Al xGa1－xAs材料低Al组分PL测试技术的研究

许秀娟，巩 锋，折伟林，宋淑芳，周 翠

(华北光电技术研究所，北京100015)

1 引言

由于GaAs/AlxGa1－xAs材料的应用面较广，它的各种结构可以用来制造半导体异质结激光器、量子阱器件、光探测器、光电阴极等［1－8］。2004 年，Liu等［9］采用优化的量子阱结构设计，通过选择低Al组分的垒结构研制了基于GaAs/Al0.05Ga0.95As材料体系的太赫兹量子阱探测器［9－10］。太赫兹量子阱探测器在高灵敏度和高分辨率探测尤其是在焦平面阵列制备方面具有独特的优势，因此该方面的研究近年来受到了人们的高度重视，得到了快速的发展。无论是制作电学器件还是光学器件，随着其实验应用的需要均对器件提出了越来越高的要求，而高质量的材料生长则是器件的基础，也是提高器件性能的关键所在。

AlxGa1－xAs材料是 GaAs/AlxGa1－xAs 异质结构器件的关键材料，其中Al组分是表征AlxGa1－xAs材料性能的关键因素，即决定着器件的探测波长，因此Al组分的有效控制和精确测量是获得高质量材料的关键和难点，同时对于外延材料均匀性的研究和筛选用于制作器件工艺的合格外延材料来提高器件性能具有重要意义。本文采用了激光显微光致发光光谱仪测试了低Al组分AlxGa1－xAs的室温光致发光谱，对AlxGa1－xAs材料的Al组分测试技术和外延材料均匀性表征方面进行了深入的研究。

2 光致发光原理

光致发光是半导体材料的一种发光现象，在光照激发下辐射复合产生的发光。它可以灵敏地反映出半导体中杂质和缺陷的能态变化，被认为是研究半导体能带结构最为重要的方法，也是检验和研究外延材料性能和生长均匀性的最为有效的方法。半导体的光致发光过程蕴含着材料结构与组分的丰富信息，是多种复杂物理过程的综合反映。

目前Al组分的主要测试手段是X射线双晶衍射和光致发光法。X射线双晶衍射在测试Al组分时只限于单点的测试，不能进行面扫描测试，并且测试时间长，另外在Al组分较低和AlxGa1－xAs薄膜非常薄的情况下，GaAs的衍射峰会把AlxGa1－xAs的衍射峰覆盖掉，可能会出现无法计算的情况;而光致发光法则不受材料中Al组分高低的限制，既可以进行单点测试又可以进行面扫描测试并给出直观的面分布图，同时测试速度快、重复性好。光致发光法可以直接测出AlxGa1－xAs材料的发光谱，发光峰来源于束缚激子的跃迁。从谱上获得发光谱的峰值波长，由峰值波长可以间接计算出Al含量的x值。AlxGa1－xAs材料中随着Al含量增加，其能带结构在Al组分x≤0.45左右时，禁带宽度也增加。所以从能带引起的束缚激子跃迁光谱可以直接推算出禁带宽度及相应求出x值。

3 实验

3.1 AlxGa1－xAs的光致发光实验

测试样品为采用MBE方法在3 in GaAs(100)衬底上生长的AlxGa1－xAs材料，厚度约为1μm。光致发光测试是在英国RENISHAW公司生产的激光显微光致发光光谱仪上进行的，激发波长为单频氩离子激光的514.5 nm线，物镜选为×50，激光功率约为1 mW。该系统低温下测试样品的尺寸最大到12 mm×15 mm，样品聚焦、抽真空并降温耗时长，无法实现全自动的面扫描测试，只能实现样品上单点的手动测试，样品安装和取下比较麻烦，不适合作为常规检测工艺;而室温下测试样品的尺寸最大到70 mm×100 mm，既可精确定位测试点，又可灵活地设置测试点步长，并且样品安装和取下简单，能够实现全自动的面扫描测试，非常适合作为常规检测工艺［11］。虽然低温光致发光测试 AlxGa1－xAs材料得到的Al组分准确性比较高，但由于受制于样品尺寸的限制，无法实现大尺寸样品上Al组分面分布信息的表征;而 Asachi［12］研究发现室温光致发光测试AlxGa1－xAs材料Al组分同样具有高准确性，因此本文开发了Al组分室温光致发光测试技术，并使用了该系统逐点自动聚焦功能。这样测试的优点是既可以充分保证样品上每个测试点谱线获取的完好性和精准性，又可以彻底避免后续计算Al组分时引入的测试误差。

3.2 Al组分的计算

国内外大量研究发现，AlxGa1－xAs材料光致发光谱的峰位即对应于该材料带隙的能量Eg(eV)值。室温下AlxGa1－xAs材料的禁带宽度与组分x的经验计算公式［12］为:

Eg(x，300K)=1.424+1.247x(eV)(x≤0.45)

通过计算公式，对AlxGa1－xAs材料光致发光谱测试中的单点进行Al组分计算非常容易，但对于进行1000多点的面扫描测试后Al组分的计算难度可想而知。为了解决这一难题，本文对某种面扫描模式下的光致发光谱测试进行了研究，结合测试后得到的谱线，自主开发了一个VB应用程序，该程序能够实现光谱数据处理、光谱峰位的获取、Al组分计算和最终结果的有序输出。

4 结果与讨论

为了验证Al组分光致发光测试技术的可行性和实用性，特别设计生长了几片低Al组分的AlxGa1－xAs/GaAs(100)实验样品材料，对其进行室温下的光致发光测试。根据室温下AlxGa1－xAs材料带隙的能量Eg(eV)与Al组分的经验公式和自主开发的VB应用程序得到了Al组分结果及面分布。

4.1 径向线扫描测试

测试样品为3 in的低 Al组分的 AlxGa1－xAs/GaAs(100)实验样品材料，测试取向为沿任意一条半径方向即从材料中心向边缘，得到的室温光致发光谱线如图1所示。

图1 Al xGa1－xAs/GaAs(100)材料的室温光致发光谱

从图1可以清楚地看出，从中心到边缘光致发光谱上束缚激子跃迁所形成的发光峰峰值波长逐渐增大，采用自主开发的VB应用程序计算得到的相应的Al组分结果如表1所示。测试点1到9是沿中心到边缘，任意相邻两点之间的距离都是4 mm。从表1上观察到，沿测试点1到9方向上Al组分结果的变化规律却是逐渐减小，其他半径方向上的变化也是如此。这一结果反映了室温显微光致发光方法测试低Al组分的AlxGa1－xAs实验样品材料可以清楚地表征出Al组分的微小变化，说明该方法测试Al组分技术是可行的并具有重要的实用意义，为材料生长工艺参数的优化提供重要依据。

表1 Al xGa1－xAs材料上各测试点的Al组分

4.2 面扫描测试

测试样品为3 in的低 Al组分的 AlxGa1－xAs/GaAs(100)实验样品材料，对整片进行面扫描测试，测试步长为2 mm。激光的聚焦方式采用逐点自动聚焦，测试了面上的1000多点，得到了1000多条谱线，利用自主开发的VB应用程序进行数据处理最终获得了Al组分的结果和面分布图，如图2所示。

图2 Al xGa1－xAs/GaAs(100)材料Al组分的二维和三维分布图

从图2可以清楚地看出实验样品材料上Al组分清晰的二维和三维面分布图。实验中还对其他几个特别设计的 3 in的低 Al组分的 AlxGa1－xAs/GaAs(100)实验样品材料也分别进行了测试，同样也得到了非常直观清晰的Al组分面分布图。这一结果表明了室温显微光致发光方法测试低Al组分的AlxGa1－xAs实验样品材料的确是可行实用的，它既能给出Al组分直观的数据和面分布图，也能表征出MBE方法生长的 AlxGa1－xAs/GaAs(100)材料Al组分分布的均匀性状况。可为后续材料生长工艺参数的改进和筛选用于制作器件工艺的高质量材料提供可靠的依据。

5 结论

本文对分子束外延生长的3 in的低Al组分的AlxGa1－xAs/GaAs(100)实验样品材料进行室温光致发光面扫描测试，研究了这种材料室温光致发光测试的特点，根据 AlxGa1－xAs材料带隙的能量Eg(eV)与Al组分的经验公式，自主开发了能够进行光致发光谱数据处理、光谱峰位的获取、Al组分计算和最终结果有序输出的VB应用程序，实现了Al组分结果的快速获取并得到了直观的面分布图。室温显微光致发光方法测试 AlxGa1－xAs/GaAs(100)材料的低Al组分是可行实用的，该方法是一种十分有效的非接触、无损伤的检测手段，测试速度快、重复性好，获得的Al组分及面分布图可为材料生长工艺参数的改进和MBE方法生长的AlxGa1－xAs材料上Al组分分布均匀性的研究方面提供指导，同时还为筛选用于制作器件工艺的高质量材料提供重要的依据。

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