论文研究-量子阱混杂对AlGaInP/GaInP有源区光学特性的影响 .pdf

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量子阱混杂对AlGaInP/GaInP有源区光学特性的影响,林涛,林楠,对于采用AlGaInP/GaInP有源区的670nm波段半导体激光器,可通过量子阱混杂技术制作腔面非吸收窗口来改善其输出光学特性。本文研究了不同
国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 表1扩散样品和采用实验条件 Tab. I Samples and the corresponding experimental parameters 编号 样品(a) 样品(b) 样品(c) 样品(d) 实验 点度℃ 520 540 580 580 H f//Min 20 70 实验中采用扫电镜(SEM)和双晶X射线衍射(DXRD)测试外延片的材料结构和 晶体品质;扩散完成后,通过室温光致发光谱测试样品扩散前后的光学特性中PL谱波长峰 值、半高全宽(FWHM)、和峰值强度变化。进行PL谱测试前,需先采用H2SO4H2O2:H2O 腐蚀液和H2SO4CH3COOH:H2O腐蚀液对样品表面进行刻蚀,以避免GaAs层和 AlGaInP上 限制层对PL谱测量结果的影响 结果与分析 外延片晶体品质分析 图2为670nm半导体激光器截面SEM图。从图中测出 AlInP下限制层、上限制层厚度 基本和设计值致。有源区中由于量了阱很薄且组分差异不大,图片对度不明显,但可以看 出波导层和源区总共有260nm。此外测定的上限制层上面的P型GanP层,重掺杂GaAs 接触层也和设计值相符。图中看到各外延层表面光滑、平直,无眀显晶格缺陷,各外延层内 部也无失配位错、层错等缺陷。 aoD nm 图2670nm半导体激光器截面SEM图 Fig 2 Cross-section SEM image of 670nm high power LD structure 对外延片进行双晶ⅹ射线摇摆曲线测试,其结果如图3所示。其中最高峰为衬底峰, 经过多次腐蚀并测试,确定出晶格失配为142×10pm、8.35×10pm4.66×10pn、-4.52 ×10m的四个外延峰依次是GanP层、AnP下限制层、AlnP上限制层、 Al Ga In p 波导层。从整体来看该外延片各层的最大失配为1.2×103pm,且来自不发光的 GaInP过 渡层,其他的波导区和量子阱区的失齟度都很小,完全满足制作器件要求,也再次说明外延 片具有很好的晶体品质。 3 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 10000 1000 100 550 670 2Theta/Omega (degree) 图3大功率激光器的摇摆由线 Fig 3 Schematic diagram of 670nm high power LD structure 量子阱混杂导致的蓝移效应 样品()的蓝移效应 图4给出了室温下测量的样品(a)的PL谱波长蓝移、FwHM、和峰值强度变化图 测试范围为扩散窗凵附近25μm。从图可知扩散前样品(a)未扩散区的PL谱波长为655nm、 FWIM为33nm,峰值强度约为4200A.UJ.。当该样品进行了520℃、20min的Zn扩散诱导 量子阱混杂后,整个扩散窗口处的PL谱峰值、FWHM和峰值强度均出现了较为明显的变化。 在人致150nm的范闱内均发牛了PL谱的蓝移,在窗口处波长蓝移量约为13nm,窗口附近 的峰值强度降低了约为15%。而对于PL谱的FwHM则发生了相反的变化,在该扩散条件 下,PL的FwHM从33nm变为到25nm。关于量子阱混杂造成的波长蓝移和PL谱的峰值强 度降低这是由于Zn扩散进入有源区后会引起量子阱区和量子垒处的组分互扩散,这会导致 量子阱区的Al、Ga组份发生变化因而引起发光波长变化,同时zn的掺入也加剧了量子阱 区的非辐射复合比例间。FWHM的减小则说明窗冂处的界面、晶体品质得到了定的收善 这可能是由于髙温退火消除了一定的晶格缺陷和界面态所致 10000 8000 -- FWHM 6000 巴4000 2000 150 250 Position(um) 670 a-wavelenc 660 叵650 640 250 Position (um) 图4样品(a)的PL谱波长偏移、FWHM、和峰值强度变化 Fig. 4 Wavelength shift, FWHM and intensity of the samples(a)PL spectra 4 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 样品()的蓝移效应 图5给出了室温下测量的样品(b)的PL谱波长蓝移、FWHM、和峰值强度变化图。 相比样品(a)的结果,样品(b)中扩散诱导量子阱混杂产生的波长蓝移发生更窄的区域内, 在窗口处波长蓝移量约为15nm。图中还可看岀峰值强度变化趋势和波长蓝移基本一致,但 窗口处的强度减小了近80%。对于FWHM,该条件下仍然有着改善作用,但是Zn扩散区明 显出现了FWHM的不均匀性,这也说明晶体品质的优化作用已经开始部分被Zn扩散引入 的晶格破坏性所补偿。 100c0 intensity <B0c0 FVVHM ≥ 25 Position (um) 680 -wavelength 〓 op Position(um) 图5样品(b)的PL谱波长偏移、FWIM、和峰值强度变化 Fig 5 Wavelength shift, FWHM and intensity of the samples(b)PL spectra 样品()的蓝移效应 10000 IntensIty 8000 FW/HM 35 v40 20 250 osition (um length 6555 00001ug的 00 250 Position(um) 图6样品(c)的PL谱波长偏移、FWHM、和峰值强度变化 Fig 6 Wavelength shift, FWHM and intensity of the samples(c)PL spectra 图6给出了室温下测量的样品(c)的PL谱波长蓝移、FwHM、和峰值强度变化图 关于量子阱混杂造成的波长蓝移和PL谱的峰值强度降低的机理同前面类似,但相比前面两 个样品,样品(c)得到了∫更大的波长蓝移,窗口处平均蓝移约为65π,同时发生量子阱混 杂导致波长监栘的区域更窄,仪为80n。这说明升高Zn扩散温度,Zn岽质的纵深扩散速 度得到较大的提∫,同时该方向扩散的顺利进行,也·定程度抑制了横向扩散。在峰值强度 关系曲线中可以看到发生了Z扩散的区域的峰值强度均有较大损失。对于FWHM则和前 面样品有明显的变化,扩如区域的FWHM均要宽于非扩散区。在扩散窗凵和非扩散区之 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 间的过渡区中,FWHM从非扩散区的23nm增加到37nm;而在窗∏区中心附近,FWHM则 又变窄到28nm。这说明在过渡区内量子阱和量子垒间的混杂并未进行的充分,组份之间存 在不均匀性,导致两者的界面展宽,而在中心区或内扩散进入的Zn最充分的诱导了量子阱 混杂,量子阱区的组份变化趋于稳定,同时也较少的产生了缺陷影响发光特性。 样品()的蓝移效应 FWHM 2030 554505050 250 Position(um) E70 -wavelength 650 640 610 600 50 250 Position (um) 图7样品(d)的PL谱波长偏移、FWHM、和峰值强度变化 Fig 7 Wavelength shift, FWI IM and intensity of the samples(d)PL spectra 图7给出了室温下测量的样品(d)的PL谱波长蓝移、FWHM、和峰值强度变化图。 相比前面的样品,580℃、70min的Zn扩散给样品(d)的晶体品质带来了严重的影响。整 个Zn扩散窗口区没有得出光致发光谱。但从图中的变化趋势来看,波长蓝移发生在很宽的 范围内,达到180μum。当扩散时间增加时,更多的Zn原」进入到有源区内,它们除了诱导 量子阱混杂外,吏多的在量子阱区形成了填隙式缺陷,导致皛体品质恶化。同时峰值強度的 关系图也可看出Zn扩散窗∏区外部分区域发光谱有所增加,其对应的波长蓝移量大致为 25nm,虽然该现象的具体机理尚不太清楚,可能是该较宽的区域内量子阱混杂比较均匀, 晶体缺陷有一定改善。但从FWHM的变化趋势来看,量子阱混杂窗凵处HWHM则会相应 的减小。对比FwHM和由于Zn杂质的横向打散一定的zn扩散及高温退火会增加PL强度、 长时间的Zn扩散更多的造成了负面影响,扩散区域的界面不在是突变结,部分的转变为缓 变结。 谱蓝移机理分析 对于实验中出现的PL谱峰监移,我们认为是量了阱 GaInAsP和垒中的 AlgaInP产生量 子阱混杂所致。在本文的 AlgaInp/ GaInasp量子阱混杂过程中,由于两者之间的l组分含 量差别很小,而As组份含量也很低,量子阱混杂的结果主要是A1和Ga相互扩散的结果, 因而在分析中忽略h和As的扩散。 护散源Zn:As2在高温下会产生的As4气氛和杂质Zn原子。被该As1气氛包围的样品表 面会产生大量Ⅲ三族元素的 Frenkel缺陷,其中的填隙原了有较快扩散速率,很容易迁 移到样品表面和气氛中的As原」反应;这样表面产生的Ga原子的空位越积越多,同 时在热扩散作用下能从晶体表面移动到晶体内部。Zn原子高温扩散进入外延片以后将 占据Ⅲ族原子子晶格成为替位式杂质,也可能成为填隙式杂质。通过7n扩散的 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn Kick-Out机制”, 之间相互转换, +2+,其中,代表空穴, 代表三族元素填隙原子。高温下Zn的迅速扩散不断加速诱导着Ⅲ族元素缺陷的扩散 进而促进组分混杂。在量子阱和垒中Al、Ga原」不断的形成空位和填隙缺陷,由于组份浓 度梯度的存在,在杂质Zn原子扩散的诱导下两者的界面处进行相互扩散,其转变过程可表 示为 +(+)分→(+)+ 式中 分别代表Ga原子的空位和填隙式Ga原子, 分别代表A1原子的 空位和填隙式Δ原子。由于温度升髙或扩散时间増大后,扩散进入有源区的Zn原」更多, 诱导的Al、Ga组份改变更为明显,因而有源区的PL谱峰值的不断蓝移。 结论 本文研究了Zn杂质扩散温度和扩散时间 AlGalnPigalnp有源区光谱特性的影响。扩散 温度从520℃升高到580℃时,激光器外延片扩散窗口处的光致发光谱波长蓝移量从13nm 加到65nm,且伴随着对应的相对峰值强度减小:580℃和τomin的扩散条件则对有源区的 发光特性造成鈫命破坏。分析认为Zn杂质扩散通过 Kick-Out机制诱导了量子阱 GaInasp 和 AlGaInP垒界面处产生量子阱混杂,这改变了量子阱中的组份导致了波长蓝移 参考文献 [I]POOLE P J, DABIES M, DION M ct al.. 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