用椭圆偏振光谱法研究GaxIn1—xP的光学性质（Ⅱ）

用椭圆偏振光谱法研究GaxIn1—xP的光学性质（Ⅱ） 用椭圆偏振光谱法研究GaxIn1—xP的光学 性质(?) 第34卷第1期 Vo1.34No.1 山东大学(自然科学版) IaImNA】OF~,NDONGUNIVERSITY 1999年3月 Mar.1999 ]>脯卜口 张淑芝张燕锋黄柏标黄根生秦晓燕 摘要用椭偏光谱法对用MGCVD方法在GaAs村底上生长的GIn1-xP掺Si 及掺Zn样品在室温下,可见光区得到的光学常数求其介电函数三级微商谱.将 用于分析调制反射谱的三点比例法推广,并用来分析介电函数的三毁微商谱.精 确地得到样品的带隙Eg,Eg+?0以及’g以上成对蛄构跌迁的能量位置及其 间隔.计算了E奢以及费米能叛的相对位置.将实验值与计算值比较, 异的原田,发现样品存在有序结构. 关键词介电函数三级微商谱;三点比例内插;毫壁堕塑 中图分类号椭编振元诣 铅馏 他雯 在以GInl一P材料为主体的光电二极管的研制过程中,为了实现光学限制需要测 量有关材料在可见光区的光学常数,应用所得到的吸收谱确定其吸收带睐精度不高, 有时相邻峰值混合造成峰展宽,使判别遇到困难.尽管反射光谱在吸收边以上的光谱测量 中有重要作用,反射椭偏光谱l1,2J在布儒斯特角附近测量,探测量又是反射光的振幅和位 相,精度比一般反射谱高得多,但仍属于静态谱,它们存在局限性.即静态谱上的特征反映 的是布里渊区中,能量简并的不同』I缶界点附近跃迁贡献的总和,迄今不存在直接将静态谱 结构对应的光子能量和基本跃迁联系起来的方法.调制光谱技术【3抑制了布里渊区中其 他广延区的贡献,突出了临界点对调制光谱的贡献,大大提高了分辨率与灵敏度.我们从 理论和实验两方面证明了,电场调制诱发样品介电函数的改变和静态时介电函数对能量 的三曲线呈现有正的和负的相互联系 的两个极值的线形.将电调制反射用微扰理论处理得 ?R/R=Re(ceiO&)(1) ?c是调制电场诱发的介电函数的变化,它有共振形式 ?e,(Eg一?一ir)一?2(2) 调制反射谱实验曲线的形状与(1)式所得理论曲线符合得非常好[.方程(1)中的0为位 相,C为振幅,r为峰展宽,Eg为能带隙,‰为光子能量,取可变参量,以方程(2)的理论 公式用最小二乘法拟台调制反射谱的线形,可以高精度的确定带隙Eg.定义三点比 p=一?R日/对应的能 量值. 利用量子理论和傅里叶变换,考虑到电场调制对介电函数的影响,通过一系列的运算 得到 ?c=[E2,(E)] 此式表示临界点附近,电场调制诱发样品相对介电函数的改变和它的三级微商成正比.只 要满足弱场条件(即微扰能量远小于系统特征能量Eg)电调制反射谱的线形就和电场无 关,完全决定于半导体本身的物理特性. 从实验上也发现,对同一样品的弱电场调制反射谱和由静态谱求得的介电函数三级 微商谱十分一致.Is]因此我们把三点比例内插法推广,用来分析由静态椭偏光谱得到的 介电函数三级微商谱.由于半导体能带结构临界点特性很大程度上决定其介电函数的虚 部,因此我们用介电函数虚部三级微商谱精确地确定E奢,+?o以及E奢以上成对结构 跃迁的能量值. 70山东大学(自然科学版)第34卷 (a) 圈1三个不同n值的三点比例系数f(p)随峰振幅比P 的变化关系 Fig.1Three.枷sealingpaf(p)?afimefion thepmnter~.tloP[orthzeeu罄ofn (2)【3) 圈2三个样品的升电函敷谱和三级维商谱(1)G%ln】P,(2)掺s.(3)掺.(a)舟电函数实部潜,(b)舟电函数虚 部谱.(c)舟电函数虚部的三级擞商潜. F2Thedie[ect~emmdthethirdderivativespec~forthzee~rr,ples(1)G~IntP,( 2)d0pedSi. (3)dopedZn(a)Repartofthedielectricfunctions(b)『竹Iag岫0fthedleleetricfL?lccjo【ls.(e)Thethirdderivative 印钟?atheag证larypart0fdielectricfunet~as OO0 b 第1期张赦芝等:用椭圆偏振光谱法研究Ga~|n】一P的光学性质(?)71 2结果和讨论 图2中(1),(2)(3)分别为用M(X2VD方法在GaAs衬底上生长的In1一,掺Si及 掺zn的3个样品,其中(.),(b),(c)分别为3个样品的介电函数谱的实部,虚部和介电函 数虚部的三级微商谱. 利用图1中=2.5的曲线.用三点比例内插法对图2(1),(2)和(3)中的(c)图计算 得到3个样品的Eg,Eg+?0以及Eg以上成对结构的能量位置.由Eg+?0和Eg之差 得到?0值,成对结构的间隔也为?0值,两个?0值的平均值为?0,都列于表1.为了比较, 利用双晶x射线衍射测定了样品中Ga原子的含量x值.用计算带隙的经验公式 E毒=1.351+0.643x+0.786x 求得3个样品的带隙Eg(计算值),利用量子理论计算了3个样品的?n值,用电化学C—V方 法测量了样品的掺杂浓度,并且计算了费米能级的相对位置,均列于表1.由表1可知3个 样品的带隙Eg的实验值和计算值之差均小于25meV,且实验值稍小于计算值.本征样品 的实验值为110meV,与用量子理论得到的计算值108meV非常接近,以上现象说明 此分析方法是正确的.掺si和掺zn样品?n的实验值分别为72meV和68meV,与未掺杂 的计算值107meV和106meV相差很大,说明掺杂引起?n值减小,其原因在光学性质 (I)中已作了解释.[光学带隙Eg对应电子或空穴从最高价带顶到最低导带底的跃迁, 表1图2中介电函数三级微商谱的分析数据及其比较 Tableiyzlandtheirtxmlt~nsonofthe山rdderivative spectraofdielectricEtmctlonsobtainedinng2 Eg在能带结构中为布里渊区中心点r处的E0I临界点,由于最高价带轨道一自旋互作用 72山东大学(自然科学菔)第34卷 引起此价带分裂为?o,分裂后的能级为和r8,到最低导带底r1的跃迁为E0,r8到 r1的越迁为Eo+?o.在2.2,2.4eV区域,三个样品均存在成对跃迁结构. 这种成:封?来源于材料在<110)方向&,In原子的有序排列(…凸&hIh凸h1hI…).反 映在能带图上导致最低导带几分裂为二能级,此时的和E0+?o就分别对应和 到分裂后的最低导带的跃迁,因此材料有序导致和+的降低.和到分裂后 较高的导带的跃迁就对应文中所说的Eg以上成对结构的跃迁.这种成对结构的能量差 也为?0.有序结构,掺杂以及实验条件变化等都会造成Eg的实验值和计算值的差异.为 了进一步验证实验结果,将本工作的Eo值及已发表的结果及InP,GaP的列于表2.由 图2可见3个样品成对跃迁结构的9脏不同,其振幅分刷为1603.7,6578.3,110.1,n型掺Si样 品(生长温度为720?)比其他两个样品(生长温度为680?)都高,这说明生长温度高的 样品的成对跃迁结构现象明显,表明生长温度影响材料的带问约化质量,随生长温度增 高,有序现象明显.而对掺和本征样品,尽管生长温度相同,但其振幅峰值前者较后者 小得多.掺Zn导致有序现象减弱. 掺si和掺zn样品的最低导带分裂值分别为380meV和377meV,高于本征样品的 343meV,这说明掺杂还引起最低导带分裂值的增宽. 表2由本工作得刊的临界点En值同其它巳发表值的比较 Table2CriticalpointenergyEgobtainedfromp8e呲work酬p wi出othergabl~hedvalues “Adaehiw口,lI吼w口,qC,athmsSchubert】.d车工作. 3结论 由以上分析可以得到以下结论: (1)利用椭偏法得到的光学常数,计算其介电函数三级微商谱,用三点比例内插法对 本征样品三级微商谱分析得到带隙Eg和?0.它们的实验值和计算值符合得很好,说明此 种方法是分析静态椭偏谱的有效方法,值得推广使用. (2)用以上方法分析得到三个样品在2.2,2.4eV范围内均存在成对跃迁结构,提 出四能级模型作了解释,表明材料存在有序结构,它导致能带图中最低导带发生分裂,使 带隙Eg降低,考虑此种因素后,Eg的实验值和计算值符合的更好. (3)对M0:,,D方法生长的样品在680,720?范围内,生长温度越高,有序现象越 明显. 第1期张淑芝等:用椭圆偏振帅n_蚰砷捌bypico啪p0puIat眦dI衄l啪specwosco~.ApplP}L眦,l982;40《10):8B5 4蛳瞄DE.RoweJEHgh-remlutioainterband-~ergym瞄乩【咖协from山口r钟spec’~.P|RevLett. 1971;27《4){188 5沈学础.半导体光学性质北京-搴}学出版社,1992 6张般芝,张燕锋.黄柏标等.用椭圆偏振光谱珐研究C,a~In1一P的光学性质(I).山东大学(自拣科学版), 1998:33(4):410~415 7Adachi.M0dddldec~-ie?n螂n协ofG,GaAs,GaSb.[nP.InAsand幽PIlRex,.1987;35:7454 8bouquetJE.Robl~-,sVM.RosnerSJUnusualIgopertiesofpho岫lmrI凹c哪cefmmpartiallyon:feted55P.Appl Phv宣LEH.1~90;57:1566 9Sehube~Mathiss,Gotueh~ehV.H~-angerCra_喀M,el.Optical?ns协rI协of(;ajIPlatticematchedtoGaAs. JApplPhys.1995;77(7):3416 SrUDYONTHEOPTICALPROPERTIESOF Ga~InlPBYTHEELLIPSOMETRICSPECTROSCOPY(?) ZhangShuzhi,ZhangYanfeng (Dept.0,Optics,Sf~andongUniv.,Jinan) HuangBobiao,HuangGel1s}?1g,QinXiaoyan (StateKeyLab0,CrystatMaterials,S~anao.gUniv.,Jinan) ]rheopticalconstantsofthe&peaSiorZnGa~In1PsamplesgrownbyMOCVDon theGaAssubstratesweremeasuredatix3omtemperab1inthereg~aofvisiblelightby? theellipsometriespectroscopy.ethirdderivativespectraoftheopticaleonstanl~e’#8.1- uated.Extendingthethreetxfint-scali~gusedintheanalysisofthernodu1atedreflectivespec— trum.thethirdderlvativespectraofthedielectricfunctionscanbeanalyzed.Therebythe8C- etwateEg,Eg+andtheenergypositionanditsgapofthepaired8trLl~llreaboveEg.Were obtained.EgandthepositionoftheFermienergylevelwalsocalculated.]rhepen?l_ talandtheoreticalvalueswereeomparedandthereas0nofdifferencebetw~enthemwasar1a一 】vzed.Theexistenceofordered8tructl/reofsampleswasfound. Keywordsthirdderivativespectraofthedielectricfunctions;three-pointsca1 irIg;ordered Structure