单片集成通信光电子器件中异质兼容问题的理论与实验研究

论文摘要

本论文研究工作是围绕任晓敏教授为首席科学家的国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”（项目编号：2003CB 314900）中课题一“单片集成光电子器件的异质兼容理论与重要结构工艺创新”（项目编号：2003CB314901）、任晓敏教授承担的国家自然科学基金“光信息功能材料”重大研究计划重点项目“GaAs、InP基功能楔形结构材料工艺研究及在新型光电子器件中应用”（项目编号：90201035）展开的。 新一代光纤通信系统的发展必然要以新型通信光电子集成器件作为支撑。而通信光电子集成器件研究所面临的最突出问题是半导体材料兼容、结构兼容和工艺兼容，其中如何实现半导体材料异质兼容最为重要。本论文围绕着光电子集成中的大失配异质兼容（异材料系兼容）问题开展了大量研究工作，并已取得以下主要研究成果： 1．采用基于密度泛函理论（DFT）的平面波赝势计算程序CASTEP，在周期边界条件下的k空间中，系统地对BP、BAs、BSb的晶格常数，体变模量，能带结构进行了计算机模拟。充分考虑了DFT对能带带隙低估的这一缺点，对它们的能带带隙进行了修正。研究结果表明：它们都为间接带隙材料，能带结构表现了不同于其他大多数Ⅲ-Ⅴ材料的能带结构，在Γ点导带底带有反键p态特征，与Si材料分享这一相同特征。 2．计算了BInAs、BGaAs等十一种三元系材料Γ点的bowing参数。发现含硼的三元系化合物半导体材料的bowing参数很大，最小的为BInAs的3.5eV，最大的为BPSb的10.83eV，较大的bowing参数为能带的裁剪提供了先决条件，也为预测四元系化合物材料Γ点能带带隙铺平了道路。 3．形成了新型材料系预测理论的初步框架，理论预测了BInAlAs／GaAs、BInGaAs／GaAs、BGaAsSb／GaAs和BGaPSb／Si四种材料

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 大失配异质外延的技术现状
• 1.2.1 缓冲层技术
• 1.2.2 柔性衬底技术
• 1.2.3 横向外延技术
• 1.3 论文的结构安排
• 第二章 新材料的理论预测
• 2.1 新型材料系理论预测的意义
• 2.2 总能量赝势计算原理
• 2.2.1 引言
• 2.2.2 Born-Oppenheimer近似
• 2.2.3 Hohenberg-Kohn定理
• 2.2.4 Kohn-Sham方法
• 2.2.5 交换相关能泛函
• 2.2.6 Kohn-Sham方程平面波表达
• 2.2.7 电子与离子相互作用赝势近似
• 2.3 CASTEP仿真软件简介
• 2.4 计算方法和计算过程
• 2.4.1 计算方法的选择
• 2.4.2 计算过程
• 2.5 计算结果及分析
• 2.5.1 闪锌矿结构BP,BAs,BSb的结构与电子属性
• 2.5.2 三元系材料的理论预测
• 2.5.3 含硼砷化物的四元系材料
• 2.5.4 含硼锑化物的四元系材料
• 2.6 本章小结
• 第三章 MOCVD生长室热场和流场的模拟与分析
• 3.1 基本的反应和设备
• 3.2 生长机制
• 3.3 垂直式反应室热场与流场的模拟与分析
• 3.3.1 垂直式反应室的优点
• 3.3.2 MOCVD生长室的模拟过程
• 3.3.3 结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 超薄低温柔性衬底的研究
• 4.1 超薄低温缓冲层法InP／GaAs异质外延
• 4.1.1 实验与外延生长
• 4.1.2 实验结果与讨论
• 4.1.3 退火的影响
• 4.2 本章小结
• 第五章 横向外延生长技术的初步探索
• 5.1 InP衬底的外延生长
• 5.2 掩模层的生长和刻蚀
• 5.3 横向外延生长工艺的优化
• 5.3.1 掩模晶向对横向外延的影响
• 5.3.2 Ⅴ／Ⅲ比对于横向外延的影响
• 5.3.3 窗口大小与掩模大小对横向外延的影响
• 5.3.4 温度对于横向外延的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与未来的工作
• 6.1 总结
• 6.2 未来的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文