Studies on nucleation kinetics of In1−xGaxP/GaAs by Liquid-Phase Epitaxy

Summary Nucleation kinetics during the Liquid-Phase Epitaxial (LPE) growth of In_1−xGa_xP on GaAs substrate have been studied. The behaviour of non-equilibrium solid-liquid interface between In-Ga-P solution and GaAs substrate has been analysed and hence the expression derived for the stress-induced supercooling has been incorporated in the classical heterogeneous nucleation theory. The condition for the growth of good-quality GaInP layer on GaAs substrate has been shown theoretically.     

Epitaxy: the motion picture

The engineering of many modern electronic devices demands control over a crystal down to the thickness of a single layer of atoms—and future demands will be even more challenging. Such control is achieved by the method of crystal growth known as epitaxy, and that makes this method the subject of intense study. More than that, recent advances are revolutionizing our knowledge of how surfaces grow. In fact, growing surfaces show a beautifully rich variety of phenomena, many of which are only now beginning to be uncovered. In the past few years many surface imaging techniques have been used to give us a close look at how crystals grow—while they are growing. The purpose of this article will be to illustrate some of the ways real surfaces grow and change as revealed by some of the latest in situ microscopic imaging technologies.

It is often said that crystal growth is more of an art than a science. Here we will show that it is emphatically both.     

氢化物气相外延生长的GaN膜中的应力分析

对在c面蓝宝石上用氢化物气相外延法(HVPE)生长的六方相纤锌矿结构的GaN膜中的应力进行了分析。高分辨X射线衍射(002)面和(102)面摇摆曲线扫描(半高宽数值分别为317和358角秒)表明生长的GaN膜具有较好的晶体质量。利用高分辨X射线衍射技术准确测量了制备的GaN膜的晶格常数,并计算得到GaN膜中面内双轴应变和面外双轴应变分别为3.37×10-4和-8.52×10-4,等静压应变为-7.61×10-5。拉曼光谱和激光光致发光谱测试表明HVPE-GaN外延膜具有较好的光学特性,利用拉曼光谱的E₂模式特征峰和激光光致发光谱中近带边发射峰的频移定量计算了外延膜中的面内双轴压应力和等静压应力。两种方法得到的面内双轴压应力较为相符。     

ZnO的激光分子束外延法制备及X射线研究

利用激光分子束外延(L-MBE)技术在α-Al2O3(0001)衬底上生长出了沿C轴高度择优取向的ZnO外延薄膜,并采用Philips四晶高分辨X射线衍射仪(Philip′s X′Pert HR-MRD)对ZnO薄膜的表面及结构特性进行了研究.应用小角度X射线分析方法(GIXA)对ZnO薄膜的表面以及ZnO/Al2O3界面状况进行了定量表征.X射线反射率(XRR)曲线出现了清晰的源于良好表面及界面特性的Kiessig干涉振荡峰,通过对其精确拟合求得ZnO薄膜的表面及界面粗糙度分别为0.34 nm和1.12 nm.ZnO薄膜与α-Al2O3(0001)衬底的XRD在面(in-plane) Φ扫描结果表明形成了单一的平行畴(Aligned in-plane Oriented Domains),其在面外延关系为ZnO［1010］ ||Al2O3［1120］.XRD ω-2θ 扫描以及ω 摇摆曲线半峰宽分别为0.12度和1.27度,这一结果表明通过形成平行畴及晶格驰豫过程,ZnO薄膜中的应力得到了有效的释放,但同时也引入了螺位错.     

Molecular Beam Epitaxy of Nonstoichiometric Semiconductors and Multiphase Material Systems

When arsenides are grown by molecular beam epitaxy at low substrate temperatures, as much as 2% excess arsenic can be incorporated into the epilayer. This excess arsenic is in the form of antisites, but there is also a substantial concentration of gallium vacancies. With anneal, there is a significant decrease in the arsenic antisite and gallium vancancy concentrations as the excess arsenic precipitates. With further anneal, the arsenic precipitates coarsen. This combination of low substrate temperature molecular beam epitaxy and a subsequent anneal results in a broad spectrum of materials, from highly defected epilayers to a two-phase system of semimetallic arsenic precipitates in an arsenide semiconductor matrix. These materials exhibit some very interesting and useful electrical and optical properties.     

Development of Oxidation Sources in Preparation of High-Tc Oxide Superconductor Thin Films Using the Molecular Beam Epitaxy Method

Film preparation of oxide superconductors, mainly of the 1-2-3 (RBa₂Cu₃O_x) and Bi-containing (Bi-Sr-Ca-Cu-O) systems, by evaporation of either metals or metal compounds by low pressure is summarized, with a particular focus on the development of oxidation sources essential to the technique. Oxidizing reagents that enable the oxidation of metal evaporates to take place in high (0·1 to 10_?3 Pa) or even ultra-high (<10_?5 Pa) vacuum are summarized using the experiments of those who tried to apply the molecular beam epitaxy method to atomically controlled fabrication of thin films of the material, especially for device processing. The evaporation in various kinds of oxidizing atmosphere, including the simple method of in situ annealing of the metal layers in oxygen to the more advanced in situ preparation of the films with strong oxidizing reagents such as atomic oxygen, ozone, nitric oxide, etc. along with the thermochemistry of the oxidation of metals by low pressure with these reagents is reviewed.     

低偏振高功率1 310 nm超辐射发光二极管的液相外延生长

对新月形超辐射发光二极管的液相外延生长过程进行了机理分析。利用Matlab软件对建立的非平面生长模型进行了理论计算,并利用扫描电镜(SEM)对液相外延生长的形貌进行了分析,通过理论计算与实验分析设计了获得低偏振、高功率超辐射发光二极管的外延结构。利用该结构研制的超辐射发光二极管芯片在100 mA工作电流、25 ℃工作温度下输出功率达到3.6 mW,相应的输出波长为1 306 nm, 光谱半宽为39 nm,光谱波纹为0.17 dB,偏振度为2%。     

GaN外延衬底LiGaO2晶体的生长和缺陷

ＬｉＧａＯ２与ＧａＮ的晶格失配率只有０．２％，是一种很有潜力的蓝光衬底材料。通过多次实验，用提拉法生长了尺寸为１５×６０ｍｍ的高质量ＬｉＧａＯ２单晶。利用化学侵蚀、光学显微镜、透射电子显微镜对晶体中的缺陷进行了分析，研究了生长参数、原料化学配比对晶体质量的影响。ＬｉＧａＯ２晶体在〈１００〉方向生长速率最快，在〈００１〉方向上生长较慢。由于原料按非化学计量比挥发致使组份偏离，容易产生γ－Ｇａ２Ｏ３包裹物。包裹物和位错的形成具有一定的相互促进作用，往往形成平行于（００１）面的亚晶界。通过调整原料配比、生长工艺参数可克服上述问题。     

High Performance AlGaAs Quantum Well Lasers with Low Beam Divergence Grown by Molecular Beam Epitaxy

ＨｉｇｈＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＡｌＧａＡｓＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌＬａｓｅｒｓｗｉｔｈＬｏｗＢｅａｍＤｉｖｅｒｇｅｎｃｅＧｒｏｗｎｂｙＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ￥ＹＡＮＧＧｕｏｗｅｎ；ＸＩＡＯＪｉａｎｗｅｉ；ＸＵＺｕｎｔｕ；ＸＵＪｕｎｙｉ...     

外延单片式激光二极管抽运被动调Q微激光器

基于液相外延工艺,实现了一种结构新颖的单片式被动调Q微片激光器。采用了在激光介质Nd3 ∶YAG表面直接液相外延生长一层具有饱和吸收特性的Cr4 ∶YAG膜的微谐振腔的结构,由于是同质外延生长过程,能够确保饱和吸收体与增益介质间(Nd3 ∶YAG/Cr4 ∶YAG)良好的界面特性。采用光纤耦合激光二极管,在激光二极管输出为1W的抽运条件下,实现了峰值功率近千瓦、稳定重复频率在4kHz以上、脉宽1.8ns、TEM00单横模式、波长1.064μm的调Q脉冲序列输出。在对新型单片式微激光器的性能报道的基础上,阐述了外延单片式结构及其相应工艺的潜在优势。     

InN量子点的液滴外延及物性表征

由于1. 55μm波段广泛应用于通信领域,为了探索不同生长温度对InN量子点的形貌影响,并且实现自组装InN量子点在1. 55μm通信波段的发光,对InN量子点的液滴外延及物性进行了相关研究。首先利用射频等离子体辅助分子束外延(PA-MBE)技术在GaN模板上,采用液滴外延方法在3种温度下生长了InN量子点结构。生长过程中靠反射高能电子衍射(RHEED)对样品进行原位监控。原子力显微镜(AFM)表征结果表明随着生长温度升高,量子点尺寸变大,密度减小。在生长温度350℃和400℃下,观测到了量子点;当温度高于450℃时,未观测到InN量子点。当生长温度为400℃时,量子点形貌最好,密度为6×10~8/cm~2,对400℃下生长的InN量子点进行了变温PL测试,成功得到InN量子点在1. 55μm波段附近的光致发光,并且随着测试温度的升高,量子点的发光峰位发生了先红移后蓝移最后又红移的S型曲线变化,这种量子点有望在未来应用于量子通信领域。     

图形化Silicon-on-Insulator衬底上分子束外延生长可动GaN微光栅的研究

GaN材料作为第三代半导体材料,具有宽禁带、直接带隙、耐腐蚀等优点,是一种非常有前景的MOEMS材料。由于GaN的刻蚀目前尚未成熟,因此图形化外延生长法是一种较好的选择。本文基于SOI(silicon-on-insulator)基片,利用硅的微加工技术和图形化GaN分子束外延生长工艺,设计并加工了工作在太赫兹波段的、可以在二维方向上运动的SOI基GaN光栅。光栅周期为16μm,光栅宽度为6μm,峰值位置为25.901μm。通过仿真优化,设计的微驱动器在水平电压220V时,水平方向上的位移为±7.26μm;垂直方向加200V电压时,垂直位移2.5μm。为了研究在图形化SOI衬底上外延生长的InGaN/GaN量子阱薄膜的光学性能,用激光拉曼光谱仪对薄膜进行了光致发光光谱实验。实验结果表明,InGaN/GaN量子阱薄膜具有良好的发光性能,其发光范围为350~500nm,覆盖了紫外光到黄绿光。由于局域态效应与禁带收缩的作用,随着环境温度由10K升高至室温,薄膜的PL光谱的峰位呈现"S"形变化趋势。     

GaAs 微尖阵列的制备与场发射性能

利用选择液相外延的方法制备GaAs微尖阵列,通过扫描电子显微镜对微尖形貌进行了表征,并对此微尖阵列进行了场发射性能测试。结果表明,选择液相外延法制备的GaAs微尖呈金字塔状,两对面夹角为71°;微尖高度由生长窗口的尺寸决定,对底边为60μm的微尖,其高度约为42μm。此微尖阵列排列规则,具有场发射特性,开启电场约为5.1V/μm。发射电流稳定,当电场由8.0V/μm增加到11.9V/μm,发射电流由6μA增到74μA,在发射时间超过3h的情况下,电流波动不超过3%。另外,GaAs微尖阵列场发射的F-N曲线不为直线,分析表明是表面态和场渗透共同作用的结果。这对GaAs微尖阵列在场发射阴极方面的进一步研究具有重要的意义。     

分子束外延生长的极性与非极性BeZnO薄膜的比较研究

采用分子束外延设备在不同晶面蓝宝石衬底上(c面,a面,r面)生长BeZnO薄膜。使用复合缓冲层生长得到了高质量的BeZnO薄膜,X射线衍射半高宽达到600 arcsec。在c面与a面蓝宝石衬底上生长得到了极性BeZnO薄膜,在r面蓝宝石上生长得到了非极性BeZnO薄膜。共振拉曼光谱测试结果表明薄膜中的Be含量在同一水平。相对于c面与a面蓝宝石上的极性BeZnO薄膜,生长在r面蓝宝石衬底上的非极性BeZnO薄膜具有较大的表面粗糙度以及较大的半高宽,但是其光致发光谱中的紫外发光峰远远强于极性BeZnO薄膜,并且黄绿光发光峰弱于极性BeZnO薄膜。     

分子束外延方法生长p型氧化锌薄膜

用等离子辅助分子束外延 (P MBE)的方法 ,在蓝宝石c 平面上外延生长了p型氧化锌薄膜。在实验中采用高纯金属锌作为Zn源、NO作为O源和掺杂源 ,通过射频等离子体激活进行生长。在生长温度 30 0℃ ,NO气体流量为 1.0sccm ,射频功率为 30 0W的条件下 ,获得了重复性很好的p型ZnO ,且载流子浓度最大可达 1.2× 10 19cm-3 ,迁移率为 0 .0 5 35cm2 ·V-1·s-1,电阻率为 9.5Ω·cm。     

原子氢辅助分子束外延GaAs(331)A表面形貌演化

研究了GaAs高指数面(331)A在原子氢辅助下分子束外延形貌的演化.原子力显微镜测试表明：在常规分子束外延情况下,GaAs外延层台阶的厚度和台面的宽度随衬底温度的升高而增加,增加外延层厚度会导致台阶的密度和台面的宽度增加然后饱和.而在原子氢辅助分子束外延情况下,当GaAs淀积量相同时GaAs外延层台阶的密度增大宽度减小.认为这是由于原子氢的作用导致Ga原子迁移长度的减小.在GaAs(331)A台阶基底上生长出InAs自组织纳米线,用光荧光测试研究了其光学各项异性特征.     

气源分子束外延生长的InPBi薄膜材料中的深能级中心

利用深能级瞬态谱(DLTS)研究了气源分子束外延(GSMBE)生长的InP1-xBix材料中深能级中心的性质。在未有意掺杂的InP中测量到一个多数载流子深能级中心E1,E1的能级位置为Ec-0.38 e V,俘获截面为1.87×10~(-15)cm~2。在未有意掺杂的InP0.9751Bi0.0249中测量到一个少数载流子深能级中心H1,H1的能级位置为Ev+0.31 eV,俘获截面为2.87×10~(-17)cm~2。深中心E1应该起源于本征反位缺陷PIn,深中心H1可能来源于形成的Bi原子对或者更复杂的与Bi相关的团簇。明确这些缺陷的起源对于InPBi材料在器件应用方面具有重要的意义。     

在a-平面蓝宝石衬底上分子束外延生长的ZnO和ZnMgO材料结构和光学性质(英文)

氧化锌材料是新一代宽禁带光电子半导体材料,我们通过等离子体分子束外延设备,在a plane的蓝宝石衬底生长了高质量的氧化锌外延材料。在生长过程中用反射高能电子束衍射仪(RHEED),在位地研究了生长时材料薄膜的表面形貌。通过调节ZnMgO材料镁的组份,生长了禁带宽度可调的宽禁带材料。用紫外-可见透射光谱研究了ZnO,Zn0.89Mg0.11O和Zn0.80Mg0.20O薄膜材料的透射和吸收光谱性质,观察到Zn0.89Mg0.11O,Zn0.80Mg0.20O材料的吸收边的蓝移现象等。以上说明了我们用分子束外延生长 收稿日期:2003 07 22·09·　　第1期StructuralandOpticalCharacterizationofZnOandZnMgOFilmsona-planesapphiresbyMolecularBeamEpitaxy2004年设备成功的生长了高质量的氧化锌和组份渐变的ZnMgO薄膜材料。     

利用P-MBE方法在(400)Si衬底上生长ZnO薄膜

利用等离子体辅助分子束外延(P-MBE)方法在(400)Si衬底上生长ZnO薄膜。为改善生长后样品的质量,把样品解理成三块后,在不同温度下氧气气氛中退火。通过X射线衍射(XRD)谱和光致发光(PL)谱进行表征,讨论了用P-MBE方法在Si基上生长的ZnO的室温光致发光发光峰的可能原因。     

分子束外延生长亚稳态ZnCdSe/MgSe低维量子阱结构及其光学性质

采用分子束外延技术在(001)取向的InP衬底上外延生长了亚稳态的ZnxCd1-xSe/MgSe低维量子阱结构,并通过光致发光和子带吸收方法,分析其能带结构。在单量子阱样品制备过程中,高能电子衍射强度振荡表明MgSe可以实现二维生长模式,衍射图样证明其为亚稳态闪锌矿结构。通过引入厚的ZnxCd1-xSe空间层,抑制了MgSe垒层的相变,并能进一步提高样品的结晶质量,得到高结晶质量的多量子阱结构。通过计算不同阱宽的能带与光致发光实验比较,证明了ZnxCd1-xSe/MgSe的导带带阶为1.2 eV,价带带阶为0.27 eV。为了进一步验证其能带结构,制备了电子掺杂的ZnxCd1-xSe/MgSe的多量子阱,观测到半高宽很窄的中红外吸收。利用发光谱确定的带阶计算了量子阱中子带的吸收波长,和实验结果非常吻合。设计了一种双量子阱结构,计算结果显示,通过利用量子阱中的耦合效应,可以实现1.55μm光通信波段的吸收。