Al xGa1－xAs材料低Al組分PL測試技術的研究

許秀娟，鞏 鋒，折偉林，宋淑芳，周 翠

(華北光電技術研究所，北京100015)

1 引言

由于GaAs/AlxGa1－xAs材料的應用面較廣，它的各種結(jié)構可以用來制造半導體異質(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)構設計，通過選擇低Al組分的壘結(jié)構研制了基于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。無論是制作電學器件還是光學器件，隨著其實驗應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，也是提高器件性能的關鍵所在。

AlxGa1－xAs材料是 GaAs/AlxGa1－xAs 異質(zhì)結(jié)構器件的關鍵材料，其中Al組分是表征AlxGa1－xAs材料性能的關鍵因素，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)量材料的關鍵和難點，同時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組分測試技術和外延材料均勻性表征方面進行了深入的研究。

2 光致發(fā)光原理

光致發(fā)光是半導體材料的一種發(fā)光現(xiàn)象，在光照激發(fā)下輻射復合產(chǎn)生的發(fā)光。它可以靈敏地反映出半導體中雜質(zhì)和缺陷的能態(tài)變化，被認為是研究半導體能帶結(jié)構最為重要的方法，也是檢驗和研究外延材料性能和生長均勻性的最為有效的方法。半導體的光致發(fā)光過程蘊含著材料結(jié)構與組分的豐富信息，是多種復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組分時只限于單點的測試，不能進行面掃描測試，并且測試時間長，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，既可以進行單點測試又可以進行面掃描測試并給出直觀的面分布圖，同時測試速度快、重復性好。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)構在Al組分x≤0.45左右時，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求出x值。

3 實驗

3.1 AlxGa1－xAs的光致發(fā)光實驗

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、抽真空并降溫耗時長，無法實現(xiàn)全自動的面掃描測試，只能實現(xiàn)樣品上單點的手動測試，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，又可靈活地設置測試點步長，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組分準確性比較高，但由于受制于樣品尺寸的限制，無法實現(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組分同樣具有高準確性，因此本文開發(fā)了Al組分室溫光致發(fā)光測試技術，并使用了該系統(tǒng)逐點自動聚焦功能。這樣測試的優(yōu)點是既可以充分保證樣品上每個測試點譜線獲取的完好性和精準性，又可以徹底避免后續(xù)計算Al組分時引入的測試誤差。

3.2 Al組分的計算

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)驗計算公式［12］為:

Eg(x，300K)=1.424+1.247x(eV)(x≤0.45)

通過計算公式，對AlxGa1－xAs材料光致發(fā)光譜測試中的單點進行Al組分計算非常容易，但對于進行1000多點的面掃描測試后Al組分的計算難度可想而知。為了解決這一難題，本文對某種面掃描模式下的光致發(fā)光譜測試進行了研究，結(jié)合測試后得到的譜線，自主開發(fā)了一個VB應用程序，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組分計算和最終結(jié)果的有序輸出。

4 結(jié)果與討論

為了驗證Al組分光致發(fā)光測試技術的可行性和實用性，特別設計生長了幾片低Al組分的AlxGa1－xAs/GaAs(100)實驗樣品材料，對其進行室溫下的光致發(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)驗公式和自主開發(fā)的VB應用程序得到了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)實驗樣品材料，測試取向為沿任意一條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應用程序計算得到的相應的Al組分結(jié)果如表1所示。測試點1到9是沿中心到邊緣，任意相鄰兩點之間的距離都是4 mm。從表1上觀察到，沿測試點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實驗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組分技術是可行的并具有重要的實用意義，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)實驗樣品材料，對整片進行面掃描測試，測試步長為2 mm。激光的聚焦方式采用逐點自動聚焦，測試了面上的1000多點，得到了1000多條譜線，利用自主開發(fā)的VB應用程序進行數(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可以清楚地看出實驗樣品材料上Al組分清晰的二維和三維面分布圖。實驗中還對其他幾個特別設計的 3 in的低 Al組分的 AlxGa1－xAs/GaAs(100)實驗樣品材料也分別進行了測試，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實驗樣品材料的確是可行實用的，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)實驗樣品材料進行室溫光致發(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，根據(jù) AlxGa1－xAs材料帶隙的能量Eg(eV)與Al組分的經(jīng)驗公式，自主開發(fā)了能夠進行光致發(fā)光譜數(shù)據(jù)處理、光譜峰位的獲取、Al組分計算和最終結(jié)果有序輸出的VB應用程序，實現(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，同時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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