GaAs_AlGaAs量子阱生长及结构性质研究

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1、学号：S15010026硕士学位(毕业)论文GaAs/AlGaAs量子阱生长及结构性质研究研究生姓名：智民学科、专业：物理学二○一八年六月分类号：O472密级：可公开UDC：编号：GaAs/AlGaAs量子阱生长及结构性质研究RESEARCHOFGROWTHANDSTRUCTURALPROPERTIESOFGaAs/AlGaAsQUANTUMWELLS学位授予单位及代码：长春理工大学（10186）学科专业名称及代码：物理学（070200）研究方向：激光及其与物质相互作用申请学位级别：硕士指导教师：王晓华研究生：智民论文起止时间：2016.10—2018.04摘要作为III-V族化

2、合物半导体材料的典型代表材料GaAs/AlGaAs量子阱，由于它载流子迁移率高、Al组分可调控和具备优异的稳定性等特性备受人们关注，且该材料体系通过调节材料组分，可以满足中红外波段所在的众多应用领域需求，尤其以GaAs/AlGaAs量子阱构成的异质结半导体材料是制备高性能激光探测器件的重要材料。然而材料在结构参数的选取、生长制备中引入的缺陷及材料中异质界面存在的界面特性等，严重影响了光电器件的性能，成为了近些年来研究的重点。本论文采用分子束外延技术(MBE)生长制备了GaAs/AlGaAs量子阱材料，并从制备前结构参数的选取和材料制备后表征分析构成理论与实验的基础，并采用快速热退

3、火的界面控制手段，系统研究快速热退火对材料整体质量的影响，从而获得最佳的退火条件，为今后以GaAs/AlGaAs量子阱材料为基础的半导体激光器、探测器等光电器件提供了基础材料和技术支持。论文主要包括三个部分：(1)使用量子干涉模型对GaAs/AlGaAs量子阱能带分布及量子阱红外探测(QWIP)波长进行了模拟计算，在采用束缚态到准束缚态的跃迁机制为前提，得到QWIP探测波长随阱宽增大而减小，随垒宽增大而增大，随Al组分增大而减小。根据模拟结果可以选取优化后的结构参数，为后期材料器件的制备及应用领域的需求提供了理论基础。(2)使用分子束外延设备，制备GaAs/AlGaAs多量子阱，

4、通过XRD进行表征测试，验证了已生长的多量子阱的结构参数（周期厚度及组分等）的准确性及多量子阱材料的质量。利用室温PL得到了样品的峰位来源且PLMapping发现原生样品存在发光均匀性不佳的问题，通过AFM表征观测了材料的表面形貌及表面粗糙程度，得到已生长的样品均方根粗糙度(RMS)为0.576nm，但从表面形貌图得知样品表面存在少量岛状生长，是由生长过程中引入的缺陷或异质结界面特性等造成了样品粗糙程度偏高的主要原因。(3)使用快速热退火的界面控制手段，对已生长的多量子阱材料进行热退火处理，并利用XRD和室温PL得知，800℃的退火温度为最佳的退火条件，与原生样品相比其XRD衍射

5、强度和PL强度提高了约1倍，但过高的退火温度，会使得材料PL强度和XRD衍射强度显著降低，导致材料质量下降，针对此问题，利用室温PL发现退火温度在900℃时其带隙蓝移了约10meV，揭示了过高的退火温度会使得样品存在界面混合效应，导致材料量子限制效应降低使得样品质量变差。利用PLMapping验证了快速热退火对GaAs/AlGaAs多量子阱发光均匀性的改善。AFM测试结果发现，800℃的退火温度其RMS为0.23nm，表面粗糙度远低于原生样品，且其表面形貌最为平整，也验证了XRD和PL的测试结果，800℃的退火温度可以显著改善多量子阱材料的整体质量。关键词：GaAs/AlGaAs

6、；量子阱；界面互扩散；快速热退火IABSTRACTAsatypicalrepresentativematerialofIII-Vcompoundsemiconductormaterials,GaAs/AlGaAsquantumwellshasbeenwidelyusedinmanyfieldsbecauseofitshighcarriermobility,adjustableAlcomponentandsmalllatticemismatchwithGaAs.Especially,theheterojunctionsemiconductormaterialcomposedofGa

7、As/AlGaAsquantumwellsisanimportantmaterialforthefabricationofhighperformancelaserdetectors.However,theselectionofstructuralparameters,thedefectsintroducedinthegrowthandpreparationofmaterialandtheinterfacialcharacteristicsofheterogeneousinterf