GaN薄膜的橢偏光譜研究.pdf

1、GaN基材料具有禁帶寬度大、電子漂移飽和速率高、介電常數(shù)小、導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn),非常適合制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成電子器件,在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景,特別是GaN材料折射率和消光系數(shù)色散關(guān)系的研究對GaN基器件尤其是考慮全波段的紫外探測器的研制具有十分重要的意義。雖然有部分研究人員已經(jīng)對GaN的光學(xué)性質(zhì)做了探討,但這些研究多針對GaN外延層帶隙之下的波段,對帶隙及帶隙之上的波段的研究尚不

2、明確。因此,有必要引入能夠應(yīng)用于帶隙及帶隙之上波段的色散公式來描述GaN材料的光學(xué)性質(zhì),以期獲得更為可靠的結(jié)果,為GaN基薄膜材料在紫外波段器件中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　 本論文使用金屬有機(jī)物氣相外延技術(shù)(MOVPE)在藍(lán)寶石襯底(0001)面上制備了非摻雜纖鋅礦結(jié)構(gòu)GaN薄膜。采用PL、SEM、AFM以及透射譜對GaN薄膜進(jìn)行表征。PL和透射譜的測試結(jié)果表明GaN薄膜的外延質(zhì)量較好;AFM的結(jié)果表明樣品表面有明顯的層狀結(jié)構(gòu),粗

3、糙度較小;SEM對樣品截面的測量結(jié)果為橢圓偏振分析提供了相對準(zhǔn)確的厚度參考值。
　　 本論文將GaN薄膜的橢偏分析流程分為獲取橢偏數(shù)據(jù)、建模、擬合、擬合結(jié)果分析四個(gè)過程,首先在1.50-6.50 eV光譜范圍內(nèi),從55°、65°、75°三個(gè)入射角對GaN樣品進(jìn)行測量,得到了不同角度下的橢偏原始數(shù)據(jù)。在入射角為65°,光譜范圍1.5.3.0 eV的條件下,用Cauchy、Sellmeier以及Tanguy Extended色散公式

4、對GaN薄膜進(jìn)行擬合,比較了帶隙之下波段的擬合結(jié)果,結(jié)果表明三者差別不大;進(jìn)一步本文將光譜范圍擴(kuò)展至全波段(1.5-6.5 eV),選擇了對帶隙及帶隙之上描述更為精確的Tanguy Extended色散公式來分析橢偏數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,對于不同的入射角,標(biāo)準(zhǔn)差X2值都遠(yuǎn)小于1,擬合的各層厚度值與樣品實(shí)驗(yàn)制備的厚度經(jīng)驗(yàn)值相吻合。GaN薄膜的禁帶寬度Eg均在3.45-3.46 eV范圍內(nèi),與實(shí)驗(yàn)值接近;激子束縛能R值約為20.00 meV,與J

5、.F.Muth等人的結(jié)果一致。上述結(jié)果說明本文所構(gòu)建的物理結(jié)構(gòu)模型合理,選用的Tanguy Extended色散公式能較好地描述GaN半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì),尤其是帶邊附近的特性。驗(yàn)證了Tanguy Extended公式可以用于分析全波段GaN薄膜的光學(xué)性質(zhì)。提供了不同角度下各向同性的GaN薄膜在1.50-6.50 eV光譜范圍內(nèi)的折射率和消光系數(shù)色散關(guān)系,彌補(bǔ)了相關(guān)研究的不足。
　　 通過進(jìn)一步分析不同角度下各向同性的結(jié)果,可以

6、看到,隨著入射角度的增大,帶隙Eg和激子束縛能R遞增;折射率變小而消光系數(shù)增大。這些物理參量隨入射角度有規(guī)律變化,反映了GaN薄膜具有較強(qiáng)的各向異性。為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)樣品是否具有較強(qiáng)的各向異性,本文對65。橢偏譜進(jìn)行了各向異性擬合,將其中的GaN外延層當(dāng)作具有各向異性的介質(zhì)進(jìn)行擬合。從擬合結(jié)果可知,o光、P光的折射率和消光系數(shù)是有差別的,o光折射率比e光折射率大,帶隙之上波段的o光消光系數(shù)比e光消光系數(shù)小,且差距隨著能量的增大有逐漸增大的趨