化合物半导体薄膜工艺参数的分光光度法测试.doc

化合物半导体薄膜工艺参数的分光光度法测试2009年4月28日 16:29 半导体技术杨柳滨1，江素华1，郝茂盛2，李越生11复旦大学材料科学系国家微分析中心，上海2004332上海蓝光科技有限公司，上海2012100 引言化合物半导体如AlxGa1-N、InxGa1-N在发光二极管技术中有着很好的应用前景，AlxGa1-xN可以用来制造短波长的发光二极管，InxGa1-xN可以用在量子阱结构中从而提高发光二极管的出光效率。而这些化合物半导体的组分和膜厚的不同会对发光二极管的光学、电学性能产生很大的影响。传统的测定这些薄膜膜厚的方法，一般需要先将样品解理后运用或者等实验设备进行测试，这些方法都是具有破坏性的，传统的测定化合物半导体组分的方法是应用测定化合物薄膜的晶格常数后运用定律进行计算得到组分。但由于薄膜制备过程中产生的应力影响薄膜的晶格常数而使测得的组分会有一定的误差1，因此对化合物半导体组分和膜厚的无损准确测定将是发光二极管的生产工艺中的关键技术。本文采用了宽光谱分光光度测试法和-离散方程相结合的实验仪器8000-光谱仪对样品进行测试，计算拟合出该化合物半导体薄膜的折射率、消光系数和膜厚，通过组分与折射率的关系分析测得了组分，并且使用了和测量手段对结果进行了验证。1 实验验证及讨论11 膜厚的测定与验证本实验所用的样品是用金属有机物化学气相沉积法（）生长的。该样品的生长工艺是先在蓝宝石衬底上生长一层大约3.5的层，然后在上生长大约150的，生长所用的金属有机源为三甲基镓和三甲基铝。本实验所用的光谱仪硬件结构光路如图1所示，该仪器可以在1901000波长范围内对样品进行步进为1的扫描测量，得到每一步进值的反射率。光度计是通过利用两个光源实现宽光谱的测量，其中一个提供从可见光到近红外光（4001000），另一个提供紫外光（190450）。这两个光源发出的光被合并在一个光束中垂直投射到1样品表面，入射光经过反射后通过全息光栅被分为不同波长的光波被检测器接收，得到该1样品1901000的波段下的反射率曲线。计算方法上应用了以-离散方程为基础的计算拟合程序，-离散方程是由量子吸收理论和-关系推导出来的关于材料折射率和消光系数的简化方程式，表达如下式中：为当（）为绝对最小值时的光子能量；、是与材料电子结构有关的拟合量；（）代表趋于无穷大时的折射率；0和0是与、和有关的拟合量，整数是积分项数，该积分项数是由材料的消光系数的波峰数决定的，1样品消光系数的波峰只有一个，因此取1。薄膜样品的反射率是与材料的折射率和消光系数以及膜厚有关的量，因此得到反射率（），（），；，在通常情况下材料的反射率是一个比较容易得到的数据，如果能得到一系列的不同波长下的反射率，就可以通过计算拟合、三个参量，得到该材料的折射率、消光系数和膜厚的信息。应用-方程的好处是该方程简化了参数从而极大地减少了拟合过程中的计算量，并且一些常用的半导体如、等材料的折射率、消光系数已经建立了一套标准的数据库，因此在实际的拟合过程中可以调用数据库中的相应材料数据作为已知参数减少计算量。拟合程序应用了适合度参数（），该参数表示了通过拟合计算得到的值与实验值的相近程度该参数的取值为01，结果越接近1，说明拟合度越好，得到的结果也越接近真实值。对该1样品在分光光度计进行扫描后，得到该样品在1901000波长下的反射率的曲线，应用数据库中已有的和参数并根据上述样品结构在拟合程序中对该曲线进行计算拟合，在适合度参数0.9950时拟合计算出了最为匹配的、参数的组合并由此计算得到了1薄膜的、曲线图，结果如图2、3所示，并且得到了该样品的1层膜厚124，层膜厚3330。作为比较的为法国公司的-6型。测试采用能量为12.5的一次离子束2（束流50）在样品表面250250范围内扫描轰击；二次离子萃取电压4.5，检测的二次离子为24、14、27、12和69，通过测试的元素分布深度结合台阶轮廓仪对深度进行矫正来定每层膜的厚度如图4所示。把通过分光光度法结合-离散方程计算得到的值与通过得到的值进行对比，如表1所示。由于各种因素的影响，测得的组分可能存在某种程度上的失真，通常将归一化浓度值84下降到16所对应的深度间隔视为测试误差。根据实验数据的分析计算，1层厚度的测试误差为20，层厚度的测试误差为140。从的分析结果可以看到所得到的膜厚值与的分析结果相符合。12 组分的测定与验证化合物半导体的折射率符合一阶离散公式式中0和0分别是关于材料禁带宽度的可变参数，并且与禁带宽度有二次函数的关系。而当氮化物化合物的形式为1时半导体禁带宽度的经验公式为式中：（）和（）为和氮化物的禁带宽度，是根据薄膜的生长工艺所确定的经验参数7，如果是由方法长出的氮化物薄膜的取值为0.39，由方法长出的薄膜的取值为1.08，为元素的比例。可见化合物半导体组分和材料的反射率和折射率有着密切的联系，因此如果能得到化合物半导体的折射率，就可以通过理论计算或者对比数据库得到组分。该1样品组分的分析测定是通过将所得到折射率曲线与理论值进行对比分析得到的，数据库8可以提供1薄膜在470700波长下不同组分的理论折射率，取值的精度为0.01。从实验值的曲线中选取一至两个波长下的折射率数值和数据库的数值进行对照可以判断该1膜的组分大概为0.10。精确的判定过程是在470700范围内选取不同组分如0.09，0.11，0.12时几个特定波长下的值运用类似方程（3）的适合度参数来判定其近似程度。通过计算得出当0.11时，值相比其他组分的值更接近1，折射率曲线最为匹配。结果如表2、表3和图5所示。作为比较的使用的是衍射仪，应用对该样品（0002）面进行2扫描后得到和1的峰位差0.0882，在计算中取和的晶格常数分别为0.5185，0.4980，0.154，将数值代入布拉格反射公式得到0.516，利用得到样品的组分0.12。由于该计算所运用的原理和参数都是忽略了应力的作用得到的，而在实际情况中1会由于有应力的作用，使得原来的晶格常数小于应力完全释放的晶格常数1，因此，通过计算得到的组分值会略大于实际值。通过折射率得到的组分值较好地符合了该结果，说明该方法所得到的组分值是可信的。2 结论本文通过Forouhi-Bloomer离散方程和分光光度法相结合的方法，测得化合物半导体的折射率、吸光系数以及膜厚这一系列薄膜工艺参数，并首次运用数据对比分析技术对样品的折射率与理论值进行分析后得到组分。采用分光光度法定薄膜工艺参数这套新技术有两大优点：一是该技术只要得到样品的反射率就可进行计算，而nk系统对一样品收集反射率数据的时间是很短的，通常几秒钟就可以完成，并且可以进行多点扫描，而传统的XRD衍射测试组分的方法对一样品的一个点的测试就必须花上将近半个小时，并且2扫描方式对仪器的测试精度要求非常高，样品扫描前还需要对仪器的参数设置进行长时间