采用光致发光法和卢瑟福背散射法测定AlxGa1-xN薄膜中的Al元素含量及斯托克斯移动研究*

王雪蓉　刘运传　孟祥艳　周燕萍　王　康

(中国兵器工业集团公司第五三研究所，济南 250031)

0　引言

氮化镓(GaN)基材料目前已广泛应用于紫外探测领域，其光电性能是决定紫外传感器件性能的主要因素，而光电性能依赖于元素成分和晶体质量。为了实现GaN基材料可见光盲区的紫外光响应，即实现紫外传感器只对所需紫外波段响应，需要向其晶格中掺入高含量的Al元素。在日盲区紫外探测范围，A1GaN合金具有禁带宽度大、导热性能好、电子漂移饱和速度高以及化学稳定性高等优点。随合金中Al组分的改变，禁带宽度在3.4～6.2eV之间连续可调，对应截止波长范围为200～365nm，能在不受可见光辐射的影响下探测日盲区特性[1～2]。通过控制Al组分含量可以实现对紫外响应波段的调节，因此，准确测定Al组分含量置关重要。

可用于测定AlxGa1-xN外延膜中Al元素含量的方法很多，包括光谱法[3～6]、卢瑟福背散射法[7～9]、电子探针法、高分辨X射线衍射法以及化学分析法等。本文选择目前较为先进的两种方法，光致发光法和卢瑟福背散射法对AlxGa1-xN外延膜中的Al元素含量进行测定，同时对AlxGa1-xN外延膜中是否存在斯托克斯移动[10～11]进行研究，通过分析比较两种方法的测量结果，对测量结果的一致性作出评价。

1　试验仪器与测试条件

试验样品为Al元素物质的量分数依次增大的4片AlxGa1-xN外延膜，编号为1#、2#、3#、4#。

1.1　光谱法试验

光致发光试验是MINI PL/Raman宽带隙深紫外光致发光仪(美国Photon Systems公司)上进行的，激光器为PSI HeAg 30，发射波长为224.3nm。扫描范围200～350nm，扫描步长为2nm，每步脉冲数为5，每个样品上随机选择10个不同位置的点进行扫描，结果取平均值，实验在室温下进行，激光能量为0.325μJ。紫外-可见光试验在Lamda 900型紫外可见光分光光度计上进行，扫描范围200～800nm，步长1nm。

1.2　CASTEP软件模拟试验

本试验中AlGaN外延膜的能带结构采用CASTEP软件包完成，其基本原理是第一性原理密度泛函理论(DFT)，计算中交换关联函数采用广义梯度近似GGA下的Perdew-Bueke-Ernzerhof(PBE)梯度修正函数，采用超软赝势(Ultrosoft)描述价电子的相互作用，各原子的赝势计算选取的价电子分别是Al(3s23p1)、Ga(3d104s24p1)、N(2s22p3)。计算中采用16原子的AlxGa1-xN超晶胞(对应于2×2×1结构)来建立AlGaN纤锌矿模型，通过调整Al原子的个数来改变Al元素的含量。

二元化合物GaN和AlN的平面波截止能量分别设为600eV和450eV，三元化合物AlxGa1-xN的平面波截止能量设为295eV，系统总能量和电荷密度在布里渊区(Brillouin)的积分计算采用Monkhorst-Pack方案选择k网格点为5×5×5。在自洽场运算中，采用BFGS(由Broyden，Fletcher，Goldfarb，Shannon提出的一种能对固定外应力的晶胞进行优化的算法)算法对模型进行优化，收敛精度设为1.0×105eV/atom，原子间相互作用力的收敛标准设为0.3eV/nm，晶体内应力的收敛标准设为0.1GPa，原子最大位移收敛标准设为0.0001nm。模拟过程中，设定AlxGa1-xN中Al组分含量分别是0、0.125、0.25、0.325、0.5、0.625、0.75、0.875和1。

1.3　卢瑟福背散射试验

本试验在复旦大学现代物理研究所NEC 9SDH-2型串列加速器上进行，实验条件：He离子能量为3.55MeV，经过准直，束流垂直于靶入射(入射角为0°)，束斑面积约为1mm×1mm，粒子探测器位于与入射粒子束成165°的方向上，即探测散射角为165°，道宽为4.313keV，能量校准为77.326keV，能量分辨力为30keV，靶室的真空度为10-4～10-5Pa。

2　结果与讨论

2.1　采用光谱法测量AlxGa1-xN外延膜中的Al元素含量

2.1.1AlxGa1-xN外延膜禁带宽度的计算

对仪器自带AlGaN标准样品进行光致发光试验，发光峰位置恰好在363nm处，因此，试验时不需要进行波长校准。图1是室温下激光能量为0.325μJ时，1#～4#AlxGa1-xN外延膜的室温光致发光谱。图2是1#～4#AlxGa1-xN外延膜样品的透射光谱。

图1　1#～4#AlxGa1-xN外延膜样品的光致发光谱

图2　1#～4#AlxGa1-xN外延膜样品的透射光谱

从图中可以清楚的判断出光致发光激发峰波长和透射光谱中截止边的波长，从而计算出样品的禁带宽度Eg，光致发光法和透射光谱法测得禁带宽度的具体结果列于表1。

表1　光谱法测得1#～4#AlxGa1-xN外延膜的禁带宽度

由表中可以看出，由激发光谱和吸收光谱测到的禁带宽度基本一致，说明各个Al组分的AlxGa1-xN外延膜中基本不存在斯托克斯移动研究。AlxGa1-xN外延膜的禁带宽度随Al组分含量的增大而逐渐增大，并且均位于3.4eV(GaN的禁带宽度)和6.2eV(AlN的禁带宽度)之间，与理论相符合。

2.1.2AlxGa1-xN外延膜弯曲因子b的计算

利用CASTEP对不同Al组分含量AlxGa1-xN的能带结构进行几何结构优化模拟时，首先要建立六方晶系的晶体模型，然后进行计算[12～14]。用广义梯度近似(GGA)通常会导致带隙计算值偏低的现象，其原因是GGA对电子与电子之间的交换关联作用处理不足，这也是能带结构计算的普遍性问题，因此，需要对模拟结果进行修正。对于二元化合物GaN和AlN，可将其整个导电带的能带向上平移，使二者的带隙值与实验值3.42eV和6.25eV相符合，对于三元化合物AlxGa1-xN，则根据GaN和AlN的能带修正值计算剪刀算子，再进行线性修正。图3和图4是Al0.75Ga0.25N的晶体模型和Al0.75Ga0.25N修正后的能带结构图。

图3　Al0.75Ga0.25N的纤锌矿晶体结构模型

图4　Al0.75Ga0.25N修正后能带结构图

由图中可以看出，AlxGa1-xN的能带结构中导带底和价带顶都位于布里渊区的G点上，这反映出AlxGa1-xN具有直接带隙能带结构的典型特征。修正后各AlxGa1-xN的禁带宽度列于表2。

表2　不同Al含量的AlxGa1-xN禁带宽度的模拟值和修正后的值

由表2可以看出，随着Al组分含量的增大，禁带宽度逐渐增大，二者的关系进行曲线拟合，得到二次项系数即弯曲因子b为1.01。将光致发光法得到的禁带宽度Eg1代入式(1)中可计算出AlxGa1-xN外延膜中的Al元素含量。

Eg(AlxGa1-xN)=xEg(AlN)+(1-x)Eg(GaN)

-x(1-x)

(1)

结果得1#～4#样品中Al元素含量分别为0.280、0.470、0.628和0.711。

2.2　采用卢瑟福背散射法测量AlxGa1-xN外延膜中的Al元素含量

图5是3#AlxGa1-xN外延膜样品的RBS沿(0001)轴的随机谱，横坐标为道址,对应测得背散射角的He离子能量，纵坐标为背散射产额。

从样品的背散射随机谱图可以看出，背散射能谱呈矩形状，这说明样品有一定的厚度。Al元素和Ga元素能谱前后边缘的背散射信号均有一定的展宽，并不是理想状态下的垂直边缘，这可能是由入射4He离子的能量岐离效应、系统的能量分辨率等原因造成的。已知元素浓度分布随深度变化时，背散射信号的高度会相应变化，而Al元素和Ga元素背散射产额的台阶基本水平，这说明Al组分含量在纵向上分布比较均匀。

图5　3#AlxGa1-xN外延膜随机谱和模拟谱

AlxGa1-xN外延膜样品中的Al组分含量用SIMNRA软件对随机谱进行模拟得到，首先需要对拟合参数进行设定，包括入射离子的种类和能量、散射几何、校正参数和能量分辨率等，然后设定模拟的层数以及每一层的厚度和所含元素的种类及组分含量，通过调整层厚和元素含量可以改变模拟谱的宽度和高度，当模拟谱和随机谱基本重合时，所得的结果即为外延膜纵向上的平均Al组分含量，具体结果列于表3。

表3　AlxGa1-xN中Al组分SIMNRA软件模拟结果

表4列出两种方法测量的AlxGa1-xN外延膜样品中的Al组分含量。

试验结果表明光致发光法测定的AlxGa1-xN外延膜样品中的Al组分含量与卢瑟福背散射法的测定结果基本一致，光致发光法结果比背散射法结果稍大，Al组分越小，测量结果越吻合。

表4　两种方法测量的AlxGa1-xN外延膜样品中的Al组分含量

3　结论

1)发射波长为224.3nm的HeAg激光器能够激发AlxGa1-xN半导体产生光致发光现象，由激发峰波长测得禁带宽度，结合Materials Studio软件中的CASTEP模块模拟计算AlxGa1-xN薄膜的弯曲因子b，测定了AlxGa1-xN薄膜中的Al元素含量。

2)采用深紫外光致发光技术和紫外可见光透射光谱法分别测量AlxGa1-xN半导体薄膜的禁带宽度，通过比较，激发光谱和吸收光谱计算得到的Eg基本一致，说明AlxGa1-xN薄膜中不存在斯托克斯移动。

3)采用卢瑟福背散射技术测定AlxGa1-xN薄膜的随机能谱，通过SIMNRA软件对随机谱进行模拟计算得到AlxGa1-xN薄膜中的Al元素含量，谱图解析相对简单，测量结果的准确性较高。两种方法测定的AlxGa1-xN外延膜样品中的Al组分含量基本一致，光致发光法结果比背散射法结果稍大，而且Al含量越小，测量结果越吻合。

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