砷化镓中广延缺陷的光致发光和拉曼散射研究

摘要

半导体材料中的广延缺陷(如位错)会在禁带中引入缺陷能级，在光激发或电注入的条件下，这些局域态会俘获载流子而增强非辐射复合并给它们提供耗散途径，从而会影响材料及其器件的光学和电学特性。因此检测半导体材料的广延缺陷并研究其本质特性对于材料生长及器件应用而言十分重要。本文基于砷化镓中广延缺陷的光致发光和拉曼散射实验，深入探讨了广延缺陷与载流子输运关联。论文的主要研究内容包括以下几个方面： (1)检测GaInP/GaAs/GaInP双异质结样品和太阳能电池器件中砷化镓外延层的广延缺陷。首先采用低分辨大视场的光致发光或电致发光光谱实时成像快速检测出疑似缺陷，然后采用高分辨的激光扫描空间分辨光致发光光谱成像进行精确定位，最后通过光致发光光谱的对比分析对广延缺陷进行确认。采用这种实时成像扫描、空间分辨成像定位、光谱表征的分步检测法实现了样品中砷化镓广延缺陷的快速高效检测。 (2)基于光激发载流子一维扩散模型，求解扩散方程得到对比函数的表达式，由广延缺陷区域光致发光强度的径向分布计算出对比函数的对应数值，然后对数据进行函数拟合导出样品的有效扩散长度；通过广延缺陷的光致发光实验发现载流子的有效扩散长度随着激发光功率密度的改变而发生变化。当激发光功率密度很小时，光生载流子浓度低，点缺陷的非辐射复合竞争降低光生载流子的平均寿命，使得有效扩散长度急剧减小。只有当光生载流子浓度超过一个阈值而使点缺陷态饱和后，载流子的长距离扩散才能变为可能。 (3)通过广延缺陷的拉曼散射实验观察到广延缺陷处GaAs LO声子模发生红移，强度增强且谱线变窄，通过理论分析发现由于广延缺陷处光生载流子等离子体激元—纵向光学声子耦合效应减弱而产生这一“异常”实验现象；将光致发光与拉曼散射相结合，根据LO声子-等离子体耦合模特性计算出广延缺陷周围载流子浓度及光致发光转化率的空间分布，进一步证实了采用光致发光光谱对广延缺陷进行成像表征时其分辨率受到载流子扩散的限制；基于LO声子-等离子体耦合模的拉曼散射峰值频率和强度对载流子浓度非常敏感这一特点，采用LO声子-等离子体耦合模的拉曼散射光谱对广延缺陷进行成像表征，其分辨率得到明显的改善，实现了广延缺陷的超扩散限制成像。此外，通过对LO声子-等离子体耦合模的拉曼散射光谱进行线型拟合，导出了等离子体振荡的阻尼系数，进而计算出砷化镓样品的电子迁移率。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 晶体的广延缺陷

1.3 广延缺陷的研究现状

1.4本文的主要研究内容及章节安排

第2章 光致发光和拉曼散射

2.1 光致发光

2.1.1光致发光原理

2.1.2光致发光分析法的应用

2.2 拉曼散射

2.2.1拉曼散射的量子理论描述

2.2.2拉曼散射的经典理论

2.2.3拉曼选择定则

2.3 本章小结

第3章 砷化镓中广延缺陷检测

3.1实验样品

3.2实验系统

3.2.1激光扫描共聚焦显微技术

3.2.2共焦显微拉曼系统

3.3广延缺陷检测

3.4 本章小结

第4章 砷化镓广延缺陷的光致发光

4.1 不同激发功率条件下广延缺陷的PL光谱成像

4.2基于广延缺陷光致发光测定载流子扩散长度

4.2.1 测量原理

4.2.2 载流子有效扩散长度的测量

4.2.3 分析与讨论

4.3 本章小结

第5章 砷化镓广延缺陷的拉曼散射

5.1广延缺陷的拉曼散射实验

5.1.1 实验结果

5.1.2 讨论与分析

5.2广延缺陷区域载流子浓度及PL转换率

5.3基于LOPC模拉曼谱的线型拟合测定电子迁移率

5.3.1 测量原理

5.3.2 结果及分析

5.4广延缺陷的超扩散限制成像

5.5本章小结

第6章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果