GaN 薄膜的太赫兹光谱响应研究

韩烨，王党会，许天旱

（西安石油大学新能源学院，西安 710065）

0 引言

GaN 基合金半导体材料以其带隙可调、发光性能稳定以及击穿电压高、电子迁移率高等优点，成为制作短波长光电子器件和高功率器件等的优良材料之一[1-2]，如蓝/紫光GaN 基LED、半导体二极管（LD）及AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）等。紫外LED 光源广泛应用于物体表面消毒、水质净化、文件防伪、光照治疗与医疗诊断、气体传感[3]等。据报道，以功率密度为38.5 mW/cm2、波长为365 nm 的紫外光源作为光催化剂，能够在2 h 内有效地消除空气中挥发性有机化合物（VOC）的活性[4]。此外，AlGaN/GaN HEMT 作为宽禁带功率半导体器件的典型代表，在高频、大功率开关及高功率密度转化等领域具有巨大的应用潜力[5]，已经成为电源适配器、车载充电及新能源太阳能光伏逆变器等领域内的最佳选择。

太赫兹（THz）是指频率范围在0.1～10.0 THz（相应波长为0.03～3.0 mm）的电磁波，介于微波和红外线之间，具有频带宽、辐射能量低及穿透性能好等优点[6]。目前，太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术已经成为研究半导体光学参数及色散关系的新兴技术。近年来，研究人员在THz 范围内对多种半导体材料的光学特性进行了研究。GRISCHKOWSKY 等人[7]使用THz-TDS 技术测量了半导体硅、砷化镓等材料在0.2～2.0 THz 范围内的远红外吸收和色散。HIBBERD等人[8]在0.5～11.0 THz 光谱范围内对纤锌矿GaN 的内在各向异性、介电特性进行了研究，获得了复介电常数的值（当太赫兹辐射电场E 平行于晶体c 轴时，静态介电常数为10.32，高频介电常数为5.41），并探讨了GaN 的折射率和吸收系数等光学性质。FANG[9]等人利用太赫兹时域光谱获得了GaN 在10～300 K、0.3～1.0 THz 范围内的介电函数，并通过拟合计算获得点缺陷浓度与电子寿命。图形化蓝宝石衬底（PSS）以其成熟的工艺、低廉的价格及易于实现等优点，已经成为提高紫光LED 外量子效率的主要方法之一[10]。迄今为止，有关GaN 与THz 的研究大多集中在频率为0～3.0 THz 的范围内，而对于频率为3.0～8.0 THz 范围内的研究则不多。本文采用太赫兹时域光谱仪对生长在图形化蓝宝石衬底上的纤锌矿结构GaN 薄膜在0～8.0 THz 范围内的吸收光谱、介电常数、折射率以及介电损耗等进行了研究，进一步探讨了GaN 的声子振动模式与THz 之间的耦合作用，实现了GaN 光学性质在THz 频率范围内的表征。

1 样品准备

实验样品利用冷壁淋浴喷头低压金属有机化学气相沉积（LPMOCVD）系统生长而成。LPMOCVD 生长体系的压力约为0.693 Pa。样品以图形化c 面蓝宝石（α-Al2O3）作为衬底，以H2为载气，Ga 源和N 源分别为三乙基镓（TEGa）和氨气（NH3）。随后对GaN 样品采用常规的两步生长法——在经氮化之后的蓝宝石衬底上首先生长一层薄的低温GaN 成核层（厚度约为20 nm，生长温度为550 ℃），随后升高温度至1 000 ℃，继续生长一层厚度约为5 000 nm 的GaN 外延层，样品的厚度约为1 mm，样品的截面结构如图1 所示。

图1 样品的截面结构

2 结果与讨论

室温下，采用日本ADVANTEST CORPORATION的TAS7x00 R8.02 系列太赫兹时域光谱仪对样品进行测试，测试范围为0～8.0 THz。从图2 可以看到透过GaN 样品传输的太赫兹波时域谱，箭头处的额外脉冲是由于太赫兹波在衬底中多次反射造成的。

图2 透过GaN 样品传输的太赫兹波时域谱

2.1 太赫兹吸收光谱

光强与入射深度有关，当光垂直入射到固体表面时，光强会随着透射深度的增加而减弱，这一光强衰减现象为光的吸收，图3 为GaN 样品在室温下的THz吸收光谱。从图中可以看出，样品的THz 吸收光谱在约4.65 THz（155.12 cm-1）处产生了较强的吸收。

图3 GaN 样品在室温下的THz 吸收光谱

用群论方法对晶体结构进行建模，根据群理论的解释，在布里渊区的中心点Γ（即波矢k≈0 处），纤锌矿结构GaN 晶格振动的对称性为2A1+2E1+2B1+2E2，共有8 种声子振动模式。其中一个A1模和一个E1模是声学模（因为在这2 种模式下，晶胞中的所有原子都往同一个方向运动）。在剩余的6 个光学模中，2 个B1模不具有Raman 活性。GaN 晶体结构中的原子振动模式如图4 所示，GaN 声子振动模式的波数如表1所示。

表1 GaN 声子振动模式的波数

图4 GaN 晶体结构中的原子振动模式

GaN 样品的THz 吸收谱在4.65 THz（155.12 cm-1）处出现了吸收峰，与表1 中的数据对比可以看出，这与E2（low）声子振动模式的理论值144.2 cm-1非常接近，由此确定GaN 中的E2（low）声子振动模式与THz 之间发生了明显的耦合。

2.2 介电常数与折射率

介电常数是反映介质在静电场作用下介电性质或极化性质的主要参数。折射率作为复折射率的实部，表征了材料的色散效应，折射率越高，对入射光的偏折程度越大。通常情况下，介质的介电常数越大，折射率也越大。室温下对GaN 样品的介电常数和折射率进行测试，结果如图5 所示。从图5（a）可以看出，低频处GaN 介电常数的实数部分约为10.7；而在高频处，GaN 介电常数的实数部分趋近于6.0，这与理论值较为接近，图5（a）中的内置图为GaN 样品介电常数实数的理论值[12-13]。从图5（b）可以看出，低频处GaN 折射率约为3.2；而在高频处，GaN 折射率的实数部分趋近于2.3，这与理论值较为接近，图5（b）中的内置图为GaN 样品折射率的理论值[12-13]。

图5 GaN 样品的介电常数和折射率

为了进一步研究THz 对GaN 薄膜样品吸收的影响机理，对频率范围为4.24～4.40 THz 的介电行为进行了详细的研究，GaN 样品介电常数实部与虚部如图6所示。结合Drude-Lorentz 谐振子模型，可以看出GaN薄膜的中心振动频率约为4.34 THz，这与吸收曲线的结果是一致的，表明GaN 中的E2（low）声子振动模式与THz 之间发生了明显的耦合。从图6 可以看出，GaN 的E2（low）声子振动模式的频率为4.34 THz，半波宽即振子的衰减频率为0.04 THz，这与文献[8]中的数据是一致的。

图6 GaN 样品介电常数实部与虚部

2.3 介电损耗

介电损耗是指在单位时间内电场作用下因消耗部分电能而导致电介质本身发热的现象。通常当介电损耗较大时，会引起材料局部过热而逐渐老化。THz范围内GaN 样品介电损耗的变化情况如图7 所示。从图7 可以看出，随着频率的增大，介电损耗逐渐减小，且介电损耗值从7.1 迅速下降到0.9 并趋近于0。这是由于电介质中的部分导电载流子在THz 电磁波的作用下转为热能，因此介电损耗越小越好。GaN 的介电损耗值较低，表明GaN 具有良好的介电特性。

图7 GaN 样品介电损耗

3 结论

本文使用太赫兹时域光谱技术对纤锌矿GaN 在0～8.0 THz 波段内的光学参数（吸收光谱、介电常数、折射率以及介电损耗等）进行了分析和研究。根据THz 吸收光谱，发现GaN 中的E2（low）声子振动模式与THz 间发生了明显的吸收耦合，THz 波激发了GaN的晶格使之振动从而产生声子吸收，此结论得到了介电常数响应谱和折射率谱的进一步证明。本文的研究结果表明，太赫兹时域光谱技术可以作为研究半导体材料的有效工具，对GaN 基电子元器件在THz 光谱中的质量与可靠性分析具有重要意义。