行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 奈米結構光電元件之研究— 總計畫 計畫編號:NSC 90-2215-E-002-035 執行期限:90/08/01~91/07/31 主持人:林浩雄 共同主持人：白偉武、毛明華 執行單位:國立台灣大學 一. 中文摘要 本計畫包括下面三項重要的奈米結構光電元件技術的發展研究。茲分敘其重要的研 究結果如下：(1)以固態源分子束磊晶機在砷化鎵基板上成長銻砷化鎵/砷化鎵量子井和 在銻砷化鎵/砷化鎵量子井方面，所成長的銻砷化鎵/砷化鎵多層量子井寬面積雷射結構 在室溫光激螢光譜波長為1.27µm，半寬為67meV。並且成功製作出在室溫下起振的銻砷 化鎵/砷化鎵量子井雷射，放光波長在1.26µm，其起振電流密度低達201A/cm2。(2) 研究 矽鍺自形成量子點(SAQD) 成長及形狀相變的機制。製造了原型之鍺量子點紅外線偵測 元件。其偵測波段位於2-4µm，並且無正向入射偵測之間的問題。(3)在量子點方面，我 們 成 長出 砷化銦 / 砷 化 銦 鎵 量 子 點 ，密 度 約 2.3×1010 cm-2， 室 溫 光 激 螢 光 譜 波 長 為 1.282µm；並且製作出在室溫起振的多層量子點寬面積雷射二極體 ，其放光波長在 1.18µm。我們同時也量測了量子點雷射二極體的頻寬，並進行動態特性的模擬。 關鍵詞:分子束磊晶，含銻化合物半導體，銻砷化鎵量子井，矽鍺量子點，砷化銦鎵量 子點雷射 Abstract
This project has three subprojects. In the first subproject, we study the molecular beam epitaxial growth of Sb-based materials and devices that have been gradually drawing attention in high-speed electronics and optoelectronics. The growth conditions for GaAsSb/GaAs heterojunctions were investigated. A semi-empirical incorporation model for Sb and As was developed for precious composition control. Based on the results from growth condition optimization, we have successfully fabricated a type II GaAsSb/GaAs quantum well laser diode on GaAs substrate. The device demonstrates an emission wavelength of 1.26 µm and a threshold current density as low as 201A/cm2 at room temperature.
In the second subproject, the evolution of self-assembled Ge quantum dots is studied. Understanding and controlling the growth of self-assembled strained semiconductor quantum dot (SAQD) is critical in realizing the application potential based on such nanostructure. In particular, the metastability of SAQD needs to be clarified. Here we conduct quantitative
analysis on the shape evolution of Ge SAQDs grown on Si(100). It is found that the Ge SAQDs evolve from pyramid to dome shape beyond a critical volume Vc. However,
coexistence of both island shapes in the neighbourhood of Vc is evident, indicating the shape
may be trapped by a metastability. This metastability of island can be explained as a first-order phase transition, similar to the supercooling of water. With a model incorporating both the strain energy gain and the surface energy cost, an energy barrier for the shape transition ~3meV per atom is estimated. At the same time, the volume range of metastability can be predicted and compared with the experimental finding. Our analysis should be equally applicable to other systems such as III-V quantum dots(e.g. InAs/GaAs(100)).
In the third subproject, InGaAs/GaAs QDs are grown and Fabry-Perot QD laser diodes are fabricated. At room temperature, long-wavelength lasing at 1.19 µm from QDs is demonstrated. The threshold current density from an 8×1200 µm stripe laser diode is below 500 A/cm2. The emission wavelength from the QD ground state is around 1.28 µm, not far from the target wavelength of 1.3µm which is of important application in fiber communication systems.
Keywords: molecular beam epitaxy, Sb-based compound semiconductor, GaAsSb quantum well, Ge quantum dot, InGaAs quantum dot laser diode
二.緣由與目的 具有第二型(type-II)帶排列形式的半導體異質接面，由於其發光能量可以低於個別 材料的能隙，使得其在長波長應用方面極具應用價值，故在近年來十分受到重視。而銻 砷化鎵/砷化鎵量子井本身為一type-II的量子井，故可在砷化鎵基版上製作放光波長在 1.3µm的雷射元件。目前已有人發表在砷化鎵基板上成長的低起振電流銻砷化鎵/砷化鎵 量子井雷射[1]。此外，在砷化鎵基板上成長的銻砷化鎵/砷化鎵量子井面射型雷射也已成 功將波長推展到1.3 µm範圍[2]。是以，銻砷化鎵/砷化鎵量子井在1.3µm的光纖通訊應用 上極富潛力。 而矽鍺異質磊晶為目前被積極研究的重要領域之一。這是因為矽鍺同為四價元素， 可以任意比例混合並且可利用應變(鍺晶格常數大於矽晶格常數約4.2%)來控制奈米結 構，如自形成量子點(self assemble quantum dots, SAQD)等。利用這些性質或可達到控制 能帶並利用低維度(如量子點)特性的目的。本研究的目的在於研究SAQD成長及形狀相 變的機制。簡單的說，SAQD因為有隨體積變化的應變能量，因此其平衡態形狀並非單 純的受控制於表面能量，而是會隨體積而變化。此變化可導致共存之穩態或半穩態 (metastable)的量子點形狀，(e.g.如水、冰共存)，為一階相變。此類相變隨有序參量(order parameter)之變化而產生一能量位障。位障能量之大小決定了此系統的熱穩定性。就矽 鍺SAQD而言，已知其大致在體積小時為所謂“屋頂”(hut)或金字塔形(pyramid)，而在 大體積時為圓頂(dome)形。在相變點附近的過渡態形狀並非十分清楚。而其相變點的位 障(定量值)亦不確定。本研究解決此問題，同樣的程序及方法應可應用於其他SAQD系 統，如InGaAs/GaAs等。
本子計畫的研究目標在於：InGaAs/GaAs量子點的成長、其發光特性的分析、及其 發光元件的研究。半導體量子點，近年來受到廣泛的重視，以量子點為主動層所製作的 量子點雷射為例，不僅在理論上被預測具有許多特殊、有用的性質，並且已有部分獲得 實驗的證實，譬如：極低的工作電流(26 A/cm2 [3])、極高的溫度穩定性(室溫下T 0=385K [4])、極小的chirp(0.007 Å /mA [5])、高速的可調制性(8.2GHz [6])。以上特性，皆是光 通信系統的光源所必須具備的要件。因此，量子點雷射在光通信系統的應用上，具有極 大的潛力。1.3µm是光纖低損耗、低色散的頻段，傳統上是用InGaAsP作主動層，成長 在InP的基板上。InGaAs/GaAs量子點結構，突破了在GaAs基板上成長InGaAs/GaAs量子 井的限制，將發光波長延伸至1.3 µm，因此可望在光纖通訊上有重要應用，作為提供更 佳、更便宜的光源。我們用MBE成長發光波長在1.3 µm的InGaAs/GaAs量子點。此外， 也製作了Fabry-Perot量子點雷射二極體，並探討其高速調制下的動態特性，以實現低工 作電流、寬頻、波長穩定之量子點雷射，而此動態特性的研究成果，將為光電系統設計， 提供不可或缺的雷射二極體模型。 三.結果與討論 在銻砷化鎵/砷化鎵量子井的研究方面，本研究以固態源分子束磊晶機在砷化鎵基板 上成長。使用傳統加熱管提供砷源，銻裂解加熱管提供銻單原子作為銻源。首先我們成 長了銻砷化鎵 /砷化鎵五週的多層量子井(R1969) ，長晶溫度為 500o C，長晶速 率約 1µm/hr，成長銻砷化鎵量子井厚度為5nm，砷化鎵障壁層為30nm。圖一為銻砷化鎵/砷化 鎵多層量子井的X-光繞射圖譜，其中上面為實驗曲線，下面為擬合曲線，圖中實驗與擬 合曲線的吻合顯示樣品有相當好的磊晶品質。由擬合曲線的結果得到銻砷化鎵中銻化鎵 的成份為0.332。圖二為其室溫光激螢光譜，其放光波長在1.238µm，半寬為68meV。我 們也成長了銻砷化鎵/銻化鎵雙量子井雷射結構(R1974)，其中銻砷化鎵量子井厚度增加 到7nm，銻砷化鎵中銻化鎵含量為0.34。圖二為其室溫光激螢光譜(將樣品蝕刻至波導 層)，其發光強度較R1969的五層量子井來得弱，而發光波長在1.27µm，半寬為67meV。 圖三為R1974製作成寬面積雷射在室溫下的光輸出與注入電流圖，由圖中可得知其雷射 起振電流密度為201A/cm2，與目前文獻中銻砷化鎵/砷化鎵量子井雷射最好的結果極為 接近[3]。而圖三中的插圖為R1974雷射樣品的放光頻譜，其共振腔長度為900µm，注入 電流為一倍的起振電流，由圖中知其雷射放光波長在1.261µm。 在矽鍺量子點方面，如圖四所示，我們利用非接觸式原子力顯微鏡影像(NCAFM) 來量測所成長的SAQD。鍺量子點在Si(100)表面隨體積大小由hut，pyramid形經由過渡 態(truncated pyramid, TP)而形成dome形。TP過渡態實際上十分常見，但在TP超過一臨界 體積之後迅速形成dome形。為描述此量化過程，我們採用的模型如下[7]:
ΔE total=ΔE surface+ΔE relaxation(strain) (1)
此模型乃考慮SAQD形狀決定於表面張力變化及應變能量總和之最小值。方程式(1) 為由鍺濕層(wetting layer)形成SAQD後表面能量的變化。方程式(2)為考慮受應力下傾斜 面之間的應變能量。此為一簡化的二維模型。另外pyramid及dome形之SAQD可視為分別 具一個及二個不同斜率面(facets) 。在(2)式中，C約為35 meV/Ω，而Ω=a2
Ge，C =σb2
(1-ν)/2πµs，σb 為襯底(substrate)在水平方向造成的應力，νν為Poisson ratio，µs為基板
的shear modulus，s為每個面上的斜率。圖五(a)(b)分別為模擬及實驗(沿<100>方向)的結 果。由此可得相變約發生於VC=6400Ω，而在此臨界體積下，SAQD能量值隨dome新斜
面([23 3 15])之大小(標示為L2)的變化圖，如圖六(b)所示。顯然由ΔE total與L2之關係，量
子點處於Vｃ必須克服一位障，才可由pyramid(L2=0)變成dome。此位位障大小為~3.4 meV
per原子，當體積變大時(如圖六(a))dome(L2≠0)較穩定，而體積變小時pyramid(L2=0)較
穩定(圖六(c))，甚至dome不再是半穩態，當體積更小時，ΔE total可變為ΔE total>0，因 此，形成SAQD亦有一位障必須克服(不同於前述之位障)，此位障約為~5.4 meV per原子。
利用此研究累積此磊晶經驗，我們也已製造了原型之鍺量子點紅外線偵測元件。其 偵測波段位於2-4µm，並且無正向入射偵測之間的問題[8]。但此元件尚未利用到上述不 同形狀量子點的性質。希望在此點上可進一步研究。另外我們希望研究Ge SAQD 在具 有侷限尺寸結構下的矽襯底，如SOI(Silicon on insulator)下的成長及演化。 在長波長量子點雷射方面，我們目前已成功成長基態接近1.3µm之量子點，其密度 約在2.3*1010 cm-2（請見圖七），利用此一量子點結構所製作之雷射二極體，已可在室溫 下操作，臨界電流密度為478A/cm2，惟發光波長在1,189nm，係位於受激態（請見圖八）。 未來將研究增加量子點的密度與層數，進一步提升基態之光學增益，將發光波長移至 1.3µm。在量子點雷射之調制頻寬的方面，我們量測量子點雷射的relaxation oscillation frequency，以決定其調制頻寬。我們所量到最高的調制頻寬約8GHz（請見圖九），與迄 今最佳之量子點雷射之調制頻寬相當。而目前最高值係受限於量測儀器，未來進一步改 善實驗架設之後，我們相信有機會達到更高的值，突破目前為止的最佳紀錄。在動態特 性之模擬我們建立了速率方程式模型，來探討量子點雷射的動態特性。以自我組織的方 式所成長的量子點，大小並非均勻，因此其光學增益具有inhomogeneous broadening。我 們透過速率方程式來模擬各項參數對量子點雷射動態特性的影響。當inhomogeneous broadening變寬時，由於光學增益下降，因此relaxation oscillation frequency亦跟著降低（如 圖十）。 四.總結與成果自評 我們已經使用固態源分子束磊晶機於長晶溫度500℃，成長速率1µm/hr的條件下， 成功的長出室溫光激螢光波長1.27µm半高寬67meV的高品質銻砷化鎵/砷化鎵雙量子井 雷射結構。並成功地製作出室溫下起振的1.26µm長波長銻砷化鎵/砷化鎵應變量子井雷 射；對共振腔長度為1540µm，寬度為50µm的雷射，其起振電流為204A/cm2，與目前文 獻中銻砷化鎵/砷化鎵量子井雷射最好的結果極為接近。 在矽鍺量子點方面，我們利用非接觸式原子力顯微鏡影像(NCAFM)來量測所成長的
SAQD來研究鍺量子點在Si(100)表面的成長模型。並利用此研究累積此磊晶經驗，我們 也已製造了原型之鍺量子點紅外線偵測元件。其偵測波段位於2-4 µm，並且無正向入射 偵測之間的問題[8]。 此外,我們以氣態源分子束磊晶成長了砷化銦/砷化銦鎵量子點結構，其室溫波長達 1.283µm，且密度達2.32×10cm-2。並且成功製作出能在室溫下起振的量子點雷射結構， 其發光波長在1.18µm。由比較光激螢光譜與雷射放光頻譜發現，雷射起振時是在激態起 振，這可能是因量子點密度仍然不夠所致。我們同時也量測了量子點雷射二極體的頻 寬，並進行動態特性的模擬。 參考文獻
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8. 盧仁祥, 電機工程所碩士論文, 2002(指導教授:管傑雄老師) 圖一：以固態源分子束磊晶所成長的銻砷 化鎵/砷化鎵多層量子井的X-光繞射圖譜。 圖二：銻砷化鎵/砷化鎵多層量子井R1969 和銻砷化鎵/砷化鎵雙量子井雷射結構主 動層的室溫光激螢光譜。 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 R1969 GaAs0.668Sb0.332/GaAs MQW Th/2Th(sec) 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 0.0 5.0x10-5 1.0x10-4 1.5x10-4 2.0x10-4 2.5x10-4 3.0x10-4 R1974 R1969 RT PL Measurement InGaAs detector PL Intensity(A.U.) Energy(eV)
圖三：銻砷化鎵/砷化鎵量子井雷射的光輸出-注入電流圖譜。插圖為共振 腔長度為900µm的雷射放光頻譜圖，其注入電流為起振電流。 圖四 圖五 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 1258 1259 1260 1261 1262 1263 1264 1265 RT pulse mode Laser cavity 1540µm width 50µm Jth=201A/cm2 Output power (W)
Driving Current (A) RT pulsed mode
cavity length 900µm width 50µm
圖六
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1281 nm 1189 nm
Power per facet (uW)
Wavelength (nm) 3 mA 8 mA 15 mA 32 mA 43 mA 53 mA 圖八：室溫下操作之量子點雷射， Jth=478A/cm2。 圖七：量子點之AFM圖，密度約為2.3×1010 cm-2。 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 0 500 1000 1500 2000 Intensity , a.u. Time , ps
relaxation oscillation frequency , GHz
Power , mW1/2 Slope=1.44 GHz/mW1/2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 Inhomogeneous Broadening 20 meV 30 meV 40 meV ωr2=a 0*vg*(I-Ith) / (q*Vp) f r=ωr / 2p fr (GHz) (I/I th-1) 1/2 圖九：量子點雷射之relaxation oscillation frequency。 圖十：Inhomogeneous broadening對 relaxation oscillation frequency的 影響。
