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1、上.我们自行研制的我国第一台激光原子力显 微镜,和与中国科学院物理研究所合作研制的 低温扫描隧道显微镜10很好地反映了这一趋势.这些新型显微仪器集精密机械、 电子、 光学、 计算机技术等多学科知识于一体,其性能达到 国际先进水平,并且分别于1992年12月和1993年5月通过中国科学院组织的院级鉴定. 这些新型系列显微仪器的研制成功,不仅从无 到有,代表了我国在这一高技术领域的研究水平,而且为深入开展扫描探针显微学的应用研 究奠定了必要的物质基础.3 展望毫无疑问,扫描探针显微学这一新的微观 分析方法一经与材料科学中的重要内容相结 合,将对材料表面的物理和化学性质的深刻认 识产生积极的推动作用
2、.如何拓展扫描探针显 微技术的研究范围和内容,不失时机地在材料科学、 生物学、 表面科学、 纳米科技等学科的前沿领域抢先取得突破,对于促进我国在这一领 域工作的开展以及取得国际水平的研究结果都 具有非常重要的意义.参考文献 1 G.Binnig , H. Rohrer ,Helv. Phys. Acta. ,55 (1982) ,726. 2 白春礼,扫描隧道显微术及其应用,上海科学技术出版社,(1992) . 3 A. E. Dorothy , Y. Guoliang ,C. S. Holly et al. ,Science,266(1994) ,1562. 4 W. L. Shaiu ,
3、D. D. Larson , J. Vesenka et al. ,Nucl.Acids. Res. ,21(1993) ,99. 5 R.B. Proksch , T. E. Schaffer ,B. M. Moskowitz et al. ,Appl. Phys. Lett. ,66(1995) ,2582. 6 J. Guo ,Y. Xu ,Y.Li et al. ,Chemical Physics Letters ,195(1992) ,625. 7 田芳、 王乃新、 白春礼,材料研究学报,10(1996) ,561. 8 C.Bai , T. Hashizume ,D. - R. J
4、eonJ. Vac. Sci. Tech2nol. A ,11(1993) ,525. 9 P. - C. Zhang ,C. Bai , Y. - M. Huang et al. ,ScanningMicroscopy ,9(1995) ,981.10F. Gao ,C. Dai ,Z. Chen et al. ,J. Vac. Sci. Technol. B ,12(1994) ,1927.3 1998 - 03 - 06收到初稿,1998 - 05 - 06修回- 族半导体激光器的新材料 ZnO量子点3柯 炼 缪熙月 魏彦峰 王 杰 王 迅(复旦大学应用表面物理国家重点实验室,上海 20
5、0433)摘 要 介绍了研制 - 族半导体激光器方面的一个新途径 自组织生长ZnO量子点微晶结构. ZnO已经实现了室温下光泵激发的受激发射.它将是继 - 族硒化物、 - 簇氮化物之后的又一种半导体激光器材料.关键词 量子点,ZnO ,受激发射ZnO QUANTUM DOTSA NOVEL MATERIAL FOR THE FABRICATIONOF-SEMICONDUCTORLASERSKe Lian Miao Xiyue Wei Yanfeng Wang Jie Wang Xun( State Key Laboratory for Surf ace Physics , Fudan Univ
6、ersity , Shanghai 200433)Abstract Self - organized ZnO quantum dots ,a novel material for-semiconductorlasers are discussed. Stimulated emission from ZnO by optical pumping has been realized at room tem203物理perature. This kind of material will be another candidate for semiconductor lasers besides-se
7、2lenides and-nitrides.Key words quantum dots ,ZnO ,stimulated emission近年来,蓝绿激光器成为半导体激光器研 究中的一个热点.早在1991年美国3M公司首先实现了 -族ZnSe基量子阱激光器的77K脉冲工作1,在国际上引起轰动.以后美国的Brown - Purdue大学联合研究组、 荷兰Philips公司和日本Sony公司等先后实现了激光器的室温连续工作,到1996年时,Sony公司 以ZnSe/ ZnCdSe为量子阱,ZnMgSSe为限制层的 - 族蓝绿激光器室温连续工作寿命达到100h ,但是ZnSe基激光器的发展并不像人
8、们原先的预期那样迅速.激光器的工作寿命从1h 提高到100h整整花费了近5年时间,而要进一 步提高,难度很大.其主要原因在于ZnSe是一种离子性强共价性弱的晶体,它很 “软”,极易产 生损伤.在受激发射运行时,容易因温度升高而造成缺陷的大量增殖. ZnSe材料的这种固有缺 点使人们对它作为蓝绿激光器的前景产生了很大的疑虑,特别是1996年以后,随着GaN蓝色 发光二极管和激光二极管的出现,ZnSe材料系列的前景变得更加暗淡.自从GaN激光器实现了室温连续工作后,对ZnSe体系在蓝绿激光器 方面持消极的观点已占了上风.- 族半导体在蓝绿激光器方面的研究 是否已经陷入绝境了呢?除了一些研究组还在继
9、续改进ZnSe的外延材料质量(如采用ZnSe单晶作衬底,减小ZnSe/ GaAs界面的失配位 错)、 提高p型掺杂浓度、 改进电极的欧姆接触外,目前还有两条新的尝试途径.其一是用铍化 物ZnMgBeSe(这在本刊1997年第8期上已作过报道) ,但由于Be有剧毒,使不少人望而生畏,不敢尝试.第二种途径是采用ZnO材料,这 是本文所要介绍的.1 ZnO材料的基本特性宽禁带ZnO半导体为直接带隙,室温带隙为3137eV ,且束缚激子能高达60meV ,是一种 具有很大潜在应用价值的紫外半导体光电器件材料.许多年以前,在低温条件下已经观察到了ZnO体材料中由电子束激发的受激发射,但是 由于受激发射的
10、强度随温度的升高而很快淬 灭,因而ZnO作为光电子材料长期以来一直受到人们的冷落.近年来随着GaN体系火热起 来,ZnO材料又被用来作为GaN外延层与SiC衬底间的缓冲层2.这是因为它具有下面几个基本性质:(1) ZnO与GaN具有相同的纤锌矿 型晶格结构,其a轴晶格常数为01325nm ,与GaN的晶格失配小于2 % ,其c轴晶格常数为01527nm; (2) ZnO的n型 掺 杂 浓 度 可 达1019/ cm3,迁移率为260cm2/ Vs ,具有良好的电学特性;(3)根据电子亲和势和能带偏移的共同阴离子规则,ZnO的导带底比GaN和SiC的 导带底分别低017eV和014eV ,所以用
11、它作为GaN与SiC之间的缓冲层,不会造成阻挡电子运动的势垒,而在通常的GaN/ AlN/ SiC结构中,缓冲层AlN与GaN和SiC的导带偏移分别 为211eV和214eV ,缓冲层AlN成为一个很高的电子势垒; (4) ZnO相对于氮化物半导体来 说,材料比较软,切变模量较小,用其作缓冲层时,可以使晶格失配引起的位错不向GaN有源层延伸.2 ZnO的外延生长由于ZnO体材料中的缺陷较多,只能实现低温条件下的受激发射,因此ZnO体材料用在器件上是不适宜的.为了提高晶体质量和束缚 激子能,就必须应用外延薄膜或低维量子结构.到目前为止,成功地生长出高质量的ZnO都是 采用MBE技术.生长ZnO的
12、衬底都是(0001)的Al2O3.虽然ZnO与Al2O3的晶格失配度达16 % ,但应变释放可导致三维生长出ZnO量子1328卷(1999年) 1期点.MBE生长ZnO过程中一个最大的难题是O2进入生长室.以下简要介绍一下两种生长ZnO的MBE技术.211 加微波的MBE技术 由于氧气分子的结合能高达5116eV ,传统的MBE ,CVD等生长材料的方法都很难使氧 气分子分解为氧原子,并且受系统条件的限制, 很难提高O2的流量,因此制备出的ZnO体材 料的质量不是很高.要想制备出高质量的ZnO 材料,一种最简单的方法是在氧气与Zn反应之前使氧分子分解为氧原子,并且这样还可以 减小O2的流量.日
13、本东北金属材料研究所的 一个小组巧妙地用微波的方法使氧分子离化为 等离子体后再通入生长室,微波源的功率为120W ,气体的流量由一漏阀控制.衬底选用 (0001 )蓝 宝 石,生 长 温 度 保 持 为5005503.212 L - MBE生长技术 另外一种生长技术是用大功率的激光烧蚀 纯度为991999 %的ZnO靶,使ZnO溅射到温 度为500的(0001)蓝宝石衬底上.在生长的 过程中,由于激光的功率很大,靶的局部温度很 高,ZnO的分解是难免的.为了保证晶体的质 量,生长室内要求富氧的气氛.一般可采用通入束压为113310- 4Pa氧气的办法. 以上两种方法外延ZnO在蓝宝石上都是 采
14、用S - K生长模式.高能电子衍射监控整个 生长过程.在外延ZnO的起始阶段,细条纹状 的RHEED图样说明生长模式为二维层状生 长.随着ZnO厚度的增加,外延层中的应变能 积累到一定程度后会通过位错的方式释放出 来,这样就形成了三维生长核.此时,RHEED 图样上会有点分布在细线上,见图13.外延ZnO的2110 ,1110晶向分别平行于Al2O3的1100 ,1210 晶向. ZnO的厚度为55nm 时,从原子力显微镜的图像上可看到由三维生 长而形成的有规律排列的岛状微晶,直径约为50nm ,涨落为10 %.与体材料相比,以上两种方 法降低了杂质和缺陷的浓度,使受激发射在室温条件也能出现.
15、这里需要说明的是,在GaAs衬底上生长InAs时,两者晶格常数相差7 % , 当InAs层厚度约为015nm时,即开始成岛,而ZnO与Al2O3之间失配达16 %时,成岛的临界厚度却为55nm ,这可能是由ZnO的表面能Al2O3衬底的表面能以及两者之间的界面能这3种因素决定的.图1 ZnO外延层的RHEED图样(a)退火处理后(0001)蓝宝石衬底;(b)生长10min;(c)生长20min;(d)生长1h.(生长速率为115nm/ min)3 ZnO量子点的光学特性虽然ZnO的带隙为3137eV ,且在低温下 实现了受激发射,但在室温下从未观察到受激 发射,因此不被人们关注.成功地生长出Z
16、nO量子点后,人们观察到了在室温下激子束缚能 为60meV的光泵受激发射.如此之高的激子束 缚能将大大降低低温下的激射阈值.下面我们 将简要介绍一下ZnO量子点的光泵受激发23物理射4. 激发光源的cwHe - Cd(355nm ,15ps)激光 器.在不同的激发强度下,可以观察到不同的复合过程,如图2所示4.图2 不同激发强度下的受激发射峰图2中自由激子峰A对应低强度激发时 自由激子受激发射峰Eex.在激发强度较高的情 况下,自由激子峰逐渐被一新的低于Eex约为70meV的P2峰所代替,此峰是两激子碰撞过 程中的自发辐射峰,其强度随光泵强度的增加 而线性增加.在两激子碰撞过程中,其中一个激子从另外一激子处吸收能量而跃迁到高能量态Pn,激子从不稳定的高能量态跃回基态时释放出一个光子.Pn= Eex-Eexb(1-1 n2) -3 2kT ,( n =
