行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※
※ ※
※ 光纖通訊應用光電元件製作及數值模擬- ※
※子計畫四:含氮化合物半導體的磊晶成長與元件應用 ※
※ ※
※ ※
※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※
計畫類別：
計畫編號：NSC 90－2215－E－002－030－
執行期間： 90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日
計畫主持人：林浩雄
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立臺灣大學電機工程學系
中 華 民 國 91 年 12 月 30 日
光纖通訊應用光電元件製作及數值模擬-子計畫四:含氮化
合物半導體的磊晶成長與元件應用
計畫編號：NSC 90-2215-E-002-030
執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日
主持人：林浩雄 國立臺灣大學電機工程學系
計畫參與人員：時定康、宋立偉、蔣光浩、蔡濟印、李俊德
國立臺灣大學電機工程學系
中文摘要 在本計畫的含氮化合物半導體研究中，我 們以加裝射頻電漿源的氣態源分子束磊晶 機來成長含氮材料，在研究的方向上大致 可分為發光波長 1.3 微米之 InGaAsN及 2.2 微米以上 InAsN 長波長半導體材料研究。 氮砷化銦鎵量子井含氮量 2.8 % 的雷射元 件，於室溫下操作下，其放光波長達 1.3 微米，雷射元件的內部量子效率可達 72% ，內部損耗為 6.8 cm-1，在無鏡面損 失下之臨界電流密度為 1.46 kA/cm2。 在氮砷化銦材料的研究上，我們成長一系 列井寬 3 nm、不同氮含量的氮砷化銦/砷 化銦鎵量子井結構樣品。藉由實驗上的低 溫光激螢光頻譜及理論計算結果的比較 後，我們發現氮砷化銦量子井中的電子有 效質量會隨著氮成份的增加而增加。因? 氮所引發的能隙縮減量之理論值及實驗值 各為-19.4 meV/at % N 及 -16.8 meV/at % N。此二值與過去我們在室溫下、氮砷化 銦薄膜由能隙吸收頻譜所得的 -14.7 meV/at % N 值十分接近。 關鍵詞：氮砷化銦鎵、氮砷化銦、射頻電 漿輔助氣態源分子束磊晶法 AbstractIn this report, we investigated two III-V-N alloys, namely InGaAsN and InAsN. All the III-V-N samples were grown by RF
plasma assisted gas source molecular beam epitaxy (GSMBE). For the investigations on the InAsN material, the optical transitions in InAs1-xNx/In0.53Ga0.47As single and multiple quantum wells (QW) heterostructures have been studied using low-temperature photoluminescence (PL). The PL peak energies decreases as nitrogen content increases, showing a bowing effect due to the incorporation of nitrogen atoms into the InAs lattice. Theses PL peak energies are in good agreement with the theoretical calculation using a finite-depth square-well method which takes into account the effects of strain, quantized confinement, band-gap narrowing, and the anti-crossing interaction between the InAs conduction band and a higher-lying N localized state [Shan et al.: Phys. Rev. Lett. 82 (1999) 1221]. We also showed that the electron effective mass of InAsN is greater than that of InAs with same well width and increases with increasing N content in the studied N range. Finally, the estimated experimental and theoretical transition energy shrinkage coefficients were -16.8 and meV/at % N and -19.4 meV/at % N, respectively, both similar to our previous result, -14.7 meV/at % N, from the Fourier transform absorption spectroscopy at 300 K in InAs1-xNx bulk films .
Secondly, on the investigations of
InGaAsN alloy, we grew 1.3µm InGaAsN/
GaAs QW lasers. The fabricated broad area uncoated Fabry-Perot laser demonstrates a
threshold current density of 1.46 kA/cm2 at
room temperature. The internal quantum efficiency for this laser is 72 %, and the
material loss is 6.2 cm-1.
Keywords: InGaAsN, InAsN, RF plasma
assisted gas-source MBE
緣由與目的 由於氮原子的原子尺寸小且具有較大 的電子親和力，在傳統的三五族化合物半 導體內加入少量的氮原子將導致巨大的能 隙彎曲效應(bowing effect)致使材料的能 隙變小。近年來在氮砷化鎵(GaAsN)、氮 砷化銦鎵(InGaAsN)等材料系統中已相繼 證實此效應之存在。此效應可以同時縮小 材料的能隙與晶格常數，同時也提高異質 接面處導電帶與價電帶的不連續。目前為 研究最多的 III-V-N 材料應屬 InGaAsN [1]，其最大的特點在於能夠於 GaAs 基板 上成長 1.3µm 雷射二極體。就 1.3µm 的面 射型雷射(VCSEL)而言，這項技術可以直 接在 GaAs 基板上成長 AlAs/GaAs DBR 結 構 ， 不 必 使 用 晶 片 焊 接 的 技 術 來 製 作 VCSEL。另一方面，InGaAsN 也具有比較 大的導電帶不連續，雷射能夠在較高的溫 度操作，可以不用熱電致冷器。這對於未 來 1.3µm 雷射的低成本與普及化極為重 要。而在中紅外線(2-5µm)波段，氮砷化銦 (InAsN)材料也將成為重要的新材料。本研 究群過去即已成功地製作出文獻上第一個 以氮砷化銦材料為主動層之雷射二極體， 該雷射成長在磷化銦基板之上，在 260K 時的振盪波長達 2.38µm [2]。 如前所述，由於 InGaAsN 材料具有很 大的光電潛力，故本年度研究工作中，除 持續過去對 InAsN 材料的研究外，我們的 研究興趣也延伸到於 GaAs 基板成長發光 波長 1.3µm 之 InGaAsN/GaAs 量子井結構 其及雷射之製備。主動層中的 InGaAsN 厚 度為 6.3nm，In 成份為 28%、N 成份為 2.8%。與一般現有文獻不同處在於我們的 InGaAsN 雷射結構係使用不含鋁的 InGaP 當阻擋層(cladding layer)，如此將可增加雷 射操作的穩定度進而增加雷射壽命。 結果與討論 本研究中，以氣態源分子束磊晶法於 砷化鎵(100)基板上成長少量含氮化合物 半導體合金材料，其中氮元素是用射頻電 漿輔助裂解氮氣方式提供，五族元素是由 氣態五族氫化物裂解，三族元素則為傳統 加熱管蒸發高純度三族金屬方式提供，基 板溫度則是以 IRCON pyrometer 測定。 在氮砷化銦鎵量子井雷射成長研究中，共 成長了五個不同的雷射樣品進行比較，探 討量子井雷射主動層攕入氮元素後的影 響，雷射磊晶層結構如表一所示，是一 SCH (separation confined hetero-structure) 單量子井雷射，並使用磷化銦鎵為夾止層 材料，此一不含鋁之雷射結構，在雷射可 靠度上可望有較佳的表現。各個不同雷射 樣品磊晶上的變化則列於表二上，前三個 樣品其量子井變化為氮含量由零改變至 2.8%，以氮含量的增加來將放光波長增 長，其餘毿數則保持不變。樣品 C1449 則 是將量子井內銦含量提高並將量子井井寬 加至 9 nm，以降低延伸放光波長到 1.3 µ m 所需加入之氮元素量。樣品 C1450 則作為 高銦含量量子井雷射在無氮攕入時的特性 探討比較用。 圖一是為雷射樣品經熱退火後的室溫 光激螢光結果，由樣品 C1314、C1315、 C1362 結果可見，隨量子井內氮含量的增 加，放光波長也增長至 1.32 µm，但其放 光強度則是隨波長的增加呈指數關係下 降，顯示氮的攕入會嚴重影響樣品光學特 性。而樣品量子井內氮含量比例較低的樣 品 C1449，其光激螢光之結果也明顯較其 他樣品於相同放光波長時有較好的結果。 這些雷射樣品經熱退火後，製成寬 50 微米的寬面積雷射，由量測不同共振腔長 度雷射，擬合樣品之特性參數。結果表列 於表三中。其中、由前三樣品之結果可見 雷射特性亦隨氮含量的增加快速劣化，與 光激螢光結果呈相同之趨勢。在 28 %銦含 量的砷化銦鎵量子井內加入 2.8 %的氮 後 ， 雖 然 雷 射 放 光 波 長 成 功 延 伸 到 1.32µm，但雷射臨介電流密度也惡化到 7.5 kA/cm2，但當採取高銦含量量子井的方式 後降低所須攕入之氮濃度後，樣品 C1449 於室溫下操作下，其放光波長達 1.3 µm， 頻譜如圖二所示，，雷射元件的內部量子
效率可達 72% ，內部損耗為 6.8 cm-1， 在無鏡面損失下之臨界電流密度為 1.46 kA/cm2。 有關 InAsN 材料研究工作上，我們於 (100) InP 基板上成長一系列位能井寬度 3 nm 的 InAs1-xNx/InGa0.53As0.47、單量子井或 10 週的多重量子井結構。樣品中的氮成份 使用雙晶 X 光繞射圖譜配合模擬程式決 定。藉由低溫光激螢光實驗方式得到其位 能井中能隙躍遷值後，接著使用有限深方 型位能井模型對這些 InAsN量子井實驗數 據進行理論分析及計算，計算過程中一併 考慮材料應變、量子侷限、殘餘載子濃度 所 引 起 的 能 隙 縮 小 值 ( 此 因 過 去 在 對 InAsN 薄膜的電性研究中，我們發現這些 InAsN 薄膜都含有很高的 n 型殘餘載子濃 度，且樣品中氮含量愈多，殘餘載子濃度 值也愈高，故相似的現象將預期發生在 InAsN 量子井中)及因氮原子加入所引發 的 band anti-crossing 等效應。計算所用到 的 InAsN band anti-crossing model [3]理論 參數值是由我們過去在 InAsN塊材上得到 的(band anti-crossing model 應用在 InAsN
材料上的耦合參數 CNM=1.68 eV 及高侷限 態的氮能階 EN 位在相對於砷化銦價電帶 頂端 1.48 eV 處) [4]，InAsN/InGaAs 異質 接面處的能帶不連續比則假設 ∆Ec: ∆Ev 0.75:0.25 [5]。圖三顯示每一 InAs1-xNx量子 井的理論分析值皆與我們的實驗數據相當 吻合，並證明之前在 InAsN 塊材分析上所 得的理論參數值是合理的，這個結果進一 步預測量子井中的電子有效質量將因氮的 引 入 而 變 大 ， 這 與 我 們 在 對 單 週 InAsN/InGaAs 量子井所進行 Shubnikov-de Hass (SdH) 振盪實驗的結果[6]定性上吻 合。SdH 實驗結果顯示當 InAsN 量子井中 的氮 含 量 為 0.4% 時、殘餘載子濃度為 2.85×1011cm-2 時其電子有效質量劇增為 0.1±0.01 m0。 圖四為扣掉因殘餘載子對能隙縮減造 成的影響後 ，將實驗及理論計算所得的 InAsN/InGaAs 量子井能量躍遷值與樣品 中氮成份的關係圖。若分別對圖中的理論 計算點及實驗值作線性擬合可得 InAsN因 氮原子加入所引起能隙減縮量各為-16.8 及-19.5 meV/at % N，此二值皆與過去我們 在 InAsN 薄膜，於室溫下使用傅氏紅外光 光譜能隙吸收方式所定出的 -14.7 meV/at % N 接近。 計畫成果自評 本研究中，我們經由採取高銦含量量子井 的方式後降低所須摻入之氮濃度後，已成 功達成室溫工作 1.3µm雷射放光之目標的 氮砷化銦鎵量子井雷射，且其雷射元件特 性上也有不錯的表現。在氮砷化銦材料的 研究上，我們成長一系列井寬 3 nm、不 同氮含量的氮砷化銦/砷化銦鎵量子井結 構樣品。藉由實驗上的低溫光激螢光頻譜 及理論計算結果的比較後，我們發現氮砷 化銦量子井中的電子有效質量會隨著氮成 份的增加而變大。因? 氮所引發的能隙縮 減量之理論值及實驗值各為-19.4 meV/at % N 及 -16.8 meV/at % N。此二值與過去 我們在室溫下、氮砷化銦薄膜由能隙吸收 頻譜所得的 -14.7 meV/at % N 值十分接 近。由於理論計算值與實驗數據值相當吻 合，故我們的理論計算方法對未來在使用 InAsN 材料的光電元件之發光波長設計上 有很大的幫助。 參考文獻
[1] W. Li, T. Jouhti, C. S. Peng, J. Konttinen, P. Laukkanen, Emil-Mihai Pavelescu, M. Dumitrescu, and M. Pessa, Appl. Phys.
Lett., 79, (2001), 3386.
[2] D. K. Shih, H. H. Lin, and Y. H. Lin,
Electron. Lett., 37, (2001), 1342.
[3] W. Shan, W. Walukiewicz J. W. Ager III, E. E. Haller, J. F. Geisz, D. J. Friedman, J. M. Olson, and S. R. Kurtz, Phys. Rev.
Lett., 82, (1999), 1221.
[4] D. K. Shih, H. H. Lin, L. W. Sung, T. Y. Chu, and T. R. Yang, Jpn. J. Appl. Phys.,
圖二、C1449 InGaAsN QW laser 室溫下之雷射 放光頻譜。 圖一、砷化銦鎵量子井雷射樣品之 室溫光激螢光量測結果。 表二、 (氮)砷化銦鎵量子井雷射樣品主動層 之成份與厚度 表三、 (氮)砷化銦鎵量子井雷射之雷射 特性 表一、(氮)砷化銦鎵量子井雷射雷射磊晶 層結構 1280 1290 1300 1310 1320 -80 -70 -60 -50 -40 C1449 InGaAsN laser Intensity (dbm) Wavelength(nm) 43, (2003), in press.
[5] E. Tourniè, Hans-Peter Schbnherr, and K. Ploog, Appl. Phys. Lett., 61, (1992), 846.
[6] D. R. Hang, C. F. Huang, W. K. Hung,
Y. H. Chang, J. C. Chen, H. C. Yang, Y. F. Chen, D. K. Shih, T. Y. Chu, and H. H. Lin: Semicond. Sci. Technol., 17, (2002), 999.
Layer Composition Thickness Doping
Contact p+ GaAs 0.3µm 1x1019 /cm3 Cladding p+ InGaP 1.7µm 1x10 17 ~1x1 018 /cm3 i -GaAs 70nm - Barrier GaNAs 15nm - Well GaInNAs - Barrier GaNAs 15nm - GaAs 70nm - Cladding n+ InGaP 1.7µm 1x1018/cm3 Substrate n+ GaAs NO. In comp. (%) N comp. (%) QW width (nm) C1314 28 0 6.3 C1315 28 1.8 6.3 C1362 28 2.8 6.3 C1450 40 0 9a C1449 40 0.8 9a a GaAsN barrier 2.5nm
NO. laser wave.
(nm) Jinf (A/cm2) ?i (%) C1314 1053 53 94 C1315 1196 646 70 C1362 1320 7500 32 C1450 1213 150 92 C1449 1300 1462 72
0 1 2 3 4 5 6 0.50 0.52 0.54 0.56 0.58 0.60 0.62 0.64 C961 C1183 C962 C1181 C957 C1180 C1179
transition energy (eV)
nitrogen composition (%) measured PL data calculations 0 1 2 3 4 5 6 0.54 0.56 0.58 0.60 0.62 0.64 0.66 0.68 T=15 K slope=-1.68 eV slope=-1.95 eV Energy (eV) nitrogen composition (%)
measured PL peak energy (without E
BGN)
linear fitting of
calculated PL peak enrgy (without E
BGN) linear fitting of 圖三、低溫(15 K)時，氮砷化銦/砷化銦 鎵量子井的最低放光能量與氮含量關係 圖。 圖四、InAsN/InGaAs 量子井的實驗及理論能量躍遷 值與樣品中氮成份關係圖(已扣掉因殘餘載子對能隙 縮減造成的影響)。
