行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
砷銻化銦中紅外線材料與元件(1/2)
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2215-E-002-022- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣大學電子工程學研究所 計畫主持人： 林浩雄 計畫參與人員： 劉珀瑋、蔡濟印 報告類型： 精簡報告 報告附件： 國際合作計畫研究心得報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 93 年 6 月 1 日
砷銻化銦中紅外線材料與元件期中報告
計畫編號：NSC 92-2215-E-002-022 執行期限：92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 主持人：林浩雄 單位：台灣大學電子工程學研究所 計畫參與人員：劉珀瑋、蔡濟印 單位：台灣大學電機工程學研究所 一、中文摘要 本計畫的目標在於研究 InAsSb/InAs 第二 型量子井的分子磊晶成長並應用此結構製 作波長 3-5 µm 之中紅外線發光二極體、雷 射。我們成功地成長出 InAsSb/InAs 量子 井，獲得通量比與固態成份的關係與最佳 基板溫度。樣本的低溫 PL 量測顯示量子井 的波長範圍可由 3.5µm 達 5µm。此外我們 也成長出與 InAs 接近晶格匹配的 InPSb， 此材料具有 0.64eV 的能隙將用作 InAsSb 雷射元件的波導夾層。 關鍵詞：砷化銦、銻砷化銦、銻磷化銦、 中遠紅外線光電元件。 Abstract:The MBE growth of InAsSb/InAs type II quantum well (QW) and its applications on mid-infrared photonic devices have been studied. The growth conditions for InAsSb QW including the relation between the Sb/As BEP ratio and the solid composition as well as the optimized growth temperature were obtained. Low temperature PL on these QWs demonstrates a wavelength range covering 3.5 ~ 5 µm. Besides, the growth of InPSb, which will serve as the cladding layer for InAsSb laser device, is also studied. The best InPSb sample is near InAs lattice-matched and with only 65 arcsec XRD linewidth.
Keyword: InAs, InAsSb, InPSb, mid- infrared. 二、緣由與目的 在 III-V 族半導體材料系統中，砷銻化 銦(InAsSb)合金具有最低的能帶間隙，在室 溫 時 ， InAs1-xSbx 之 能 帶 間 隙 為 EG = 0.35-0.75x+0.58x2 [1,2]。InAsSb 合金本身 或與 InAs 構成 InAs/InAsSb 異質接面結構 適合於中紅外線波段 3µm 甚到到遠紅外線 波段 10µm 的波段範圍。InAs/InAsSb 具有 第二型能帶排列之異質接面，這種排列具 有更長波長的紅外線的潛力。InAsSb 的應 用領域則包括了紅外線影像─軍方之夜視 系統、紅外線遙測；氣體偵測─毒氣偵測 或氣體成份分析還有大氣通信、醫療診 斷、溫度偵測等[3.4]。在此波段範圍，除 InAsSb 系統之外，尚有 II-VI 族半導體 HgCdTe 材料系統及 Quantum Cascade 元 件。與兩者相比，InAsSb 較 HgCdTe 穩定 容易控制，同時元件結構也比 Quantum Cascade 元件簡單。由於 InAsSb 磊晶與製 程技術已逐漸成熟具有競爭優勢，成為一 個值得研究的主題。 本計畫以分子束磊晶法進行 InAsSb/ InAs 量子井紅外線材料與光電元件之研 究。除了量子井的成長與光學特性研究之 外，並將製作波長在 3-5µm 的中紅外線發 光二極體與半導體雷射。我們同時也研究 用作雷射夾層之銻磷化銦(InPSb)波導夾層 (cladding layer)的成長 [5,6]；在所有與砷化 銦晶格匹配之無鋁三五族化合物中，InPSb 具有最大的能帶間隙與最小的折射係數， 適合作為光電元件之載子侷限層與光波導 材料；當 InP1-xSbx之銻含量為 0.311 時可與 砷化銦晶格相匹配，此時之能帶間隙約為
0.64eV，折射係數為 3.4 [7]。 三、研究方法
本實驗室以固態源分子束磊晶技術來 成 長 銻 砷 化 銦 材 料 ， 所 使 用 的 機 台 為 VG-V80H 分子束磊晶機；銦(In)來源是以 K-cell 產生，砷(As)是由 As valved crack cell 經由裂解區裂解 As4分子成為 As2分子再 與其他元素於基板上反應，銻(Sb)則是由 Sb cracking cell 產生，我們使用 1050oC 的 裂解溫度，因此其分子應大都為單原子的 Sb 分子[8]。在 3-5µm 波長應用範圍中，我 們選擇砷化銦作為成長之基板材料，因砷 化銦之晶格常數(6.0583A)較接近於我們所 欲成長之銻砷化銦而可避免因晶格常數差 異過大而造成缺陷。銻磷化銦波導夾層材 料之成長所使用之磷(P)係以磷化氫(PH3) 氣相來源，利用壓力差控制氣體流量，再 經過 1000o C 裂解產生 P2與其他元素於基 板上合成銻磷化銦。 四、結果與討論 我們以分子束磊晶法成長一系列 InAsSb 多 重量子井結構樣品，表一為其成長條件與 結果的摘要。圖一是 InAsSb 樣品 As2與 Sb 之分子束等效通量(BEP)比對之 Sb 固體成 份圖。由圖中可知，除了 As2與 Sb 之通量 比會對 InAs1-xSbx 中之 Sb 成分造成影響 外，在相近之通量及通量比下，成長速度 較快之樣品(C1514 及 C1547)會具有較高的 Sb 成份。其原因有可能源於銻化物成長時 的 表 面 堆 積 (surface accumulation) 現 象 [9]，即 Sb 在成長時會析出於表面累積， 造成成份漸變的現象。對於較薄的量子井 而言，成份漸變會影響到 XRD 量得的整體 成份。當我們加快成長速度時，可能抑制 表面堆積現象，使在同樣通量比下所成長 之 InAsSb 其 Sb 成份較長晶速度慢者為 高。另外也有可能是銦通量的增加，提升 了銻的嵌入。在圖一中，我們也把本實驗 室所成長的 GaAsSb/GaAs 量子井的結果一 併標出。可以明顯看出，在 GaAsSb 中， 銻的嵌入遠比 InAsSb 效率要高。 其次我們研究 InAsSb/InAs 多重量子 井結構成長時基板之溫度的效應，我們以 PL 放 光 強 度 來 評 估 樣 本 的 品 質 。 樣 品 C1464、C1466、C1467 之結構與 As2/Sb 值 均相同但分別於 450 o C、420 oC 與 480 oC 下成長。PL 量測結果如圖二所示。樣品放 光波長約在 3.2~3.3µm 之間，由 DXRD 分 析結果可知，樣品中之 Sb 成分約為 0.04， PL 結果中，其放光波長不一是因為基板溫 度使 Sb 成份改變所致；基板溫度愈高，Sb 成份愈少。而由樣品放光強度比較，很明 顯的，在 450 o C 所成長之樣品(C1464)的 PL 強度最強。因此，在接續的成長中，我 們均選擇 450 o C 作為成長樣品之長晶溫 度。圖三為不同銻成份之樣品低溫 PL 結 果，利用通量比之控制所成長之 InAs1-xSbx 樣品放光波長可涵蓋 3-5µm 之範圍，銻含 量較大之樣品(C1505, C1506)因晶格常數 不匹配造成應變使晶體中之缺陷，使光學 特性明顯變差。 我們選擇與砷化銦基板晶格匹配的銻 磷化銦(InPSb)作為 InAsSb/InAs 雷射元件 之高能隙電子位障層。此成份的 InPSb 能 帶間隙約為 0.64eV，我們先於 GaAs 基板 上成長不同成份之銻磷化銦塊材，其成長 條件及成份示於表二。圖四是成長於 GaAs 樣品 DXRD 量測結果，隨著 Sb 成份的下 降，磊晶層峰值往 GaAs 基板峰值移動。我 們選出與 InAs 匹配的條件後，再以同樣條 件下成長 InPSb 塊材於 InAs 基板上。圖五 為成長銻磷化銦於砷化鎵基板上樣品之 XRD 結果，樣品 C1533 之 InPSb 訊號極窄 (65 秒)，顯示 InPSb 晶體品質極佳，但 C1548
則出現兩個 InPSb 峰值，因此我們需再改 變成長條件來求取 InPSb 特性之最佳化。 四、計畫成果自評 我 們 已 經 成 功 地 以 分 子 束 磊 晶 法 完 成 InAsSb/InAs 多層量子井結構的成長。建立 出 InAs1-xSbx長晶條件，包括通量比與固態 成份的關係與最佳基板溫度。對於樣本我 們進行了 PL 量測，低溫的 PL 波長範圍由 3.5µm 至 5µm。在元件製作上，目前我們 也進行了 InAs/InAsSb PIN 發光二極體結 構的製作，並正進行電性與光學特性量測 初步的光譜量測顯示發光波長在 3.5µm， 我們將在期末報告提出完整的結果。在雷 射結構設計上，我們刻正進行 InPSb 波導 夾層的成長研究，目前我們正在求取其最 佳化之長晶條件；未來將研究其雜質摻雜 (doping)的電性，並將之應用於 3.5µm~5µm 的雷射元件製作。 參考文獻
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Sample # Tg Sb power As2/Sb Sb composition Growth rate
C1464 450oC 16% 11.40 0.037 0.5µm/hr C1491 450oC 17% 6.71 0.065 0.5µm/hr C1492 450oC 18.5% 2.70 0.095 0.5µm/hr C1493 450oC 18% 3.54 0.085 0.5µm/hr C1494 450oC 19% 2.03 0.105 0.5µm/hr C1504 450oC 19% 1.72 0.12 0.5µm/hr C1505 450oC 19% 1.02 0.16 0.5µm/hr C1506 450oC 19% 1.26 0.137 0.5µm/hr C1514 450oC 19% 1.10 0.22 1µm/hr C1547 450oC 19% 2.23 0.13 1µm/hr
Sample # Substrate Tg Sb power Sb/In PH3(torr) Sb composition
C1507A n+ GaAs (100) 450oC 19% 2.75 500 0.58(full relax)
C1515 n+ GaAs (100) 450oC 19% 1.139 900 0.45 C1516 n+ GaAs (100) 450oC 18% 0.7735 900 0.25 C1517 n+ GaAs (100) 450oC 17% n/a 900 0.2 C1533 n+ InAs (100) 450oC 17.6% 0.56 900 0.364 C1548 n+ InAs (100) 450oC 17.5% 0.53 900 - 表一：InAsSb/InAs 多層量子井結構樣品長品參數 表二：InPSb 樣品長晶參數
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 C1547 C1514 C1461-C1463 C1504-C1506 0.5um/hr InAsSb 1um/hr GaAsSb 0.5um/hr InAsSb 1um/hr InAsSb S b c o m p os itio n Sb/As 2 C1464, C1491-C1494 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 1 10 100 1000 10000 C1548 C1533 Co u n ts θ (sec) -14000 -12000 -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 1E-11 1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 C1507 C1515 C1516 C1517 C1056 2µm InAs on GaAs C oun ts θ (sec) 圖一：InAsSb/InAs 多層量子井結構 Sb/As2通量 比與 Sb 成份關係圖，在相同通量比下，較高之長 晶速度所成長之 InAsSb 有較高的 Sb 成份。 圖四：InPSb 樣品之 DXRD 結果。黃線為樣品 C1056 (2µm InAs 成長在砷化鎵基板上)，相同的 峰值表示 InPSb 晶格匹配於砷化銦。 圖五：InPSb 成長於 InAs 基板之 DXRD 結果。 C1533 InPSb 半寬為 65 秒，而 C1548 樣品似乎有 Sb phase separation 的現象。 30000 35000 40000 45000 50000 55000 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 C1491 C1493 C1494 C1505 C1506 Inte n s it y (a . u.) Wavelength(A) x20 x80 圖二：不同長晶溫度下 InAsSb/InAs 多層量子井 樣品 PL 量測結果。450o C 成長之樣品放光強度最 強。 28000 30000 32000 34000 36000 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.44 0.42 0.40 0.38 0.36 0.34 C1464 - 450oC C1466 - 420oC C1467 - 480oC Inte nsi ty ( V ) Wavelength (A) 圖三：不同銻成份之銻砷化銦/砷化銦量子井樣品 低溫(10K)PL 結果。調整 Sb 之含量可使樣品放光 波長涵蓋 3-5µm。
