（凝聚态物理专业论文）znse薄膜的喇曼光谱和激子光谱.pdf

z n s e 薄膜的喇曼光谱和激子光谱 塑型丕系( 所) 超塞查物堡专业 学生姓名壁笾登导师姓名董：莶堕导师职称熬援 摘要 奉文采用分r 束外延( m b e ) 技术，在g a a s ( 10 0 ) 衬底上生长了厚度从0 0 4 5 岬 刨1 4l + t m 的z n s e 薄膜。x 射线衍射谱证实，随着薄膜厚度的增加，应变逐步 弛豫。利用r a m a n 散射分析z n s e 薄膜的应变变化和薄膜厚度的关系。发现在临 界厚度附近晶体的质量受到失配位错的影响最为严重。也观察到g a a sl o 声子 和声子等离f 体耦合模的相对散射强度随z n s e 外延层厚度的变化，表明 z n s e g a a s 界向处的费米能级与外延层厚度有关。 测量_ 低温卜样品的反射谱和光致发光潜，观察到轻重空穴的能级在不同应 变f 的分裂、移动和反转，以及激子极化激冗( p 0 1 a r i t o n ) 对反射谱的影响也 观察到束缚；敫j i 发光随着薄膜厚度的变化规律j 束缚在中性受主杂质上的束缚激 r 发光( i 峰) 陋着薄膜厚度的增加逐渐变弱直至消失，而束缚在中性施主杂质 i 一的束缚激_ j ，发光( 1 j 峰) 则随着厚度增加逐渐增强。7 天键亨：z n k ，喇基敞莳，激f ，光致发光 3 8 2 4 9 2 e x c i t o n s p e c t r aa n dr a m a ns p e c t r ao fz 鹉ef i l m s d e p a r t m e n to fp h y s i c s c o n d e n s e dm a t t e r p h y s i c s n a m e ：c h u a n x i a n gs h e n g t e a c h e r ：p r o f e s s o r d a r n i n gh u a n g a b s t r a c t ： z n s ef i l m so ft h i c k n e s sf r o m00 4 5 14 i t m w e r e g r o w n 0 1 1 g a a s ( 1 0 0 ) s u b s t r a t e st h ex r a yd i f f r a c t i o ns p e c t r as h o wt h a tt h es t r a i ni nt h ef i l mr e d u c e sw i t h i n c r e a s i n gf i l mt h i c k n e s sr a m a ns p e c t r ai n d i c a t et h a tt h es t r u c t u r ed i s o r d e rp r o d u c e d b ym i s f i td i s l o c a t i o ni sv e r yi m p o r t a n tf o rt h el a y e ra r o u n dc r i t i c a lt h i c k n e s si t i sa l s o o b s e r v e dt h a tt h ef e r m il e v e la tz n s e g a a si n t e r f a c e c h a n g e s w i t hz n s e l a y e r t h i c k n e s s t h ee n e r g y s p l i t ，s h i f t ，a n dr e v e r s i o no ft h eh e a v ya n dl i g h th o l ee x c i t o n sa r e o b s e r v e di nt h el o wt e m p e r a t u r er e f l e c t a n c ea n dp h o t o j u m j n e s c e n c e ( p l ) s p e c t r a t h e p r o p e r t i e s o ft h eb o u n de x c i t o n sp la r ea l s of o u n dt o c h a n g ew i t hf i l mt h i c k n e s s a c c e p t o r b o u n d e x c i t o nl i n e ( 1 1 ) i sd o m i n a t e di nt h ep ls p e c t r ao f t h et h i n n e s tf i l mi t s i n t e n s i t y d e c r e a s e s g r a d u a l l y w i t h i n c r e a s i n g i nf i l mt h i c k n e s s m e a n w h i l e ，a n e n h a n c e m e n to fn e u t r a l d o n o r b o u n d e x c i t o n l i n e ( 1 2 ) w i t h t h ef i l mt h i c k n e s si s o b s e r v e d k e yw o r d s ：z n s e r a m a ns c a t t e r i n g ，e x c i t o n p h o t o l u m i n e s c e n e e 第一章：引言 i i v 1 族化合物从广义角度讲，其+ 2 价元素除主族i ia 元素外还 包括许多具有+ 2 价态的副族元素，如z n 、c d 、h g 等。i i v i 族化 合物种类仁富，能隙变化范围也较厂，有用于红外探测器的h g c d t e 等 材料，电有用于蓝绿发光器件的宽禁带z n s e 等材料。1 9 9 1 年，美国 3 m 公司研制成功世界上第只7 7 k 脉冲工作的z n c d s e z n s e 量子阱蓝 绿激光二极管( l d ) 【】o 日本s o n y 公司在此基础上提出了种新型四 儿合金z n 、m g 。、s y s e l ，【12 ) ，以改善晶格匹配、载流子限制和光限制， 并实观j 事温激射。1 9 9 6 年报道的室温工作的激光器寿命达到1 0 0 个小时，i ：作电压为4 2v 13 】；同年，基于紫外光波段的z n o 量子点 也做出j 7 圯泵激射【t4 】。大多数六、七十年代己开始研究的i i v l 族 材料，睡某些方面的独特性质商到最近才被一点一点地揭开。 矧11 给出z n s e 、c d s e 、z n s 、m g s e 、m g s 以及相关的化合 物重要的物理参数：室温禁带宽度和晶格常数。 2 oi l l v 族相比，【i v i 族材料的自由激子束缚能要大得多，一 般j 退t 儿m e v ，如果加j ：量f 限制效应，可进一步增加激f 束缚能， 以实现率湍卜的激子发光。但是，与s i c 、g a n 等蓝绿发光材料相比， 前1 1 一v i 族材料对器件应用的最大障碍可能是热老化性能不佳，以 及1 1 1 一v 1 段衬底与1 1 一v l 族外延层的界面问题。 z n , s e 足种典型的1 1 一v i 族宽禁带半导体，且如图1 1 所示，她的 祭带宽艘n ：临光范围，和1il v 族半导体6 a a s 之问存在着0 2 5 的晶 格灾配。所以，外延在6 a a si ：ii v i 族材料通常以z n s e 做为缓冲层， 。1z n s e i 沸臌乍长在g a a s 衬底上时就会存在应变。随着薄膜厚度的增 加，府变逐渐弛豫， 产q 二位错z n s e g a a s 异质界商的存在，应变以 b a n d g a pe n e r g y ( e v ) 图11a 某些i i v i 族化合物在i i k 时的品格常数 幽1 1 b li - - v l 族化合物能带排列小意图 一一芒e3cou o皇】3 及应变引起的位错对z n s e 外延材料的光学、电学性质有重要的影响 【1 5 ， 因此，人们采用诸如x 射线衍射 1 6 ，透射电镜和高分辨电子 显微镜 1 7 ，微波磁阻测量 1 8 ，等方法来研究生长在g a a s 衬底上 的z n s e 薄膜的应变、缺陷、电学和其他特性。 r a m a n 散射不仅是表征外延层质量和测量外延层性质的重要手 段，而且也是研究表面和界面能带结构的有力工具，laf a r r o w f l9 1 和n v a s i l y 等人 11 0 1 运用r a m a n 散射手段研究不同钝化条件下 g a a s 和窖气界面的费米能级，以找到某种处理方法来改变g a a s 器件 的电学性质。同样g a a s 和z n s e 的界面态也对器件的电学性质和光学 性质有重要的影响，r a m a n 散射的结果可用来分析不同生长条件下 g a a s 和z n s e 的能带排列【11 1 ，11 2 1 。 本论文利用r a m a n 光谱，反射光谱和发光光谱研究z n s e g a a s 异 质结构的特性，包括应变特性、异质结能带弯曲、以及激子特性。下一 章介绍z n s e 漕膜的m b e 生长，内容还包括采用反射谱和扫描电镜对 厚度的柄、定、x 射线衍射对应变的测量。第j 二章给出样品的r a m a n 散 射谱和显微r a m a n 测量的结果，分析了薄膜的弛豫过程，同时讨论了 g a a s 在界面处的能带弯曲随外延z n s e 厚度变化的物理图象。第四章 讨论j 7z n s e 薄膜的激子光谱，在反射光谱中观察到轻重空穴分裂和激 r 极化激儿的存在，而束缚激子在发光谱中，随着厚度的增加出现有规 f = 的蛮仲。 参考文献 l1 1 mah a s s e ，j q i u ，j md e p u y d t ，a n dh c h e n g ，b l u eg r e e nl a s e rd i o d e s a p p ip h y sl e t t 1 9 9 15 9 ( 11 ) 1 2 7 2 1 2 7 4 1 2 】ho k u y a m a ，kn a k a n o ，tm i y a j i m a ，a n dka k i m o t o ，e p i t a x i a lg r o w t ho f z n m n s s eo ng a a ss u b s t r a t eb ym b e ，j a pj a p p l p h y s 1 9 9 1 3 0 ( 9 b ) ： l 1 6 2 0 1 6 2 3 l 3 ls o n yc o r p o r a t i o n ，c o m p o u n ds e m i c o n d u t o r ，1 9 9 6 ，2 ( 2 ) ：7 l 4 l y up 、t a n gz k ，w o n gg k ，e ta l ，r o o mt e m p e r a t u r es t i m u l a t e de m i s s i o nf r o m z n oq u a l l t l m ld o tf i l m s i c o n f e r e n c ep a p e r j2 3 r di n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo n t h ep h y s i c so fs e m i c o n d u c t o r s ，w o r l ds c i e n t i f i c ，p a nv o l2 ，1 9 9 6 ，1 4 5 3 6 v o l2 s i n g a p o r e l 5 】ks b a h z a d ，e x c i o n i ct r a n s i t i o n s z n s ee p i l a y e r sg r o w no ng a a s ，p h y sr e v b ，1 9 8 8 ，3 8 ( 1 2 ) 8 3 0 9 8 3 】2 l 6 l lhc a l d e r o n ，ell u n a ，j l u y o ，e ta ll n v e s t i c a t i o no ft h es l r u c t t t r a lp r o p e t i e s o fm b eg r o w nz n s e g a a sh e t e r o s t r u c t u r e s ，c r y s tg r o w t h 1 9 9 7 ，1 7 5 1 7 6 ： 5 7 卜5 7 6 i 7 l yc h e n x l m ，ew e b e r ，e ta l ，s t r u c t u r e sa n de l e c t r o n i cp r o p e r t i e so fm i s f i t t h s l a c a t i o n si l l z n s e g a a s ( 0 0 1 ) b e t e r o j u c t i o n s ，a p p lp h y sl e t t ，1 9 9 4 ，6 5 ( 5 ) 5 4 9 5 5 l 1 8 l土宗欣，诸幼令，占f | 古今，等z l l g e 多量子阱横向磁阻的无接触测量半 导体学报1 9 9 9 2 0 ( 1 0 18 7 7 8 8 l l 9 l l _ af a r r o w cj s a n d r o f f , a n d mc t a m a r g o ，r a m a ns c a t t e r i n g i n e a s u r e n a e n t so fd e e r e a s e ch b a r r i e rh e i g h t si ng a a s f o l l o w i n gs u r f a c ec h e m i c a l p a s s i v a t i o n ，a p p lp l a y s l e t t 1 9 8 7 ，5 1 ( 1 8 ) ：1 9 3 l 一1 9 3 3 1 1 0 1nb e s s o l o v ，m vl e b e d e v ，a n ddr z a h n ，r a m a ns c a t t e r i n gs t u 曲o fs u r f a c e b a r r i e r si ng a a sp a s s i v a t e di na l c o h o l i cs u l f i d es o l u t i o n s ，j a p p lp h y s 1 9 9 7 8 2 ( s 、2 6 4 0 2 9 4 2 j o l e g o ，e f f e c t so fz n s ee p i t a x i a lf r o w t ho nt h es u r f a c ep r o p e r t i e so fg a a s a p p lp 1 1 、sl e t t5 1 ( 18 ) ，1 4 2 2 - t 4 2 4 2 lp a g e s ma r e n u c c i ，o b r i o te t a l ，r a m a ns t u d yo fb a n db e n d i n ga t z n s e g a a si u t e r f a c e s ，j a p p lp l a y s 1 9 9 57 7 ( 3 ) 1 2 4 l 一1 2 4 8 4 第二章z n s e 薄膜的分子束外延生长和表征 2 1 z n s e 的基本性质 z n s e 是。种典型的1 1 一v l 族宽禁带半导体，在室温下( 3 0 0 k ) ，晶格 常数为5 6 6 7 6 a ，禁带宽度为2 6 9 8e v ，对应于波长4 5 9 4n m 的蓝 光。作为外延材料，z n s e 和g a s 之间的品格失配为0 0 0 2 5 t r a i n 二闪锌矿结构，所以般采用g a a s 作为衬底。下表给出z n s e 和0 a a s 的些物理参数。 表2 1 z n s e 和g a a s 的一些物理参数 2 1 2 3 。 $ 没有特殊说明是t 旨3 0 0 k 下的值。 z n s e g a a s 异质结构的应变特性可以分为三种情况：( 1 ) 当z n s e 薄膜的厚度小于0 2f m 时，z n s e 能够完全共度地生长在g a a s 衬底 上，由于z n s e 体材料的晶格常数大于g a a s 的晶格常数，z n s e 在生长 平面方向受到压应力，这种情况下，z n s e 薄膜是完全应变的。( 2 ) 当z n s e 厚度大r0 2l a i n 以后，应变开始弛豫并在外延层产生失配位错。随着 膜厚的增加，应变逐步减小。( 3 ) 在厚度超过1 岬以后，由晶格失配 而导致的应变已经完全弛豫但是由于g a a s 衬底的热膨胀系数小于 z n s e 2 4 ，在生长温度时不存在应变的状态，当样品冷却到室温或测 量温度时，又会因为收缩的不同在z n s e 中产生新的应变一在生长平面 方向的张应变。 2 2 分子束外延的生长 分r 束外延( m b e ) 是在超高真卒环境下的一种薄膜淀积技术。与其 它的材料+ e 长技术相比m b e 有b 突出的优点：( j ) 由于是在超高真空 环境下，因此可以利用许多测试技术对薄膜的生长作原位的监测，如反 射高能电子衍射( r h e e d ) ，俄歇电子能谱( a e s ) 和x 射线光电子能谱( x p s ) 等。( 2 ) 超高真空环境使得所生长的薄膜具有很好的单晶质量。( 3 ) 可以 通过控制束流来调节生长速率，从f m + e 长出超薄薄膜。( 4 ) 在较低的生 k 温度p ，u r 以避免异质结界面处的吒扩散，从而在界面处能够形成突 变的结构。 n ：本论史t 1 我们生长i j v l 族半导体的m b e 设备采i j 的是一套 小型分子束外延系统，图2 1 为其示意框图。其真空系统为典型的三级 级联系统。前级真空采用机械泵( 抽速8 升秒) 和涡轮分子泵( 抽速4 5 0 升秒) 。当主室暴露大气进行检修或更换源材料之后，先使用前级泵抽 气，并对主室进行腔壁烘烤，待真空度好转，达芝co_匕一。匝 膜厚的增加，z n s e 的信号增强。另外，从峰1 的衍射角随薄膜厚度的 变化可以看出z n s e 层的应变随厚度发生变化。利用峰1 和峰2 的角度 差，可以得到生长方向上z n s e 的品格常数a ，在这一方向上的应变由 s ：生二旦缝式给出，其中，“：。为体材料的晶格常数，在生长平面 d z n 方向，应变为s i2 百c i is - ，其中c - 和c ，。为z n s e 体材料的弹性常 数。z n s e 和g a a s 的晶格常数和弹性常数列于表2 2 ，在计算低温和高 温的晶格常数时已经考虑了整个温度范围内热膨胀系数的变化。 表2 2g a a s 和z n s e 体材料在室温、生k 温度和测试温度时的晶格常 数以及弹性常数。 体材料晶格常数( ；)弹性常数( 1 0 ”n m 2 ) 到2 5 a 给j 事温卜测量得到的五个不同厚度样品的生长平面方 阳1 - z n s e 的品格常数n ，值，图2 5 b 是对应的我们看到d = 0 0 4 5 i l m 样品的e 为( 10 0 t 3 , ，接近完全应变的情况随着薄膜厚度的增加， c 减小，说f 哪愚变始弛豫这变化与z n s e 的临界厚度值以及文献 f c o = w z n s ef mt h i c k n e s s ( p m ) 图25 a 平行平面方向品格常数随薄膜厚度的变化关系 引25 b 应变随薄膜厚度的变化关系 一一_lc1_coooll一-1 报道的结果一致【2 5 。最后，当厚度 ll l m 时，。，趋近于0 ，表明应 变已经完全弛豫。 当厚度 l 岬时，根据前面的讨论，由于热膨胀系数的影响，在生 长平面方向的应变应与薄样品时不同，为张应变。但图3 却没有直接给 出证据，主要原因是在室温下这一应变较d 、，由普通x 射线衍射的精 度、峰的展宽以及计算应变时所用的弹性常数的误差等造成上述残余张 应变很难用普通x 射线谱确定。但我们将在第四章表明残余张应变对 激子能级的影响可以从发光谱和反射谱中清楚的看到。 参考文献 21 r a m e s h w a rb h a r g a v a p r o p e r t j e so f m j 如b a n d g a pi i s e m i c o a d o c t o r s ( i n s p e c ，t h el n s t ir u t i o no fe 1e e t r i c a le n g i l l e e l s ，l o n d o n ，u k ，1 9 9 7 ) 22jl a n d o it b o r n s t e i n 。n u m b e r i c a ld a t aa n df u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i p si n s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ( s p r i t i g e r ，n e wy o r k ，1 9 8 2 ) ， g r o u pi i i v 0 1l7 ab 1 23 1 k o h k a w a t m 1 t s u y u ，a n d0 y a m a z a k i ，e f f e c to fb i a x i a ls t r a i no i l w x c t i o i l1u m i n e s c e n c eo fh e t e e r o e p i t a x i a lz n s el a y e r s , p h y s r e v b 1 9 8 88 ( 1 7 ) ：1 2 4 6 5 一1 2 4 6 9 【24 ty a o ，yo k a d a ，s m a t s u ie ta 1 t h ee f f e c to fl a t t i c ed e f o r m a t i o n o n o p t i c a lp r o p e r t i e s a n dl a t t i c e p a r a m e t e r s o fz n s e g r a w a o n ( j 0 0 ) 6 a a s ，jc r y s t g r o w t h1 9 8 7 。8 1 ( 卜4 ) ：5 1 8 5 2 3 25 】djo l e g o ，ks h a h a z d ，j p e tr t l z z e l l o ，e ta i ，d e p thp o f i l i n go f e la sl 1cs t r a i n si nl a t t lc em i s m a t e h e ds e m i c o i l d u c f o r l i e te r o s t u c t u r e sa n ds t r a i n e d 1 a y e ts u p e r l a lt i c e s p h y s r e vb 9 8 7 3 6 ( 1 1 ) ：7 6 7 4 7 6 7 7 第三章z n s e 薄膜的喇曼散射谱 3 1 喇曼散射的原理 3 1 1 9 2 8 年，喇曼( c v r a m a n ) 在研究液体对光的散射时，发现散射 光中除，有与入射光频率相同的弹性成份( 瑞利散射) 外，还有与入射光 频率不同的成份，称为喇曼( r a m a n ) 散射。这是入射光受到分子振动等 引起的非弹性散射的结果。 在入射光波的电磁场作用下，晶体中的原子将被极化，产生感应电 偶极矩。单位体积的感应电偶极矩( 即极化强度) 芦与入射光波的电场强 度e 之问的关系由下式给出： j d = 血 ( 3 一1 ) 其巾口为极化率张量。上述感应电偶极矩将向空问辐射电磁波，形 成散射光。在可见光的情况下，晶体的极化率主要来自电子的贡献。同 时，电j i 极化率也会被晶格振动所调制。设晶体中原子处于平衡位置时 的极化率为口，晶格振动引起极化率的改变为a a ，则口= 口。+ 口。 若晶格振动的光学模是频率为埘，波矢为厅的平面波，则由它引起的电 r 极化牢的改变可表达为： a a = a a 。c o s ( 甜，一牙f ) 舡l l 粜入州光波是频率为m ，波矢为，的平面电磁波 j 二= | i 、c o s ( 甜。l _ k j i 、 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 则极化强度可表达为 卢= ( a 。+ ) 豆= go e 。c o s ( o ) ，f f 。f ) + 1 2 a a 0 2 0 c 。s f ( 甜，+ 甜) t - ( 厅+ t ) i + c 。s ( 国，) f 一( 牙一置) 尸】 ( 3 - 4 ) 由上式可知，存在两种散射光，第一。项频率不变，即为r e y l e i g h 散射：第二和第三项相应的则是晶格振动的光学模引起的频率改变的非 弹性散射光，称为喇曼散射。式( 3 - 4 ) 中与喇曼散射有关的两项可以写 为 其中 ! p 。雷。c 。s ( 。ff ，f ) 甜：= 甜，甜 ，= k ，4 ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ，和牙，分别为散射光的频率和波矢。式( 3 6 ) 和( 3 7 ) 中的负号对应于 s t o k e s 散射，正号则相应于a n t i s t o k e s 散射。上面两式分别表明了喇 曼散射应遵守的能量守恒和动量守1 旧。 用量子力学图象表示，非共振的声了喇曼散射主要通过虚的居间电 f 跃辽而发q 三。设佛系的初始电子态为! ，声子态为le 。入射光与 1 奉系相1 作f h t j i 起光j i 的吸收，使电j ，- 跃迁到居间态l 痧。然后居间态 的咆_ 跃迁到末态，发出散射光。当末态的电子态仍为lj ，而声子 态变为f 以 即声子数改变l 时，整个散射过程称为级喇曼散射。其 中+ 号为斯托克斯散射，号为反斯托克斯散射。喇曼散射过程需要同时 满足能量和动量守恒。一级喇曼散射的选择定则为 ，= s q ，( 3 8 ) k i = k s q g ( 3 9 ) 其中o ) ，和( i ) ，为入射和散射光子的频率，七。和见是入射和散射光子的动 量，q 和仉是声子的振动频率和动量。 在喇曼散射实验中，入射光常在可见光波段，其波矢大小为 阮lt2 丌叩五。z 1 0 6 c m 。散射过程中所涉及的光子波矢变化的最大值为 2 限1 ，即参与散射过程的激元声子的波矢口2 瞳i 1 0 m 1 ，这要远小于 晶体的布里渊区的大小( 】0 8 c m 。) 。因此利用喇曼散射，只能研究布里 渊区中心附近的激元。另外，虽然s t o k e s 线与a n t i s t o k e s 线相对于 r e y l e i g h 线的频率分布是对称的，但是强度并不相同。在远离共振条 件下，有 幽：翌丝! ，。( )1 + 面( ) ( 31 0 ) 其中z ( o j ) = l 【e x p ( h c o 女n 一1 】，为b o s e e i n s t e i n 分布函数，t 为温 度，为激几对应的频率。由上式口隅l ，i s ( ) 总比，。( ) 要强，这也 就是在实验、 ，通常测量s t o k e s 线的原因所在。 3 2 喇曼散射实验的几何配置 在晶体的喇曼散射中，一般采用p o r t o 等人规定的符号来描述实验 的几何配置 3 2 。例如x ( 弦讧，在这个符号中包含了四个记号，第一 个记号表不入射光的传播方向，第四个记号表示散射光的传播方向：括 号内的两个记号，前者表示入射光的偏振方向，后者表示散射光的偏振 刖甸。做晶体喇曼散射光谱实验，很重要的一点就是要选择好散射实验 的几何配置。原则上，应尽量不让不同对称类型的振动模的喇曼散射混 在同一谱图上，这样才有利于谱线的识别。 晶体喇曼散射光谱实验采用的几何配置，按入射光和散射光方向之 间的夹角臼可以分为前向散射( 臼：o 。) 、直角散射( 臼= 9 0 。) 和背向散射 ( p = 1 8 0 。) 。 本实验室r a m a n 散射采用的是近背散射方法，并且可以选择两种 4 - 刖的几何配置：工( 弘) 牙( 称作退偏振配置) 和x ( ，少) 夏( 偏振配置) 。 。丈验的佃局见图2 1 。我们采用a r 离f 激光器作为激发光源，散荆光 j 、l o b i n y v o nu 1 0 0 0 双光栅单色仪分光后由光电倍增管探测。入射光 的偏振方向是定的，散射光的偏振力向可在入射狭缝前加一个偏振片 和个! 卜波片选定。 1 j l j 、f ，木实验室所采用的另 套仪器为r e n is h a w2 0 0 0 型显微喇 蛙谱伐，a r + 离r 激光器的5 1 4 5n m 线作为激发光源，激光线通过显微 镜的镜头会聚入射样品表面，最小的入射光斑点直径约为2 微米，散射 圯h 样【f 显微镜收集，所以是严格的背散射配置。入射光的偏振方向是 定的，敝射光的偏振方向可在入射狭缝f i _ i ) j n 个偏振片和一个半波片 喔忙按羟姒罾g旺眯槲禽俅埒一回 寝姆s冬似罾器耐餐暖眯擎椿普n l ：匝 选定。最后由光栅分光后由c c d 探测。 3 3 应变对喇曼散射的影响 在第二章中讨论的应变会影响声子的能量，即r a l 】) a n 峰的位置，z n s e 的纵光学声子( l o ) 峰位在应变下峰位移动的大小可以下列公式计算 f 3 3 ： = q i - - c z n s , t 0 2 m s 。= 一2 如2 去( 肌十2 卵 ( 3 11 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 其f f j n 是z n s e 薄膜层层之间的晶格常数，可以直接采用的 测蕈绐粜，“一。是z n s e 体丰才料的晶格常数，cj 2 ，c ，是如表21 中所 给i n 的弹心系数，( 0 。是z n s e 体材料的l o 峰位，为2 5 0 c i l 】1 ，p ，q 是 肜变势，p = 一09 7 0 3 0 2 ，q = 一2 2 1 0 3 0 2 3 4 。易计算得室温下6 = 4 1 0 。 c m1 ! f j 、 1 鼙赢于生长方向上受到压应力( ，。 o ) 时，z n s e 的r a m a n 峰位将 问 氏波数，j 阳移碰l 。， 3 4 实验结果和讨论 对卜z n s e 薄膜的r a m a n 谱已经进行j ，很多的研究。从中可以得到 关于峰位、峰的强度、以及线型的信息：峰位与材料的种类和加于其上 的应力有关，峰的展宽、线y g , - 与晶体质量有关。由于z n s e g a a s 异质结 构带边偏移和掺杂将在界面产生内建电场 3 5 ，通过r a m a n 谱分析可 以得到关于内建电场的信息。同时，在z n s e g a a s 界面，由强的激发 光产生的大量光生载流子可能形成的等离子体和g a a s 中l o 声子的耦 合，对r a m a n 谱有重要的影响 3 6 ，3 7 。 在我们的工作中分别采用普通的r a m a n 技术，激发光强度为4 0 0 毫 瓦，光斑直径约为1 毫米，和显微r a m a n 技术，激发光强度为7 毫瓦 光斑直径约为2 微米，显然，它们的激发密度相差约有四个数量级我 们比较了这两种激发条件下对同一系列样品的测量结果。 图3 3 是五块样品的普通r a m a n 散射结果，可以看出随着薄膜厚 度的增加，z n s el o 散射峰相对衬底散射峰的强度增加，l o c 。；是来源 f 衬底的散射峰，而l o 。；是因为掺杂衬底对纵波光学声子的屏蔽作用 导致声子能量的红移。关于这两个峰的一些特性将在下面给出具体说 明。 图3 4 a 和3 4 b 分别给出r a m a n 散射峰峰位随薄膜厚度的变化和散 射峰的半高宽( f w h v 1 ) 随薄膜厚度的变化。可以看到，z n s el o 峰的峰 位随着薄膜厚度的增加或应变的弛豫向低能端移动，完全应变的样品1 年l l 完全弛豫的样品5 相比，两者的l o 峰位相差1 1 个波数，和用公式 1 3 推导出的结果1 1 个波数相符。在图3 4 b 中，z n s el o 声子峰的 展宽从最薄样品( o 0 4 5 岬) 的5 9c m1 增加到8 4c t t t 。( o 2 3 “m 厚度 样品) 然后卜降到7c m 附近。当厚度接近临界厚度时，峰宽增加，说 2 2 02 4 02 6 0 2 8 03 0 03 2 0 r a m a n s h i f t ( c m 。) 图33z n t g e 薄膜的r a m a n 敬射结聚 2 5 ( 1 一c 3 dk一ec一ccl_c叱 z n s e 埘m t h i c k n e s s ( u m ) 图34 az n s el o 声f 峰位随着薄膜厚度的变化。 图34 bz n s el o 声f 峰的f w i i m 随着厚度的变化。 一u。)cfc毋e叱 一。)兰工l一cno1 明外延层产生失配位错，晶格完整性卜降。随着厚度的进一步增加，晶 格质量趋于稳定。 在背散射几何配置下，z n s e ( 0 0 1 ) 方向的t o 声子的光散射是禁戒 的。但在异质结构中，由于界面附近位错等原因，晶格的完整性在定 程度上受到影响，这样，t o 声子的散射成为可能。t o 峰的积分强度 和l o 峰的积分强度之比也可以用来表征z n s e 外延薄膜的晶格质量。 图3 5 是五块样品的显微r a m a n 谱。其中，k 。；是g a a sl o 声子 和等离子体的耦合模 3 6 。可以看到，z n s e 的l o 声子峰随着厚度的 增加显著增强。对于0 0 4 5 岬的薄膜，没有观察到z n s e 的t 0 峰，证 明外延层的晶格是完整的，界面没有引进位错。这是完全应变生长的结 果。外延层厚度从0 0 2 3 “m 开始，r o 峰开始出现，表明从外延层中g 入位错。图36 给出了z n s et o 峰和z n s el o 的积分强度之比。 3 5g a a s 喇曼散射谱分析 吱验发现z n s e g a a s 结构中的g a a sr a m a n 谱和g a a s 体材料的结 果不i d ，即在体材料中禁戒的t 。能量附近( 2 7 0c m 1 1 出现一个峰， 强度超过l o 峰。km u r a s e 等人1 38 】在n 型g a a s 中发现这现象， j t e - 2 7 0c m l 处的峰指认为声子和等离r 体的耦合模。dj o l e g o 35 ， 39 1 较为系统的研究j ，z n s e g a a s 结构的r a m a n 谱。 刈j ? n 型g a a s 样品，费米能级在体内靠近导带处、在表面钉扎于 禁带的r m ij 、这样在靠近表面处存在着内建电场，或者存在耗尽层。在 r a m a n s h i f t ( c m ) 图：j 5z n s e 薄膜的显微i , e a m a n 谱。 2 8 一l | c 3 dl一!田亡。一一c町e叱 7 a s u z ) 0 1 i ( a s u z ) o 上 1 丑n越嘿惫饔岳骘。jsun罢堂。上拐cn 9 _ 匝 一lull一mc)10lj_eli=cn o 1 ， d o o o n o oo o on o o寸o o o oo o o l - o n l o n 型g a a s 中可以同时看到l o 声子和声子等离子体的耦合模，前者就是 来自于表面处的耗尽层，而后者主要来自于非耗尽区中。 在g a a s 上外延上一层z n s e 薄膜以后，z n s e g a a s 界面处的带边 变化会随着外延层厚度的改变而改变。在厚度小于z n s e 的临界厚度之 内，薄膜完全应变，z n s e g a a s 的界面不存在界面态，这时异质结处 费米能级靠近导带，能带弯曲较小，耗尽层很薄。所以，耦合模的强度 大于来自耗尽层的l o 模，随着厚度的增加，界面出现失配位错，从而 使界面处的费米能级钉扎在g a a s 带隙中心，使界面处的内建电场增 加，耗尽区扩大，纵光学声子模的相对散射强度增大( 见图37 ) 。 对于显微r a m a n 散射，由于光激发密度很大，光生载流子浓度亦 很大，因此也可以在非掺杂g a a s z n s e 结构中，观察到g a a s 的耦合模 ( l o 。) 【36 ，31 0 】。增加激发光的强度，发现耦合模的相对强度亦增加。 3 6 结论 我们利用r a m a n 散射的结果分析了生长在g a a s 衬底上的z n s e 薄 膜应变弛豫随薄膜厚度的关系。发现在i 临界厚度附近晶体的质量受到失 配位错的影响最为严重。 同时，讨论 rz n s e g a a s 结构中，g a a s l o 声子和声子等离子体 祸合模的散射强度随z n s e 外延层厚度的变化，结果表明z n s e o a a s 界 面处的赞米能级随外延层厚度的大小而改变。 尸。一o ) i 0 7 ) 寸 丑n恻暇惫娶墨磐_ojg娶鹫。jg一匝 一lujmc)foc_l e | i l o c n o o o 节o n o o o 叫o n o o o n o寸o o oo o n l _ 寸i o 1 r 参考文献 3 、乇东钮 异囊多卜延半导体台金z n - 。m g ，s e 4 ：c h z n i , m g s , s e , ，的结构和光学性质 研宄( 学位论文) 1 9 9 7 ：6 - 7 32 1 张光寅，蓝国祥，晶移振动光学芳高等教育出版社1 9 9 1 ：2 1 6 33 l ( 、e r d e ir a ，c j b u c h e n a u e r f h p o l l a k e ta l ，s t r e s s e d i n d u c e d s hlf t so ff i r s t o r d e rr a m a u f r e q u e n c i e so fd i a m o n da n dz i n cb l e n d 1y p e s e m i c o n d u c t o r s ，p h y s r e v b 1 9 7 2 5 ( 2 ) ：5 8 0 5 9 3 3 4ldj o l e g o k s h a h a z d ，j p e t r u z z e l l o ，e ta l ，d e p t hp r o f i1i n go f p l a s tlcin 1 a t t i c e m i s m a t c h e ds e r e i c o n d u c t o rh e t e r o s t u e t u r e sa n d r a in e d l a y e rs u p e r l a t t i c e s ，p h y s r e v b ，1 9 8 7 3 6 ( 1 4 ) ：7 6 7 4 7 6 7 7 3 5jd j o l e g o e f f e c t so fz n s e e p it a x i a l f r o w t ho nt h es u r f a c e i ) i o p e r t i e so fg a a s ，a p p lp h y sl e t t 1 9 8 75 1 ( 1 8 ) 1 4 2 2 1 4 2 4 3 6 j 0 p a g e sm a r e n u c c i ，0 b r i o te ta l ，r a m a ns t u d yo fb a n db e n d i n g c j i z n s e ( ；a a s i n t e r f a c e s ，ja p p lp h y s 1 9 9 57 7 ( 3 ) ：1 2 4 11 2 4 8 37 】0 p a g e s ，ms o l t a n i ，az a o u ie ta l ，ar a m a n s t u d yo fc u o p l e d i ) l s m o l l1 , 0p h o n o nm o d e sa tz n a s g “s i n t e r f a c e s ，jc r y s tg r o w t h 1 9 9 81 8 4 1 8 5 ：1 8 8 一1 9 2 38 lh ia s e s k a