核心概念
透過高解析度掃描穿透式電子顯微鏡和低損耗電子能量損失譜的空間解析分析,揭示變質雷射中 InxGa1-xAs 多量子阱的局部能隙、銦濃度和應變分佈之間的複雜關係,發現這些因素的局部不均勻性可能會顯著影響雷射效能。
研究背景
變質雷射結構中多量子阱 (MQW) 的整合,為電信等領域的半導體元件設計和製造帶來了顯著進步。然而,這些效能提升通常假設量子阱之間具有一定程度的均勻性,而這種均勻性會受到化學成分和應變等因素的影響。本研究旨在探討變質雷射中多個 InxGa1-xAs 量子阱的局部能隙 (Eg)、銦濃度和應變分佈之間的關係。
研究方法
本研究採用高解析度掃描穿透式電子顯微鏡 (STEM) 和低損耗電子能量損失譜 (EELS) 技術,對變質雷射結構中三個堆疊的 In0.40Ga0.60As 量子阱進行分析。利用能量散射 X 射線光譜儀 (EDX) 繪製銦原子分數圖,並使用幾何相位分析 (GPA) 繪製應變分佈圖。此外,還進行了密度泛函理論 (DFT) 模擬,以進一步探討應變和成分對能隙的影響。
研究結果
EDX 分析顯示,量子阱中的銦濃度分佈不均勻,在界面附近觀察到顯著的化學梯度。
GPA 分析證實,量子阱處於壓縮應變狀態,而 GaAs CIL 層則處於拉伸應變狀態。應變分佈與銦濃度分佈密切相關,在量子阱中心達到最大值,在界面附近減小。
低損耗 EELS 測量結果顯示,各個量子阱的能隙值在 0.89 eV 至 0.92 eV 之間,與光致發光 (PL) 測量結果一致,但在各個量子阱內部存在細微但顯著的差異。
DFT 模擬表明,銦濃度在決定局部能隙方面起著主導作用,而應變的影響則較小,尤其是在低應變條件下。
研究結論
本研究結果表明,在製造過程中,納米尺度上對成分和應變的控制對於優化變質雷射的光學和電子特性至關重要。觀察到的不均勻性可能會對元件效能產生顯著影響,尤其是在調整發射波長和提高效率方面。未來的研究應側重於改進模擬模型,以更好地解釋界面缺陷,並探索在生長過程中最大程度減少成分和應變局部變化的方。
統計資料
所有量子阱的測量厚度約為 8.6 奈米。
底部、中間和頂部量子阱的平均銦濃度分別為 19.9±4.2 at.%、21.0±4.1 at.% 和 19.7±4.4 at.%。
頂部量子阱中心的應變值高達 4%。
量子阱的平均能隙值:頂部量子阱為 0.900±0.017eV,中間量子阱為 0.923±0.015eV,底部量子阱為 0.883±0.021eV。