專利名稱:探測半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)高階臨界點(diǎn)的新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)參數(shù)的測試方法和半導(dǎo)體光譜技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是半絕緣的等電子摻雜半導(dǎo)體高階臨界點(diǎn)的光譜測試方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定，是半導(dǎo)體材料研究的一個重要研究方向，它對于研究半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)和半導(dǎo)體材料在半導(dǎo)體器件方面的應(yīng)用有重要意義。半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)上的一些臨界點(diǎn)對半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的確定非常重要，比如禁帶寬度E0以及能量更高的一些高價臨界點(diǎn)E1和E2等。
近幾十年來，人們發(fā)表了各種調(diào)制光譜方法。調(diào)制反射光譜在吸收邊以上的光譜測量中有重要作用，亦即在最低能帶極值以上的半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)研究中有重要的作用。但是，調(diào)制光譜方法在研究一些半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)時也受到一些限制。舉例而言，最近關(guān)于GaAsN材料的能帶結(jié)構(gòu)中，在GaAsN的吸收邊E0和自旋-軌道劈裂相關(guān)的臨界點(diǎn)E0+Delta0以上，調(diào)制反射光譜還發(fā)現(xiàn)一個新峰E+。能帶交叉理論預(yù)言，當(dāng)GaAsN材料中氮的含量小于0.2％時，E+能級的能量將低于臨界點(diǎn)E0+Delta0的能量。盡管調(diào)制反射光譜在測量能帶結(jié)構(gòu)臨界點(diǎn)上具有很高的靈敏度，但是，目前所有調(diào)制反射光譜都沒有測出來GaAsN材料氮含量低于0.2％的E+能級。原因之一，就是這些材料的E+和E0+Delta0的能量非常接近，這說明調(diào)制反射光譜分辯能量這么接近的能級有一定困難。另一個原因，就是GaAsN材料往往生長在GaAs襯底上的，調(diào)制反射光譜除了探測到GaAsN材料的E0+Delta0能級外，還能探測到GaAs襯底非常強(qiáng)的E0+Delta0能級的調(diào)制反射譜。GaAs襯底非常強(qiáng)的信號將嚴(yán)重影響GaAsN外延層材料E0+Delta0能級的探測。調(diào)制反射譜在GaAsN材料能帶結(jié)構(gòu)臨界點(diǎn)確定方面所遇到的問題具有一定的普遍性。
如何尋找一種有效的測試技術(shù)，來減少襯底對外延層能帶結(jié)構(gòu)臨界點(diǎn)能量測試的影響，同時又具有很高的能量分辨率以分辯能量非常接近的各臨界點(diǎn)，對研究外延半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)和器件應(yīng)用非常重要。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于探索一種探測半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)高階臨界點(diǎn)的新方法。這種方法既能避免襯底信號對半導(dǎo)體外延層信號的干擾，又具有很高的能量分辨率以分辯能量非常接近的各臨界點(diǎn)，而且操作方便可行。
本發(fā)明一種探測半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)高階臨界點(diǎn)的新方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1在襯底材料上生長半絕緣的半導(dǎo)體材料，或者在樣品生長過程中對半導(dǎo)體材料進(jìn)行等電子摻雜，形成半絕緣的二元或三元合金材料；步驟2利用顯微熒光光譜儀測試等電子摻雜后的半導(dǎo)體材料的低溫顯微光致發(fā)光譜；步驟3利用不同波長對半導(dǎo)體材料不同的穿透深度這一物理性質(zhì)來消除來源于襯底的光譜信號對外延層等電子摻雜半導(dǎo)體材料光譜信號的影響，同時，利用各臨界點(diǎn)光譜不同的激發(fā)光波長依賴關(guān)系對它們進(jìn)行進(jìn)一步的指認(rèn)；步驟4在顯微光致發(fā)光光譜的基礎(chǔ)上，結(jié)合變激發(fā)光波長和變激發(fā)光強(qiáng)度和共振拉曼散射手段，確定半導(dǎo)體材料的高階臨界點(diǎn)。
其中顯微熒光光譜儀配備長工作距離高倍物鏡，以便提高入射到樣品表面的激發(fā)光功率密度和進(jìn)行低溫光致發(fā)光光譜的測量。
其中樣品的測試溫度為常溫以下。
下面結(jié)合附圖，通過對具體實(shí)例的詳盡描述對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明，其中圖1是p型GaAs襯底上利用MOCVD設(shè)備生長不同低N含量GaAsN半導(dǎo)體合金材料在常溫下所測的調(diào)制光譜。
圖2是半絕緣GaAs襯底上利用MBE設(shè)備生長的不同低N含量GaAsN半導(dǎo)體合金材料在77K溫度下所測的顯微光致發(fā)光光譜。
圖3是低N含量為0.1％和0.22％的GaAsN半導(dǎo)體合金材料在77K溫度下的變激發(fā)顯微光致發(fā)光光譜。
具體實(shí)施方式本發(fā)明一種探測半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)高階臨界點(diǎn)的新方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1在襯底材料上生長半絕緣的半導(dǎo)體材料，或者在樣品生長過程中對半導(dǎo)體材料進(jìn)行等電子摻雜，形成半絕緣的二元或三元合金材料，該樣品的測試溫度為常溫以下；步驟2利用顯微熒光光譜儀測試等電子摻雜后的半導(dǎo)體材料的低溫顯微光致發(fā)光譜；該顯微熒光光譜儀配備長工作距離高倍物鏡，以便提高入射到樣品表面的激發(fā)光功率密度和進(jìn)行低溫光致發(fā)光光譜的測量步驟3利用不同波長對半導(dǎo)體材料不同的穿透深度這一物理性質(zhì)來消除來源于襯底的光譜信號對外延層等電子摻雜半導(dǎo)體材料光譜信號的影響，同時，利用各臨界點(diǎn)光譜不同的激發(fā)光波長依賴關(guān)系對它們進(jìn)行進(jìn)一步的指認(rèn)；步驟4在顯微光致發(fā)光光譜的基礎(chǔ)上，結(jié)合變激發(fā)光波長和變激發(fā)光強(qiáng)度和共振拉曼散射手段，確定半導(dǎo)體材料的高階臨界點(diǎn)。
詳細(xì)說明半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)中高階臨界點(diǎn)等物理參數(shù)的測定對理解半導(dǎo)體材料的物理性能和擴(kuò)展半導(dǎo)體材料的在半導(dǎo)體器件方面的應(yīng)用具有非常重要的意義。調(diào)制光譜方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)中高階臨界點(diǎn)能量的檢測，但是對生長在半絕緣襯底上的半導(dǎo)體薄膜和一些低組分三元合金臨界點(diǎn)能量的檢測方面，還是遇到了一定的困難。圖1是p型GaAs襯底上利用MOCVD設(shè)備生長不同低N含量GaAsN半導(dǎo)體合金材料在常溫下所測的調(diào)制光譜。當(dāng)N的組分大于0.8％時，在1.6-1.8eV間能清晰地分辯出兩個調(diào)制反射峰，并被別指認(rèn)為E+和E0+Delta0相關(guān)臨界點(diǎn)的光學(xué)躍遷。但是當(dāng)N組分更低時，這兩個臨界點(diǎn)的能級太靠近以至于不可分辯。要分辯這些信號，必須探索新的測試方法。
由于光致發(fā)光信號非常容易收集，而且可以充分利用與光致發(fā)光相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，如共振拉曼、變激發(fā)光強(qiáng)度激發(fā)和不同波長對半導(dǎo)體材料小同的穿透深度等，我們發(fā)明了利用低溫顯微光致發(fā)光技術(shù)來探測半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)高階臨界點(diǎn)的這一新方法。
首先利用分子束外延設(shè)備MBE在半絕緣GaAs襯底上進(jìn)行N的等電子摻雜，生長了一系列的低N含量的GaAsN半導(dǎo)體合金材料，組分從0.0％到1.1％。為了充分收集光致發(fā)光信號，我們組建了一套測試系統(tǒng)，包括液氮溫度的樣品室，顯微準(zhǔn)直系統(tǒng)，50倍長工作距離物鏡，單光柵光譜儀，液氮制冷的CCD探測器和控制譜儀所用的計(jì)算機(jī)。我們用633nm的He-Ne激光器和593nm的固態(tài)激光器作為激發(fā)激光，測量了系列樣品的低溫顯微光致發(fā)光譜，如圖2所示。圖中1.6eV以下“+”標(biāo)記的熒光信號為GaAsN材料的帶邊熒光峰，而“*”標(biāo)記的熒光峰反映了臨界點(diǎn)E0+Delta0的能量，另外“↓”標(biāo)記的熒光峰反映了臨界點(diǎn)E+的能量。在插圖中593nm激光激發(fā)的熒光信號更清晰地給出了N組分為0.36％以上的GaAsN材料E+能級的熒光峰。利用我們的探測系統(tǒng)和新方法，準(zhǔn)確地測出了GaAs材料在77K時E0+Delta0臨界點(diǎn)的能量為1.853eV，與其他方法，如調(diào)制光譜方法測出的數(shù)值非常吻合。非常重要的是，我們還探測到了N組分僅為0.1％的GaAsN材料的E+和E0+Delta0臨界點(diǎn)的能量。
利用本方法，我們還測量了671、633、593和488nm等激光激發(fā)的N組分為0.1％和0.22％的GaAsN半導(dǎo)體合金材料的低溫顯微光致發(fā)光譜，如圖3所示。可以看出，由于671nm激光能量最靠近E0+Delta0臨界點(diǎn)，用671nm激發(fā)的熒光峰主要對應(yīng)于材料的E0+Delta0臨界點(diǎn)，而E0+Delta0臨界點(diǎn)在高能量激發(fā)時信號非常弱，因此488nm激光激發(fā)的熒光峰對應(yīng)于材料的E+臨界點(diǎn)。633nm和593nm激光激發(fā)的光致發(fā)光譜則是E0+Delta0和E+熒光信號的疊加。這樣，利用E0+Delta0和E+不同的激發(fā)光依賴關(guān)系，可以進(jìn)一步指認(rèn)這些熒光峰的物理根源。
由于一定帶隙的半導(dǎo)體材料對不同激發(fā)光具有不同的吸收系數(shù)使得不同波長的激光對材料具有不同的穿透深度。通過選擇不同波長的激發(fā)光測試外延材料的高階臨界點(diǎn)的光致發(fā)光峰，就可以避免襯底信號對外延層半導(dǎo)體材料的影響。
圖2中一些尖銳的光譜信號是GaAsN半導(dǎo)體合金材料的拉曼信號。當(dāng)“↓”標(biāo)記的熒光峰非?？拷ぐl(fā)光時，一些布里淵區(qū)邊界的聲子模被拉曼信號共振探測到，這是典型的跟E+能級相關(guān)的共振拉曼現(xiàn)象。來源共振拉曼現(xiàn)象，則進(jìn)一步肯定了“↓”標(biāo)記的熒光峰來源于能級E+。
權(quán)利要求
1.一種探測半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)高階臨界點(diǎn)的新方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1在襯底材料上生長半絕緣的半導(dǎo)體材料，或者在樣品生長過程中對半導(dǎo)體材料進(jìn)行等電子摻雜，形成半絕緣的二元或三元合金材料；步驟2利用顯微熒光光譜儀測試等電子摻雜后的半導(dǎo)體材料的低溫顯微光致發(fā)光譜；步驟3利用不同波長對半導(dǎo)體材料不同的穿透深度這一物理性質(zhì)來消除來源于襯底的光譜信號對外延層等電子摻雜半導(dǎo)體材料光譜信號的影響，同時，利用各臨界點(diǎn)光譜不同的激發(fā)光波長依賴關(guān)系對它們進(jìn)行進(jìn)一步的指認(rèn)；步驟4在顯微光致發(fā)光光譜的基礎(chǔ)上，結(jié)合變激發(fā)光波長和變激發(fā)光強(qiáng)度和共振拉曼散射手段，確定半導(dǎo)體材料的高階臨界點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的探測半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)高階臨界點(diǎn)的新方法，其特征在于，其中顯微熒光光譜儀配備長工作距離高倍物鏡，以便提高入射到樣品表面的激發(fā)光功率密度和進(jìn)行低溫光致發(fā)光光譜的測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的探測半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)高階臨界點(diǎn)的新方法，其特征在于，其中樣品的測試溫度為常溫以下。
專利摘要
一種探測半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)高階臨界點(diǎn)的新方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1在襯底材料上生長半絕緣的半導(dǎo)體材料或在樣品生長過程中對半導(dǎo)體材料進(jìn)行等電子摻雜，形成半絕緣的三元合金材料；步驟2利用顯微熒光光譜儀測試等電子摻雜后的半導(dǎo)體材料的低溫顯微光致發(fā)光譜；步驟3利用不同波長對半導(dǎo)體材料不同的穿透深度這一物理性質(zhì)來消除來源于襯底的光譜信號對外延層等電子摻雜半導(dǎo)體材料光譜信號的影響；步驟4在顯微光致發(fā)光光譜的基礎(chǔ)上，結(jié)合變激發(fā)光波長和變激發(fā)光強(qiáng)度和共振拉曼散射手段，確定半導(dǎo)體材料的高階臨界點(diǎn)。
文檔編號G01N21/64GK1995980SQ200510130769
公開日2007年7月11日 申請日期2005年12月28日
發(fā)明者譚平恒, 徐仲英, 羅向東, 葛惟昆 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan