三五族半導體光電材料及元件之研究(I)

行 政 院 國 家 科 學 委 員 會 專 題 研 究 計 畫 成 果 報 告 三 五 族 半 導 體 光 電 材 料 及 元 件 之 研 究( I ) 計 畫 編 號: NSC 88-2215-E-002 -017 執 行 期 限:87/08/01~88/07/31 主 持 人: 林浩雄 執行單位: 國 立 台 灣 大 學 電 機 工 程 學 系 一 、 中 文 摘 要 本計畫的研究包括低含氮砷化銦量子井與 砷化銦鎵量子點兩項成長技術。在低含氮 材料的部分，我們使用射頻電漿氮氣源輔 助之氣態源分子束磊晶法，成功地於磷化 銦基板上成長氮砷化銦/磷砷化銦鎵多層 量子井。X 光繞射顯示加入少量的氮可減 小量子井的應變量，使樣品獲得較平坦的 異質接面。但是含氮量較大的樣品卻因有 較嚴重的局部應變，導致晶格結構整個變 差。在光激螢光量測方面，樣品的發光能 量隨氮含量的增加而減少，經由線性吻合 粗略得其能隙縮減參數約為-3.1 eV。本研 究 中 氮 砷 化 銦 材 料 的 氮 含 量 最 大 達 5.9%，樣品 10 K 下的光激螢光發光波長 可達約 2.6μm。在砷化銦鎵量子點的成 長的部分，我們使用遷移加強技術成功長 出的量子點，其各能階 PL 半高寬幾乎不 隨溫度變化，且基態的半高寬均小於 30 meV，顯示擁有良好的均勻度。 Abstract

The studies of this project include the growths of (1) low nitrogen content InAsN quantum well and (2) InGaAs quantum dot. For the growth of InAsN SQW on InP substrates, GSMBE using RF plasma nitrogen source was used. X ray diffraction shows that QW strain can be reduced by introducing nitrogen slightly, smoother hetrojunctions were also observed. However,

crystal structures of samples with larger nitrogen contents become worse due to more serious local strain. The PL emission peak energy decreases with increasing nitrogen contents. The maximum nitrogen mole fraction in this study is 5.9 %, along with a

10K PL peak position at ~2.6 µm in

wavelength. To the best of our knowledge, this is the longest emission wavelength of the inter-band transition grown on InP substrates to date. For InGaAs quantum dot, migration enhanced technology was used. The PL FWHM’s of the InGaAs QD’s are almost temperature independent. Their ground state FWHM’s are all below 30 meV, and reveal very good uniformity.

二 、 緣 由 與 目 的 由於氮原子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 原子將導致能隙變小[1]。此效應也使異 質接面處導電帶與價電帶的不連續比值變 大，與比值較小的磷砷化銦鎵/磷化銦材 料相較，含氮材料擁有較好的電子侷限能 力，可以提昇雷射元件的特徵溫度以改善 光纖通訊用的波長 1.3、1.55 µm 雷射元 件的特性。事實上目前已經有很多研究群 成功地在砷化鎵基板上利用氮砷化銦鎵材 料製作出波長 1.3 µm 的雷射元件[2-4]， 其中特徵溫度更可高達 127 ℃[2]。另一 方面，砷化銦本身在室溫已有 356 meV 的低能隙，本實驗室亦已於磷化銦基板上 利用砷化銦量子井成功地製作室溫下操作 波長 2.2μm 的雷射[5]， 可預期的氮砷 化銦材料未來在紅外線波段將有極重要的

應用價值。在量子點方面，以量子點為主 動層材料的雷射二極體，其增益將大幅改 善，起振電流密度大幅下降，起振電流與 溫度相關性下降，這些優點均已在最近的 研究中被證實。而將砷化銦鎵成長在砷化 鎵上的量子點，更可以製作出發光波長在 1.3μm 的雷射[6-8]。 三 、 結 果 與 討 論 本研究在氣態源分子束磊晶機中以射頻電 漿管將分子氮解離成原子氮源。磊晶材料 成長在半絕緣的(100)磷化銦基板上。首 先在雙磷分子環境下，於 500℃去除表面 氧化層，之後以 2μm/hr 的速率成長與磷 化銦基板晶格匹配波長 1.3μm 的磷砷化 銦鎵緩衝層 0.5μ m。然後將氮氣射頻電 漿點於高亮度模式，功率設為 120 W，成 長多層量子井。多層量子井結構由 200 或 300 埃晶格匹配波長 1.3μm 的磷砷化銦 鎵位障與 30 埃的(氮)砷化銦井所組成。 長晶溫度由 340 變化到 470℃， 砷/銦比 由 1 變到 3，其中(氮)砷化銦層的長晶速 率為 1.5μm/hr，氮氣源的開與關則由成 長室內的機械檔板控制，整個多層量子井 中無任何成長中斷。長完多層量子井後將 射頻電漿關掉且長上 0.1μm 的磷化銦覆 蓋層。詳細的成長條件整理於表一。圖 1 為 10 週多層量子井樣品(400)面的雙晶 X 光繞射圖譜。如圖所示，隨著氮氣流量的 增加其衛星峰值的包絡面往基板峰值移 動，顯示淨應變減小。其中含氮量小於 3.5%的樣品其衛星峰值較完全不含氮的 樣品陡峭，顯示由於氮砷化銦對磷化銦基 板的晶格不匹配度較小，使得樣品有較平 坦的異質接面。然而含氮量較大的氮砷化 銦由於大量的侷限應變，使整個晶格結構 變差導致繞射圖譜變差。由 X 光繞射譜 動態模擬所決定的氮含量與氮氣流量關 係，可發現樣品的氮含量粗略地隨氮氣流 量的增加而增加。所有樣品的氮含量則整 理於表一。圖 2 為不同氮含量樣品的 10 K 下光激螢光頻譜。如圖所示，其峰值能量 隨氮含量增加而減小，證實了氮砷化銦材 料的能隙縮減效應。然而如圖 2 之內插圖 所示，峰值的積分強度隨氮含量增加而線 性減小，半高寬也變大。氮含量高達 5.9% 的樣品 C842 甚至沒有偵測到螢光。一般 而言，因為氮原子與砷原子大小差距極 大，導致氮砷化銦材料可能會有相當多的 局部應變，甚至發生相分離，嚴重影響樣 品品質使發光強度變差。這些光學特性皆 與文獻中的氮砷化銦鎵材料相似[2-4]。 另一方面，樣品藉由退火處理可大幅減少 非輻射復合缺陷，提高發光強度[9]。圖 4 為退火處理後樣品 10 K 下的光激螢光頻 譜，其中箭號所指 2.63μm 的些微吸收 是空氣中的水分子所致。圖中顯示氮含量 為 5.9%的樣品其發光波長可達約 2.6μ m，據我們所知這是目前為止在磷化銦基 板上導價帶間躍遷最長的波長。圖 4 之內 插圖則為樣品發光能量位置與氮含量的關 係圖，以線性吻合粗略估計能隙縮減參數 約為-3.1 eV。 在 量 子 點 方 面 ， 本 研 究 是 將 In0.5Ga0.5As 成長在(100)半絕緣的砷化鎵基 版上，成長溫度為 480℃。成長量子點時 是以遷移加強(migration enhance)技 術 成 長，即在基板上先噴上三族銦元素 0.25 分子層，再噴上五族的砷 5 秒並做 5 秒的 中斷停留，接著再噴上三族的鎵元素 0.25 分子層，之後亦噴砷 5 秒，再做五秒的中 斷停留，因此一週期的成長厚度為 0.5 個 分子層。而本研究的樣品為成長 8 個分子 層的量子點，故共需重複 16 個週期。圖 4 為樣品在 9K 的光激螢光譜，隨不同雷 射功率的變化情形，當雷射功率不同時， 不管是高能量或是低能量的峰值能量位置 均相同，可以知道這是同一量子點的放 光，即基態能階與受激態能階，圖中顯示 隨雷射功率增加時，高能量峰值訊號逐漸 增強，甚至會超過低能量峰值的強度，且 亦有第三與第四的能階放光訊號出現，故 我們相信此樣品的量子點其分布甚均勻。 如圖 5 所示，我們以三個高斯函數去擬合 PL 頻譜以求取三個能階的能量與半高 寬。圖 6 為該樣品在不同溫度下的 PL 頻

- 6 0 0 0 - 4 0 0 0 - 2 0 0 0 0 2 0 0 0 C 8 2 4 C 8 2 3 C 8 2 2 C 8 2 1 w e l l = 3 n m b a r r i e r = 2 0 n m 1 . 4 0 0 . 7 0 0 . 3 5 0 . 0 N₂ flow ( s c c m )

Intensity (A. U.)

D i f f r a c t i o n A n g l e θ ( a r c - s e c o n d ) 0 . 4 0 0 . 4 4 0 . 4 8 0 . 5 2 0 . 5 6 0 . 6 0 0 . 6 4 0 . 6 8 0 . 7 2 0 . 0 0 0 0 . 0 0 5 0 . 0 1 0 0 . 0 1 5 0 . 0 2 0 0 . 0 2 5 0 . 0 3 0 0 . 0 3 5 0 . 0 4 0 C 8 2 3 x 1 0 C 8 2 8 C 8 2 2 C 8 2 1

PL Intensity (A. U.)

E n e r g y ( e V ) 0 . 0 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 2 x 1 0- 4 4 x 1 0- 4 6 x 1 0- 4 8 x 1 0- 4 1 x 1 0- 3

Integrated PL intensity (A. U.)

Nitrogen composition 圖 2. 不同氮含量樣品 10 K 下的光激螢光頻譜. 譜，表二為所擬合的各能階峰值與半高 寬 。 將 各 能 階 峰 值 對 溫 度 做 圖 並 與 In0.5Ga0.5As 能隙對溫度的變化做比較，可 以 發 現 各 能 階 峰 值 隨 溫 度 變 化 趨 勢 和 In0.5Ga0.5As 相同。而由表二中可發現各半 高寬幾乎均不隨溫度變化，且基態的半高 寬值均小於 30meV，顯示此樣品之量子 點具有相當不錯的均勻度。 四 、 總 結 與 自 評 本實驗室使用射頻電漿氮氣源輔助之氣態 源分子束磊晶機，成功地於磷化銦基板上 成長氮砷化銦/磷砷化銦鎵多層量子井。X 光繞射顯示加入少量的氮可減小量子井的 應變量，使樣品獲得較平坦的異質接面。 但是含氮量較大的樣品卻因有較嚴重的局 部應變，導致晶格結構整個變差。在光激 螢光量測方面，樣品的發光能量隨氮含量 的增加而減少。本研究中氮砷化銦材料的 氮含量最大達 5.9%，樣品 10 K 下的光激 螢光發光波長可達約 2.6μm。 此外我們亦成功的成長出高均勻度的 量子點，其各能階 PL 半高寬幾乎不隨溫 度變化，基態的半高寬小於 30meV。 五 、 參 考 文 獻

1. W.Shan, W. Walukiewicz, J. W. AgerIII, E. E. Haller, J. F. Geisz, D. J. Friedman, J. M. Olson, and S. R. Kurtz, J. Appl. Phys., 86, 2349 (1999).

2. M. Kondow, S. Nakatsuka, T. Kitatani, Y. Yazawa, and M. Okai, Jpn. J. Appl. Phys., 35, 5711 (1996).

3. S. Sato, Y. Osawa, T. Saitoh, and I. Fujimura, Electron. Lett., 33, 1386 (1997).

4. D. E. Mars, D. I. Babic, Y. Kaneko, Y. L. Chang, S. Subramanya, J. Kruger, P. Perlin, and E. R. Weber, J. Vac. Sci. Technol., B 17, 1272 (1999).

5. J. S. Wang, H. H. Lin, and L. W. Sung, IEEE J. Quantum Electron., 34, 1959 (1998).

6. D. L. Huffaker and D. G. Deppe, Appl. Phys. Lett, 73, 520 (1998).

7. D. L. Huffaker, G. Park, Z. Zou, O. B. Shchekin and D. Deppe, Appl. Phys. Lett, 73, 2564 (1998).

8. G. Park. D. L. Huffaker, Z. Zou, O. B.

Shchekin and D. Deppe, IEEE

Photonicss Technology Letters, 11, 301 (1999).

9. J. S. Wang and H. H. Lin, J. Vac. Sci. Technol., B 17, 1997 (1999).

圖 1. 不同氮氣流量之(氮)砷化銦/磷砷化銦

0 . 0 0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 450 500 550 600 650 700

10 K PL peak energy (meV)

N i t r o g e n c o m p o s i t i o n 0.40 0.44 0.48 0.52 0.56 0.60 0.64 0.68 0.72 0 . 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 C828x10 C824x20 C823x10 C822 C821

PL Intensity (A. U.)

E n e r g y ( e V ) 表 一 . 多 層 量 子 井 樣 品 的 長 晶 條 件 與 X 光 繞 射 分 析 所 得 之 氮 含 量 . No. of samples Number of p e r i o d s Flow rate of N2 ( s c c m ) Growth Temperature ( ℃ )

As/In ratio Nitrogen

c o m p o s i t i o n ( % ) C 8 2 1 1 0 0 400 2 0 C 8 2 2 1 0 0 . 3 5 400 2 1.1 C 8 2 3 1 0 0 . 7 0 400 2 3.5 C 8 2 4 1 0 1 . 4 0 400 2 5.9 C 8 2 7 4 0 . 4 3 430 2 2.2 C 8 2 8 4 0 . 4 3 400 2 2.5 C 8 2 9 4 0 . 4 3 370 2 2.7 C 8 3 0 4 0 . 4 3 340 2 3.3 C 8 3 1 4 0 . 4 3 400 1 2.8 C 8 3 2 4 0 . 4 3 400 3 1.3 表 二 8 M L 變 溫 P L 各 能 階 峰 值 與 半 高 寬 G r o u n d s t a t e 1 s t e x c i t e d s t a t e 2 n d e x c i t e d s t a t e T e m p ( K ) E 1 ( e V ) F W H M ( m e V ) E 2 ( e V ) F W H M ( m e V ) E 3 ( e V ) F W H M ( m e V ) 9 1.030 2 7 1.086 7 5 1.143 8 2 3 0 1.030 2 7 1.086 7 5 1.144 8 2 5 0 1.030 2 6 1.083 7 5 1.141 8 2 9 0 1.020 2 7 1.076 7 5 1.135 7 9 120 1.013 2 7 1.067 7 3 1.125 7 5 150 1.005 2 7 1.060 7 5 1.117 7 4 180 0.996 2 6 1.050 7 7 240 0.976 2 6 1.025 7 6 300 0.955 2 4 0.998 7 6 圖 3. 退火處理後不同氮含量樣品 10 K 下的 光激螢光頻譜. 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 -2.0x10- 5 0.0 2.0x10- 5 4.0x10- 5 6.0x10- 5 8.0x10- 5 1.0x10- 4 1.2x10- 4 1.4x10- 4 In0.5Ga0.5As 8ML T=9 K P=Varing Ge detector P=0.255mW P=5.1 mW P=10.2 mW P=22.44 mW P=28.56mW PL intensity energy [eV] 圖 4. 不同雷射功率下量子點能階的變化圖 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 -1.0x10-5 0.0 1.0x10-5 2.0x10-5 3.0x10-5 4.0x10-5 5.0x10-5 6.0x10-5 7.0x10-5 8.0x10-5 9.0x10-5 1.0x10-4 In0.5Ga0.5As 8 ML P=15.2 mW T=9 K 8 ML E 1 E 2 E 3 PL intensity energy [eV] 圖 5 量子點厚度 8ML 樣本可分解成三個高斯函數 1.0 1.1 1.2 0.0 2.0x10- 5 4.0x10- 5 6.0x10- 5 8.0x10- 5 1.0x10- 4 P = 1 5 . 3 m W In0.5Ga0.5As 8ML 9 K 20 K 30 K 50 K 70 K 90 K 1 0 0 K 110 K 120 K 150 K 180 K 210 K 240 K 270 K 300 K PL intensity energy [eV] 圖 6 8 ML 量子點變溫 PL 圖