一種可靠預(yù)測碲鎘汞光電響應(yīng)截止波長的非接觸實(shí)驗(yàn)方法技術(shù)

一種可靠預(yù)測ＨｇＣｄＴｅ光電響應(yīng)截止波長的非接觸實(shí)驗(yàn)方法，系綜合運(yùn)用透射、光電流、光調(diào)制反射和光致發(fā)光多種光譜表征手段，對７７Ｋ溫度下材料的截止能量進(jìn)行研究。結(jié)果表明：由于缺陷／雜質(zhì)能級的存在，使傳統(tǒng)的透射光譜不能準(zhǔn)確預(yù)測材料的光電響應(yīng)截止波長；而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算的材料截止波長則通常偏短。紅外光調(diào)制反射光譜是非接觸性檢測方法，又因?yàn)樗c光電流譜的三階導(dǎo)數(shù)譜相似，可以作為一種可靠預(yù)測材料光電響應(yīng)截止波長的非接觸檢測手段。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及紅外光電材料性能表征技術(shù)，具體地說，是基于紅外調(diào)制反射光譜、可靠非接觸預(yù)測碲鎘汞材料光電響應(yīng)截止波長的測試方法。
技術(shù)介紹
碲鎘汞(Hg1-xCdxTe)是一種重要的窄禁帶半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于紅外探測器(陣列)的制備。光電響應(yīng)截止波長作為探測器的一項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)，嚴(yán)重依賴于材料的組分(x)、摻雜和缺陷。光電流譜(Phototcurrent，PC)是反映器件最終光電響應(yīng)特性的有效測量手段。但是由于電極制備、額外電學(xué)設(shè)備等原因，既是接觸的因而是破壞性的，又不便于作為常規(guī)表征手段。傅立葉變換紅外(FTIR)透射光譜(transmission，T)作為傳統(tǒng)的非接觸性光學(xué)檢測手段，常用于光電響應(yīng)截止波長的預(yù)測。但是這種方法在很大程度上依賴于對材料光學(xué)吸收特性的預(yù)知，又因受到材料缺陷和摻雜情況的影響而并非完全可靠。 光調(diào)制反射(Photoreflectance，PR)光譜作為非接觸性光學(xué)檢測手段，成功應(yīng)用于半導(dǎo)體材料與器件光學(xué)性質(zhì)研究。PR光譜是一種基于物理微分的調(diào)制光譜。作為靈敏檢測手段，它能有效去除干擾信號，獲得傳統(tǒng)非微分光譜難以分辨的帶間光躍遷以及其它微弱特征。但是通常的PR光譜技術(shù)由于受限于單色儀及其探測器性能，其適用波段僅局限于紫外—近紅外，根本無法用于窄禁帶Hg1-xCdxTe材料帶邊能帶結(jié)構(gòu)的研究。所幸的是，新近發(fā)展起來的基于步進(jìn)掃描FTIR光譜儀的紅外PR光譜方法，首次將敏感工作范圍拓展到中、遠(yuǎn)紅外波段。依此進(jìn)行的細(xì)致研究表明，該技術(shù)與相關(guān)理論結(jié)合，能夠可靠預(yù)測碲鎘汞光電響應(yīng)截止波長。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)結(jié)合多種光譜表征技術(shù)，分析研究砷(As)摻雜窄禁帶Hg1-xCdxTe材料光電響應(yīng)截止波長。在探索并初步建立截止波長與材料參數(shù)之間內(nèi)在關(guān)系的基礎(chǔ)上，形成關(guān)于截止波長的非接觸可靠預(yù)測實(shí)驗(yàn)方法和理論判據(jù)。相關(guān)結(jié)果將為材料性能表征和器件優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。 具體地，本專利技術(shù)對77K溫度下窄禁帶Hg1-xCdxTe材料的PC、T、PR和光致發(fā)光(Photoluminescence，PL)光譜進(jìn)行系統(tǒng)研究，并分析比較這些光譜方法用于預(yù)測材料截止波長的可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(1)傳統(tǒng)的透射光譜方法在用于預(yù)測材料禁帶寬度和光電響應(yīng)截止波長時(shí)均存在一定偏差；(2)根據(jù)PC譜獲得的截止波長相對于材料實(shí)際禁帶寬度存在明顯紅移；(3)PR光譜的主要帶邊特征與PC譜的三階導(dǎo)數(shù)非常相似，PR光譜的主峰位置與PC譜的截止波長位置完好吻合。通過對PR光譜和PL光譜進(jìn)行基于物理理論的線形擬合，發(fā)現(xiàn)材料雜質(zhì)和缺陷能級是導(dǎo)致截止能量略低于實(shí)際的禁帶寬度的主要原因。由此得出結(jié)論紅外PR光譜可以作為一種方便的非接觸光譜手段，可靠預(yù)測窄禁帶Hg1-xCdxTe材料光電響應(yīng)截止波長。附圖說明圖1分別給出了77K溫度下，分子束外延生長Hg1-xCdxTe(x＝0.304)樣品的PC譜和透射光譜。光譜對應(yīng)的三階導(dǎo)數(shù)譜也在圖中用虛線給出。豎直虛線和實(shí)線分別標(biāo)注由PC譜和透射光譜確定的樣品截止能量。Δ表示由兩種方法確定截止能量差。 圖2分別給出了77K溫度下，Hg1-xCdxTe(x＝0.304)樣品的PR和PC譜。PC譜的三階導(dǎo)數(shù)譜在圖中以虛線給出。豎直虛線標(biāo)識了PR光譜的主峰。 圖3分別給出了77K溫度下，Hg1-xCdxTe(x＝0.304)樣品的PL和PR光譜。圖中的點(diǎn)虛線是基于相關(guān)理論的線形擬合的結(jié)果。箭頭標(biāo)注的是對PR光譜進(jìn)行線形擬合所獲得的光躍遷能量。具體實(shí)施方式下面根據(jù)圖1-圖3給出本專利技術(shù)的較好實(shí)例，并予以詳細(xì)描述，使能更好地說明本專利技術(shù)的技術(shù)特征和功能特點(diǎn)，而不是用來限定本專利技術(shù)的范圍。 As摻雜Hg1-xCdxTe外延材料是用分子束外延方法生長的。襯底為GaAs(211)B，As摻雜濃度為10-17cm-3。根據(jù)室溫透射光譜和Hansen公式[G.L.Hansen，et al.，J.Appl.Phys.53，7099(1982)]，得到材料組分x＝0.304。樣品是p型的，其中富含汞(Hg)空位。在240℃的氛圍中退火48小時(shí)，樣品變?yōu)閚型，表明其中的Hg空位被大量減少，As原子占據(jù)汞空位充當(dāng)施主。 在77K下，利用FTIR光譜儀(Bruker IFS 66v/S)，對樣品進(jìn)行了透射、PC、PR和PL光譜測量。對于PR和PL光譜測量，選擇光譜儀的步進(jìn)掃描模式，并結(jié)合相敏檢測技術(shù)(鎖相放大器+機(jī)械斬波器)。泵浦激光選擇Ar+激光器，波長為514.5nm，輸出功率為50mW。 圖1中的實(shí)線是Hg1-xCdxTe(x＝0.304)樣品的透射譜和PC譜。透射率和PC響應(yīng)峰值的50％處分別用豎直實(shí)線和虛線標(biāo)注。為了確定光譜帶邊轉(zhuǎn)折點(diǎn)的具體位置，圖中同時(shí)給出了對應(yīng)透射和PC譜的三階導(dǎo)數(shù)譜。從圖1的透射光譜和PC譜中可以明顯地觀察到兩種方法所得結(jié)果的差異。由透射光譜確定的截止能量相對于PC譜確定值發(fā)生了藍(lán)移，能量差Δ＝4.5meV。從光譜的三階導(dǎo)數(shù)譜也能觀察到類似現(xiàn)象。由此可見利用傳統(tǒng)的透射光譜方法確定材料光電響應(yīng)截止波長存在著一定的偏差。對于遠(yuǎn)紅外區(qū)域，Hg1-xCdxTe材料的禁帶寬度本身不過100meV左右，此時(shí)這種偏差將會(huì)導(dǎo)致0.5μm甚至更大的截止波長預(yù)測誤差。 圖2所示為同一樣品在77K溫度下的PR光譜和PC譜。為了便于比較，圖中也給出了PC譜的三階導(dǎo)數(shù)譜。可以看出，PR光譜在帶邊附近的線形與PC譜的三階導(dǎo)數(shù)譜非常相似。同時(shí)，PR光譜的主峰對應(yīng)能量是0.249eV，和PC譜的截止能量很好地吻合。從理論的角度，77K溫度下，Hg1-xCdxTe(x＝0.304)樣品的禁帶寬度可以取為0.250eV(Hansen公式，[G.L.Hansen，etal.，J.Appl.Phys.53，7099(1982)])或者0.267eV(CXT公式，[J.-H.Chu，et al，Appl.Phys.Lett.43，1064(1983)])，前者與PC譜截止能量基本一致，后者則明顯高于所有三種光譜手段所確定的截止或主峰能量。注意到CXT公式描述的基本上是禁帶寬度與材料組分/溫度的關(guān)系，而Hansen公式則大致對應(yīng)于光電響應(yīng)截止能量與組分/溫度的關(guān)系[J.-H.Chu，et al，Appl.Phys.Lett.43，1064(1983)]，可以初步判定0.267eV大致就是該材料的禁帶寬度。 為了進(jìn)一步發(fā)掘這些現(xiàn)象之后的物理根源，對樣品進(jìn)行了77K溫度下的PL光譜測量，并通過線形擬合獲得帶邊附近的具體能級位置。同時(shí)，在自由狀態(tài)和低電場調(diào)制的假設(shè)前提下，利用三階導(dǎo)數(shù)線形對PR光譜進(jìn)行擬合ΔRR=ReΣi=1nAiejφi(E-Ei+jΓi)-2.5---(1)]]>式中Ai和φi分別是第i階線形的幅度和相位角，Ei和Γi分別是對應(yīng)躍遷的能量和展寬因子。 圖3給出了77K溫度下該樣品的PR和PL光譜。圖中光譜具有高信噪比，進(jìn)行線形擬合可以獲得很好的結(jié)果。在公式(1)的基礎(chǔ)上，采用4個(gè)洛侖茲線形擬合的結(jié)果和PR光譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合的很好。擬合后得到的光躍遷能量在圖中分別用箭頭以及Ei＝(i＝0，1，2，3)標(biāo)出。與此同時(shí)，用4個(gè)線形本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種可靠預(yù)測ＨｇＣｄＴｅ光電響應(yīng)截止波長的非接觸實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于：結(jié)合基于傅立葉紅外變換光譜儀的光電流、透射、光調(diào)制反射和光致發(fā)光多種光譜表征，對７７Ｋ溫度下砷摻雜的窄禁帶Ｈｇ↓［１－ｘ］Ｃｄ↓［ｘ］Ｔｅ材料的系統(tǒng)研究。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種可靠預(yù)測HgCdTe光電響應(yīng)截止波長的非接觸實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于結(jié)合基于傅立葉紅外變換光譜儀的光電流、透射、光調(diào)制反射和光致發(fā)光多種光譜表征，對77K溫度下砷摻雜的窄禁帶Hg1-xCdxTe材料的系統(tǒng)研究。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可靠預(yù)測HgCdTe光電響應(yīng)截止波長的非接觸實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明S1、傳統(tǒng)的透射光譜方法在用于預(yù)測材料禁帶寬度和光電響應(yīng)截止波長時(shí)均存在一定偏差；S2、根據(jù)光電流譜獲得的截止波長相對于材料實(shí)際禁帶寬度存在明顯紅移；S3、光調(diào)制反射光譜的主要帶邊特征與光電流譜的三階導(dǎo)數(shù)非常相似，光調(diào)制反射光譜的主峰位置與光電流譜的截止波長位置完好吻合，通過對光...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：邵軍，呂翔，陸衛(wèi)，吳俊，越方禹，黃煒，李寧，何力，褚君浩，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：31[中國|上海]