用椭圆偏振光谱法研究GaxIn1—xP的光学性质（Ⅰ）

用椭圆偏振光谱法研究GaxIn1—xP的光学性质（Ⅰ） 用椭圆偏振光谱法研究GaxIn1—xP的光学 性质(?) 第33卷第4期 . 33No4 山东大学(自然科学版) JOURNALOFS~2~DONGUNIVERSITY 1998年12月 Dec.1998 ()一 用椭圆 的光学性质(工)?.l/ ; 黄伯标V黄根生秦晓燕 (山东大学晶体材料国隶重点实验室) 摘要用变入射角椭圆偏振技术测量了用金属有机气相沉积(MOCVI))在 GaAs村底上生长的GaIn,一P以及掺s和掺样品在可见光区室温下的光学 常数.对其结果进行了讨论,给出了带隙和跃迁+?.的能量值,?.的实 验值与计算值符合的很好. 荤詈脯化辛i佯中国分类号o472fuJ』一 辱嘎,.. caInP是宽带隙(一1.90eV)化合物半导体材料,由于它的发光效率比一般的发 光材料高达5O倍,因此成为具有广泛应用前景的,在可见光区发光的光电子材料.虽已有 多种方法制备此种材料,但材料的性质随制备条件的不同而改变.材料性能的测试目前采 用的方法有调制反射光谱法,h,21光致发光法,x射线衍射法,E4]自发发射法等.在 器 件的设计中为实现光学限制要求考虑其折射率,因此对其光学常数的测定势在必行.反射 式椭圆偏振光谱法是最近一,二十年发展起来的,是一种可同时测定薄膜的厚度d,折射 率n,消光系数k的有效方法.我们用此种方法在室温下对GaAs衬底上生长的 Gah1.一P(本征),掺Si(n型),掺Zn(P型)3个样品进行了测量与计算,并对结果进行了分 析与讨论. 1理论 复反射比P=R/,Rp和分别为平行(p)和垂直(s)于人射面的偏振光的反射系 数.对吸收衬底上的吸收膜我们导出了.和R以及费涅尔公式的示式. 定义 ?八六三资助项目 稿日期:l998_01.12 第4期张敞芝等:用椭圆偏振光谱法研究Ga,InP的光学性质(I)41l 1】+i【, 22+i2, 】+ivjIcosO】, 2+iv2=r22COS, =2:~dl2,, ,=cos2u1口+isin2u 和分别为薄膜和衬底的复折射率,d为膜的厚度 光在01和l2分界面的费涅尔反射系数. n0CO$oo一(I+iv】) l+' (?】+i口I)一(2+iv2) (?' P,s分量的总反射系数 月一2!= 一1+r删Pr】lexp(一2v】)' 月一!!=! 一1+r0】r】2lexp(一2v1口)' 复反射比与椭偏角,?相联系 D=tan~-e 椭偏测量结果常表示为 = (矗.,) ?=?(矗,) 这里的为光子能量,o为人射角,i和分别表示频率和入射角的改变. 由于上述方程是非线性复数方程,一般无解析解,故采用数值反演方法求解,根据 椭 偏测量的实际,对实验数据均方差处理,采用更为有效的目标函数 MSE r+【r ,?为数值反演得到的计算值,",?为实验值,扎,以为实验数据的均方差 = 了 .....!...................一 (N一1)i=1.2,…?X=,? 当反演计算得到的目标函数最小时,循环变量值为方程的解.由此可得到膜的表观 折射率 n,消光系数和膜厚d. 吸收系数 振 啸 和 P 为 剐 分 r |导 r P 堕 ,=1h 辨 4l2山东大学(自然科学版)第?卷 2实验 2.1样品 用MOCVD方法,生长时间10min,在GaAs衬底[100]方向,向[1】0]方向偏移2,4.左 右生长,3个样品分别为GaInP(本征),掺si(n型)和掺Zn(p型).其生长温度分别为680 .c,720.c和680?.用本实验的测试方法在^=632811121下测得膜厚分别为4385tim, 5174tim,498.4nm.用双晶x射线衍射测得分别为50.o%,51.1%和52.9诏.用电化学 c—方法测得掺si浓度为48×10"/cm3,掺zn浓度为l×10/c. 2.2测量与计算 用单波长^=632.8nm椭偏仪在布儒斯特角附近选择几个不嗣入射角测得.,., 每个数据重复测量六次求其均方差,.每两组不同人射角的数据组台进行反演计算, 得到膜厚d和此波长下的n和k.当精确确定膜厚d以后用消光式椭圆偏振光谱法.测量 不同波长下的,值,再进行反演计算(膜厚作为已知量)得到表观折射率n和表观消光 系数. 3结果与讨论 利用波长^:632.8tim下的测量数据用文献[7]的类似方法,对实验样品的表面氧 化层作了计算,发现膜的表面氧化层的厚度在3nm左右,对其膜层的折射率n和消光系数 的影响不大,所以以下就以表观折射率n和表观消光系数表示膜的折射率和消光系 数. 由图l可知3个样品的折射率曲线在不同的范围内起伏变化.(n)在25,3.5范围 内起伏,(6j在3.0—3.5范围内起伏,变化幅度较小,但平均折射率值较大,(c)在2.0— 30范围内起伏,平均折射率值最小.(n)和(c)样品的生长条件相同,可见掺杂能明显改 变其折射率值,由此可根据需要掺杂不同成分使折射率满足器件设计要求. 由图l可知3个样品的折射率曲线在光子能量为2.0ev附近均出现明显的反常色散 由克喇末.克朗尼格的n,之间的K-K关系 区,这表明此范围内有吸收跃迁过程. 令 j‰a【s], =?= 专) 经分部积分,并考虑在一*时()为有限值(趋近于o),于是得 = 詈js 第4期张淑芝等:用椭圆偏振光谱法研究G钆InL一P的光学性质(I)413 式中lg[(?+?)/(叫一叫)]起着权重函数的作用,当叫一?时,对数值很大,当叫远离 所研究频率.时,对数值迅速减小,因而使得.附近的吸收系数的变化d./do,对积分有 最大贡献.半导体带间跃迁吸收边附近的吸收系数随频率变化很快,上式积分有极 大值, 即n()在该频率处有一极大值.图1的(.)和(c)中在反常色散区的左侧折射率曲线出 现明显的峰值,(b)的峰值不明显,但也有小的波动.)由以上可知在20eV下有吸 收跃迁过程 ,reV 圈1三十样品的折射率月随光子 能量的变化关系 (a)GalnP(本征),(b)掺Si(n型),(c)掺Zn(P型) FiglDependenceo『therefraelive;ndex" forthreesamples帅the ~ergyofphonons.(a)GalnP(intfi**si~), (b)d~edSi(n*ype),(c)Zn(ptype) 圈2图l中样品的吸怍系数口 随光于能量的变化关系 Fig2Dependenceoftheabsorptivecoefl~teiettl. forthes~lplesusedinFigl lmtheener~ofDh…‰ {, 由图2可知三个样品的吸收系数均超过10'cm,,这与半导体本征吸收区的吸收系数 有相同的量级,在低能一侧有显着的降低,达Ion量级,表现出吸收带隙的特征.在 (.)和(c)中分别标出吸收边皤和跃迁皤+?.的位置.(b)的有关峰值混在一起形成峰 414山东大学(自然科学版)第33卷 展宽,无法指认.但由其介电函数三级微商谱(将另文发表)可精确确定和皤+?o的 能量值.为了比较,利用实验样品的值,由文献[8]的量子理论计算得到?.值及将1.21- 得到的和+?.值列于表1. 表1图2中三个样品的实验值和理论值的比较 "J'abIelCompari~nbetweentheerperlmentalvaluesobtainedbyfh|? ~plesusedinFig.2arIdthetheoreticalo 从表1中可以看出,由c丑InP(本征)样品的值计算得到的?.值108meV,实验值 为l10mev,两者符合得很好,说明我们由吸收曲线指认的和+?.的位置是正确 的. 掺si和掺zn样品的?.实验值比各自的未掺杂的计算值都小,显然是由于掺杂引起 的用群论分析自旋一轨道耦合引起的价带分裂,得到结论:重元素的分裂要比轻元 素的大.把这一结论推广到掺杂情况中来,掺杂元素si和zn均比它们要取代的Ga,In元素 轻(si虽为两性杂质,可以在两种晶格位置上,但其在?族晶格位置上的溶解度比在族 上的大,即主要占据?族晶格位置)所以掺杂样品的值减小.而zn又略重于si,因此 掺Zn样品的?值又比掺si的略大一些.然而掺杂浓度很低,?.的减小如此明显决不单 纯因为元素轻重之差,至于掺杂引起?.值减小的更深入的道理有待进一步的研究. 在图2的(0)和(c)中,咯和如+?.两峰之问有一峰,它们的能量分别为1.86eV和 1.95ev,这是样品中存在InP岛状微晶区导致的吸收. 至于图l和图2中的其他峰值的分析将另文发表. 4结论 由以上分析得出以下结论; (1)掺杂可以明显的改变样品的折射率范围,掺si样品的平均折射率比本征样品的 大,掺zn样品的平均折射率比本征样品的小,因此在器件设计中可根据需要掺杂不同元 素,实现折射率可控. (2)由本征样品的吸收曲线求得?.值与计算值符合得很好,表明对和+?.的 指认是正确的. 第4期张淑芝等:用椭圆偏振光谱法研究CaInP的光学性质(I)415 (3)掺杂使样品的值明显减少. 参考文献 MasahikoKmd,Hi~dfiKakibay~hi,s8? Minaga'~aInfluenceofgrowthttmlperatureollcrystallines~ttcturein‰jIj Pgrown~~ganomeudlinphaseepitaxy.API1bert.1988;53(21)::2053 McdermottBT.ReidKC.E-MasryNA,alAtcnnie 【epimxy0fGainP~deredApplPlaysLett.1990;56(12J:1172 Ddo兀gMC.n0rPC,ExdtafimintensitydependencePI10[durTIi?inG 日.s2]no4BPApplPhysLett,1990;57(6):620 DelongMC.MowbmyDJ,HcggRA,da/Bandg印Df"ec.mplet由disorder"G日.52I*PApptPhysbert,】565(23):3158 Weisu—Hu?.^IzugcSwainb帅the印咖印嗍dlnhP.Paysbert.1994;64(6)1 张搬芝,魏曼位,邵秀娥用消光式椭圆偏振光谱法测量掺钇1]雌的光学性质.红外 研究,1988:(7A):310 李傲英非镜面膜的椭偏研究光学.1992;12(10)94】 张搬芝,王志刚, BertCA.BlduG,LaugierA.Electrcanfl~ctanceandbands~ttcture0fIn1xPalloysPhysRB,1 972;6:1301 李名复半导体物理学北京:科学出版杜.199t Kurtenb~hA,EbedK,ShitmaTNanosetdelnPjembeddedinInGaPApp】 P'bert.1995;66(3)36l STUDIESON皿0P?CALPR0PERr?ESOF GaInhPBYTHEELL1PSOMETRICSPECTROSCOPY(I) zh~ngShuzhi,ZhangYanfeng (Departmentof啦,ShandongUniv.,Jinan) HuangBobiao,HuangGenshen,QinXiaoyan (State研LabofCrystalMaterials,ShandongUn/v.,J/nan) OpticalconstantsofGaIn1. Pandthatdor~abysiorZnpreparedbythemetal-organize chemicalvaporphasedeposition(MOCVD)OntheGaAssubstrateweremeasuredbyusingt hevail— ableincident..glee11ipsanetlicspectroscopyInthevisibklight~gionatm0II1temperature.There— suitsobtainedwerediscussed.TheenergygapEgandthevalueofenergyEg+wereobtained. Thefittingbetweentheexperimentalandtheoreticalvaluesof?oisveryod Keywordsenergygap;eUipsomettiespectroscopy;wideningofthe 23456789