纳米材料结构表征的重要性

结构表征的重要性

根据光荧光谱的测试原理，针对具体的化合物半导体材料的层次结构，归纳、总结出两个实用的分析模型：光荧光谱的厚度干涉模型和透明衬底发光模型。应用厚度干涉模型，对Ga外延材料、带DBR结构的MQw 材料的光荧光谱曲线进行了分析，并解释了AlGaInP LED 结构PL扫描图的强度分布。应用透明衬底发光模型，分析并解释了InGaAs材料的发光强度图案。实验结果表明，这两个分析模型能很好地解释薄膜外延层的PL光谱曲线，能够分析光荧光谱的曲线形状和强度分布与材料结构及表面状态的关系，对判断材料品质有较大帮助，具有一定的实用价值。

GaAs、InP、GaN 基化合物材料多属

于直接带隙材料，能够制作出各种光发

射、光吸收器件，如各种发光二极管、

激光器、探测器等。在研制、生产这些

光电材料的过程中，光荧光的测试必不

可少。光荧光的测试原理为：以短波长

激光器(相对于被测样品)为激发光源，光

照射到半导体样品后被样品吸收产生非平衡的电子一空穴对，电子和空穴经过弛豫、扩散、复合等物理过程最后发射出反映样品特性的荧光。因此通过光荧光测量可以确定材料发光波长、发光强度等物理特性，经过特殊的分析(如变温光荧光乜I3]、瞬态光荧光4 )还能够确定样品发光的物理过程。光荧光谱的分析受到外延材料结构、发光机理、样品表面状态等很多因素的综合影响。例如为了获得材料发光的内量子效率]，就需要对材料样品进行精心制作、对测试方法进行严格规定和校准。室温光荧光是最常用的PL测试方法，操作简便，测试快速准确，并且不损伤材料，因此在工业生产中获得了广泛应用，成为半导体工业的标准检测仪器。室温光荧光的测试原理简单，但需要深人地分析才能解释实际材料的光谱曲线。针对外延层厚度和表面形貌对光谱测量的影响问题，本文提出了普遍适用的分析模型：厚度干涉模型和透明衬底上的荧光模型。采用ACCENT公司生产的RPM2000型光荧光扫描仪，对半导体

样品的光荧光谱和反射率谱线进行了测试，采用上述的分析模型使测量结果得到了合理解释。

针对常见的GaN 与AlGalnP可见光LED材料，根据光荧光远离和白光测厚原理，可以绘制出如图1所示的光路示意图。在折射率差别较大的光学介质之间(空气、半导体材料和衬底之间)将产生厚度干涉条纹。图1中A 为白光测厚

的入射光线，A 为光致荧光的出射光线，

可以看到A与A对于记录探测器而言在光路

上是等价的，因此探测器记录的白光反射

率曲线和光荧光谱曲线都包含了同样的外

延层厚度干涉条纹。干涉条纹峰一峰间距

对应的薄膜厚度d_7 为=式中：和为相邻

两个干涉峰的波长；和为波长和所对应

的材料折射率。实际测量GaN外延材料的PL

光谱，在黄光峰上经常会出现如图2 (a)所示

的厚度干涉条纹，而GaInP／A1GaInP多量子

阱LED材料的PL谱上也有厚度干涉条纹如

图2(b)，这些条纹所对应的厚度与白光测厚

得出的厚度一致。因此，实验结果证明图1的分析模型是正确的。

在测量过程中发现GaN 的本征峰和某些In

—GaN量子阱样品的发光峰没有上述现象，如图

3(a)和图3(b)。因为GaN外延层对它自身的荧光光

谱是强吸收介质，各位置的光谱不具有相干性，

因此不能产生厚度干涉条纹。图3(a) 中的3个峰分

别为GaN的本征发光峰、结合了声子的发光峰(声

子伴线)和杂质或缺陷发光峰，这3个峰的位置不

随外延层厚度的变化移动。从原理看In—GaN量子

阱的发光峰(图3 (b))应该包含厚度干涉条纹，实际

很多人也获得了包含干涉条纹的光谱曲线E 。本

文测量到的样品(图3 (b))没有干涉条纹是不正常

的，可能是外延材料中存在异质界面不平整、表面形貌粗糙等问题造成的。这个实验现象从另一方面说明可以通过PI 谱线判断材料的形貌(表面上的或外延层内的)。(a)GaN材料的PL谱A／nm(b)InGaN MQW LED材料的PL谱

红、黄光的LED材料已经进入大规模生产阶段，产量已经达到2英寸(50 mm)49片炉。这些外延片需要及时进行均匀性、重复性测量，以保证生产的可持续性。PI 扫描(PL—mapping)是一种无损检测，快速准确，是进行外延片在线检测的理想工具。根据上述的厚度条纹模型，外延层厚度产生的干涉条纹会叠加在荧光谱线

上，对谱线的强度、峰值波长等信息产生很大影响，

也就是说外延层厚度会影响结构材料的发光波长、

发光强度均匀性数据。图4为全结构620 nm LED材料

的PI一-mapping图样，从测量结果看峰值波长均匀

性和发光强度很差，然而制作出的LED器件其量子

阱发光波长没有出现大范围的起伏。将该LED材料

进行化学腐蚀去除厚层GaP材料后，PL—mapping图

样如图5，波长均匀性和强度均匀性明显好转，并且

显示出与图4完全不同的图样。从以上分析可以看出，

如果没有去除外延层的厚度干涉影响，PL扫描的结果就没有实际意义，不能完成在线检测要求。

I nGaAs探测器是一种重要的光电材料，在光电通信系统和近红外成像领域有重要应用。本文在InP衬底上生长了2 m InGaAs外延层后测量PL—mapping，分别采用532、785 nm 的激光器为光源，均观察到了奇怪的PL强度图案如图6。该强度图案与衬底背面图形完全对应，衬底背面图案是由于该生长位置放置过半片衬底后遗留的，样品背面一半被沉积物熏黑，一半无沉积物，熏黑处光荧光强度小。而将该样品背面进行机械化学抛光后测量PL—mapping，荧光强度变得均匀一致。

室温光荧光测量仪器功能强大，使用方便，是测量半导体材料的常用方法。针对外延材料中外延层厚度与表面形貌对光谱测量曲线的影响问题，本文用厚度干涉条纹模型解释了外延层厚度对光荧光谱线和强度的影响；用“透明衬底上的荧光”模型解释了InGaAs／InP材料光荧光强度受到样品背面图案影响的现象。这两个分析模型具有普适性，对获得客观、准确的光荧光分析结果有重要意义。