之间差异的可能根源。

关键词:　应变量子阱材料;　能量平衡模型;　晶格驰豫

中图分类号:　TN248.4　　　　　　文献标识码:A

TheResearchontheLatticeRelaxandCrystalDegenerationof

InGaAsP/InPMultilayerHeterostructureMaterials

DINGGuo-qing

(WTDCo,Wuhan430074,China)

:　Theenergyequilibriummodel—Thestabilitytheoremonthestrainedquan-Abstract

tumwellstructurematerialshavebeenintroducedinthepaper.Sometypicalphotolumi-nescencespectrumrelatedtothecrystalqualitydegenerationalsohavebeenreported.Theycalculatedthecriticalelasticitystressofsomeordinarystrainedmultiquantumwellstructurematerials,andpointedoutthatthein-strainedcap-layerwillincreasethecriti-calstressofwelllayers.Thedifferencebetweentheallowedstressinfactandthecalcu-latedonehavebeendiscussedforthefirsttime.

Keywords:　strainedquantumwellmaterial;　energyequilibriummodel;　latticere-lax

　　本文简要介绍应变量子阱材料稳定性理论——

能量平衡模型,以及将要发生范型形变时的应变、厚

度临界判据;报告几个多薄层异质材料变温光荧光

测试中晶格驰豫的有趣结果;最后对这些实测结果

作些分析、讨论和评价。　　两种晶格常数差别不大的晶体材料生长在一起1　应变量子阱材料稳定性理论——能量平衡模型收稿日期:1998-12-16　　　　　作者简介:丁国庆(1945-),男,江西丰城人,高工,硕士。

光通信研究1999年　第3期　总第93期

时,为了在晶体生长方向上求得共格匹配,两种材料在生长方向和垂直方向上便会发生不同的膨胀或收缩,从而产生纵向和切向应力。只要各层应力和厚度不超过临界值,那么整个材料在力学上是稳定的或亚稳定的。否则将会发生范性形变,从而产生失配位错,应力被驰豫,应变能被释放,材料回复到新的平衡稳定状态。

目前,有两种理论从不同角度来分析由弹性形变到范性形变的稳定性问题。这就是力学平衡模型和能量平衡模型。力学平衡模型假定,当晶体失配所引起的作用于原位错线上的力超过其内部张力时,就会产生新的失配位错。能量平衡模型假定,当应变层中应变能量密度超过了形成一个螺旋位错所需要的能量密度时,就会产生新的失配位错。应变(应力)驰豫产生失配位错有两种模型。第1种,失配位错只产生在整个应变层与衬底的界面上,而且主要是由60°位错滑移产生的单结点失配位错;第2种,应变驰豫发生在每个单层应变层中,它以两结点位错段或环的形式释放应变能,而使每个单层的晶格常数趋于非应变时的晶格常数。这两种模型在实际驰豫过程中是相互竞争的。对于在每个单层产生双结点位错所需要的能量来说,它比单结点模型所需位错能量要大。若每个单层失配率X小于2%,在优化生长条件下,界面及应变层内无三维生长发生,则最早发生晶格驰豫并产生失配位错的区域主要在衬底与整个应变层的界面上,而且失配位错主要是由60°位错滑移所产生的单结点失配位错。

我们现在从整个应变层与衬底界面上发生晶格驰豫而产生单结点失配位错的简单模型出发来考虑问题。根据能量平衡原理,当材料发生弹性形变时,总的应变能EX为:

EX=Y0X(h)dh

i

h

假定材料各向同性,则总的弹性应变能为:

EX=2_

(1-ν)

X(h)dh0h

(3)

　　这里_和ν分别为弹性切变模量和泊松比。

如果应力增大,则界面处有一部分弹性形变发生弛豫,转变为范性形变——形成两套正交60°混合型失配位错。其位错间隔为:

S=

eff

=(bcosλ)/WW

(4)

　　这里beff为等效鲍格斯矢量,W为塑型应变量,λ为失配位错的鲍格斯矢量b与界面上垂直于位错线的方向夹角。如果Ed为塑型形变产生单位位错的能量,且有:

2

2

Ed=4π(1-ν)

+b

(5)

　　其中θ为失配位错的鲍格斯矢量b与位错线的夹角。那么,弹性形变能EX和由范型形变转化为位错能Ed的总能量ET为:dET=EX+=2_

s(1-ν)

X(h)-0

h

2

dh

22+ bcosλ4π(1-ν)

+b

(6)

　　(6)式中假定了在刚产生位错、接近邻界状态下,可忽略位错之间的相互作用。

由完全弹性状态发展为晶格驰豫,产生范型形变和位错,其临界状态的总形变能ET将达到极值,即:

T W

h

W=0

=0(7)

　　在临界状态下,由(7)和(6)式,可求出总的应变

(1)

X(h)和厚度h乘积0X(h)dh为:

X(h)dh=X ∫

T

h

∫

　　这里X(h)为应变分布函数,h为应变层厚度,而总厚度H=长晶面,有:

Y=C11+C12-2C212/C11

(2)

　　这里Cij为外延应变层不同方向上的弹性常数。

∫

H

+b

(8)

∑hi,Y为弹性杨氏模量,对(001)生

2= 8π(1+ν)cosλ

　　这就是发生晶格驰豫的临界条件。

在应变多量子阱结构中,若表面盖层和势垒层

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为无应变层,但它对总应变积累有缓冲和`稀释’作用,则整个应变可以认为,总应变对厚度平均后存在

-于外延层中。因而平均临界应变Xc(h)和临界总厚度

Hc应满足下述方程:

2Hc= Xc(h)8π(1+ν)cosλ

　　这里,

Hc=N(dW+dB)+dcap,

-Xc(h) idi/HC∑X

ic

+b(9)图1　No.810

量子阱材料的PLS(6个阱)(10)

　　上式中dW、dB、dcap、N分别为应变量子阱厚度、无应变势垒、顶层厚度和量子阱周期数。

(9)式说明,对于任一给定的应变量子阱结构的

-(h),其总厚度H必须小于(9)式中给出平均应变X

的对应临界厚度Hc。这时,整个应变量子阱结构才是稳定的,否则就是不稳定的。

应变材料发生晶格驰豫后,应力被释放,应变能转换为位错能,晶体质量蜕化,光电特性也随之恶化。这些可通过光荧光测试分析得到证实。图2　No.894压应变MQW材料中

不同点的PLS

且其荧光强度较小,甚至无信号。

晶格驰豫导致的晶体质量蜕化以及弹性范围内应力变化导致的材料劣化,都可以通过其光荧光谱分析得到相应的结论。因为荧光峰的能量位置、峰值强度、半宽度灵敏地取决于材料有源层的有效带隙、温度、应力和晶体质量。光荧光测试原理已有文献介绍,在这里不赘述。

2.1　质量低劣和质量蜕化材料的光荧光谱(PLS)

2.1.1　质量低劣材料的PLS

所谓质量低劣材料,即外延片质量原本不好的材料。如No.810和No.894材料。No.810In-GaAsP/InP量子阱材料室温下测得其PLS如图1。

上图表明,荧光峰半宽度达65meV。

No.894压应变MQW材料中4个不同区域的PLS,如图2所示。其中一测试点无信号。

以上两图表明,对于质量低下和局部质量差的外延片,

其PLS中荧光峰半宽度一般大于60meV,2.1.2　质量蜕化应变材料的PLS这里的所谓质量蜕化,即原本室温下质量上乘的应变材料,在经历温度急剧变化,如一小时之内从室温降至10K,又从低温升至室温,多次反复后,材料特性逐渐恶化的现象。如No.872材料,开始室温光荧光测试表明,它的光学特性非常好。多次变温光荧光谱测试后,荧光峰强度由图3中2.0以上,其半宽度41meV以下变为峰强度1.0以下,半宽度达60meV了。2.1.3　发生晶格驰豫前后应变材料的PLS众所周知,半导体材料特性对温度很敏感。正常情况下,室温下有效带隙应比10K下有效带隙狭,其荧光峰能位室温下应比10K下小45至60meV。然而,有趣的是,却有一些量子阱材料,如No.520、514、516等,其室温下的荧光峰能位却比10K下2　测试结果

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示

。

图5　No.516材料严重畸变的

PLS(室温和10K时)

图5表明,No.516在作再次室温至10K的变温光荧光测试时,发生了晶格驰豫,导致PLS形状

图3　No.872材料在经历多次变

温测试前后的PLS

高。如No.516材料,在室温和10K下的PLS如图4所示

。

发生严重畸变。

3　分析与讨论

3.1　发生晶格驰豫的应界应变和临界厚度

如前所述,应变材料超过弹性限度时是不稳定的,将发生晶格驰豫,从而使材料光电特性蜕化。这是材料结构设计时应当避免的。就是说,材料结构设定后还应计算临界应变。

假定应变量子阱材料缓冲层作为衬底的一部分,势垒层无应变,且暂不考虑盖层厚度。对单结点失配位错能量平衡模型和InP系列材料,(9)式中的,b=a0/2=4.15?=0.415nm3

且对60°混合型位错有cosθ=cosλ=0.5,则根据泊松比ν=

图4　No.516应变量子阱材料

室温和10K下的PLS

图4表明,室温荧光主峰能位E1为0.735eV,而10K下荧光峰主峰能位E2为0.708eV,ΔE=E1-E2=27meV。值得注意的是,不仅荧光峰能位相互位置异常,而且荧光峰强度也发生异常。

当No.516材料再次进行光荧光变温测试时,不仅荧光峰强度减弱,半宽度变宽,而且荧光峰形状发生了严重畸变,其室温和10K下PLS如图5所(9)式,临界阱层应变Xw为:

XW=

N tW

ln

WB+

4.15

(11)

　　这里N为周期数,tW和tB分别为每阱厚度和垒-(b)给定,根据(9)式可计厚度。同理,若平均应变X算出临界总厚度Hc。

据有关文献报道,目前应变量子阱激光器中应变范围为±0.5%至1.7%,每层阱厚为4.0nm至12.0nm,而垒层厚为6.0nm至20.0nm,量子阱周期数为3至6。对不同量子阱结构所允许的阱层临

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界应变(失配率)计算列于表1。

表1　设定材料结构时所允许的阱层临界应变量

每层阱厚4.05.05.05.06.010.011.011.0

每层垒厚6.06.06.010.012.010.011.011.0

周期数N

665

55434

阱层临界应变

0.6100.4980.5790.6090.5230.3850.4650.355

释’和缓冲作用。本来不稳定的量子阱结构,表面叠加一层适当厚度的非应变盖层后,整个应变结构就可能变成稳定的结构了。为具体说明问题起见,我们在表1所列结构的基础上,再在表面增加不同厚度的非应变盖层,根据(11)式,计算这时阱层的临界应变如表2所示。

表2　增加非应变盖层后的阱层临界应变

每层阱厚()4.05.05.0

每层垒厚()6.06.06.010.012.010.011.011.0

周期数N66555434

盖层厚()10.010.012.012.012.012.012.012.0

阱层临界应变

(%)0.7130.5730.6930.7030.5920.4410.5300.403

　　表1说明,阱层越厚,周期越多,阱层临界应变越小。一般允许临界应变在0.35%至0.80%范围内。

采用X射线双晶衍射技术可测得量子阱材料应变量。No.516材料X射线双晶衍射摇摆曲线如图6所示。

5.0

6.010.011.011.0

　　表2说明,在量子阱内部结构不变,只增加非应变盖层后,整个结构的弹性临界应变量都增大了,盖层越厚,阱层允许承受弹性应变就越高。

表2也说明,虽然增加了盖层,No.516材料实际可承受的临界应力还是远大于表2中的理论计算值。理论计算与实际结果的差别,在于理论只考虑单结点模型;而实际情况可能是单结点和双结点位错机制都存在,且相互竞争。由于双结点模型中形成位错所需要的能量大,综合结果使阱层临界应变得到增加。这两种情况(模型)在实际形变过程中所占比

图6　No.516双晶衍射摇摆曲线

图6中主峰和X射线衍射峰角间距Δθ为3300[角]秒,由失配率简化公式可算得应变为:

=X(b)=-A ctgθB Δθ

a

≈3.9×10 Δθ=1.287%

没有考虑表面非应变盖层对临界应变的影响。3.2　非应变盖层对稳定性的影响

表1设定结构没有考虑未应变盖层。实际上,非应变盖层可以降低平均应变量,它对阱层应力有`稀

-6

重多少,不仅与材料结构有关,而且与界面和晶层质量有关。

应力、应变和温度紧密相关。No.516在室温下虽然应变(即失配率)达1.2%,但从室温PLS来判断,晶层质量尚未蜕化,整个结构是稳定的或亚稳定的。然而在变温测试中,从室温冷却到10K,应力和

(12)

应变发生了很大变化,最后导致晶格驰豫。从图5中看到,荧光峰强度较小,半宽度很宽,且曲线形状严重畸变,说明整个材料已严重蜕化。

在弹性范围内,应力变化将引起材料有效带隙和能带对称性发生变化,使PLS发生异常,如图4所示。因篇幅关系,在此不赘述了。

　　它远远大于表1中阱层临界应变量。当然这里