熒光法測(cè)定半導(dǎo)體禁帶寬度的探討

　　光學(xué)帶隙或禁帶寬度是半導(dǎo)體材料的一個(gè)重要特征參數(shù).本文以幾個(gè)具有代表性的 InGaN/GaN 多量子阱結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，深入探討了熒光法測(cè)定某個(gè)目標(biāo)溫度下 InGaN 阱層的光學(xué)帶隙所需要滿(mǎn)足的測(cè)試條件.由于 InGaN 阱層是一種多元合金且受到來(lái)自 GaN 壘層的應(yīng)力作用，所以該阱層中不僅存在著雜質(zhì)/缺陷相關(guān)的非輻射中心，也存在著組分起伏誘發(fā)的局域勢(shì)起伏以及極化場(chǎng)誘發(fā)的量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE).因此，為了獲得目標(biāo)溫度下 InGaN 阱層的較為精確的光學(xué)帶隙，我們提出了熒光測(cè)量至少應(yīng)滿(mǎn)足的測(cè)試條件，即必須消除該目標(biāo)溫度下非輻射中心、局域中心以及 QCSE 對(duì)輻射過(guò)程的影響.盡管這些測(cè)試條件尚有待于進(jìn)一步被完善，但期望本測(cè)試方法能夠?yàn)榘雽?dǎo)體光學(xué)帶隙測(cè)量提供有價(jià)值的指導(dǎo)或思路.

　　關(guān)鍵詞：光學(xué)帶隙，熒光，非輻射復(fù)合，局域效應(yīng)，量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)

　　時(shí)凱居; 李睿; 李長(zhǎng)富; 王成新; 徐現(xiàn)剛; 冀子武 物理學(xué)報(bào) 2021-12-17

　　1 引言

　　光學(xué)帶隙或禁帶寬度是半導(dǎo)體的一個(gè)重要特征參數(shù)，它反映了價(jià)電子被束縛的強(qiáng)弱程度和光學(xué)性能的優(yōu)劣，也決定了影響其光學(xué)性能等所需要的外界條件[1–3].因此，在光學(xué)研究中，測(cè)定一種新型半導(dǎo)體材料的光學(xué)帶隙對(duì)于了解其結(jié)構(gòu)特性、光學(xué)特性和實(shí)際用途具有重要的物理意義和現(xiàn)實(shí)意義.目前，常用的光學(xué)測(cè)試方法主要有吸收光譜法(或透射光譜法)[4–6].該方法因其操作過(guò)程簡(jiǎn)單易行，而被相關(guān)研究者所廣泛采用.然而，在實(shí)際應(yīng)用中上述方法也存在著一些難以克服的缺點(diǎn)：1)對(duì)于生長(zhǎng)在窄帶隙襯底上的外延材料或結(jié)構(gòu)而言，還必須事先進(jìn)行襯底剝離才能進(jìn)行上述測(cè)量，但這個(gè)剝離過(guò)程耗時(shí)費(fèi)力，并有可能導(dǎo)致樣品的損傷甚至損壞;2)如果外延層是由不同帶隙的多層材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，那么其它層的吸收也會(huì)對(duì)目標(biāo)層的測(cè)量造成不可忽視的干擾;3)利用公式 αhν = A(hν-Eg) p[4]對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的透射譜的吸收邊進(jìn)行擬合以確定能量帶隙時(shí)，有時(shí)會(huì)因?yàn)槲者叺牟灰?guī)則而難以完美擬合并因此造成較大的測(cè)量誤差[5];4)由于上述測(cè)量使用的是寬光源，相應(yīng)波長(zhǎng)的輸出功率較小，這樣也會(huì)影響測(cè)量精度[6].

　　熒光(光致發(fā)光或電致發(fā)光，即 PL 或 EL)測(cè)量是研究探討半導(dǎo)體發(fā)光材料或器件的結(jié)構(gòu)特性和光電特性不可或缺的重要手段[7,8].利用熒光法測(cè)定半導(dǎo)體材料的帶隙寬度，在一定程度上可以克服前述透射光譜法的固有弊端，同時(shí)也能夠深入地洞悉該材料的結(jié)構(gòu)特性與光學(xué)特性的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，揭示載流子的產(chǎn)生、傳輸和復(fù)合發(fā)光過(guò)程的動(dòng)力學(xué)機(jī)制 [9,10].因此熒光法也是測(cè)定半導(dǎo)體帶隙寬度的一個(gè)理想候選方法，并且已經(jīng)有許多研究將熒光峰位能量默認(rèn)為禁帶寬度并結(jié)合維加德定律(Vegard’s law)計(jì)算出相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)[11–14].然而，上述將熒光峰位能量簡(jiǎn)單地看作是禁帶寬度的做法并不十分妥當(dāng)，這是因?yàn)樵诤芏嗲闆r下樣品結(jié)構(gòu)的不完美會(huì)導(dǎo)致峰位能量與禁帶寬度之間出現(xiàn)較大的偏差.如我們所知，由于生長(zhǎng)工藝的不成熟以及合適襯底的缺乏，致使所獲得的半導(dǎo)體材料的結(jié)晶質(zhì)量或結(jié)構(gòu)質(zhì)量不夠完美，如雜質(zhì)/缺陷相關(guān)的非輻射中心的存在[15,16]，多元合金中組分起伏相關(guān)的局域中心的存在[17,18]，以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)中晶格失配所誘發(fā)的量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)的存在等[19,20].這些因素都會(huì)使得輻射能量發(fā)生紅移并導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果和實(shí)際帶隙(即本征帶隙)之間存在著較大的偏差，即所謂的斯托克斯位移(Stokes shift).因此，如何優(yōu)化熒光測(cè)試條件以減小或避免上述因素的干擾或影響，是獲得較為精確測(cè)量結(jié)果的關(guān)鍵.

　　光學(xué)帶隙也是溫度的函數(shù).對(duì)于本征半導(dǎo)體，它遵從瓦氏尼定律(Varshni law)，即依賴(lài)溫度的禁帶收縮效應(yīng)[21,22].在本研究中，我們采用熒光測(cè)量方法，重點(diǎn)探討了典型目標(biāo)溫度下具有代表性結(jié)構(gòu)特征的半導(dǎo)體帶隙測(cè)定應(yīng)滿(mǎn)足的測(cè)試條件，即常溫(300 K)條件下 InGaN/GaN 多量子阱結(jié)構(gòu)中 InGaN 阱層的光學(xué)帶隙測(cè)定應(yīng)滿(mǎn)足的測(cè)試條件，以期獲得較為精確的光學(xué)帶隙測(cè)量結(jié)果.

　　2 實(shí)驗(yàn)方法

　　本研究所涉及的幾個(gè)樣品(包括綠光樣品 SG1 和 SG2 以及藍(lán)光樣品 SB)均為基于 InGaN/GaN 多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管(LEDs)，并且都是通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法在藍(lán)寶石襯底或硅襯底上外延生長(zhǎng)而成.其制備過(guò)程簡(jiǎn)述如下：以三甲基鋁(TMAl)、三甲基銦(TMIn)、三甲基鎵(TMGa)、氨氣(NH3)、硅烷(SiH4)和二茂鎂(Cp2Mg)分別作為 Al、In、Ga、N、Si 和 Mg 的源，并在襯底上依次生長(zhǎng)低溫成核層、非故意摻雜的 GaN 層、Si 摻雜的 n 型 GaN 層、InGaN/GaN MQWs 層(即有源區(qū))、Mg 摻雜的 p-AlGaN 電子阻擋層和 p-GaN 接觸層.芯片面積為 1.16 mm × 1.16 mm.樣品結(jié)構(gòu)及具體參數(shù)分別如圖 1 和表 1 所示(具體細(xì)節(jié)可參見(jiàn)文獻(xiàn)[23–26]).

　　同時(shí)，所涉及的與上述樣品相關(guān)的 EL 數(shù)據(jù)，也皆為來(lái)自我們以前的研究工作 [23-26].這些 EL 數(shù)據(jù)主要包括： 1)不同注入電流下 EL 譜的溫度依賴(lài)性;2)目標(biāo)溫度(300 K)下 EL 譜的注入電流依賴(lài)性.對(duì)于上述測(cè)量，樣品被置于封閉循環(huán)液態(tài)氦(He)制冷的樣品室內(nèi)，溫度可調(diào)范圍為 6 至 350 K.一個(gè) Keithley 2400 源表被用作激發(fā)電流源，可調(diào)電流范圍為 0.01 至 350 mA.來(lái)自樣品的信號(hào)經(jīng)過(guò)匯聚透鏡收集后進(jìn)入 Jobin-Yvon iHR320 單色儀，并經(jīng)單色儀分光后由熱電制冷的 Synapse CCD 探測(cè)器進(jìn)行探測(cè).

　　3 結(jié)果和討論

　　圖2顯示了注入電流為5 µA時(shí)一個(gè)基于InGaN/GaN 多量子阱結(jié)構(gòu)的綠光樣品(SG1)和一個(gè)基于 InGaN/GaN 多量子阱結(jié)構(gòu)的藍(lán)光樣品(SB)的 EL 峰位能量和線寬的溫度依賴(lài)性.由圖 2 可見(jiàn)，綠光樣品 SG1 的峰位能量和線寬都顯示了一個(gè)近似的“V-型”(增加降低)溫度依賴(lài)行為;相比之下(圖 2 的插圖)，藍(lán)光樣品 SB 的峰位能量則顯示了一個(gè)“S-型”(降低-增加-降低)溫度依賴(lài)行為，同時(shí)它的線寬顯示了一個(gè)近似的“W-型”(降低-增加-降低-增加)行為.這兩個(gè)樣品的上述行為均可被歸因于 InGaN 阱層中組分起伏所誘發(fā)的勢(shì)起伏以及由此產(chǎn)生的載流子復(fù)合的局域特征[27,28].然而，相比之下，綠光樣品 SG1 應(yīng)當(dāng)有一個(gè)更強(qiáng)的載流子局域效果，這是因?yàn)樵诟邷胤秶鷥?nèi)(大于 200 K)藍(lán)光樣品 SB 所展現(xiàn)的峰位能量隨溫度降低的行為近似地遵從自由載流子的一般熱化過(guò)程(即遵從 Varshni 方程