论文摘要
基于云的应用和数据中心的快速增长,对高容量和紧凑型光链路的需求显著增加。通过将光电子器件和成熟的硅基微电子器件进行集成,即光电集成,有助于解决这些需求。然而,硅基光电集成系统中可靠、低成本和高效率的硅基光源问题,尤其是1550nm通信波段的硅基光源问题还没有很理想的解决方案。尽管晶圆键合技术已被广泛研究用于Ⅲ-Ⅴ/Si集成,但是目前仍然存在产量和可扩展性问题。在Si衬底上直接外延生长Ⅲ-Ⅴ族材料被认为是实现Si基光源的最有潜力的方法之一。目前,用于实现1550 nm波长硅基光源的常用Ⅲ-Ⅴ族材料主要为InGaAsP/InP材料系。其中,InP材料与Si之间有～8%的晶格失配,因此在Si衬底上直接外延生长InP材料将会引入高密度位错。为了降低位错密度,通常需要引入缓冲层、应变超晶格等结构,最终使得通过InP材料制备的Si基激光器结构复杂,不适合于后续器件的制备和集成。基于InGaAs/Si虚拟衬底的硅基激光器制备是通过在Si衬底上外延适当组分的InGaAs材料,将InAs/（In）GaAs QD激光器波长扩展至1550 nm通信波段,从而实现长波长激光器。相比于InP与Si之间的晶格失配,该组分的InGaAs和Si之间晶格失配相对较小,可以通过简单的两步法等方法降低材料位错密度,而且量子点有源区对位错有较大的容忍度。因此,这种技术被认为是未来实现1550 nm波长硅基光源的重要方法。因而,InGaAs/Si的外延生长是实现这个方案的重要一步。在Si衬底上外延InGaAs材料面临着晶格失配、热膨胀系数差异和极性差异分别导致的穿透位错,裂纹和反向畴。其中,极性差异导致的反向畴问题可以通过使用带偏角的衬底或者V型槽图形衬底很好地解决。对于晶格失配导致的高密度位错问题,人们通过研究多种方法包括:两步法、缓冲层法和选区外延法等,在一定程度上减小了位错密度。但是,对于热膨胀系数差异导致的应力问题,目前较少研究,且主要集中于通过拉曼光谱、光致发光谱和X射线衍射仪（X-ray Diffraction,XRD）等测试手段来研究热应力。少量的理论研究工作则是通过简单的数值计算来研究两层材料结构的热应力。目前缺少对于材料器件结构热应力分布的研究,尤其是Si图形衬底结构的激光器器件,其应力分布不同于平面Si衬底结构的器件。研究其热应力分布,有助于我们更好地设计硅基激光器器件结构。本论文研究了采用两步法,通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术生长InGaAs/Si材料。同时我们对硅基V型槽衬底激光器阵列结构的热应力进行了仿真研究。论文的主要工作和成果如下:1、首次采用三元半导体材料作为低温缓冲层,通过MOCVD技术完成了InGaAs/Si外延材料的生长。研究了InGaAs低温成核层的参数对晶体质量的影响。实验结果表明:在合适的低温成核层In组分和厚度下,低温成核层能够有效地释放应变,阻止穿透位错向上传播,使得外延材料的晶体质量最优。我们优化的InGaAs低温成核层厚度为20 nm。2、建立了硅基V型槽激光器阵列材料结构的热应力数理模型,并采用有限元方法计算和验证了仿真结果的正确性。验证结果表明:建立的热应力模型的仿真计算结果是正确可靠的。3、研究了硅基V型槽激光器阵列材料结构热应力的分布,并同平面硅结构的热应力进行了对比。研究结果表明:V型槽激光器阵列材料结构中InGaAs有源层顶部和InP盖层都表现为压应力而不是平面结构时的张应力。4、研究了硅基激光器阵列合并材料结构对热应力影响的机制。通过对硅基激光器阵列合并材料结构进行仿真并与未合并结构仿真结果进行比较。研究结果表明:由于未合并的激光器阵列材料的InGaAs和InP宽度远小于衬底宽度,导致InGaAs有源层和InP盖层承受压应力。5、研究了V型槽参数对硅图形衬底结构热应力影响的机制。研究了V型槽高度、SiO2掩模高度和宽度对激光器阵列结构热应力的影响。研究结果表明:V型槽高度和SiO2掩模高度对热应力有较大影响,而SiO2掩模宽度对应力影响较小。
论文目录
文章来源
类型: 硕士论文
作者: 尹海鹰
导师: 王俊
关键词: 异变外延,金属有机化学气相沉积,低温成核层,型槽图形衬底,热应力
来源: 北京邮电大学
年度: 2019
分类: 基础科学,信息科技
专业: 物理学,物理学,无线电电子学,无线电电子学
单位: 北京邮电大学
分类号: TN248;TN256
总页数: 71
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标签：异变外延论文; 金属有机化学气相沉积论文; 低温成核层论文; 型槽图形衬底论文; 热应力论文;