什么是应变层外延？

尽管晶格匹配层的生长对制造可靠的半导体激光器非常重要，但我们也可以使用晶格间存在小程度不匹配的材料来制造出高质量的半导体激光器。这种晶格失配会在外延层上产生应变，从而改变半导体的带状结构。其中晶格失配可容忍应变Δa/a的典型值小于1.5%（其中a是基底的晶格常数，而∆a是衬底和外延层之间的晶格常数差）。应变越大，基底上可生长的无位错层就越薄。超过一定厚度（即临界厚度），就会产生大量位错，材料的发光特性就会变得很差。下面是两种为制造应变层激光器而广泛研究的材料系统：

1. 在InP上生长的InGaAsP有源区；
2. 在GaAs上生长的InGaAs有源区。

前者的发射波长范围为1.2-1.6μm，后者的波长范围为0.85-1.05μm。这两种类型的应变层激光器都有一些优点，我们留在后面的文章再说。另外，InGaAsP半导体合金也可以在InP上进行晶格匹配生长。非晶格匹配层主要通过MOVPE和CBE生长技术生长。可以通过改变其中一种物质的流速来改变层的组成。

在InP上生长的In1−xGaxAs外延层中的In浓度与TMIn流量如下图所示。

对于与InP晶格匹配的层，In含量为53%。数据是通过大气压MOVPE在（100）取向的InP衬底上生长的超晶格样品获得的，该超晶格样品包含由20nm厚的InP势垒分隔的20-50个周期的应变量子阱。根据X射线衍射测量中尖锐而强烈的卫星峰判断，应变层保持了结构的完整性。In1−xGaxAs中TMIn通量与固态In成分之间的线性关系表明，TMIn在生长温度（625℃）下完全分解，并按比例掺入外延In1−xGaxAs层中。

利用MBE和MOVPE生长技术，在GaAs基底上生长出了应变In1−xGaxAs层。当采用MBE生长时，可以使用RHEED（反射高能电子衍射）振荡原位监测生长前沿。下面三个图显示了3种情况下的RHEED振荡：

1. 在GaAs上生长GaAs；
2. 在GaAs上生长In0.3Ga0.7As；
3. 在GaAs上生长In0.5Ga0.5As。

图中的其中”+”和”-“表示添加或移除这些物质。例如：+Ga表示在所示时间打开Ga光束。（a）相当于晶格匹配生长，RHEED振荡显示出平滑的逐层生长。然而，在应变情况下（当In源开启时），生长模式迅速转变为一种表明岛屿形成的模式，即 RHEED 振荡消失。图（c）则表示随着应变的增加（In摩尔分数更高），向岛状生长模式的转变变得更加突然。