Al xGa1－xAs材料低Al組分PL測試技術(shù)的研究

許秀娟，鞏 鋒，折偉林，宋淑芳，周 翠

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

由于GaAs/AlxGa1－xAs材料的應(yīng)用面較廣，它的各種結(jié)構(gòu)可以用來制造半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器、量子阱器件、光探測器、光電陰極等［1－8］。2004 年，Liu等［9］采用優(yōu)化的量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過選擇低Al組分的壘結(jié)構(gòu)研制了基于GaAs/Al0.05Ga0.95As材料體系的太赫茲量子阱探測器［9－10］。太赫茲量子阱探測器在高靈敏度和高分辨率探測尤其是在焦平面陣列制備方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，因此該方面的研究近年來受到了人們的高度重視，得到了快速的發(fā)展。無論是制作電學(xué)器件還是光學(xué)器件，隨著其實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的需要均對器件提出了越來越高的要求，而高質(zhì)量的材料生長則是器件的基礎(chǔ)，也是提高器件性能的關(guān)鍵所在。

AlxGa1－xAs材料是 GaAs/AlxGa1－xAs 異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件的關(guān)鍵材料，其中Al組分是表征AlxGa1－xAs材料性能的關(guān)鍵因素，即決定著器件的探測波長，因此Al組分的有效控制和精確測量是獲得高質(zhì)量材料的關(guān)鍵和難點(diǎn)，同時(shí)對于外延材料均勻性的研究和篩選用于制作器件工藝的合格外延材料來提高器件性能具有重要意義。本文采用了激光顯微光致發(fā)光光譜儀測試了低Al組分AlxGa1－xAs的室溫光致發(fā)光譜，對AlxGa1－xAs材料的Al組分測試技術(shù)和外延材料均勻性表征方面進(jìn)行了深入的研究。

2 光致發(fā)光原理

光致發(fā)光是半導(dǎo)體材料的一種發(fā)光現(xiàn)象，在光照激發(fā)下輻射復(fù)合產(chǎn)生的發(fā)光。它可以靈敏地反映出半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷的能態(tài)變化，被認(rèn)為是研究半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)最為重要的方法，也是檢驗(yàn)和研究外延材料性能和生長均勻性的最為有效的方法。半導(dǎo)體的光致發(fā)光過程蘊(yùn)含著材料結(jié)構(gòu)與組分的豐富信息，是多種復(fù)雜物理過程的綜合反映。

目前Al組分的主要測試手段是X射線雙晶衍射和光致發(fā)光法。X射線雙晶衍射在測試Al組分時(shí)只限于單點(diǎn)的測試，不能進(jìn)行面掃描測試，并且測試時(shí)間長，另外在Al組分較低和AlxGa1－xAs薄膜非常薄的情況下，GaAs的衍射峰會把AlxGa1－xAs的衍射峰覆蓋掉，可能會出現(xiàn)無法計(jì)算的情況;而光致發(fā)光法則不受材料中Al組分高低的限制，既可以進(jìn)行單點(diǎn)測試又可以進(jìn)行面掃描測試并給出直觀的面分布圖，同時(shí)測試速度快、重復(fù)性好。光致發(fā)光法可以直接測出AlxGa1－xAs材料的發(fā)光譜，發(fā)光峰來源于束縛激子的躍遷。從譜上獲得發(fā)光譜的峰值波長，由峰值波長可以間接計(jì)算出Al含量的x值。AlxGa1－xAs材料中隨著Al含量增加，其能帶結(jié)構(gòu)在Al組分x≤0.45左右時(shí)，禁帶寬度也增加。所以從能帶引起的束縛激子躍遷光譜可以直接推算出禁帶寬度及相應(yīng)求出x值。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 AlxGa1－xAs的光致發(fā)光實(shí)驗(yàn)

測試樣品為采用MBE方法在3 in GaAs(100)襯底上生長的AlxGa1－xAs材料，厚度約為1μm。光致發(fā)光測試是在英國RENISHAW公司生產(chǎn)的激光顯微光致發(fā)光光譜儀上進(jìn)行的，激發(fā)波長為單頻氬離子激光的514.5 nm線，物鏡選為×50，激光功率約為1 mW。該系統(tǒng)低溫下測試樣品的尺寸最大到12 mm×15 mm，樣品聚焦、抽真空并降溫耗時(shí)長，無法實(shí)現(xiàn)全自動的面掃描測試，只能實(shí)現(xiàn)樣品上單點(diǎn)的手動測試，樣品安裝和取下比較麻煩，不適合作為常規(guī)檢測工藝;而室溫下測試樣品的尺寸最大到70 mm×100 mm，既可精確定位測試點(diǎn)，又可靈活地設(shè)置測試點(diǎn)步長，并且樣品安裝和取下簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動的面掃描測試，非常適合作為常規(guī)檢測工藝［11］。雖然低溫光致發(fā)光測試 AlxGa1－xAs材料得到的Al組分準(zhǔn)確性比較高，但由于受制于樣品尺寸的限制，無法實(shí)現(xiàn)大尺寸樣品上Al組分面分布信息的表征;而 Asachi［12］研究發(fā)現(xiàn)室溫光致發(fā)光測試AlxGa1－xAs材料Al組分同樣具有高準(zhǔn)確性，因此本文開發(fā)了Al組分室溫光致發(fā)光測試技術(shù)，并使用了該系統(tǒng)逐點(diǎn)自動聚焦功能。這樣測試的優(yōu)點(diǎn)是既可以充分保證樣品上每個(gè)測試點(diǎn)譜線獲取的完好性和精準(zhǔn)性，又可以徹底避免后續(xù)計(jì)算Al組分時(shí)引入的測試誤差。

3.2 Al組分的計(jì)算

國內(nèi)外大量研究發(fā)現(xiàn)，AlxGa1－xAs材料光致發(fā)光譜的峰位即對應(yīng)于該材料帶隙的能量Eg(eV)值。室溫下AlxGa1－xAs材料的禁帶寬度與組分x的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式［12］為:

Eg(x，300K)=1.424+1.247x(eV)(x≤0.45)

通過計(jì)算公式，對AlxGa1－xAs材料光致發(fā)光譜測試中的單點(diǎn)進(jìn)行Al組分計(jì)算非常容易，但對于進(jìn)行1000多點(diǎn)的面掃描測試后Al組分的計(jì)算難度可想而知。為了解決這一難題，本文對某種面掃描模式下的光致發(fā)光譜測試進(jìn)行了研究，結(jié)合測試后得到的譜線，自主開發(fā)了一個(gè)VB應(yīng)用程序，該程序能夠?qū)崿F(xiàn)光譜數(shù)據(jù)處理、光譜峰位的獲取、Al組分計(jì)算和最終結(jié)果的有序輸出。

4 結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證Al組分光致發(fā)光測試技術(shù)的可行性和實(shí)用性，特別設(shè)計(jì)生長了幾片低Al組分的AlxGa1－xAs/GaAs(100)實(shí)驗(yàn)樣品材料，對其進(jìn)行室溫下的光致發(fā)光測試。根據(jù)室溫下AlxGa1－xAs材料帶隙的能量Eg(eV)與Al組分的經(jīng)驗(yàn)公式和自主開發(fā)的VB應(yīng)用程序得到了Al組分結(jié)果及面分布。

4.1 徑向線掃描測試

測試樣品為3 in的低 Al組分的 AlxGa1－xAs/GaAs(100)實(shí)驗(yàn)樣品材料，測試取向?yàn)檠厝我庖粭l半徑方向即從材料中心向邊緣，得到的室溫光致發(fā)光譜線如圖1所示。

圖1 Al xGa1－xAs/GaAs(100)材料的室溫光致發(fā)光譜

從圖1可以清楚地看出，從中心到邊緣光致發(fā)光譜上束縛激子躍遷所形成的發(fā)光峰峰值波長逐漸增大，采用自主開發(fā)的VB應(yīng)用程序計(jì)算得到的相應(yīng)的Al組分結(jié)果如表1所示。測試點(diǎn)1到9是沿中心到邊緣，任意相鄰兩點(diǎn)之間的距離都是4 mm。從表1上觀察到，沿測試點(diǎn)1到9方向上Al組分結(jié)果的變化規(guī)律卻是逐漸減小，其他半徑方向上的變化也是如此。這一結(jié)果反映了室溫顯微光致發(fā)光方法測試低Al組分的AlxGa1－xAs實(shí)驗(yàn)樣品材料可以清楚地表征出Al組分的微小變化，說明該方法測試Al組分技術(shù)是可行的并具有重要的實(shí)用意義，為材料生長工藝參數(shù)的優(yōu)化提供重要依據(jù)。

表1 Al xGa1－xAs材料上各測試點(diǎn)的Al組分

4.2 面掃描測試

測試樣品為3 in的低 Al組分的 AlxGa1－xAs/GaAs(100)實(shí)驗(yàn)樣品材料，對整片進(jìn)行面掃描測試，測試步長為2 mm。激光的聚焦方式采用逐點(diǎn)自動聚焦，測試了面上的1000多點(diǎn)，得到了1000多條譜線，利用自主開發(fā)的VB應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理最終獲得了Al組分的結(jié)果和面分布圖，如圖2所示。

圖2 Al xGa1－xAs/GaAs(100)材料Al組分的二維和三維分布圖

從圖2可以清楚地看出實(shí)驗(yàn)樣品材料上Al組分清晰的二維和三維面分布圖。實(shí)驗(yàn)中還對其他幾個(gè)特別設(shè)計(jì)的 3 in的低 Al組分的 AlxGa1－xAs/GaAs(100)實(shí)驗(yàn)樣品材料也分別進(jìn)行了測試，同樣也得到了非常直觀清晰的Al組分面分布圖。這一結(jié)果表明了室溫顯微光致發(fā)光方法測試低Al組分的AlxGa1－xAs實(shí)驗(yàn)樣品材料的確是可行實(shí)用的，它既能給出Al組分直觀的數(shù)據(jù)和面分布圖，也能表征出MBE方法生長的 AlxGa1－xAs/GaAs(100)材料Al組分分布的均勻性狀況。可為后續(xù)材料生長工藝參數(shù)的改進(jìn)和篩選用于制作器件工藝的高質(zhì)量材料提供可靠的依據(jù)。

5 結(jié)論

本文對分子束外延生長的3 in的低Al組分的AlxGa1－xAs/GaAs(100)實(shí)驗(yàn)樣品材料進(jìn)行室溫光致發(fā)光面掃描測試，研究了這種材料室溫光致發(fā)光測試的特點(diǎn)，根據(jù) AlxGa1－xAs材料帶隙的能量Eg(eV)與Al組分的經(jīng)驗(yàn)公式，自主開發(fā)了能夠進(jìn)行光致發(fā)光譜數(shù)據(jù)處理、光譜峰位的獲取、Al組分計(jì)算和最終結(jié)果有序輸出的VB應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了Al組分結(jié)果的快速獲取并得到了直觀的面分布圖。室溫顯微光致發(fā)光方法測試 AlxGa1－xAs/GaAs(100)材料的低Al組分是可行實(shí)用的，該方法是一種十分有效的非接觸、無損傷的檢測手段，測試速度快、重復(fù)性好，獲得的Al組分及面分布圖可為材料生長工藝參數(shù)的改進(jìn)和MBE方法生長的AlxGa1－xAs材料上Al組分分布均勻性的研究方面提供指導(dǎo)，同時(shí)還為篩選用于制作器件工藝的高質(zhì)量材料提供重要的依據(jù)。

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