InGaA s/A lGaA s量子阱紅外探測器中勢壘生長溫度的研究?

霍大云 石震武張偉 唐沈立 彭長四

(蘇州大學光電信息科學與工程學院/蘇州納米科技協同創新中心,蘇州 215006)

(2016年7月20日收到;2016年12月22日收到修改稿)

InGaA s/A lGaA s量子阱紅外探測器中勢壘生長溫度的研究?

霍大云 石震武?張偉 唐沈立 彭長四

(蘇州大學光電信息科學與工程學院/蘇州納米科技協同創新中心,蘇州 215006)

(2016年7月20日收到;2016年12月22日收到修改稿)

InGaAs/A lGaAs量子阱是中波量子阱紅外探測器件最常用的材料體系,本文以結構為2.4 nm In0.35Ga0.65As/40 nm A l0.34Ga0.66As的多量子阱材料為研究對象,利用分子束外延生長,固定InGaAs勢阱的生長溫度(465?C),然后依次升高分別選取465,500,545,580?C生長A lGaAs勢壘層,從而獲得四個不同的多量子阱樣品.通過熒光光譜以及X射線衍射測試系統分析了勢壘層生長溫度對InGaAs量子阱發光和質量的影響,并較準確地給出了量子阱大致的溫致弛豫軌跡:465—500?C,開始出現相分離,但缺陷水平較低,屬彈性弛豫階段;500—545?C,相分離加劇并伴隨缺陷水平的上升,屬彈性弛豫向塑性弛豫過渡階段; 545—580?C,相分離以及缺陷水平急劇上升,迅速進入塑性弛豫階段,尤其是580?C時,量子阱的材料質量被嚴重破壞.

中波紅外探測,量子阱紅外探測器件,InGaAs/A lGaAs多量子阱,溫致弛豫

1 引 言

1987 年,Levine等[1]首次驗證了多量子阱(MQWs)在紅外探測領域的應用,標志著量子阱紅外探測器件(QW IP)的正式出現[1?5].由于該類器件具有優異的材料均勻性、較窄的光譜響應以及靈活的能帶剪裁等優勢[5?8],引起了全球范圍內如Jet Propu lsion Laboratory[9],A rmy Research Laboratory[10],Goddard[11],Thales等[12]知名研究單位和軍方機構的開發熱潮,但大部分工作都集中在GaAs/A lGaAs基QW IP的研究.這是由于其壘阱之間天然具備幾乎為“零”的晶格失配以及極其相近的生長窗口等優點,可以非常容易地獲得極高質量的外延材料.但由于受GaAs/A lGaAs量子阱的能帶結構限制,其工作波長主要位于長波、甚長波波段,無法有效覆蓋中波(3—5μm)區域.

考慮到現代軍事環境中有很多目標,例如戰斗機、導彈等大型戰略武器在高速飛行時,發動機尾部噴焰羽狀廢氣柱的紅外輻射主要落在中波區域以及目前第三代紅外探測器對雙(多)色(同時覆蓋中/長波)大面陣焦平面成像技術的要求[13],具有中波響應的InGaAs/A lGaAs基QW IP成為全球研究的新熱點.然而該類器件的制備比GaAs/A lGaAs QW IP要困難得多,其原因在于: InGaAs量子阱材料的熱穩定性差需在低溫沉積(參考區間為450—500?C),而A lGaAs勢壘層需升溫生長以保證“A l”原子的遷移能力(一般不低于580?C),但升溫生長勢壘將導致InGaAs量子阱(高應變)發生應力釋放(即應變弛豫)[14],這將嚴重影響其材料質量.然而,目前InGaAs/(A l) GaAs量子阱材料在應力釋放方面的研究主要是探討InGaAs的生長厚度和生長溫度對其應力的影響,而壘層(A l)GaAs的生長溫度對其應力的影響研究相對較少[15?18],因此對于該材料的實際生長,A lGaAs勢壘層的生長溫度選擇是高質量制備InGaAs/A lGaAs基QW IP的技術關鍵.基于此,本文利用分子束外延(MBE)在GaAs(001)襯底上生長了四個變勢壘層溫度的中波InGaAs/A lGaAs應變MQWs樣品.然后通過室溫、低溫光致發光(PL)以及對稱(004)面、非對稱(115)面X射線衍射(XRD)測試手段對樣品進行了全面的表征測量,系統分析了勢壘層生長溫度對InGaAs量子阱發光和材料質量的影響并較準確地給出了量子阱大致的溫致弛豫軌跡,特別是確定了彈性弛豫向塑性弛豫過渡的溫度區間,為實際生長InGaAs/A lGaAs基QW IP器件提供了關鍵的技術參考.

另外值得一提的是,目前有關(001)襯底上外延的應變MQWs(或超晶格)結構的XRD測試研究幾乎只集中于對稱面的掃描,而鮮有論及非對稱面的測試結果(不同于體材料的研究).本文通過采用ω-2θ的面(m apping)掃描方式成功獲得了應變InGaAs/A lGaAs MQWs樣品非對稱(115)面的多級衛星峰數據,結合常用的對稱(004)面的數據,最終使得我們對量子阱整個弛豫過程有更清晰的理解和全面的認識.

2 樣品生長與測試

首先,本文利用VG 80H-MBE在半絕緣(001) GaAs襯底上分別制備了四個InGaAs/A lGaAs MQWs樣品.如圖1所示:四個樣品的量子阱層都固定在465?C生長,只是各自之間勢壘層的生長溫度分別為465,500,545以及580?C.除此之外,它們的材料結構以及其他生長工藝完全一致.其中“壘阱”之間生長切換方式為:從“壘”切換到“阱”采用中斷降溫至465?C后生長,而從“阱”切換到“壘”則采用邊升溫邊生長,升降溫速率為3?C/s.

圖1 四個不同A lGaAs勢壘生長溫度的MQW s樣品結構示意圖Fig.1.Sam p le structures of four MQWsw ith diff erent A lGaAs barrier grow th tem peratu re.

圖2 (網刊彩色)(a)樣品低溫10 K熒光譜;(b)室溫300 K熒光譜;(c)熒光積分強度數據(10 K/300 K);(d)熒光半高全寬數據(10 K/300 K)Fig.2.(color on line)(a)PL of sam p les@10 K;(b)PL of sam p les@300 K;(c)integrated intensity of PL; (d)fu ll w id th at halfm axim um(FW HM)of PL(10 K/300 K).

接著,采用JY-T64000型拉曼光譜儀對這四個樣品進行了室溫300 K、低溫10 K下的PL(光熒光)測試.測試條件為:激發波長532 nm,功率0.1mW,積分時間1ms.圖2(a)和圖2(b)分別為量子阱10 K以及300 K的光譜結果.

然后,采用PANalytical-DY 1220型XRD對這四個樣品進行了對稱(004)以及非對稱(115)面的ω-2θ線掃描.圖3(a)和圖3(b)分別為(004)和(115)掃描的典型結果.發現(115)面的掃描結果無法獲得任何MQWs特殊的多級衍射衛星峰圖樣.后改用ω-2θ面(mapping)掃描,成功獲得(115)的多級衛星峰數據,典型的結果如圖4所示.接著,我們對四個樣品的衛星峰個數進行了系統的統計(見表1)以及對?1th衛星峰進行了ω搖擺曲線的測試,半高全寬的結果如圖5所示.

表1 樣品XRD(004)及(115)掃描的衛星衍射峰個數統計Tab le 1.Satellite peak counts for XRD(004)and(115) scanning of sam p les.

圖3 (a)XRD(004)ω-2θ線掃描結果;(b)XRD(115)ω-2θ線掃描結果Fig.3.(a)XRD(004)ω-2θscanning(line-m ode);(b)XRD(115)ω-2θscanning(line-m ode).

圖4 (網刊彩色)XRD(115)ω-2θ面掃描結果Fig.4.(color online)XRD(115)ω-2θm apping-scanning.

圖5 樣品XRD(004)及(115)?1th衛星衍射峰ω搖擺曲線的半高全寬結果Fig.5.FW HM for theω-rocking cu rve of?1th satellite peak(004)/(115).

3 討論與分析

圖2(a)和圖2(b)表明量子阱的發光強度和峰形受A lGaAs勢壘生長溫度的強烈調制.圖2(c)和圖2(d)分別定量地給出了樣品發光積分強度以及發光峰的半高全寬隨勢壘生長溫度的變化趨勢.低溫10 K時(如圖2(a)所示):465?C的樣品量子阱熒光很強,其發光峰經高斯擬合(見右上角內置擬合曲線)發現具有很好的對稱性,同時如圖2(d)所示,其具有最低的半高全寬(22.0 meV),說明該樣品的量子阱具有優異的材料均勻性(未出現相分離),故465?C下量子阱未發生明顯弛豫;500?C的樣品熒光峰形開始出現了沿主峰右側(長波)擴展的不對稱性,伴隨半高全寬增至35.3 m eV(如圖2(d)所示),說明量子阱已經發生相分離[19,20],引入了高In局域態的發光,但如圖2(c)所示,此時量子阱的熒光強度并沒有發生衰減(相比未弛豫的465?C樣品更強),故500?C下量子阱的弛豫屬彈性弛豫[19];隨著勢壘生長溫度的繼續升高,545和580?C兩個樣品的熒光強度出現了極速下降,同時如圖2(d)所示,其半高全寬隨溫度逐漸展寬,故在545?C時就發生了塑性弛豫[19],使得阱內產生了大量的缺陷,尤其到了580?C,樣品發光強度相比465?C樣品衰減了一個多量級(如圖2(c)所示),表明升溫將進一步加劇塑性弛豫,從而迅速使得阱內的缺陷水平不斷升高,嚴重惡化材料的發光性能.以上論述在300 K熒光的強度數據中得到了更有力的支持:由于低溫10 K時被凍結的一部分缺陷,將在室溫時被熱激活,對應的這部分非輻射復合中心將消耗更多的光生載流子,大大降低載流子的輻射復合效率.因此300 K下,580?C和545?C兩個樣品相比465?C樣品發光強度下降達到了兩個數量級(見圖2(c)).同理,500?C的樣品室溫發光依然和465?C樣品維持在同一個水平,也再次有力地證明了該溫度下量子阱雖然發生相分離,但缺陷水平非常低,屬彈性弛豫.雖然300 K和10 K的樣品熒光數據在發光強度上具有一致的變化趨勢,但在其他方面存在著顯著的矛盾:首先,對比圖2(b)和圖2(a)中的熒光峰形,發現室溫的熒光峰形的不對稱性與低溫(10 K)時完全相反,表現為沿主峰左側(短波)擴展.其原因可解釋為:室溫將導致去局域化[21],抑制了高In局域態的發光,從而消除了原來低溫時沿主峰右側擴展的不對稱性.同時室溫使得熱運動加劇,促進了價帶中“空穴”從重空穴帶熱激發到輕空穴帶,故在主峰(“電子-重空穴”輻射復合)的左側將出現“電子-輕空穴”復合的輻射信號,最終導致了由“長波”擴展轉變為“短波”擴展的不對稱.

其次,如圖6(a)所示,高溫580?C生長A l-GaAs相比低溫465?C時,原位反射高能電子衍射(RHEED)實時監測呈現出更加清晰明亮的主線以及再構線,證明升溫生長勢壘將大大提高“A l”原子的遷移能力,從而獲得高平整度的外延表面.原子力顯微鏡(AFM)測試顯示(見圖6(b)),580?C樣品的表面平整度遠優于低溫465?C樣品.另外XRD對稱(004)掃描數據也表明,樣品的?1th衛星衍射峰的半高全寬隨勢壘溫度升高而減少,由465?C時的90.3 arcs降至580?C時的36.7 arcs (如圖5所示),且也觀察到衛星峰的個數隨溫度升高而有所增加,尤其是正衛星峰的個數從低溫時的3個上升到高溫時的7個(見表1).因此,雖然升溫生長A lGaAs勢壘將使InGaAs量子阱發生弛豫,引起相分離(導致In組分的不均勻);但另一方面升溫將顯著改善勢壘本身材料的平整性,從而獲得平滑均勻的壘阱界面以及保證MQWs之間的重復性.然而不管是量子阱中In組分的均勻性還是量子阱界面的平整度都將影響熒光的半高全寬.分析圖2(d),樣品室溫300 K熒光峰的半高全寬隨勢壘生長溫度變化的趨勢和低溫10 K的數據截然相反.分析其原因為:10 K時,由于低溫載流子的熱運動受到很大抑制,界面的粗糙(即阱寬起伏)引起的能級起伏也隨之被大幅削弱,對于465?C樣品雖然其量子阱的界面較粗糙,但仍表現出最低的半高全寬(22.0meV),而界面較平整的580?C樣品卻具有最大的半高全寬,故正如之前的論述,樣品低溫熒光半高全寬隨勢壘溫度升高的展寬主要是由量子阱發生相分離破壞了均勻性引起的.到了300 K時,首先,熱激發導致的去局域化過程將抹去樣品間那部分由In組分不均勻導致的展寬,同時界面粗糙度引起的展寬將被迅速增強,此時樣品間熒光的半高全寬大小將主要由界面的質量決定.故465?C樣品表現出最大的半高全寬(70.8 meV),相比之下,高溫580?C樣品的半高全寬卻僅為59.8 meV,整體表現為隨勢壘溫度升高而減小的趨勢.

圖6 (a)465?C以及580?C下A lGaAs外延生長時RHEED的衍射圖樣;(b)465?C以及580?C兩個樣品的AFM測試結果Fig.6.(a)RHEED patterns for the epitaxy of A lGaAs@465?C/580?C;(b)AFM testing for sam p les of 465?C and 580?C.

最后值得一提的是,本文在XRD測試時除進行了目前普遍采用的(004)掃描,還對這四個樣品進行了(115)掃描.掃描結果顯示(見圖5),MQWs的?1th衛星衍射峰的半高全寬并未按照之前提及的(004)掃描結果那樣隨勢壘溫度升高而降低,反而有所上升.分析其原因是勢壘升溫除了能大幅改善界面質量和量子阱結構的周期重復性,但也會促使量子阱發生塑性弛豫并引入材料缺陷.對于(004)掃描,其衍射矢量方向與量子阱生長方向一致,因而對沿生長方向上的界面平整度以及量子阱周期的重復性將非常敏感,故最終數據趨勢由“界面改善”這一因素主導.然而(115)的掃描結果卻正好能反映出塑性弛豫引起的材料缺陷升高這一事實,很好地支持了之前有關“熒光強度”數據的分析(見圖2(c)).這為本研究提供了很好的補充,有效地增強了我們認識量子阱整個弛豫過程時的完整性和清晰度.

故經本文研究證實:在制備InGaAs/A lGaAs多量子阱材料時,當生長A lGaAs層時溫度高于500?C條件下,即可在量子阱中觀察到輕微的彈性弛豫痕跡;而當溫度提高至545?C,量子阱將發生劇烈的塑性弛豫,其晶體質量將被嚴重破壞.因此,在實際生長時,勢壘的生長溫度必須鎖定在低溫生長,但低溫生長A lGaAs將大大犧牲量子阱界面的質量和平整度,而界面的不平整將直接影響后續器件工作時子帶紅外吸收的特性(峰位、帶寬等)以及引入對光生載流子橫向輸運時的散射效應(大大降低光生電流的抽取效率).為了提高界面平整度,目前常用的做法是在InGaAs和A lGaAs材料間插入一層超薄的GaAs以平滑界面.本文所用的樣品結構中同樣采用了該方法,但從實驗結果分析發現其并不理想,分析原因可能在于低溫生長A lGaAs時,隨著勢壘的厚度增加材料表面的起伏將會被不斷放大,所以當勢壘結束后緊接著生長量子阱時,A lGaAs/InGaAs界面的粗糙度(即量子阱的“下界面”)很難通過簡單引入GaAs薄層恢復平整.而且隨著量子阱的堆疊,這種界面惡化會迅速傳遞給后續量子阱的“上界面”,最終導致嚴重的后果.2013年,Shi等[22]提出了一種“低溫A lGaAs蓋層技術”,他們將勢壘層分成兩步生長:先低溫生長一定厚度,然后升溫生長剩余的部分,實驗中成功獲得了峰值波長與全低溫生長高度一致的器件.故基于這一技術,完全有望憑借其后續升溫去改善每一層勢壘上表面的平整度,從而極大地提高量子阱的界面質量.除此之外,我們還可以從能帶理論出發,設計選擇A l組分和In組分更低的量子結構以及在滿足器件基本參數(如暗電流等)的前提下,盡可能地減小勢壘厚度,從而降低獲得高質量量子阱界面的原始生長難度.

4 結 論

本文從InGaAs,A lGaAs材料間生長溫度差異巨大這一事實出發,分析討論了在實際生長In-GaAs/A lGaAs基中波QW IP時壘阱溫度過渡中存在的相關問題,并提煉出高質量獲得該系列QW IP關鍵在于A lGaAs勢壘生長溫度的選擇和控制.基于此,本文系統研究和討論了勢壘層生長溫度對量子阱的結構質量和發光特性的影響規律,較準確地給出了InGaAs量子阱隨勢壘生長溫度的大致溫致弛豫軌跡,特別是確定了彈性弛豫向塑性弛豫轉變的溫度區間(500—545?C),為實際生長中波InGaAs/A lGaAs基QW IP器件提供了關鍵的技術參考.

[1]Levine B F,Choi K K,Bethea C G,W alker J,M alik R J 1987 Appl.Phys.Lett.50 1092

[2]Yuan X Z,Lu W,Li N,Chen X S,Shen X C,Zi J 2003 Acta Phys.Sin.52 503(in Chinese)[袁先漳,陸衛,李寧,陳效雙,沈學礎,資劍2003物理學報52 503]

[3]Levine B F,Bethea C G,Hasnain G,Shen V O,Pelve E,Abbott R R,Hsieh S J 1990 Appl.Phys.Lett.56 851

[4]Lee S C,K rishna,B rueck S R J 2009 Opt.Express 17 23160

[5]Castellano F,RossiF,Faist J,Lhuillier E,Berger V 2009 Phys.Rev.B 79 205304

[6]Levine B F 1993 J.Appl.Phys.74 R 1

[7]Nedelcu A,Costard E,Bois P,M arcadet X 2007 Infrared Phys.Techno l.50 227

[8]Li N,Yuan X Z,Li N,Lu W,Li Z F,Dou H F,Shen X C,Jin L,Li H W,Zhou JM,Huang Y 2000 Acta Phys. Sin.49 797(in Chinese)[李娜,袁先漳,李寧,陸衛,李志峰,竇紅飛,沈學礎,金莉,李宏偉,周均銘,黃綺2000物理學報49 797]

[9]Gunapala S,Bandara S,Bock J,Ressler M,Liu J,M um olo J,Rafol S,T ing D,W em er M 2002 Aerospace Conference Proceedings M ontana,Am erican,M arch 9–16, pp3–1437

[10]Bandara SV,Gunapala SD,Liu JK,Rafol SB,Shott C A http://oai d tic m il/oai/oai?verb=getRecord&m etadataPrefi x=htm l&identifier=ADA 408864[2010-7-29]

[11]Choi K K,Jhabvala M D,Sun J,Jhabvala C A,W aczynski A,O lver K 2013 Appl.Phys.Lett.103 201113

[12]Costard E,Bois P,de Rossi A,Nedelcu A,Cocle O, Gauthier F H,Aud ier F 2003 C.R.Phys.10 1089

[13]W ang L M,Zhang R,Lin Y N,Xu S L 2008 Infrared Laser Eng.S2 570(in Chinese)[王力民,張蕊,林一楠,徐世錄2008紅外與激光工程S2 570]

[14]Lou renco M A,Hom ewood K P,Considine L 1994 M ater.Sci.Eng.B 28 507

[15]W haley G J,Cohen P I 1990 App l.Phys.Lett.57 144

[16]Sasaki T,Suzuki H,Sai A,Takahasi M,Fu jikawa S, K am iya I,Ohshita Y,Yam aguchi M 2011 J.Cryst. Grow th 323 13

[17]Quillec M,Goldstein L,Roux G L,Burgeat J,Prim ot J 1984 J.App l.Phys.55 2094

[18]Tanner B K,Parbrook P J,W hitehouse C R,Keir A M, Johnson A D,Jones J,W allis D,Sm ith L M,Luun B, Hogg J H C 2001 J.Phys.D:Appl.Phys.34 A 109

[19]Li Q,W ang G T 2010 Appl.Phys.Lett.97 181107

[20]Zhang G,Ov tchinnikov A,Pessa M 1993 J.Cryst. Grow th 127 209

[21]Cho Y H,Gainer G H,Fischer A J,Song J J,K eller S, M ish ra U K,DenBaars S P 1998 App l.Phys.lett.73 1370

[22]Shi ZW,Wang L,Zhen H L,Wang W X,Chen H 2013 Nanosca le Res.Lett.8 310

PACS:85.60.Gz,85.35.Be,81.07.St,78.67.DeDOI:10.7498/aps.66.068501

Barrier grow th tem peratu re of InGaA s/A lGaA s-quantum w ell in frared photodetector?

Huo Da-Yun Shi Zhen-Wu?Zhang Wei Tang Shen-Li Peng Chang-Si

(School ofOptoelectronics Inform ation Science and Engineering,Collaborative Innovation Center of Suzhou Nano Science and Technology,Soochow University,Suzhou 215006,China)
(Received 20 Ju ly 2016;revised m anuscrip t received 22 Decem ber 2016)

The InGaAs/A lGaAs quantum wells have been extensively app lied to quantum well in frared photodetector ofm idwavelength.In this letter,four sam p les of 2.4 nm In0.35Ga0.65As/40 nm A l0.34Ga0.66Asmulti-quantum wells are grown by m olecular beam epitaxy w ith the InGaAswells grow ing all at a tem perature of 465?C but the A lGaAswells grow ing at tem peratures of 465?C,500?C,545?C,and 580?C respectively.The dependence of InGaAs quantum well strain relaxation on the A lGaAs grow th tem perature is systematically studied by photolum inescence spectroscopy and X-ray diff raction and then the therm al-induced relaxations of three key-stages are clearly observed in the follow ing tem perature ranges.1)465–500?C for the stage of elastic relaxation:the phase separation begins to take p lace w ith a low defect density;2)500–545?C for the transition stage from elastic relaxation to p lastic relaxation:the phase separation w ill be further intensified w ith defect density increasing;3)545–580?C for the fast stage dom inated by elastic relaxation and the defect density w ill sharp ly increase.Especially when A lGaAs temperature increases to 580?C,a very serious p lastic relaxation w ill take p lace and the InGaAs quantum wellw ill be d ram atically destroyed.

m id-infrared detection,quantum well infrared photodetector,InGaAs/A lGaAs multiquantum wells,therm al-induced relaxation

10.7498/aps.66.068501

?國家自然科學基金(批準號:11504251)、江蘇高校優勢學科建設工程、科技部國際合作項目(批準號:2013DFG 12210)、江蘇省高校自然科學研究重大項目(批準號:12 KJA 140001)和江蘇省普通高校研究生科研創新計劃(批準號:KYLX 15_1252)資助的課題.

?通信作者.E-m ail:zwshi@suda.edu.cn

*Pro ject supported by the National Natu ral Science Foundation of China(G rant No.11504251),the Priority Academ ic Program Developm ent of Jiangsu Higher Education Institutions(PAPD),China,the International Cooperation Pro ject by MOST,China(G rant No.2013DFG 12210),the Natural Science Research Pro ject of Jiangsu H igher Education,China (G rant No.12KJA 140001),and the Post-graduate Innovation Project of Jiangsu Higher Education,China(G rant No. KYLX 15_1252).

?Corresponding author.E-m ail:zw shi@suda.edu.cn