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砷化镓广延缺陷周围载流子的扩散与复合毕业论文

 2020-02-17 10:02  

摘 要

本文通过光致发光和拉曼散射实验得到GaAs广延缺陷区域的载流子的有效扩散长度和载流子的浓度,分析广延缺陷周围载流子的扩散与复合,探讨广延缺陷区域内载流子的输运特性,对于GaAs器件的设计及其失效分析具有一定的理论指导意义。

利用低分辨率大视场光致发光实时光谱成像快速检测GaInP/GaAs/GaInP双异质结样品中GaAs层的广延缺陷,然后对广延缺陷区域进行激光扫描空间分辨光致发光光谱成像,从而得到GaAs广延缺陷区域光致发光强度的空间分布,基于一维载流子扩散模型,通过数值拟合得到载流子的有效扩散长度。另外,测试了GaInP/GaAs/GaInP双异质结样品的拉曼光谱,基于等离子体-纵向光学声子耦合模的拉曼峰计算出光生载流子浓度的空间分布,并结合光致发光强度的空间分布分析了广延缺陷周围载流子的复合。

本文的特色之处是将光致发光和拉曼散射实验相结合,分析广延缺陷周围载流子的复合以及光生载流子浓度的测定。

关键词:砷化镓;广延缺陷;光致发光;拉曼散射

Abstract

In this paper, the effective diffusion length of carriers and carrier density of GaAs extended defect are obtained by PL and Raman scattering experiments. The carrier diffusion and recombination around the extended defect are analyzed, and the carrier transport characteristics in the extended defect region are discussed. It has certain theoretical guiding significance for the design and failure analysis of GaAs devices.

The extended defects of GaAs layer in a sample with GaInP/GaAs/GaInP double heterostructures were rapidly detected by low-resolution and large-field-of-view PL real-time spectroscopy imaging. Laser scanning spatial-resolution PL imaging was performed on the extended defect region. The spatial distribution of PL intensity in the extended defect region of GaAs was obtained. Based on one-dimensional carrier diffusion model, the effective diffusion length of carriers were obtained by numerical fitting. In addition, the Raman spectra of GaInP/GaAs/GaInP double heterojunction samples were measured. The spatial distribution of photo-generated carrier density was calculated based on the Raman peaks of LO phonon-plasmon, and the carrier recombination around the extended defects was analyzed by combining the spatial distribution of PL intensity.

The characteristics of this paper are the combination of PL and Raman scattering experiments to analyze the recombination of carriers around the extended defects and the determination of the intensity of photo-generated carriers.

Key words: GaAs; Extended defects; Photoluminescence; Raman scattering

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景、目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文研究内容及章节安排 3

第2章 光致发光和拉曼散射 4

2.1 光致发光 4

2.2 拉曼散射 4

2.3 LO声子-等离子体耦合模的拉曼散射 5

第3章 GaAs的光致发光和拉曼散射实验 7

3.1 实验仪器和实验样品 7

3.2 GaAs广延缺陷的光致发光 8

3.2.1 GaAs广延缺陷的检测 8

3.2.2 GaAs广延缺陷的光致发光光谱成像 10

3.3 GaAs广延缺陷的拉曼散射 13

3.4 本章小结 15

第4章 实验结果分析 16

4.1 载流子的有效扩散长度 16

4.2 光生载流子浓度 21

第5章 总结 25

参考文献 26

致 谢 27

第1章 绪论

选题背景、目的及意义

近年来,无论是国内还是国外,半导体材料产业都呈现出很好的发展趋势,全球半导体的市场正在逐步恢复,在国内,由于集成电路方面的持续快速发展,国内半导体材料的发展势头越来越猛[1],而通信行业及其他各个行业的兴起,使半导体材料的应用变得越来越广泛,半导体材料及用半导体材料所制成的器件是当代各个领域均有所涉及的内容,其发展促进了时代的兴起,理应得到国家和各个学者的重视,所以全球的各个相关学者都在对半导体材料的相关特性做进一步的研究,以促进半导体行业的发展。

在半导体材料的发展过程中,从以前到现在共经历了三代半导体材料,人们首先用于制作半导体材料的一般是指硅(Si)、锗(Ge)等半导体元素,将这些元素的单晶体用于制作太阳能电池等器件;之后便发展了砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等化合物半导体材料,这些材料是在第一代材料的基础上发展起来的,所以较第一代半导体材料会有很多优点,根据其相关特性可用于制作发光电子器件等;目前所研究的第三代材料主要是指禁带较宽的半导体材料,即的材料,比如碳化硅(SiC)等。当今时代不断在发展,我们已经从之前的微电子时代慢慢的发展到了光电子时代,而最终目标就是发展到光子时代[2,3],目前,第一代半导体材料的研究已经十分成熟,在时代的进一步发展过程中,对第二代和第三代半导体材料做进一步的研究显得非常重要。

砷化镓作为第二代半导体材料中被人们经常用到的材料之一,是一种基本的化合物半导体材料,是拥有多种优点的半导体材料,首先砷化镓的电子特性比硅要好,所以用该材料所制作的器件一般可以用于高功率的场合,其次砷化镓具有高电子迁移率的直接带隙,是直接跃迁型的材料,可以用来发光,正是因为砷化镓的这些特性,才使得砷化镓广泛用于制作各种类型的电子器件和光电器件,比如用于制作半导体发光二极管可见光激光器等。利用砷化镓所制成的半导体器件具有频率高、速度快等多种优点[4]。砷化镓又分为半绝缘砷化镓材料和半导体砷化镓材料。

晶体材料的结构大多具有周期性,但这种周期性排布并不是完全完美的,其中仍然会有一些不完美的规律,而这种不完美的结构为晶体缺陷。在理想状态下,砷化镓具有完美的闪锌矿型晶体结构,它的布里渊区与金刚石结构的布里渊区相同,但是能带结构并不相同,实际上晶体中存在着各种微量杂质和各种缺陷,比如点缺陷、位错等,这些杂质与缺陷从不同程度上破坏了晶体内部结构的完整性[5-7],进一步影响了材料的物理性质,最终影响了利用该材料所制成的器件的性能,比如砷化镓中的位错就可能导致发光器件发光不均匀,寿命短等问题,点缺陷的存在影响着材料的量子自旋[8]等。单个缺陷的存在是因为在具有周期性结构的晶体中,包含着缺失或替位的单个的原子,然后形成的一个局部区域。

晶格中的广延缺陷是对结构完整性的永远偏离,即对实际晶体原子的正确部位的永久性偏离[9,10],晶格中的广延缺陷会在禁带中引入缺陷能级,这些局域态在光激发或电注入的条件下就会俘获载流子,同时给它们提供耗散的途径,这样导致了两个问题的出现,一个问题是导致了非辐射复合的加强,使载流子的浓度和寿命均减小,另一个问题是漏电流增加从而使器件的噪声加大[11]。因此对于用砷化镓材料制作的器件而言,检测其广延缺陷(如位错)并研究缺陷对材料特性的影响与缺陷内载流子的扩散和复合显得十分重要,这直接关系到制作的器件的各种性能的好坏。

本次研究主要内容就是通过实验分析GaAs广延缺陷周围载流子的扩散与复合,这样便可以得知广延缺陷对材料特性的影响,对于GaAs器件的设计及其失效分析具有一定的理论指导意义。

国内外研究现状

目前,砷化镓是化合物半导体材料之中应用最广泛且最成熟的材料之一,砷化镓同单晶硅比较,有着很多的优点,砷化镓衬底一直在朝着大尺寸、高精度和高质量发展,砷化镓也朝着大直径,大尺寸,低成本的趋势发展[4]。目前,国内外主要基于两个方面对广延缺陷进行研究,一方面是通过对晶体的广延缺陷定位,测量广延缺陷及其周围的载流子浓度,另一方面则是通过研究缺陷和载流子扩散长度等之间的关系,来分析材料缺陷对器件性能的影响[12],以此来进一步的优化器件的性能。

国内外的很多学者发现了多种检测广延缺陷的相关技术,比如有利用蚀刻、修饰或应力双折射的方法来检测广延缺陷,也可以利用电子显微镜技术来检测材料的广延缺陷,但目前应用最为广泛的方法是利用激光扫描显微技术来检测广延缺陷[12],比如利用光致发光(PL)、电致发光(EL)、拉曼散射等技术手段来研究各种半导体材料的特性,研究半导体缺陷的重要手段包括有光致发光(PL)、电致发光(EL)等,在研究半导体材料广延缺陷及其周围载流子的扩散与复合时一般用的是共焦光致发光显微技术,载流子复合位置的不同将导致光致发光强度的不同,所以可以利用不同位置光信号强度的不同来研究广延缺陷(如位错)周围载流子的扩散及复合,而光致发光的强度分布与少数载流子扩散长度成一一对应关系,所以也可以利用光信号强度分布测定半导体材料中载流子的扩散长度。人们也常常采用拉曼散射光谱技术来研究GaAs晶体中的相关特性,晶体的缺陷态密度在拉曼光谱上体现为GaAs声子模式的谱线展宽。原理是因为拉曼光谱可以在特定的散射条件下体现特定的振动模式,我们称之为拉曼选择。

国外的日本住友电工公司、德国的费里伯格公司和美国的AXT公司掌握着小尺寸4英寸、6英寸的半绝缘砷化镓抛光片的生产技术且销售量很好,因为各方面条件的限制,国内的水平与国外相比较还有一定的差距,特别是6英寸的产品[4],但由于通信行业的兴起,国内的研究和发展技术正在逐步趋于成熟。

本文研究内容及章节安排

本文主要是将光致发光和拉曼散射实验相结合,分析广延缺陷周围载流子的复合以及光生载流子浓度的测定,具体包括利用低分辨率大视场光致发光实时光谱成像对GaInP/GaAs/GaInP双异质结样品中GaAs层的广延缺陷进行快速检测,实现广延缺陷的精准定位,然后对广延缺陷区域进行激光扫描空间分辨光致发光光谱成像,就可以得到GaAs广延缺陷区域光致发光强度的空间分布,再利用一维载流子的扩散模型,通过数值拟合可得到载流子的有效扩散长度。另外,对GaInP/GaAs/GaInP双异质结样品的拉曼光谱进行了测量,基于等离子体-纵向光学声子耦合模的峰值可计算出光生载流子浓度的空间分布,并结合光致发光强度的空间分布分析了广延缺陷周围载流子的复合。本文一共有五个章节,具体的章节内容安排如下所示:

  1. 绪论部分,主要介绍了此次选题的相关背景、目的及意义,概括了砷化镓半导体材料的目前国内外的研究状况并介绍了研究的基本内容、方案及章节安排。
  2. 主要阐述整个研究过程中所用到的光致发光、拉曼散射和LO声子-等离子体耦合模的拉曼散射的相关原理知识,有助于后续的实验及数据处理。
  3. 介绍实验设备和样品,对样品进行光致发光和拉曼散射实验,其中光致发光又包括广延缺陷的检测和光谱成像,简要分析通过实验直接观测到的一些基本现象,为后续的结果分析奠定基础。
  4. 对第3章得到的一些数据进行处理,根据理论知识得到缺陷区域的载流子的有效扩散长度以及载流子浓度,并对数据结果进行分析。
  5. 对本次研究的实验结果进行总结。

第2章 光致发光和拉曼散射

光致发光

物质在吸收紫外和可见电磁辐射时,物质中的分子通过吸收光子能量发生受激辐射,受激辐射产生具有一定能量的光子,发光材料将发射出对应的特征光,通过受激辐射所产生的光的波长与分子所吸收的光的波长不一样,所以是两种不同的光,吸收能量放出光子的过程就是光致发光。在三能级的结构中,受激辐射就是指物质原子处于上能级,然后受到辐射场的作用,跃迁到低能态释放出一定能量的光子。光致发光的发光过程只要分为激发和发射,物质的原子吸收激发能才可以产生激发,材料产生激发后返回基态同时发射光子才可以产生发光现象。表征发光材料发光性能的一个指标是吸收光谱,由于材料吸收的光并不能都引起发光,只有载流子复合时产生光子的时候才能发光,但有时候的复合可能只会产生声子,并不会发射出光子,也有既产生声子也产生光子的情况出现,所以除了吸收光谱,也可以用激发光谱来对它进行一定的描述,激发光的波长发生变化时,发光强度也会发生相应的变化,即某一发射光能够被波长为多少的光激发[13-15]

在利用单色光照射半导体材料的时候,会产生光生非平衡载流子的复合,载流子的复合分为辐射复合和非辐射复合两种形式,它们之间的区别在于复合时释放能量的方式不同。辐射复合是指电子和空穴复合时释放一定的能量,能量以光子的形式放出,而非辐射复合是指能量以其他方式释放。所以在电子和空穴发生辐射复合时就会伴随有光致发光的现象出现。

载流子的复合中产生光子的方式有多种,比如有自由载流子复合、自由激子复合、束缚激子复合[11]等等,因为载流子的复合方式的多种多样,所以半导体材料的光致发光过程包含着很多的相关信息,复合方式不同体现了材料的结构等特性也不相同,所以可以根据半导体材料的光致发光光谱来得到半导体材料的相关信息。比如利用光谱中谱线的位置来区分材料中的杂质等。

拉曼散射

激光入射在样品上,入射光与分子运动相互作用就会产生散射光,而散射又可分为瑞利散射和拉曼散射,其中瑞利散射是弹性散射,散射光的频率与入射光的频率相同,即频率不发生改变,但方向可以发生改变,而拉曼散射是一种非弹性散射过程[16],散射光的频率与入射光的频率并不相同,在分子与光子作用的过程中发生了能量转移,而这个能量差值可以用公式表达为[12]

(2.1)

其中 表示能量差,分别为半导体材料在光照射前后的能量状态, 表示的是入射光和散射光的能量。特别的,当 的值为0的时候,对应于弹性散射,即入射光的能量与散射光相同。

拉曼光谱与光致发光光谱不同,拉曼频移即频率的改变量用波数来表示,单位,表示拉曼散射中的能量转移,可以用以下公式表示:

(2.2)

式中为能量差,表示吸收能量,表示释放能量,h为普朗克常量,,拉曼散射又可分为斯托克斯散射和反斯托克斯散射,时,物质吸收能量,则产生斯托克斯散射,散射光的频率较低,产生红移。时,物质释放能量,则产生反斯托克斯散射,散射光的频率较高,发生蓝移。

拉曼散射又可分为共振拉曼散射和表面增强拉曼散射,共振拉曼散射指的是某化合物被入射光照射激发时,若入射光的频率在该化合物的电子吸收谱带范围以内,则电子跃迁会与分子振动会发生耦合,从而导致的拉曼谱线强度的突然增加。表面增强拉曼散射指的是当一些粗糙的金属表面吸附有一些分子时,它们的拉曼谱线强度会增强的情况[10]

根据拉曼散射的原理,我们知道利用拉曼散射可以研究分析出分子振动的频率,这是因为当利用光照射材料时,材料产生激发,其内部存在着不同的振动模式,在一些合适的条件下,可以通过拉曼光谱分析出来,从而得出晶体或者分子的结构特征,进一步得出材料的一些结构性能,这也叫拉曼选择。

LO声子-等离子体耦合模的拉曼散射

广延缺陷会俘获激发产生的载流子,光生载流子又会产生非辐射复合,使载流子的浓度降低,从而使光致发光的发光强度降低,所以在检测砷化镓的广延缺陷时,检测图像中的黑点区域便是广延缺陷的区域[17]

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