专利名称：探测半导体能带结构高阶临界点的新方法
技术领域：
本发明涉及半导体材料能带结构和物理性质参数的测试方法和半导体光谱技术领域，特别是半绝缘的等电子掺杂半导体高阶临界点的光谱测试方法。
背景技术：
半导体能带结构参数的确定，是半导体材料研究的一个重要研究方向，它对于研究半导体材料的物理性质和半导体材料在半导体器件方面的应用有重要意义。半导体能带结构上的一些临界点对半导体能带结构的确定非常重要，比如禁带宽度E0以及能量更高的一些高价临界点E1和E2等。
近几十年来，人们发表了各种调制光谱方法。调制反射光谱在吸收边以上的光谱测量中有重要作用，亦即在最低能带极值以上的半导体能带结构研究中有重要的作用。但是，调制光谱方法在研究一些半导体材料的能带结构和光学性质时也受到一些限制。举例而言，最近关于GaAsN材料的能带结构中，在GaAsN的吸收边E0和自旋-轨道劈裂相关的临界点E0+Delta0以上，调制反射光谱还发现一个新峰E+。能带交叉理论预言，当GaAsN材料中氮的含量小于0.2％时，E+能级的能量将低于临界点E0+Delta0的能量。尽管调制反射光谱在测量能带结构临界点上具有很高的灵敏度，但是，目前所有调制反射光谱都没有测出来GaAsN材料氮含量低于0.2％的E+能级。原因之一，就是这些材料的E+和E0+Delta0的能量非常接近，这说明调制反射光谱分辩能量这么接近的能级有一定困难。另一个原因，就是GaAsN材料往往生长在GaAs衬底上的，调制反射光谱除了探测到GaAsN材料的E0+Delta0能级外，还能探测到GaAs衬底非常强的E0+Delta0能级的调制反射谱。GaAs衬底非常强的信号将严重影响GaAsN外延层材料E0+Delta0能级的探测。调制反射谱在GaAsN材料能带结构临界点确定方面所遇到的问题具有一定的普遍性。
如何寻找一种有效的测试技术，来减少衬底对外延层能带结构临界点能量测试的影响，同时又具有很高的能量分辨率以分辩能量非常接近的各临界点，对研究外延半导体材料的物理性质和器件应用非常重要。
发明内容
本发明的目的在于探索一种探测半导体材料能带结构高阶临界点的新方法。这种方法既能避免衬底信号对半导体外延层信号的干扰，又具有很高的能量分辨率以分辩能量非常接近的各临界点，而且操作方便可行。
本发明一种探测半导体材料能带结构高阶临界点的新方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1在衬底材料上生长半绝缘的半导体材料，或者在样品生长过程中对半导体材料进行等电子掺杂，形成半绝缘的二元或三元合金材料；步骤2利用显微荧光光谱仪测试等电子掺杂后的半导体材料的低温显微光致发光谱；步骤3利用不同波长对半导体材料不同的穿透深度这一物理性质来消除来源于衬底的光谱信号对外延层等电子掺杂半导体材料光谱信号的影响，同时，利用各临界点光谱不同的激发光波长依赖关系对它们进行进一步的指认；步骤4在显微光致发光光谱的基础上，结合变激发光波长和变激发光强度和共振拉曼散射手段，确定半导体材料的高阶临界点。
其中显微荧光光谱仪配备长工作距离高倍物镜，以便提高入射到样品表面的激发光功率密度和进行低温光致发光光谱的测量。
其中样品的测试温度为常温以下。
下面结合附图，通过对具体实例的详尽描述对本发明的技术方案做进一步的说明，其中图1是p型GaAs衬底上利用MOCVD设备生长不同低N含量GaAsN半导体合金材料在常温下所测的调制光谱。
图2是半绝缘GaAs衬底上利用MBE设备生长的不同低N含量GaAsN半导体合金材料在77K温度下所测的显微光致发光光谱。
图3是低N含量为0.1％和0.22％的GaAsN半导体合金材料在77K温度下的变激发显微光致发光光谱。
具体实施例方式
本发明一种探测半导体材料能带结构高阶临界点的新方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1在衬底材料上生长半绝缘的半导体材料，或者在样品生长过程中对半导体材料进行等电子掺杂，形成半绝缘的二元或三元合金材料，该样品的测试温度为常温以下；步骤2利用显微荧光光谱仪测试等电子掺杂后的半导体材料的低温显微光致发光谱；该显微荧光光谱仪配备长工作距离高倍物镜，以便提高入射到样品表面的激发光功率密度和进行低温光致发光光谱的测量步骤3利用不同波长对半导体材料不同的穿透深度这一物理性质来消除来源于衬底的光谱信号对外延层等电子掺杂半导体材料光谱信号的影响，同时，利用各临界点光谱不同的激发光波长依赖关系对它们进行进一步的指认；步骤4在显微光致发光光谱的基础上，结合变激发光波长和变激发光强度和共振拉曼散射手段，确定半导体材料的高阶临界点。
详细说明半导体能带结构中高阶临界点等物理参数的测定对理解半导体材料的物理性能和扩展半导体材料的在半导体器件方面的应用具有非常重要的意义。调制光谱方法已经被广泛应用于半导体能带结构中高阶临界点能量的检测，但是对生长在半绝缘衬底上的半导体薄膜和一些低组分三元合金临界点能量的检测方面，还是遇到了一定的困难。图1是p型GaAs衬底上利用MOCVD设备生长不同低N含量GaAsN半导体合金材料在常温下所测的调制光谱。当N的组分大于0.8％时，在1.6-1.8eV间能清晰地分辩出两个调制反射峰，并被别指认为E+和E0+Delta0相关临界点的光学跃迁。但是当N组分更低时，这两个临界点的能级太靠近以至于不可分辩。要分辩这些信号，必须探索新的测试方法。
由于光致发光信号非常容易收集，而且可以充分利用与光致发光相关的实验技术，如共振拉曼、变激发光强度激发和不同波长对半导体材料小同的穿透深度等，我们发明了利用低温显微光致发光技术来探测半导体材料能带结构高阶临界点的这一新方法。
首先利用分子束外延设备MBE在半绝缘GaAs衬底上进行N的等电子掺杂，生长了一系列的低N含量的GaAsN半导体合金材料，组分从0.0％到1.1％。为了充分收集光致发光信号，我们组建了一套测试系统，包括液氮温度的样品室，显微准直系统，50倍长工作距离物镜，单光栅光谱仪，液氮制冷的CCD探测器和控制谱仪所用的计算机。我们用633nm的He-Ne激光器和593nm的固态激光器作为激发激光，测量了系列样品的低温显微光致发光谱，如图2所示。图中1.6eV以下“+”标记的荧光信号为GaAsN材料的带边荧光峰，而“*”标记的荧光峰反映了临界点E0+Delta0的能量，另外“↓”标记的荧光峰反映了临界点E+的能量。在插图中593nm激光激发的荧光信号更清晰地给出了N组分为0.36％以上的GaAsN材料E+能级的荧光峰。利用我们的探测系统和新方法，准确地测出了GaAs材料在77K时E0+Delta0临界点的能量为1.853eV，与其他方法，如调制光谱方法测出的数值非常吻合。非常重要的是，我们还探测到了N组分仅为0.1％的GaAsN材料的E+和E0+Delta0临界点的能量。
利用本方法，我们还测量了671、633、593和488nm等激光激发的N组分为0.1％和0.22％的GaAsN半导体合金材料的低温显微光致发光谱，如图3所示。可以看出，由于671nm激光能量最靠近E0+Delta0临界点，用671nm激发的荧光峰主要对应于材料的E0+Delta0临界点，而E0+Delta0临界点在高能量激发时信号非常弱，因此488nm激光激发的荧光峰对应于材料的E+临界点。633nm和593nm激光激发的光致发光谱则是E0+Delta0和E+荧光信号的叠加。这样，利用E0+Delta0和E+不同的激发光依赖关系，可以进一步指认这些荧光峰的物理根源。
由于一定带隙的半导体材料对不同激发光具有不同的吸收系数使得不同波长的激光对材料具有不同的穿透深度。通过选择不同波长的激发光测试外延材料的高阶临界点的光致发光峰，就可以避免衬底信号对外延层半导体材料的影响。
图2中一些尖锐的光谱信号是GaAsN半导体合金材料的拉曼信号。当“↓”标记的荧光峰非常靠近激发光时，一些布里渊区边界的声子模被拉曼信号共振探测到，这是典型的跟E+能级相关的共振拉曼现象。来源共振拉曼现象，则进一步肯定了“↓”标记的荧光峰来源于能级E+。
权利要求
1.一种探测半导体材料能带结构高阶临界点的新方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1在衬底材料上生长半绝缘的半导体材料，或者在样品生长过程中对半导体材料进行等电子掺杂，形成半绝缘的二元或三元合金材料；步骤2利用显微荧光光谱仪测试等电子掺杂后的半导体材料的低温显微光致发光谱；步骤3利用不同波长对半导体材料不同的穿透深度这一物理性质来消除来源于衬底的光谱信号对外延层等电子掺杂半导体材料光谱信号的影响，同时，利用各临界点光谱不同的激发光波长依赖关系对它们进行进一步的指认；步骤4在显微光致发光光谱的基础上，结合变激发光波长和变激发光强度和共振拉曼散射手段，确定半导体材料的高阶临界点。
2.根据权利要求1所述的探测半导体材料能带结构高阶临界点的新方法，其特征在于，其中显微荧光光谱仪配备长工作距离高倍物镜，以便提高入射到样品表面的激发光功率密度和进行低温光致发光光谱的测量。
3.根据权利要求1所述的探测半导体材料能带结构高阶临界点的新方法，其特征在于，其中样品的测试温度为常温以下。
全文摘要
一种探测半导体材料能带结构高阶临界点的新方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1在衬底材料上生长半绝缘的半导体材料或在样品生长过程中对半导体材料进行等电子掺杂，形成半绝缘的三元合金材料；步骤2利用显微荧光光谱仪测试等电子掺杂后的半导体材料的低温显微光致发光谱；步骤3利用不同波长对半导体材料不同的穿透深度这一物理性质来消除来源于衬底的光谱信号对外延层等电子掺杂半导体材料光谱信号的影响；步骤4在显微光致发光光谱的基础上，结合变激发光波长和变激发光强度和共振拉曼散射手段，确定半导体材料的高阶临界点。
文档编号G01N21/64GK1995980SQ200510130769
公开日2007年7月11日 申请日期2005年12月28日 优先权日2005年12月28日
发明者谭平恒, 徐仲英, 罗向东, 葛惟昆 申请人:中国科学院半导体研究所