（物理电子学专业论文）ito薄膜的光学性质及其测量.pdf

摘要 摘要 i t o ( i n d i u mt i l lo x i d e ) 薄膜具有良好的光电性质，广泛应用于各种微电子器 件和光电子器件中。i t o 薄膜可以单独或与其他材料一起构成增透膜。增透膜的 厚度与材料的折射率有关，而i t o 薄膜的折射率受多方面因素的影响。并且由 于它具有复杂的微观结构和光学性质，所以很难测得其光学常数。因此测量i t o 的光学常数就显得十分重要。通常采用分光光度计来获得i t o 薄膜的折射率， 但这种方法比较麻烦，费时费力。本文通过对i t o 薄膜的微观结构和光学性质 进行分析，建立模型拟合出i t o 薄膜的光学常数，并分析了工艺参数对光学常 数的影响。最后，根据测得的光学常数对增透膜中i t o 薄膜的厚度进行了优化。 本文主要对以下几方面进行了研究： 1 i t o 薄膜拟合模型的研究。 采用椭偏仪法拟合i t o 薄膜的光学常数，关键在于建立适当的模型对椭偏 参数进行拟合。建立拟合模型需从i t o 薄膜的微观结构和光学性质两方面进行 考虑。 首先，i t o 是一种梯度材料，通过对i t o 薄膜横截面的s e m 图像进行分析， 发现可将i t o 薄膜的梯度结构看作是由疏松的底层结构和致密的顶层结构构成 的。 其次，i t o 薄膜在可见光范围内透过率可达9 0 以上，因此在可见光范围内， 可以用c a u c h y 模型对其光学常数进行拟合。在红外光区和紫外光区分别存在载 流子吸收和带间吸收，因此采用d r u d e 振子模型来模拟载流子吸收，l o r e n t z 振 子模型来模拟光的带间吸收。 综合考虑i t o 薄膜的微观结构和光学性质，建立了c a u c h y 模型、d r u d e 模 型、双振子模型、双层模型、梯度模型和三层模型对i t o 薄膜的光学常数进行 拟合。在此基础上，总结了建立拟合模型应遵守的两条原则：模型简单化原则和 m s e 最小原则。在对i t o 的光学常数进行拟合时，应根据拟合的光谱范围和i t o 薄膜的厚度选择拟合模型。 2 i t o 光学常数影响因素的研究。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 蒸发速率对i t o 光学常数的影响。蒸发速率对i t o 的微观性质、光学 常数和电学性质都有影响。实验发现，随着蒸发速率的提高，i t o 薄膜的折射率 和消光系数都会随之增大。 ( 2 ) 氧流量对i t o 光学常数的影响。i t o 薄膜的光学常数( 折射率和消光 系数) 都随氧流量的增大而减小。这是因为，氧流量的改变会影响i t o 薄膜的 结晶情况和载流子浓度进而影响它的光学常数。 ( 3 ) 退火温度对i t o 光学常数的影响。在低温进行退火时，i t o 的折射率 会有所减小，但随着退火温度的提高，折射率会随之提高。i t o 的消光系数随着 退火温度的提高持续减小。当在4 3 5 0 c 以上进行较长时间退火时( 8 0 s ) ，i t o 的 消光系数较未经退火时有所增加。 ( 4 ) 薄膜厚度对i t o 光学常数的影响。i t o 的折射率随厚度的增大而减小， 消光系数随厚度的增大而增大。 3 对i t o 增透膜厚度的研究 ( 1 ) 通过分析不同工艺参数对i t o 光电性质、机械和化学性能的影响，确 定了生长i t o 的最佳蒸发速率为1 5 h s ，最佳氧流量为3 s c c m 。 ( 2 ) 分析了i t o 薄膜厚度的测量值与制备时的设定值之间的关系。发现测 量值与设定值相差1 0 左右。 j ( 3 ) 分析了单层三i t o 增透膜对应的最佳厚度。根据拟合得到的i t o 折射 4 n 0 率进行计算，波长为6 2 0 n m 的光所对应的兰i t o 增透膜的厚度应为9 0 8 a ，因 4 n 此制备i t o 时，厚度设定在l o l o a 左右。在a 1 g a l n p 片上分别蒸发9 8 0 a 、l o l o h 、 1 0 4 0 a 和1 1 2 0 a 的i t o 薄膜，发现蒸发了1 0 1 0 a i t o 薄膜的l e d 的轴向光强最 大，与计算结果一致。 ( 4 ) 分析了复合增透膜中的i t o 虚设层对应的最佳厚度。根据拟合得到的 ， i t o 折射率进行计算，波长为6 2 0 n m 的光所对应的三i t o 虚设层的厚度应为 2 n 1 9 0 0 a ，因此制备i t o 时厚度应设定在2 1 0 0 a 左右。在a 1 g a l n p 片上分别蒸发 1 8 4 0 a 和2 0 2 0 a 厚的i t o 薄膜，发现蒸发了2 0 2 0 a i t o 薄膜的l e d 的轴向光强 最大。 关键词：i t o 薄膜；椭偏仪；光学常数；电子束蒸发法；发光二极管 a b s t r a c t a b s t r a c t i t o ( i n d i u mt i no x i d e ) t h i nf i l m sa r ew i d e l yu s e da st r a n s p a r e n te l e c t r o d e si na l a r g ev a r i e t yo fo p t o e l e c t r o n i ca n dm i c r o e l e c t r o n i cd e v i c e sb e c a u s eo fi t sg o o do p t i c a l a n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e s i th a sb e e nw i d e l ys t u d i e d ，b u tp e o p l ec a n n o tm e a s u r ei t s o p t i c a lp a r a m e t e ra c c u r a t e l yf o r i t s c o m p l i c a t e dm i c r o s t r u c t u r ea n da b s o r p t i o n p r i n c i p l e i nm yp a p e r , w eh a v es t u d i e do i lt h eo p t i c a lp a r a m e t e r so fi t o ，a n da n a l y s e d f a c t o r st h a te f f e c to p t i c a lp a r a m e t e r s 1 s t u d y i n go nm e a s u r i n go p t i c a lp a r a m e t e r so fl t ot h i nf i l m s w es i m u l a t et h e o p t i c a lp a r a m e t e ro fi t ot h i n f i l m s b ys p e c t r o s c o p i c e l l i p s o m e t r y t h em o s ti m p o r t a n ti st oe s t a b l i s ha l la p p r o p r i a t em o d e lt os i m u l a t et h e e l l i p s o m e t r i cp a r a m e t e r t oe s t a b l i s hm o d e l ，w es h o u l dc o n s i d e rt h em i c r o s t r u c t u r e a n da b s o p t i o np r i n c i p l eo fi t o a tf i e s t ，i t oi sag r a d sm a t e r i a l a n a l y z i n gt h es e m i m a g eo fi t oc r o s s s e c t i o n ， w ec a ns i m p l i f yt h eg r a d ss t r u c t u r ea sab o t t o ml a y e rw i t hl o o s es t r u c t u r ea n dat o p l a y e r 、析mc o m p a c ts t r u c t u r e a n dt h e n ，t h et r a n s p a r e n c yo fi t ot h i nf i l m si sa b o v e9 0 i nt h ev i s i b l er a n g e s ow ec a nu s ec a u c h ym o d e lt os i m u l a t ei t so p t i c a lp a r a m e t e ri nt h ev i s i b l er a n g e i n i ra n du vr a n g ei t ot h i nf i l m sc a ne x i s tc a r r i e ra b s o r p t i o na n di n t e r b a n da b s o r p t i o n ， s ow ec a l lu s ed r u d em o d e lt os i m u l a t et h ec a r r i e ra b s o r p t i o na n dl o r e n t zm o d e lt o s i m u l a t et h ei n t e r b a n da b s o p t i o n c o n s i d e r i n gt h er n i c r o s t r u c t u r ea n do p t i c a la b s o r p t i o np r i n c i p l eo fi t o t h i nf i l m s ， w ee s t a b l i s h e dc a c u h ym o d e l ，d r u d em o d e l ，t w oo s c i l l a t o rm o d e l ，t w ol a y e r sm o d e l a n dt h r e el a y e r sm o d e lt os i m u l a t et h eo p t i c a lp a r a m e t e ro fl t o w es u mu pt w or u l e s t oe s t a b l i s hm o d e l ：s i m p l i f y i n ga n dm s em i n i m a l w es h o u l de s t a b l i s hm o d e l a c c o r d i n gt ot h et h i c k n e s so fl t oa n do p t i c a lr a n g 2 s t u d y i n go nf a c t o r se f f e c t i n go p t i c a lp a r a m e t e r so fl t o i 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 1 ) i n f l u e n c eo fe v a p o r a t i o nr a t e t h er e f r a c t i v ei n d e xa n de x t i n c t i o nc o e f f i c i e n t o fl t oi n c r e a s e 、析t 1 1e v a p o r a t i o nr a t e ( 2 ) i n f l u e n c eo fo x y g e nf l o w b o t hr e f r a c t i v ei n d e xa n de x t i n c t i o nc o e f f i c i e n t r e d u c e 、衍也t h eo x y g e nf l o w b e c a u s eo x y g e nf l o wi n f l u e n c et h ec r y s t a l l i z a t i o no f i t o ，a n dt h e ni n f l u e n c et h em i c r o s t r u c t u r ea n do p t i c a lp a r a m e t e r ( 3 ) i n f l u e n c eo fa n n e a l i n gt e m p e r a t u r e a n n e a l i n ga tl o w e rt e m p e r a t u r e ， r e f r a c t i v ei n d e xo fi t oi sl o w e r r e f r a c t i v ei n d e xi n c r e a s e 、析ma n n e a l i n g t e m p e r a t u r e ，a n de x t i n c t i o nc o e f f i c i e n to fl t or e d u c e 淅也a n n e a l i n gt e m e r p a t u r e ( 4 ) i n f l u e n c eo ft h i c k n e s s r e f r a c t i v ei n d e xr e d u c ew i t hf i l mt h i c k n e s sa n d e x t i n c t i o nc o e f 矗c i e n ti n c r e a s ew i t ht 1 1 et h i c k n e s s 3 s t u d y i n go nt h et h i c k n e s so fa n t i r e f l e c t i n gf i l m ( 1 ) s t u d i e dt h er u c t i o no ft e c h n i c a lp a r a m e t e r so fp r o p e r t i e so fi t o ，a n dt h e n s e l e c t1 5 a s ( e v a p o r a t i o nr a t e ) ，3 s c c m ( o x y g e nf l o w ) a n da n n e a la t4 35 0 cf o r4 0 st o e v a p o r a t ei t o t h i nf i l m ( 2 ) c o m p a r e dt h ec a l c u l a t e dv a l u ea n di n i t i a lv a l u eo ff i l mt h i c k n e s s t h e d i s c r e p a n c yb e t w e e nt h e mi sa b o u t10 ( 3 ) s t u d i e dt h et h i c k n e s so f i t oa n t i _ r e f l e c t i n gf i l m a c c o r d i n gt ot h e 4 n s i m u l a t i n gr e s u l to fr e f r a c t i v ei n d e x ，t h et h i c k n e s so fa n t i r e f l e c t i n gf i l mi s9 0 8 a s o t h ei n i t i a lv a l u eo ft h i c k n e s si s1010a w ee v a p o r a t e9 8 0 a ，1010 a ，l0 4 0 aa n d 112 0 ai t ot h i nf i l m so na 1 g a l n pw a f e r w ef i n dt h el e dw i t h1010 ai t 0t h i nf i l m h a dt h eb i g g e s tl i g h ti n t e n s i t y ( 4 ) s t u d i e dt h et h i c k n e s so f ，、2 , i t of i l m a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i n gr e s u l to f r e f r a c t i v ei 1 1 d e x m et h i c k n e s so f 尘i t 0f i l mi s19 0 0 a s ot h ei n i t i a lv a l u eo f 2 n t h i c k n e s si s210 0a w ee v a p o r a t e18 4 0 aa n d2 0 2 0 ai t of i l m so i la i g a l n pw a f e r w ef i n dt h el e dw i t h2 0 2 0 ai t ot h i nf i l mh a dt h eb i g g e s tl i g h ti n t e n s i t y k e y w o r d s ： i t ot h i nf i l m s ；s e c t r o s c o p i ce l l i p s o m e t e r ；o p t i c a lp a r a m e t e r ；e b e a m e v a p o r a t i o n ；l e d i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书中使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 魏埠吼监 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：绰导师签名：址日期：掣s 0 7 第一章绪论 oi ii i i ni l li i i i i ! 曼! ! ! ! 曼! 曼! ! 曼苎曼! 曼! 曼! ! 曼! ! ! 苎! 曼! 曼1 1 1l e d 的发展 第1 章绪论 自1 8 7 9 年爱迪生发明白炽灯以来，人造照明光源经历了三个发展阶段：自炽 灯、霓虹灯、气体放电灯。1 9 9 3 年日本首先在g a n 发光二极管上获得技术突破， 并于1 9 9 6 年实现白光l e d ，近几年正向第四个照明光源的发展阶段以白光 l e d 为主的半导体照明光源方向发展。l e d ( 1 i g h te m i t t i n gd i o d e ) ，即发光二极管， 是指当在其整流方向施加电压( 称为顺方向) 时，有电流注入，电子与空穴复合， 一部分能量变换为光并发射出来的由半导体制作的二极管。 第一只l e d 是1 9 6 2 年由h o l o n y a k 等人利用g a a s p 材料制得的红光l e d ， 其发光效率近似为0 1 l l m j w 1 | 。1 9 6 8 年因为其长寿命、抗电击、抗震而作为指 示灯实现商业化。2 0 世纪7 0 年代，随着材料生长和器件制备技术的改进，l e d 的颜色从红光扩展到黄绿光。8 0 年代，a 1 g a a s 新材料的生长技术的发展，使得 高质量a 1 g a a s g a a s 量子阱应用于l e d 结构中，载流子在量子阱中的限制效应 大大地提高了l e d 的发光效率，使之达到1 0 1 m w 。9 0 年代，四元系a i g a l n p l g a a s 晶格匹配材料的使用，使得l e d 的发光效率提高到几十l m w 。美国惠普 公司利用截角倒金字塔( t i p ) 管芯结构得到的桔红光的效率达到l o o k n w1 2 j 。相 对于红绿光l e d ，g a i n n 、g a n 材料蓝、绿光l e d 的发展相对较晚，由日本 n i c h i a 公司于1 9 9 3 年首先制作成功【3 圳，2 0 m a 的注入电流下，1 5 0 发散角的l e d 发光强度为1 2 c d 。目前n i c h i a 公司拥有很多g a n 材料的专利，技术明显领先于 其他蓝光l e d 制造商。1 9 9 7 年，s c h l o t t e r 等人和n a k a m u r a 等人先后发明了用 蓝光管芯加黄光荧光粉封装成的白光l e d 5 | 。2 0 0 1 年k a f m a n n 等人用u vl e d 激发三基色荧光粉得到白光l e d 【6 j 。日本日亚公司利用蓝光l e d 激发黄粉和红 粉得到白光l e d ，发光效率达到6 0 1 m w l 列；2 0 0 3 年1 0 月美国c r e e 公司已封装出 1 2 0 0 1 m 、发光效率3 2 1 m w 的白光l e d 集成灯，同年底日本日亚( n i c h i a ) 展示 了1 0 0 0 1 m 、发光效率3 3 1 m w 的白光l e d 灯【8 】。2 0 0 5 年c i t i z e n 开发出最高发 光率的白光l e d ，光束值为2 4 5 1 m ，发光率为7 0 1 m w 。 世界各国纷纷制定产业发展规划，目标是将半导体固体照明推向实用化和产 业化，占领下一代照明革命的技术和市场先机： 一 日本的“2 1 世纪照明技术”研究进展计划； 一 美国的“半导体国家研究项目例”； 一 欧共体的“彩虹”计划l l u l ； 我国台湾省的“次世纪照明光源开发计划”； 北京工业大学工学硕士学位论文 一我国国家科技部于2 0 0 3 年6 月正式启动“国家半导体照明工程”，为半 导体照明技术带来了巨大的发展机遇。 。 1 2 红光l e d 存在的主要问题及解决途径 1 2 。1 红光l e d 存在的主要问题外量子效率低 外量子效率是反映高亮度红光l e d 的最重要的参数，它由公式( 1 1 ) 定义 为： r o 们= r t 7 7 酬 ( 1 1 ) 其中刁俐为器件的外量子效率，为内量子效率，为光提取效率。由此可见， 影响发光二极管外量子效率的主要因素包括内量子效率和光的提取效率。 对于红光l e d ，由于a 1 g a i n p 系材料与g a a s 衬底具有良好的晶格匹配，容 易获得高质量的外延材料，因此这种材料具有很高的内量子效率，可以实现高亮 度的光发射。然而由于光提取效率低，使其外量子效率仍然很低，因此高亮度红 光l e d 的主要问题集中在如何将光从半导体材料内部提取出来，提高其光提取 效率。造成高亮度红光l e d 的光提取效率低的原因主要有以下几点【1 1 ： 首先，影响高亮度发光二极管光提取效率的最关键因素是出光面的出光锥体 很小。a 1 g a l n p 、g a a s 系材料的折射率n 2 一般在3 3 5 之间，远远高于空气的 折射率( n 1 = 1 ) ，光从高折射率n 2 的半导体材料出射到低折射率n 1 的周围媒质 中时，只有入射角小于临界角的光才能从半导体材料透射到周围媒质中，临界角 o c = a r c s i n ( n ， ：) 。光从g a p 材料进入到空气中，临界角为1 7 。，因而出光面的 出光锥体很小。假设出光面为平面，且半导体内的光是各向同性的自发发射光， 当临界角为1 7 0 时提取效率仅为2 ；而当周围媒质为封装所使用的环氧树脂时， 其折射率为1 5 ，经计算临界角为2 7 0 ，此时光的提取效率也仅仅为4 。 其次，电极对射向出光表面的光的吸收损耗是影响光的提取效率的另一个因 素，并且，由于p 型a 1 g a l n p 很难实现高的掺杂浓度，同时很难生长晶格质量好 的厚p 型a 1 g a l n p 层。因为材料的质量随着生长厚度的增加而降低，所以p 型 a 1 g a l n p 的电导率很低，导致上电极下的电流主要集中在电极的正下方。 衬底对光的吸收损耗也是影响光的提取效率的一个重要因素，对于 a 1 g a l n p g a a s 发光二极管，衬底g a a s 材料的带隙为1 4 2 4 e v ，g a a s 吸收 a 1 g a l n p 发光二极管有源区发出的光，这样，射向衬底的光被衬底吸收，只有射 向上出光面的光才可能通过上出光面透射到周围媒质中。因此衬底的光吸收损耗 也是影响高亮度红光l e d 光提取效率的一个重要因素。 2 第一章绪论 ! 曼曼! ! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 苎! ! ! ! 曼! 曼! i i j 一。 n = 一= = i 一： i ：i 曼1 1 2 2 提高外量子效率的手段 针对l e d 外量子效率低的问题，研究人员已采用了多种解决方案。 1 电流扩展层。 最常用的提高发光二极管亮度的方法是在外延层顶端再生长一厚层电流扩 展层。要求这一层材料带隙更宽，与器件相容，具有低的电阻率，对出射光透明， 且化学性能稳定。生长电流扩展层可以将载流子扩展到电极以外，从而使大部分 的光能够避开不透明的电极对光的反射和内部再次吸收。一般为了达到良好的电 流扩展作用，通常要生长很厚的电流扩展层。 2 电流阻挡层。 电流阻挡层是在挡光的p 型电极的正下方，p 型限制层与电流扩展层之间， 生长一层比上电极面稍宽、薄的n 型电流阻挡层。电流阻挡层的引入，可将电流 几乎全部注入到电极之外，减小上电极对出光效率的影响。但电流阻挡层的引入 同样也会导致串联电阻的增大，这是电流阻挡层的一个重要问题。 3 p 型衬底技术。 与n 型衬底技术一样，只不过采用的是p 型衬底，生长的结构与n 型衬底上 的结构相反，采用1 1 型电流扩展出光。在相同的掺杂浓度下，电子的电导率比空 穴的电导率高一倍以上，因此电流扩散作用更强。但是p 型衬底的缺陷比n 型衬 底多；其次，p 型杂质的扩散作用强，会影响有源层的质量。 4 生长布拉格反射层。 布拉格反射层是两种折射率不同的材料周期交替生长的层状结构，在有源层 和衬底之间，能够将射向衬底的光反射回表面或侧面，可以减少衬底对光的吸收， 提高出光效率。 5 键合透明衬底。 除了将光反射回上表面，另外一种减少衬底吸收作用的方法是将l e d 的 g a a s 衬底换成透明衬底，使光从底面出射。 透明衬底可以在l e d 晶片生长结束后，移去吸光的n g a a s 衬底，利用二次 外延生长出透明的、宽禁带的导电层。也可以先在n g a a s 衬底片上生长厚5 0 n m 的透明层( 比如a 1 g a a s ) ，然后再移去g a a s 衬底。这两种技术的问题在于透明 层的价格昂贵，难于生长，而且与高质量的有源层之间匹配不好。 另外一种技术就是b o n d i n g ( 粘合) 技术。它是指将两个不同性质的晶片结 合到一起，并不改变原来晶体的性质。b o n d i n g 的方法非常多【1 2 , 1 3 】，有范德华 b o n d i n g 技术、外延b o n d i n g 和氧化b o n d i n g 技术等。但它们都因为结合力太弱、 界面不透明或界面导电性差等原因不适合做透明衬底的b o n d i n g 。 最终直接b o n g d i n g 技术引起人们的关注。它是将两晶片直接融合到一起而 3 北京工业大学工学硕士学位论文 不需加任何的粘合剂。用选择腐蚀的方式将g a a s 衬底腐蚀掉后【1 4 1 ，在高温单轴 力的作用下将外延片b o n d i n g 到透明的n g a p 上【1 5 ，1 6 1 。制成的器件是g a p 衬底。 有源层g a p 窗口层的三明治结构。它允许光从六个面出射，因而提高了出射效 率。 6 改变管芯形状。 1 3 测量it o 薄膜光学常数的重要意义 i t o ( i n d i u mt mo x i d e ) 薄膜具有透过率高、电阻率低和叫好的刻蚀等性能。 目前，我国有i t o 玻璃生产厂家近2 0 家，共有镀膜生产线3 0 余条，年产能产 量1 亿片左右【1 7 】。 1 3 1lt 0 薄膜在红光l e d 中的重要作用 透明导电膜i t o 具有高载流子浓度( 1 0 2 11 0 2 2 c m 。3 ) 和高的可见光透过率( 9 0 ) ，因此它对于提高a 1 g a l n p 红光l e d 的外量子效率具有重要的意义。 在传统红光l e d 中，通常采用厚的g a p 作为其电流扩展层，然而g a p 和 a i g a l n p 的晶格失配达到3 6 ，利用m o c v d 很难生长高质量的厚g a p 层，而 且生产成本较高。 通过模拟得到1 0 0 n m i t o 薄膜的电流扩展几乎可以和1 0g r n 的g a p 相当。 因此可采用i t o 薄膜作为红光l e d 的电流扩展层，取代厚g a p 进行电流扩展【l8 1 。 i t o 薄膜除具有扩展电流的作用之外，还可以在l e d 中起到增透膜的作用。 i t o 增透膜的厚度受其折射率的影响，因此测量i t o 薄膜的光学常数，对提高i t o 增透膜的增透效果具有重要作用。 1 3 2 测量lt 0 光学常数的重要意义 1 3 2 1 优化lt 0 增透膜的增透效果 光从半导体材料进入空气时，是由光密介质到光疏介质，会受到临界角的限 制，当光的入射角大于临界角时，光会在半导体表面上发生全反射，因此只有入 射角小于临界角的光才能从半导体材料表面出射到空气中。临界角巩由下式表 示： 包：刃甜m 里 n 2 4 第一章绪论 g a p 在6 2 0 n m 处的折射率大约为3 3 2 7 9 ，光从g a p 材料进入到空气中，临 界角约为1 7 0 ，出光面的出光锥体很小。假设出光面为平面，且半导体内的光是各 向同性的自发发射光，当临界角为1 7 0 时提取效率仅为2 ；而当周围媒质为封 装所使用的环氧树脂时，其折射率为1 5 ，经计算临界角为2 7 0 ，此时光的提取 效率也仅仅为4 。增透膜可以起到减少反射，增加光的透过率的作用。因此可 以用它来提高器件的光提取效率。作为增透膜的薄膜材料需要满足以下条件： 1 玎= 扛鬲 2 办：互 4 一方面，g a p 所需的增透膜的理想折射率约为1 8 2 4 3 ，此时增透膜可以达到 最小的反射率和最大的透过率。因此i t o 薄膜的折射率越接近这个值，其增透 效果就越好。 2 另一方面，兰的i t o 增透膜其厚度随折射率的变化而变化。因此，测量出 4 ，2 i t o 薄膜的折射率对确定不同波长所对应的i t o 增透膜的厚度具有重要意义。 i t o 薄膜的微观结构、制备工艺和后处理工艺都对其折射率有重要影响。由 于制备工艺的不同，i t o 薄膜的折射率可以从1 3 4 变化到2 0 6 1 9 】。因此，我们 需要研究各个工艺参数对i t o 薄膜折射率的影响，通过对工艺参数的调节，来 调整i t o 薄膜的折射率，使其尽可能的接近1 8 2 4 3 ，并由此计算出i t o 增透膜 所对应的厚度。 除了i t o 薄膜的折射率之外，i t o 薄膜的消光系数也会对器件的光学性能产 生影响。我们希望通过对工艺参数进行调整，既能获得理想的i t o 薄膜折射率， 又能得到尽可能小的消光系数。因此我们不仅要研究工艺参数对i t o 薄膜折射 率的影响，还要研究工艺参数对其消光系数的影响。 1 3 2 2 优化复合增透膜的增透效果 i t o 薄膜除了可以单独用作a i g a i n p 红光l e d 的增透膜之外，还可以与 s i o n 一起组成复合增透膜。在与s i o n 一起组成的复合增透膜中，i t o 薄膜主 要起电流扩展的作用，即i t o 薄膜在复合增透膜中作为“虚设层”，在参考波长 口 处对薄膜系统的特征没有任何影响。“虚设层”的厚度为三，因此只有确定了i t o 2 n 薄膜的折射率才能确定“虚设层”的厚度。同时，还应尽可能使i t o 薄膜的消 光系数达到最小。 ：， 因此，无论是制备；i t o 单层增透膜还是制备三i t o + s i o n 复合增透膜， 北京工业大学工学硕士学位论文 测量i t o 薄膜的光学常数( 折射率1 2 和消光系数k ) 对提高其增透效果都具有重 要意义，对提高红光l e d 的器件性能具有重要作用。 通常我们采用分光光度计测量i t o 的反射率来确定i t o 薄膜的物理厚度。 也就是通过在s i 衬底上生长i t o ，然后使用分光光度计测量波长与反射率的关 系。光学厚度为二分之一波长的i t o 的反射率的显著特征是在设定波长上的厚 度的反射率应该是一峰值。从理论上讲，在设定波长上，反射率应该和基片没有 镀膜的值相同。通过不断调整薄膜厚度，获得与二分之一光学厚度对应的i t o 薄膜的物理厚度。但是这种方法过于繁复，只能获得某一波长所对应的i t o 薄 膜的厚度。而无法分析光谱范围内i t o 薄膜所对应的厚度。 1 4it 0 薄膜光学常数的测量方法 1 4 1 几种常用方法的比较 在众多测量薄膜光学常数的方法中，光谱法、光度法、椭圆偏振测量法、棱 镜耦合法均可同时测量出薄膜的光学常数和厚度，但它们各有优缺点【2 0 j 。 棱镜耦合法虽然可以准确测量薄膜的厚度和折射率，但其精度受到诸多因素 的影响。并且要求薄膜必须具有相当高的光学质量。因此样品难于制备。薄膜中 的光吸收损耗也限制了该方法的应用。 外差干涉法虽然解决了诸如光源的稳定性、散射光、内部反射等因素对测量 精度的影响，然而，由于需要满足全反射条件，从而使待测折射率的大小受限。 光度法和反射光谱法中利用分光光度计测量反射率时的稳定性不好，实验数 据不是很精确。透射光谱法仅仅利用了样品的透过率曲线谱，实验过程比较简单， 计算过程也可以通过计算机编程来实现，比较简单快速。但它对样品的质量要求 也比较高，薄膜必须均匀并且表面平行。因此，实验中采用哪种方法应视具体情 况而定。 椭圆偏振测量法具有高灵敏度、高精度、重复性好和非破坏性的优点。因此 我们采用这种方法来测量i t o 薄膜的光学常数。 1 4 2 椭圆偏振法的发展 椭圆偏振法的发展经过了以下几个阶段： 在1 8 8 7 年至1 8 9 0 年期间，d u r d e 教授推导出了椭偏方程( 该方程至今还被用 来解释一些实验和计算结果) ，而且第一次对吸收和透明固体进行实验研究，得 到了许多种金属和一些合金在两个波长下的光学常数。所以说s e 的真正建立， 6 第章绪论 应该是从德国的d u r d e 教授开始的。1 9 4 5 年，r o t h e n 2 l j 介绍了一种用于测定薄 膜表面光学特性的仪器，同时，为了将传统的偏振测量术( p o l a r i m e t r y ) 与测量反 射光偏振态变化的技术相区分，正式命名了“椭偏术( e l l i p o s m e r t y ) ”一词。 2 0 世纪7 0 年代末期，计算机的出现和发展，才让椭圆偏振测量技术真正得 到迅速发展，并从此得到越来越广泛的应用。1 9 6 9 年，j a s p e r o s n 2 2 】等人根据偏 振调制原理研制成了扫描波长调制的自动椭偏仪，并用它测量了银薄膜的光学性 质。同年，c a h a n 和s p a n i e r 2 3 】首次报道了自动旋转检偏器式的椭偏仪。1 9 7 5 年， 美国贝尔实验室的a s p n e s 2 4 】利用光栅单色仪产生可变波长，设计出第一台具有 连续波长范围为2 2 0 n m - 7 2 0 n m 的计算机化的旋转检偏器型自动化椭偏仪，并测 量了不同波长下固体材料的光学特性。 1 9 9 3 年初，被认为是s e 历史发展中重要里程碑的第1 届国际椭偏光谱会议 ( i c s e 1 ) 在法国巴黎召开，展现了这一领域的最新成果。1 9 9 7 年5 月1 2 1 5 日， 在美国南卡罗来纳州查尔斯顿市举行了第2 届国际椭偏光谱会议( i c s e 2 ) 。有2 7 个国家和地区的2 0 0 多人参加了会议，会上发表论文2 0 4 篇。 国内的s e 研究最早始于2 0 世纪7 0 年代初。在著名物理学家黄昆院士的建 议下，由中山大学的莫党教授等开展研究。7 0 年代中期，由莫党教授等人设计 制造出我国第一台t p 7 5 型单波长消光椭偏仪拉5 1 ；1 9 8 2 年，他们又研制成波长范 围为2 6 0 n m 8 6 0 n m 的t p p 。1 型波长扫描光度椭偏光谱仪【2 州。1 9 9 7 年，朱德瑞和 莫党等人对t p p 1 型椭偏光谱仪进行自动化改造口7 1 ，使之成为一台旋转检偏器 式的高精度自动化椭圆偏振光谱仪，并将工作波长范围拓展到2 0 0 n m 9 0 0 n m 。 1 9 8 7 年，西安交通大学实现了激光光源椭偏仪的自动化，并于1 9 9 2 年进一 步提高了椭偏仪的自动化程度和测量精度，同时，研制出红外椭偏仪 2 8 ，波长范 围为0 6 t m 2 5 1 x m 。 1 9 9 3 年，在陈良尧教授的带领下，复旦大学的半导体物理教研室固体光谱 研究小组研制出入射角和波长均可变的全自动椭圆偏振光谱仪 2 9 , 3 0 】。其主要技术 指标均达到或超过了国际同类产品水平，己经实现商品化生产。另外，他们还与 中国科学院上海技术物理研究所合作于1 9 9 8 年研制出以1 ：1 速率同时旋转起偏 器和检偏器的可变入射角红外椭圆偏振光谱仪【3 l 】，测量波长范围为 2 5 p m 1 2 5 p a - n ，通过更换不同探测器，波长范围可达1 u m 2 3 i ，t m 。又于2 0 0 0 年 研制成双重傅立叶变换红外椭圆偏振光谱仪【3 2 1 ，使工作波长的起点延伸到了可见 光区域，测量波长范围为0 1 8 1 x m 一7 “m 。所以，国内的s e 研究起步晚、发展快， 并且在某些方面已经达到世界领先水平。 7 北京工业大学工学硕士学位论文 1 4 3 椭圆偏振法的应用 椭圆偏振测量法具有很多优点，使得这一技术被广泛应用于物理、化学、薄 膜技术、材料科学、微电子技术和生物医学等领域。包括以下几方面i 1 分析体型材料的光学性质。 可以确定各种金属、半导体( 如s i 、g e 、g a 等) 和各向异性晶体的光学常 数。也可以测量出应力、电场或温度这些扰动引起的材料光学性质的变化。 2 分析薄膜态材料的光学性质。 3 研究物理吸附和化学吸附。 4 研究半导体及金属表面的氧化。 5 应用于电化学领域。 6 应用于医学和生物学领域。 7 其他方面的应用。 1 5 本论文研究的意义和主要内容 尽管a 1 g a l n p 红光l e d 的研究已经取得很大的进展，内量子效率已经达到 9 0 以上。但相对于内量子效率，红光l e d 的外量子效率依旧很低。通常采用 厚g a p 作为a 1 g a l n p 红光l e d 的电流扩展层和窗口层。但是，一方面空气与 g a p 折射率的差导致界面对光的全反射使很多光线无法从器件出射。另一方，很 难采用m o c v d 生长高质量的厚g a p ，生产成本高，且生产时间长。不适宜产 品的批量化生产。 i t o 薄膜具有高载流子浓度( 1 0 2 1 _ 1 0 2 2 c m 弓) 和高的可见光透过率( 9 0 ) ， 因此它对于提高a 1 g a l n p 红光l e d 的外量子效率具有重要的意义。i t o 薄膜不 仅可以用作a 1 g a l n p 红光l e d 的电流扩展层，通过调整薄膜厚度，i t o 还可单 独用作l e d 的增透膜或和s i o n 一起构成复合增透膜。因此，测量i t o 薄膜的 光学常数，对制备i t o 增透膜和i t o + s i o n 复合增透膜，提高a 1 g a l n p 红光l e d 的光提取效率具有重要意义。 本论文围绕i t o 薄膜的光学性质进行研究，主要包括以下几个方面： 1 ) 采用椭偏仪法，研究建立光学模型对i t o 薄膜的光学常数进行拟合。从i t o 薄膜的微观结构和光学性质两方面进行分析，确定拟合模型的光学结构。 2 ) 分析了i t o 薄膜光学拟合模型的选择依据。 3 ) 总结归纳了建立拟合模型应遵守的两条基本原则； 4 ) 研究了电子束蒸发法的蒸发速率、氧流量、后处理工艺( 退火温度和退火时 间) 和薄膜厚度对i t o 光学常数的影响； 第一章绪论 5 ) 研究了用电子束蒸发法生长i t o 薄膜时设定的生长厚度与测量的厚度值之 口 间的数量关系。通过测量得到的折射率，计算得到了三i t o 增透膜所对应 4 n 的电子束蒸发厚度在1 0 1 0 a 左右。比较了不同i t o 薄膜厚度对器件轴向光 强和正向压降的影响； 0 6 ) 通过测量得到的折射率，计算得到了在复合增透膜中三i t o 虚设层所对应的 2 n 电子束蒸发厚度在2 1 0 0 a 左右。比较了不同i t o 薄膜厚度对器件轴向光强和正 向压降的影响。 9 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章lt 0 光学常数的椭偏测试技术 2 1it 0 薄膜的性质 2 1 1lt 0 薄膜的生长机理 蒸