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摘要 砷化镓及其量子阱中电子双极输运动力学研究 专业：光学 硕士生：张秀敏 指导老师：赖天树教授 摘要 半导体器件利用电荷输运传递信息，因而，电荷输运常数决定了器件的尺度 和响应频率。近年来随着超高速半导体电子器件的发展，半导体中电荷的超快输 运动力学及其输运机制也受到广泛关注。另一方面，半导体基础物理学中，对爱 因斯坦关系的成立条件一直也存在争议。其根本原因在于目前没有一种实验技术 能同时精确测量电荷的动态扩散常数和迁移率。因此，发展高灵敏度、高精度和 实验相对简单的超快电荷输运动力学测试技术，具有重要的科学意义和实用价 值。 本文基于飞秒时间分辨泵浦探测饱和吸收光谱技术，发展了瞬态光栅局域 周期采样饱和吸收光谱技术及其理论和透射光栅调制泵浦探测饱和吸收光谱技 术及其理论。这些光谱技术具有高灵敏度度、实验简单等优点。更重要的是它们 能同时测量电荷的扩散常数和迁移率，因而能为爱因斯坦关系的检验提供实验证 据。应用所发展的光谱技术实验研究了g a a s 半导体及其量子阱中电子双极扩散 输运动力学，获得了电子的双极扩散常数，分析了电子一空穴间的库仑作用等因 素对半导体电子扩散动力学过程的影响，取得了如下研究成果： 第一，发展了瞬态密度光栅局域周期采样泵浦一探测饱和吸收光谱技术及其 中山大学硕士学位论文 理论。该方法是在瞬态光栅后面紧贴同周期、相同取向的一维黑自透射光栅。 利用白缝透射实现对瞬态光栅的局域周期采样。探测透射光的饱和吸收变化，具 有灵敏度高，能同时测量电子双极扩散常数和迁移率的优点。发展了该光谱技术 的理论模型。应用发展的这种光谱技术研究了g a a s 量子阱中电子双极扩散输运 动力学，并应用发展的理论模型拟合实验数据，获得了g a a s 量子阱的电子双极 扩散常数。 第二，发展了透射光栅调制泵浦一探测饱和吸收光谱技术及其理论。该方法 具有实验装置非常简单的优点，仅仅在传统的泵浦一探测实验装置中增加一个一 维黑白透射光栅，样品紧贴其后，测量透射探测光的饱和吸收变化。同样具有 灵敏度高、能同时测量电子双极扩散常数和迁移率的优点。同时，发展了该方法 的理论模型。应用此技术实验研究了g a l k s 的电子双极扩散输运动力学，获得了 其扩散常数。 上述实验技术的发展为进一步开展电子双极扩散和迁移动力学研究，直接实 验验证爱因斯坦关系奠定了基础。但由于样品限制，本论文尚未开展此研究。 关键词：泵浦一探测实验技术，电子双极输运，双极扩散系数 a b s l r a c t s t u d yo f e l e c t r o na m b i p o l a r t r a n s p o r td y n a m i c si n g a a sa n dg a a sm u l t i p l eq u a n t u mw e l l m a j o r ：o p t i c s a u t h o r ：z h a n gx i u m i n s u p e r v i s o r ：p r o f l a it i a n s h u a b s t r a c t i n f o r m a t i o ni st r a n s f e r r e db yc h a r g et r a n s p o r ti ns e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ，s ot h a t t h ec h a r g et r a n s p o r tc o n s t a n td e t e r m i n e ss c a l ea n dr e s p o n s ef r e q u e n c yo fd e v i c e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu l t r a h i g hs p e e ds e m i c o n d u c t o re l e c t r o n i ci nr e c e n ty e a r s ，i t i sr e q u i r e dt os t u d yu l t r a f a s tt r a n s p o r td y n a m i c sa n dt r a n s p o r tm e c h a n i s mo fe l e c t o r n s i ns e m i c o n d u c t o r o nt h eo t h e rh a n d , i ti ss t i l ld e b a t e da b o u te s t a b l i s h m e n tc o n d i t i o n s o fe i n s t e i nr e l a t i o ni ns e m i c o n d u c t o rf u n d a m e n t a lp h y s i c sb e c a u s et h a tt h e r ea r en o e x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e sw h i c hc a nm e a s u r eb o t ht h ed y n a m i cd i f f u s i o nc o n s t a n ta n d m o b i l i t yo fc h a r g es i m u l t a n e o u s l y t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n ti ns c i e n c ea n d a p p l i c a t i o nt od e v e l o pm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e so fu l t r a f a s tc h a r g et r a n s p o r tw i t hh i g h s e n s i t i v i t y , p r e c i s i o na n ds i m p l i c i t y i nt h i s t h e s i s ，b a s e d o nf e m t o s e c o n dt i m e r e s o l v e d p u m p p r o b es a t u r a t i o n a b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y , t r a n s i e n tg r a t i n gl o c a lp e r i o ds a m p l i n gs a t u r a t i o na b s o r p t i o n s p e c t r o s c o p ya n dt r a n s m i s s i o ng r a t i n gm o d u l a t i o np u m p - p r o b es a t u r a t i o na b s o r p t i o n s p e c t r o s c o p ya sw e l la st h e i rt h e o r i e sa l ed e v e l o p e d t h o s es p e c t r o s c o p i ct e c h n i q u e s h a v et h ea d v a n t a g e so fh i g hs e n s i t i v i t ya n ds i m p l ee x p e r i m e n t a ls e t u p w h a t sm o r e i m p o r t a n ti st h a tt h e yc a l lm e a s u r eb o t hd y n a m i cd i f f u s i o nc o n s t a n ta n dm o b i l i 够o f c h a r g es i m u l t a n e o u s l y , a n dt h u sp r o v i d ee x p e r i m e n t a lp r o o fw i t hi n s p e c t i o no f e i n s t e i nr e l a t i o n w i t ht h ed e v e l o p e ds p e c t r o s c o p i ct e c h n i q u e s ，e l e c t r o na r n b i p o l a r t r a n s p o r td y n a m i c si ng a a sa n di t sq u a n t u mw e l l sa r es t u d i e da n db i p o l a rd i f f u s i o n m 中山大学硕士学位论文 c o n s t a n t so fe l e c t r o na l eo b t a i n e d i h ee f f e c to fe l e c t r o n - h o l ec o u l o m bi n t e r a c t i o no n t h ed i f f u s i o nd y n a m i c si ns e m i c o n d u c t o r si sa n a l y z e d t h er e s e a r c hr e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： f i r s t , w ed e v e l o p e dt h el o c a lp e r i o ds a m p l i n gp u m p - p r o b es a t u r a t i o na b s o r p t i o n s p e c t r o s c o p i ct e c h n i q u eo ft r a n s i e n td e n s i t yg r a t i n gm e a s 珊e m e n ta n di t st h e o r y , i n w h i c hab i n a r yg r a t i n g 、析t l lt h es a n l ep e r i o da n df r i n g eo r i e n t a t i o na st h o s eo ft h e t r a n s i e n td e n s i t y g r a t i n gi ss e tb e h i n dt h et r a n s i e n tg r a t i n ga n da sc l o s et oi ta s p o s s i b l e t h es p a t i a lp e r i o d i ct r a n s m i s s i o no ft h ep r o b et h r o u g hb o t ht h et r a n s i e n ta n d s a m p l i n gg r a t i n gi sm e a s e da n dr e a l i z e st h el o c a ls a m p l i n gt ot h et r a n s i e n tg r a t i n g 1 1 1 et e c h n i q u eh a sa d v a n t a g e so fh i g hs e n s i t i v i t ya n ds i m u l t a n e o u sm e a s l i r e m e n to f e l e c t r o na m b i p o l a rd i f f u s i o nc o n s t a n ta n dm o b i l i t y e l e c t r o n i ca m b i p o l a rd i f f u s i o n t r a n s p o r td y n a m i c si nt h eg a a sq u a n t u mw e l li ss t u i d ew i mt h ed e v e l o p e dt e c h n i q u e e l e c t r o n i ca m b i p o l a rd i f f u s i o nc o n s t a n ti so b t a i n e d s e c o n d , w ed e v e l o p e dat r a n s m i s s i o ng r a t i n gm o d u l a t i o np u m p p r o b es a t u r a t i o n a b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p yt e c h n i q u ea n di t st h e o r y t h i st e c h n i q u eh a st h ea d v a n t a g e s o fs i m p l ee x p e r i m e n t a ls e t u pi nw h i c ho n l yao n e - d i m e n s i o n a lb i n a r yt r a n s m i s s i o n g r a t i n gi sa d d e di n t ot h et r a d i t i o n a lp u m p - p r o b eg e o m e t r y , l o c a t i n gi nt h ef r o n to ft h e s a m p l ea n da sc l o s et ot h es a m p l e 器p o s s i b l e t h et r a n s m i s s i o nc h a n g e so ft h ep r o b e t h r o u g hb o mt h eg r a t i n ga n ds a m p l e sa r em e a s u r e d t h em e t h o ds t i l lh a sa d v a n t a g e s o fm g hs e n s i t i v i t ya n ds i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e mo fe l e c t r o na m b i p o l a rd i f f u s i o n c o n s t a n ta n dm o b i l i t y e l e c t r o n i ca m b i p o l a rd i f f u s i o nt r a n s p o r td y n a m i c si ss t u d i e di n g a a su s i n gt h et e c h n i q u ea n dd i f f u s i o nc o n s t a n ti so b t a i n e d d e v e l o p m e n t so ft h e s ee x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e so p e naw a y f o rf u r t h e rs t u d yo f t h ed y n a m i c so fe l e c t r o n i ca m b i p o l a rd i f f u s i o na n dm o b i l i t yt r a n s p o r ta n dd i r e c t e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no fe i n s t e i nr e l a t i o n h o w e v e r , d u et ot h eu n a v a i l a b i l i t yo f s a m p l e sw i t he l e c t r o d e s ，s u c hr e s e a r c hh a sn o tb e e nd o n ei nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：p u m p - p r o b et e c h n i q u e ，e l e c t r o n i ca m b i p o l a rt r a n s p o r t , a m b i p o l a r d i f f u s i o nc o e f f i c i e n t i v 论文原创性声明 本人郑重声明；所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：欷秀匆k 日期：嘞年易月寥日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：孑氏孝名艮 导师签名：轨尢七芎 日期：知1 d 年6 月譬日 日期：锄眸，月，e i 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成果， 该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识产权法保护。在学期 间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人， 未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名 公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：欹奢缘叉 日期：必7 0 年石月8 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 载流子输运的研究意义 1 9 4 7 年，美国贝尔实验室研制出第一只锗晶体管n 1 ，它的问世标志着一个新 时代的开始，并引起全球科学界研究半导体材料的极大兴趣，推进了半导体微电 子学和半导体器件的蓬勃发展n 吲。半导体科学以电子电荷自由度为研究对象， 以如何改进半导体器件的性能并开发新型半导体微电子器件为目标，是现代电子 产业的基础【l j ，它发展6 0 多年来的成就大家有目共睹，对人类社会的作用也是 其它发明所不及的n 4 1 。为了改善现有器件的结构和性能，同时满足人们对信息 存贮的需求，社会各界投入了大量人力物力去开发新型半导体材料，发展检测半 导体性能的各种测试方法，期待通过各方面的改进，发展体积小，集成度高，运 算速度快、功耗小的新一代高性能的半导体电子器件。 在实现半导体器件的诸多前提中，表示半导体特征的主要参数有载流子复合 时间，电荷的输运特性以及表面复合速度等【5 7 】，其中足够的电荷输运尺度是重 要条件之一，电荷的输运尺度由载流子复合时间，扩散系数和电荷迁移率共同决 定，所以从这几个方面可以研究载流子输运问题。我们知道，半导体器件主要是 利用电荷输运传递信息，电荷输运常数决定了器件的尺度和响应频率，如何控制 电子输运问题也是研究输运器件最根本的问题。随着近年来超高速半导体电子器 件的发展，半导体中电荷的超快输运动力学、输运机制就引起了人们广泛的兴趣。 另一方面，在半导体基础物理学中，对爱因斯坦关系的成立条件一直也存在争议， 其根本原因在于目前没有一种实验技术能同时精确测量电荷的动态扩散常数和 迁移率。因此，研究电荷扩散和迁移率，发展测试这些参数的高灵敏度、高精度 和实验相对简单的超快电荷输运动力学测试技术，研究影响电子输运的各种因素 对研究半导体器件或光电子器件都具有潜在的理论意义和应用价值。 中山大学硕士学位论文 1 2 半导体中载流子输运涉及的基本问题 要想研究半导体中载流子的输运问题，必须掌握半导体的一些基本理论，以 便深入了解半导体材料在外界条件变化下的特点，进而更好地研究新型微电子器 件。非平衡载流子是如何产生的，产生后载流子浓度又如何变化，这还要从基本 理论讲起。首先看一下半导体能带基础知识。 1 2 1 半导体基本能带结构 我们知道，传统微电子器件主要是利用电子电荷的自由度工作的，电子是电 荷的载体。固体中含有大量的电子，但是在外电场作用下有的能导电有些却没有 导电性能。能够导电是电子的定向移动，与外电场发生了能量交换【5 - t 。从能带 理论来看，电子的能量变化就是电子可以从一个能级跃迁到另一能级，如图1 1 所示。 h v e 。 图1 1 一定温度下的半导体能带分布图 导带 禁带 价带 图1 - l 表示一定温度下半导体的能带分布图。根据电子先填充低能级这一原 理，如图所示，下面一个能带填满了电子，它们相应于共价键中的电子，这个带 通常称为满带或价带；上面一个能带是空的，没有电子，通常称为导带；价带导 带之间隔着禁带7 1 。 一般温度下，导带底有少量电子，价带项有少量空穴，半导体就是依靠这两 种粒子导电。当光照射到半导体材料上，激发能量大于半导体的带隙宽度的时候， 2 第一章绪论 材料中的电子吸收能量脱离共价键的束缚而称为准自由电子，也就是电子从价带 跃迁到导带的过程，称为本征激发洲。 从图1 1 可以看出，要发生本征激发，要求外加激发能量必须大于或等于禁 带宽度乜，即 b y 饥= 乓 ( 2 1 ) 帆( 或厅) 是能够引起本征激发的最低限度光子能量，这样在低频方面存在 频率界限v o ( 或者说在长波方面存在一个波长界限九) 。也就是说当入射光子 的频率低于，或波长大于九时，就不会发生本征激发。也就意味着还存在其 它的激发形式晦3 。 1 2 2 自由载流子吸收 1 2 2 1 电子跃迁 介绍自由载流子吸收之前，必须提及电子跃迁的概念。当电子从外场中吸收 的能量大于禁带宽度时会发生跃迁现象，跃迁形式包括直接跃迁和间接跃迁。 在光照下，电子吸收光子的过程，必须遵守能量和动量两个守恒，也就是 说还应满足选择定则。由于一般情况下，激发光子的动量远小于能带中电子的动 量，半导体材料上的电子吸收光子后的波矢k 保持不变，而电子的能量却增加。 由图1 2 中可以看出，跃迁前后的两个电子态处于同一垂线上，故这种跃迁叫作 直接跃迁或垂直跃迁，并且放出光子。具有这种特点的半导体材料称为直接带隙 半导体渊。 虽然光子在跃迁过程中要遵循动量守恒，但有时发现跃迁前后的两个态存 在动量损失，即波矢发生变化，这就是非直接跃迁或间接跃迁，7 叼，同时伴随着 声子的吸收或发射。所以此过程是电子、光子和声子共同参与的过程。具有这种 特点的半导体称为间接带隙半导体。跃迁示意图如图1 2 所示。 3 中山大学硕士学位论文 1 2 2 2 自由载流子吸收 直接跃迁和间接跃迁都是在两个能带间作用，并且在入射光子的能量必须大 于禁带宽度的条件下，跃迁才能发生。但是当入射光子能量不足以引起电子在不 同的能带间作用时，仍然存在着吸收，而且强度随波长的增大而增大硒7 1 。这种 情况下的吸收是由同一带内的跃迁所引起的，即导带中的一个电子或者价带中的 一个空穴吸收一个光子后，激发到同一能带( 导带或价带) 中的更高能级，这种 现象称为自由载流子吸收，如图1 3 所示，这种吸收是在同一个能带内完成的， 并且也伴随着声子的出现。 图1 2 直接跃迁和间接跃迁 图1 3 自由载流子吸收示意图 1 2 3 产生非平衡载流子的方法 产生非平衡载流子的外界条件可以是加电场或光照，也可以是其它方式，常 用方法有非平衡载流子的电注入法和光照光注入法。下面介绍产生非平衡载流子 的几种方法。 1 2 3 1 电注入产生非平衡载流子的方法 电注入法也有几种，其中p n 结注入式发光是常遇到的一种产生载流子的方 法瞄1 。在一块半导体单晶的一侧掺杂成为p 型半导体，另一侧掺杂成为n 型半 导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，这个薄层称为p n 结腼吨1 ，如 图1 4 所示。它需要工作在加正向偏压下，空间电荷区变窄，使其势垒高度下降， 4 第一章绪论 势垒区的内电场和外电场方向相反，内建电场减弱，有利于电子空穴的扩散运动， 使得n 区的电子向p 区扩散，p 区的空穴向1 1 区扩散，成为非平衡的少数载流子。 少数载流子的浓度较大，电路中有较大的正向电流璐7 1 0 1 。加反向偏压时少数载流 子的浓度很低，情况则相反。 另一种电注入法就是探针法。金属探针与半导体接触注入法也是常用的电注 入方法。它主要利用金属探针的点接触，当金属探针压在半导体上时，注入的少 子沿径向迅速扩散，大大增加了注入少子的径向梯度，使少子注入效率显著提高。 漂移实验就是利用这种接触注入少子的呻1 。另外，高能粒子也可以激发电子空穴 对。关于非平衡载流子产生的方法隅1 ，暂且列举这几种。 1 2 3 2 光注入产生非平衡载流子的方法 在一定温度下，当没有光照时，一块半导体中电子和空穴浓度分别为和 p 。，假设是n 型半导体，则，z 。p o ，其能带图如图1 5 所示。当用适当波长的 脉冲光照射该半导体时，只要光子的能量大于该半导体的禁带宽度，那么光子就 能把价带电子激发到导带上去，产生电子一空穴对，使导带比平衡时多出一部分 电子刀，价带比平衡时多出一部分空穴p ，它们被形象地表示在图1 - 5 的方框 中。血和卸就是非平衡载流子浓度旧。像这样，用光照使得半导体内部产生非 平衡载流子的方法，就称为非平衡载流子的光注入。光注入时， ，z = 肇 ( 1 1 ) 光注入会导致半导体电导率的增大，引起附加电导率，光注入实验主要是依 靠附加电导率的变化来检验非平衡载流子注入的。 5 中山大学硕士学位论文 图卜4p n 结注入式发光示意图 图1 5 光注入产生非平衡载流子示意图 1 2 4 非平衡载流子浓度随时间的衰减动力学规律 半导体中有两种载流子：电子和空穴。一定温度下处于热平衡状态的半导体 中载流子的浓度是恒定的，此状态下的载流子浓度称为平衡载流子浓度。但在外 界作用下，这种平衡就被破坏，使载流子处于与平衡态偏离的状态，这时比平衡 态多出来的那部分载流子称为非平衡载流子或过剩载流子喳，7 8 1 。当产生过剩载流 子的外部因素撤除后，注入的非平衡载流子并不能一直存在下去，而是逐渐消失， 激发到导带中的电子又回到价带，电子和空穴会成对消失，最后载流子浓度恢复 到平衡状态时的值，这个过程称为载流子复合。复合时间称为载流子的寿命。光 照下非平衡载流子浓度印随时间的衰减规律为( 1 2 ) 式： 卸( f ) = ( 卸) o p 7 ( 1 - 2 ) 1 2 5 半导体中非平衡载流子的复合机制 1 2 5 1 直接复合 半导体中载流子复合机制大致可以分为两种直接复合和间接复合口3 。 半导体被激发产生非平衡载流子后，自由电子和空穴会有一定的概率直接相 遇而直接复合，这个概率和非平衡载流子的浓度成正比，非平衡载流子的浓度越 大，复合时间f 就会越小。直接复合主要有三种形式：辐射跃迁过程，声子跃迁 过程以及俄歇复合过程，一般认为多声子直接复合不可能起主要作用，俄歇过程 6 第章绪论 是一个三粒子过程，发生该过程的几率较小，但在高载流子浓度下，该过程可能 起主要作用。 1 2 5 2 间接复合 间接复合主要指电子和空穴通过禁带的能级( 复合中心) 而复合【5 1 。禁带中 复合中心的存在，好比多了一个台阶，首先导带中的电子落入复合中心，然后这 个电子落入价带与空穴复合，整体来说，复合中心对少数载流子的俘获决定了复 合寿命。它又分为体内复合和表面复合。表面复合主要指半导体的形状和表面状 态的情况会很大程度上影响少数载流子的寿命。 1 2 6 半导体中载流子的扩散和漂移 1 2 6 1 半导体中载流子的扩散 扩散是由各处载流子浓度分布不均匀引起，通过载流子的热运动实现的。实 验表明，扩散流正比于载流子的浓度梯度。对于扩散，经常用扩散长度= d r 来衡量电子信号的传输能力，由此可见电子输运尺度不仅和复合时间有关，还和 反映扩散快慢的扩散系数d 有关。一维半导体非平衡少数载流子的扩散定律和稳 态扩散方程5 棚为 g - - - - g d 劬鼯( x ) - ( 1 3 ) q 学= 半 ( 4 ) 其中以为空穴扩散流密度，d ，为空穴扩散系数，( 1 3 ) 中负号表示扩散流的 方向指向载流子浓度降低的方向。 双极扩散。当不再把某种载流子限制为少数载流子时，即认为电子和空穴 浓度可能有相同的数量级，过剩载流子的注入就会改变样品上电场的分布别。此 7 中山大学硕士学位论文 时的扩散就变的相对复杂。因为两种载流子扩散和漂移运动的差异，会使外电场 的分布发生一定的变化，此时对应的扩散称为双极扩散。通常情况下，电子的扩 散系数比空穴大，扩散过程中电子的分布略超前于空穴，即电子在前空穴在后， 结果会产生一定的内建电场。此内建场作用于电子空穴，使它们的扩散运动都相 对减慢，总的扩散速率由运动较慢的空穴决定。 1 2 6 2 半导体中载流子的漂移 若在半导体材料上再加一外电场，则半导体材料内部的载流子就会在外电场 的作用下作定向漂移运动，定向运动的速度称为漂移速度，方向视载流子的类型 不同而不同。载流子定向漂移速度和外加电场成正比，比例系数定义为迁移率| “， 它也是表征存在外电场时载流子的运动能力，关系着载流子的复合和传输性能 等，也直接影响着半导体器件的工作速度，是半导体材料的重要参数。 1 3 半导体中载流子输运的测量方法 1 3 1 载流子迁移率的测量方法 第一种是漂移实验法哺3 。将半导体样品置于电场中，在某一时刻通过探针 向样品中注入非平衡载流子( 也可以光注入产生非平衡载流子) 。在外电场作用 下注入的载流子会从一端向另一端运动，在距离探针d 处放置一收集探针。当载 流子到达该探针时，由于收集到了载流子，则收集探针回路中的电流将增大，电 流的变化可通过收集探针回路电阻上的电压变化观测到呻1 。根据注入时间和少子 j 脉冲到达收集探针的时间差f ，探针距离d 和电场e ，就可以根据公式j u = 兰计算 止f 出少子迁移率。这就是所谓的漂移实验。该实验是1 9 5 1 年由h a y n e s 和s h o c k l e y 首先完成，所以也称为海恩斯肖克莱实验睛，1 1 1 。图1 - 6 给出了光注入产生非平衡 载流子时的漂移实验简易装置图n 幻，其中l 表示激光束，r 表示取样电阻，s 和 v 表示直流电源和毫伏表。 8 第一章绪论 l 。i s。申r( 嚣 图l _ 6 漂移实验示意图 李振钢等利用取样电阻和晶体样品串联的光电方法测量了室温时电场作用下 c d s 晶体中光生载流子的电流特性，得到电子迁移率4 2 c m 2 v s ，空穴迁移率 1 6 x 1 0 2 册2 sn 幻。但是在漂移实验中，探针间的距离，激发光点大小和位置均 影响漂移距离的计算川。 第二种测量迁移率的方法是直流光电导衰退法n t 阍。光照产生非平衡载流子 的一个直接的表现是光电导现象，可以使半导体的电导率明显的增加。对于光电 导现象，复合时间决定着在变化光照下光电导反映的快慢。在一定的条件下，光 电导的衰退过程近似线性过程n 们，利用这一过程，就会得到少子的漂移迁移率。 一般光电导法会受样品尺寸的限制，且只能测量器件生产前衬底材料中的少数载 流子寿命，对多数载流子不适用。 具体步骤是：在半导体材料两端加上直流电压，用脉冲光源均匀地向半导 体中注入少子脉冲，观测光电导的衰退过程。在电场e 不大时，过剩载流子主要 在体内复合，是以寿命为f 的指数过程；当偏置电场e 很大时，衰退过程则由过 剩载流子的扫出过程来决定，近似为线性衰退，因此就有一个零点【1 7 】。电场大时， 衰退过程有一拐点，拐点时间为f = 生；，l 和，为样品长度及读出区域长度。其中 p 口 八和，以及电场e 都可以测出，进而可以计算出迁移率儿。李言谨等f 1 3 1 利用 此方法测得了液氮温度下n 型碲镉汞材料的迁移率儿= 2 9 7 c m 2 s ，扩散长度 厶= 5 8 a n 。这种方法需要在样品两端制作欧姆接触，测量时样品需放在杜瓦瓶 9 中山大学硕士学位论文 中且用液氮制冷，并且最终测的迁移率的条件是在大电场下，会产生焦耳热，所 以必要时还要采用脉冲偏置n 介。 第三种测量迁移率的方法是渡越时间法( t o f ) n 蝴3 。这种方法需要在样品 上加适当直流电压，需要选择合适的脉冲宽度，通过透明电极来激励样品产生薄 层的电子一空穴对。在电场下，空穴向负极运动。在视薄层不变时，空穴的运动速 度就为e 。假定样品中的陷阱有限并且是均匀的，于是电量损失与载流子复合时 间有关系。最终在样品的下电极上产生感应电流，根据关系式：! ：旦即可得 。 ey 7 t 出迁移率。 但是这种方法求样品材料有较高的光生载流子产生率。为了使载流子的电荷量 远远小于电极上的电荷量，就要控制弱的光注入。要确保产生载流子薄层，要求 激励光脉冲宽度远远小于渡越时间。还要渡越时间远小于载流子的寿命，以保证 在渡越时间内不受陷阱的严重影响。采用t o f 方法测迁移率时，只有近似满足这 些要求，才能得到比较理想的结果n 明。 第四种测量迁移率的方法是霍尔效应法n 幻。这种方法需要在半导体样品上外 加磁场，且磁场方向与电流方向垂直，结果在样品上形成横向电场，这也就是霍 尔效应。霍尔效应是漂移运动的载流子在垂直磁场作用下，由于受到洛仑兹力作 用而产生偏转，结果在垂直电流和磁场方向的两侧造成电荷积累。应用此效应测 量载流子的迁移率要求浓度和电导率同时测得，然后利用关系式陋仃l = 白j l l = j l l 日 得到迁移率。曹伟然等人利用霍尔效应实验测得口：1 8 0 2 c m 2 v s 口。 第五种测量迁移率的方法是电压衰减法n4 墙盈。测量j l l 也要采用监控电晕充 电试样的表面电压衰减。首先样品是被充电的，样品上积聚的电荷会从项面流向 接地的底电极，最初向下流动的电荷如具有良好的前沿n 钔，可以确定通过厚度为 l 的样品的时间，进而可确定材料的迁移率的值。s e g g e m 凹1 等人利用此方法在 1 4 5 。c 的恒温条件下，测量2 5 朋厚的负电晕充电的聚四氟乙烯材料电荷输运参 数，测得了在外界电压在( - 2 0 0 - 4 0 0v ) 的变化范围内，发现了浅陷阱的电压依赖 的平均自由程为旯= 6 5 9 i n ，样品浅陷阱调制时的迁移率芦= 1 6 1 0 1 2 绷2 v j 。 这种方法一定要给样品充电，由于在较高的实验温度下( 大于2 5 0 。c 乜帕) ；其他 1 0 第一章绪论 陷阱载流子也会被激发，因此在实验时还需要更多的参数去描述样品。 第六种测迁移率的方法为表面波传输方法协1 。用压电晶体产生表面波场，将 半导体薄膜放在其中。由表面波场产生的电场耦合到薄膜上并且沿着声波表面波 方向传输，之后再利用样品上两个分开的电极检测声波和电压电流的关系，根据 l ：粤，可计算得出迁移率j l l 。其中l 为两电极间的距离，1 ，。为表面波速，易 l y j 为声功率n 4 川。 第七种是辐射诱发导电率( s i c ) 法。在此方法中，样品放置很重要，用连续的 电子束激发样品的上面一半以产生稳态s i c ，样品的下面一半起着注入接触的作 用，之后将此空间电荷限制电流( s c l c ) 流向下方电极。测量出电子束电流和施加 电压函数的信号电流等，即可推算出的值。这种方法对材料要求也比较高，需 要材料的导电机理为空间电荷限制电导型啪1 。 此外，还有分析离子扩散法、分析热释电流极化电荷瞬态响应法等n 引，不再 多做讨论。 1 3 2 载流子扩散的测量方法 关于载流子扩散的测量方法总的来说可分为间接测量和直接测量。所谓间接 l r 测量是指先测得迁移率，然后通过爱因斯坦关系d = 竺j l f 得到扩散系数，迁移 p 率的测量方法如前文所述。这里主要介绍三种有关扩散的直接测量方法，即瞬态 光栅衍射法、调制自由载流子吸收检测技术和泵浦光斑相对探测光斑空间位移扫 描法。 1 3 2 1 瞬态光栅衍射法 两束偏振方向互相平行的线偏振光以一定夹角相交在样品上形成干 涉条纹，于是在样品表面激发产生电子浓度的周期性分布，通过这种方 式形成的光栅叫做瞬态密度光栅 2 7 - a s l 。当第三束延时的探测光经过激发 中山大学硕士学位论文 区域时，探测光的透射光会受到微小调制而产生变化。m i l l e r 汹1 小组和 c a m e r o n 嘲小组用瞬态光栅衍射技术分别测得室温下g a a s a i g a a s 双极扩散系 数d o = 1 3 c m 2 厶和d o = 1 3 3 c m 2 厶。s t e v e nc m o s s b 羽等用瞬态光栅衍射方法测得 当泵浦波长为1 0 6 p m 、温度为2 9 5 k 时，g e 的双极扩散系数为d o = 5 3 c m 2 s ； 当温度为1 3 5 k 时，g e 的双极扩散系数为d o = 1 4 2 c m 2 厶。m a r s h a l l 等利用此技 术测得室温下，当泵浦激发波长为1 5 2 5 朋，i n g a a s 多量子阱的双极扩散系数 为d = 2 厶嘲。o 7 2 c m 但是这种方法存在的一个问题就是衍射信号太弱，并且还需要三路光，实验 系统比较复杂，光路调节起来相对比较麻烦。瞬态光栅衍射实验时衍射信号 出现在满足相位匹配条件的方向上，每次改变两路泵浦光的夹角时，衍 射信号的方向也会改变，这也增加了实验难度。此外，利用瞬态密度光 栅法计算迁移率时是通过爱因斯坦关系计算的，不能同时测得扩散系数 和迁移率。 另外，本课题组还发展了瞬态光栅局域采样泵浦一探测饱和吸收光谱 技术们。该方法是在瞬态光栅衍射实验的基础上，将探测光斑聚的很小， 以获得高灵敏度的探测光透射信号。这种方法克服了瞬态光栅衍射实验 中衍射信号比较弱、信噪比比较低以及满足相位匹配的衍射信号的方向 问题，但是由于它是通过将光斑聚小获得高的灵敏度，而进一步聚焦光 斑存在一定困难，所以用该方法不能测量周期比较小的光栅衰退信息。 1 3 2 2 调制自由载流子吸收检测技术 调制自由载流子吸收作为一种泵浦一探测技术，是测量半导体电子输运参数 的重要方法剐7 1 。 当强度受周期性调制的光照射到材料上时，在样品表面产生过量载流子，同 时激发的载流子会发生扩散和复合。当另一束光子能量小于材料禁带宽度的探测 光也照到样品上时，就会被浓度周期性变化的载流子吸收，结果探测光的透射光 第一章绪论 强呈现周期性变化瑚划。这种作用机制就是所谓的调制自由载流子吸收 ( m o d u l a t e df r e e c a r d e ra b s o r p t i o n , m f c a ) 。z h a n g 等采用在多个频率处作泵浦 一探测光相对位置的径向扫描曲线和多参数拟合得到扩散信息h 3 州1 ；李巍和李斌 成汹3 利用调制自由载流子吸收变距频率扫描的方法测得i n g a a s 的扩散系数为 d - - 1 4 6 c m 2 | so 调制自由载流子吸收技术也存在一定的缺点。目前的研究大都是基于m f c a 信号的一维理论，并且在测试时都先假设已经知道扩散系数或者令前后表面复合 速度相等，然后再研究如何从相位信息中提取样品的其他参数。由于这些假设的 存在，可以获取的参数可信度降低，影响测量的精确度。再者就是m f c a 检测 技术几乎还没用在实际生产检测上，因为它的测量精度、可重复性和稳定性等方 面的问题还有待解决。 1 3 2 3 泵浦光斑相对探测光斑空间位移扫描法 半导体材料中注入载流子电荷波包后，由于各处电子浓度的不同，电子会从 浓度高的地方向浓度低的地方扩散。由于扩散作用的存在，注入的电荷包的幅值 会随着时间的变化而变小，同时波包的半高宽度也会变大。泵浦光斑相对探测光 斑空间位移扫描法就是利用注入电荷的波包半高宽度随时间的变化的原理而测 得扩散信息的。a w s c h a l o m 等h 钉于1 9 9 9 年在n a t u r e 上发表的文章基于这种思想。 z h a oh u i h 2 删利用这种方法对g a a s 和s i 进行实验，通过理论公式线性拟合后， 测得载流子浓度在2 3 x 1 0 1 7 册4 时，g a a s 量子阱材料的电荷双极扩散系数为 见= 2 1 c m 2 j ，s i 中电荷双极扩散系数为见= 1 9 + l c m 2 肛。 另外，本实验小组也发展了泵浦光斑相对探测光斑空间位移扫描法的方法并 且应用于g a a s 量子阱材料性质的研究。具体步骤是：在基本泵浦探测实验光路 上增加用同一透镜分割的两个透镜厶和厶，输出的相互平行的泵浦和探测光 束经厶和厶聚焦在样品上，然后使探测光斑相对泵浦光斑在焦平面上扫描， 则可以测出光注入样品后电子的空间分布信息，进而获取其扩散。这种 线性时一空泵浦探测实验光路简单，如图1 7 所示，物理图象直观m 。但是用这 1 3 中山大学硕士学位论文 一方法只测了电子自旋双极扩散，没有做电荷扩散的实验，有关成果已发表在物 理学报上，并将发展的这种线性时一空分辨扫描光斑法申请了专利。 图1 7 线性时一空高分辨泵浦一探测实验光路图 但是这种实验方案也存在不足：是要求有较小的聚焦光斑，对聚焦的要求 较高；二是在实验信号采集时，要求扫描的重复性良好，对光路的机械稳定性提 出了很高的要求。 1 4 本文发展的方法与结构安排 半导体器件已经存在于人们生活的每个角落，它的实现要求载流子必须有足 够的复合时间和输运尺度；而电子输运