半導(dǎo)體氮化物AlInN的光學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、凝聚態(tài)光譜是研究半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要手段，本文通過透射光譜、反射光譜、發(fā)光光譜和拉曼光譜等光譜研究方式，對(duì)纖鋅礦結(jié)構(gòu)的Ⅲ族化合物AlxIn1-xN薄膜的電子及其躍遷過程、聲子及其相互作用等基本物理性質(zhì)和物理參數(shù)進(jìn)行了探索和分析。
　　當(dāng)前，半導(dǎo)體材料已經(jīng)在信息技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，以Ⅲ族氮化物為代表的新型半導(dǎo)體材料顯示出巨大的優(yōu)越性，在藍(lán)光發(fā)光二極管、激光器、紫外探測(cè)器、高速/高頻器件及第三代太陽能電池等方面顯示了廣

2、闊的應(yīng)用前景。但由于較低的分解溫度以及需要相當(dāng)高的氮平衡汽壓，生長覆蓋全部組分的高質(zhì)量的AlxIn1-xN薄膜（特別是高In含量）相當(dāng)困難，有關(guān)AlxIn1-xN薄膜性質(zhì)的研究還處于起步或摸索階段，一些基本物理性質(zhì)和參數(shù)還沒有完全達(dá)成一致。因此在目前階段，非常有必要對(duì)其物理性質(zhì)，包括對(duì)其電子行為和聲子行為等材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物性進(jìn)行全面而準(zhǔn)確地研究。
　　論文中，我們首先通過變溫透射和發(fā)光光譜，對(duì)分別用磁控濺射方法（RF）和金屬有機(jī)物

3、化學(xué)氣相沉積方法(MOCVD)生長的兩種InN薄膜樣品，進(jìn)行了帶間躍遷特性研究。借助四層薄膜透射模型，得到InN的眾多變溫光學(xué)特性，如吸收系數(shù)、能帶帶隙、烏爾巴赫(Urbach)帶尾參數(shù)、折射率、消光系數(shù)和電子濃度等。我們用一套經(jīng)驗(yàn)公式來描述InN薄膜，在本征吸收區(qū)和Urbach吸收區(qū)的吸收系數(shù)（與溫度和波長有關(guān)）。研究表明，各種方法生長的InN薄膜質(zhì)量不同，影響著其基本物理特性，如帶隙值還一直處于爭(zhēng)論之中。X射線衍射(XRD)半峰寬和

4、電子濃度數(shù)值表明，兩種樣品中MOCVD生長的InN薄膜質(zhì)量相對(duì)較好。我們從透射光譜和發(fā)光光譜得到了這塊樣品的帶隙值均為1.4eV左右，但由于缺陷濃度較高(～1.4×1018 cm-3)，考慮了Burstein-Moss移動(dòng)、能帶重整化效應(yīng)及Urbach帶尾效應(yīng)，修正后兩種光譜法得到的帶隙值均在1.2eV附近，與最新文獻(xiàn)上相關(guān)的報(bào)導(dǎo)十分吻合。我們用基于態(tài)密度和載流子—聲子相互作用的帶尾態(tài)理論（包括結(jié)構(gòu)無序、載流子雜質(zhì)相互作用、載流子聲子相

5、互作用）很好地解釋了InN薄膜中的Urbach帶尾現(xiàn)象。InN薄膜中的帶尾值在90～120 meV，其中結(jié)構(gòu)無序起主要作用(～90 meV)，這與很強(qiáng)的非輻射復(fù)合中心存在有關(guān)?；诳死埂死漳嵯＃↘ramers—Kroning）模型，我們揭示了與溫度和波長有關(guān)的折射率變化情況，發(fā)現(xiàn)，帶隙附近折射率有個(gè)最大值，帶隙以下折射率能用Sellmeier經(jīng)驗(yàn)公式來描述。
　　接著，我們通過用紫外同步輻射法測(cè)得的變溫反射光譜，研究用MOC

6、VD方法生長的AlN薄膜帶間躍遷特性。借助四層薄膜反射模型，同研究InN薄膜一樣，我們得到了AlN薄膜的眾多變溫光學(xué)特性，如吸收系數(shù)、能帶帶隙、Urbach參數(shù)、折射率等，并用相同理論和類似公式描述和揭示了這些性質(zhì)。由于AlN帶隙相對(duì)較大，激發(fā)光源難匹配，造成光譜研究方法較難實(shí)現(xiàn);因此，這也是有研究小組，對(duì)不同溫度下(23-300K)的AlN薄膜帶隙附近的物理特性做系統(tǒng)研究。與InN薄膜相比，AlN薄膜帶隙值隨溫度變化更加明顯，AlN薄

7、膜的Urbach帶尾值變小(60～90 meV)，AlN薄膜的缺陷濃度也相對(duì)減小(～1.3×1017cm-3)。
　　研究二元InN和AlN薄膜的基礎(chǔ)上，我們通過變溫透射光譜，研究了用RF方法生長的不同組分的AlxIn1-xN(0≤x≤1)薄膜的帶間躍遷特性，也得到了系列光學(xué)性質(zhì)，如吸收系數(shù)、能帶帶隙、Urbach參數(shù)、折射率等，并與研究InN薄膜一樣對(duì)這些性質(zhì)進(jìn)行了總結(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨著Al組分的增加AlxIn1-xN薄膜的帶

8、隙值出現(xiàn)有規(guī)律的變大，這種變化同用經(jīng)典贗勢(shì)法(EPM)得到的理論結(jié)果一致;隨著Al組分的增加AlInN薄膜的帶隙隨溫度變化的激烈程度加強(qiáng);AlxIn1-xN薄膜中存在較強(qiáng)的Stokes現(xiàn)象，隨著Al組分(0≤x≤0.25)的增加數(shù)值變大(最大～380 meV)。我們還發(fā)現(xiàn)，隨著Al組分增加，Urbach帶尾值急劇增加，臨變點(diǎn)在x=0.8附近（峰值～380 meV），然后又趨于減小至AlN的數(shù)值，這種變化跟AlxIn1-xN薄膜的XRD半

9、峰寬的變化趨勢(shì)一致，這可能是由于Al組分增加而造成的晶格無序。
　　最后，我們通過變溫顯微拉曼光譜，對(duì)用RF生長的不同組分的AlxIn1-xN(0≤x≤0.53)薄膜的聲子特性進(jìn)行了研究。運(yùn)用詳細(xì)的模型（考慮了晶格熱膨脹、殘余應(yīng)力和多聲子耦合的非諧效應(yīng)），闡釋了AlxIn1-xN薄膜的光學(xué)(Longitudinal Optical，LO)聲子和拉曼激活的非極性模高頻支E2(high)聲子的變溫特性。我們發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的增加(83-

10、473K)，AlxIn1-xN薄膜的聲子頻率紅移和峰寬展寬主要是由非諧效應(yīng)造成的。InN薄膜中有A1(LO)和E2(high)兩個(gè)聲子模，A1(LO)聲子比E2(high)聲子有更多的馳豫通道，在A1(LO)聲子馳豫過程中四聲子過程于三聲子過程相當(dāng)，而在E2(high)聲子馳豫過程中只有四聲子過程。AlxIn1-xN薄膜(x≠0)中有A1(LO)、A2(LO)和E2(high)三個(gè)聲子模，A2(LO)聲子模和A1(LO)聲子模性質(zhì)相近，

11、E2(high)聲子比A1(LO)聲子有更多的馳豫通道。隨著Al組分的增加，三聲子過程對(duì)AlInN薄膜的A1(LO)、A2(LO)和E2(high)模非諧效應(yīng)作用增大，雖然對(duì)聲子馳豫來說四聲子過程也是很重要的。
　　本論文緊緊結(jié)合了凝聚態(tài)光譜的研究方法和新型半導(dǎo)體材料的物理特性這兩點(diǎn)，一方面詳細(xì)地闡述了如何將現(xiàn)代凝聚態(tài)光譜應(yīng)用到材料的研究中去，另一方面也分析了所得到的半導(dǎo)體材料物理特性，這些基本的性質(zhì)對(duì)今后人們的研究提供了很好的參