利用AlGaN薄膜透射谱提取材料参数的研究 下载: 3869次
为了研究多层结构高铝组分AlGaN薄膜材料的光学性能,并计算得到相关光学参数,本文基于多层膜传输矩阵方法,对两个样品的透射光谱进行了拟合。根据AlGaN材料对不同波长入射光的吸收机制,并考虑了材料在带外的弱吸收,建立了全波段(200~800 nm)范围内的吸收系数模型,同时引入表面粗糙度均方根参数来表征材料表面粗糙度对透射谱的影响。采用所建模型对结构参数不同的两个Al0.65Ga0.35N样品的透射谱进行拟合,拟合结果与实验结果的一致性较好。本文得到的全波段范围内Al0.65Ga0.35N材料的吸收系数,为研究日盲紫外探测器的响应光谱提供了可靠的实验数据。同时,本文还得到了Al0.65Ga0.35N的膜层厚度、折射率、表面粗糙度等参数。
To study the optical properties of multilayer AlGaN films with high Al content and calculate the relevant optical parameters, we fitted the transmission spectra of two samples based on the method of the multilayer-film transfer matrix. According to the mechanism of the AlGaN materials absorbing the incident light on different wavelengths, considering the out-of-band weak absorption of the materials, we established an absorption coefficient model in the all-band range (200--800 nm). At the same time, the root mean square (RMS) parameter of surface roughness was introduced to characterize the effect of the surface roughness of the materials on the transmission spectra. Furthermore, the transmission spectra of two Al0.65Ga0.35N samples with different structural parameters were fitted by the proposed model, and the fitting results were in good agreement with the experimental results. The absorption coefficient of Al0.65Ga0.35N material in the all-band range provided reliable experimental data for the study of the response spectra of solar-blind UV detectors. Additionally, the parameters such as film thickness, refractive index, and surface roughness of the Al0.65Ga0.35N materials were also obtained.
1 引言
直接带隙的AlGaN材料禁带宽度灵活可变,可以从3.4 eV连续变化到6.2 eV,而其波长恰好覆盖了200~400 nm范围的紫外波段,因此在紫外探测领域,尤其是日盲紫外区域,具有重要的应用价值。P型材料掺杂技术的突破推动了紫外探测器的发展和应用[1-2]。三十几年来,为了改善紫外探测器(尤其是AlGaN基日盲探测器)的响应光谱,研究人员的工作重点主要集中在改进材料生长技术和器件制备工艺等方面[3-6],而在理论研究方面的工作相对较少,也没有完整详细的材料参数库。
探测器的响应光谱与材料的光学性能息息相关。到目前为止,研究材料光学性能的手段主要有光致发光(PL)谱、X射线衍射(XRD)谱、反射谱、透射谱、椭圆偏振谱[7-10],其中透射谱以其通用性强、准确度较高等显著优势,成为表征材料光学特性的重要手段。Brunner等[11]根据透射谱和光热偏转光谱(PDS)得到了AlGaN薄膜的折射率、吸收系数,并以此为基础研究了AlGaN材料的温度特性。张进城等[12]以透射谱为基础,计算了生长在蓝宝石衬底上的GaN外延材料的厚度。李超等[13]和李雪等[14]根据测试的透射谱研究了GaN材料的光学性能,得到了材料的吸收系数、折射率等参数。Brunner等[11]在利用PDS研究AlGaN材料的吸收时发现该材料在透射谱振荡区域仍存在一定的弱吸收(他们认为这种弱吸收是由AlGaN层与蓝宝石界面处较高密度的位错造成的),并计算得到了吸收系数在10~103 cm-1量级。在全波段(200~800 nm)范围内建立吸收系数的模型,不仅能借助透射谱拟合得到吸收系数,还有助于定性分析外延材料层与衬底界面处材料的生长状况。
本文主要利用多层膜系和传递矩阵[15-16]的方法,对Al0.65Ga0.35N薄膜材料的透射谱进行拟合。在拟合过程中,引入表面粗糙度均方根(RMS)来表征粗糙表面对透过率的影响。同时,根据AlGaN材料对不同波长入射光的吸收机制,并考虑了材料在带外的弱吸收,拟合得到了200~800 nm范围内的吸收系数,并得到了材料的折射率、膜层厚度等参数。本研究工作不仅提供了一种无损、快速筛选AlGaN外延材料的方法,还充实了AlGaN材料的模型参数库。
2 理论模型
样品的截面图如
图 1. 样品结构图和光线传播过程。(a)结构图;(b)光线传播过程图
Fig. 1. Structure plot of the samples and light propagation plot. (a) Structure plot; (b) light propagation plot
对于具有m层膜的膜系,假设每一个膜层对应的组分和光学常数是恒定的,根据多层膜系和膜系传递矩阵原理[15-16],相邻介质界面两侧的电矢量满足
式中:
其中,
式中:Um和δm分别表示第m层薄膜的相位矩阵和相位厚度;Nm为第m层薄膜的复折射率,满足Nm=nm-jkm,其中nm为第m层薄膜的折射率,km为第m层薄膜的消光系数[与吸收系数α之间的关系满足km=αλ/(4π)];dm为第m层薄膜的厚度;θ为入射角(对于正入射,θ=0)。因此,对于垂直入射经过m层薄膜的光线,由(1)~(3)式可以得到
考虑到出射介质中无反射电矢量,
式中:M11、M12、M21、M22分别为光学传输矩阵M中的4个元素。
因此,正入射光线经过多层膜系后的反射率与透射率分别为
式中:nm+1为出射介质的折射率。生长Al0.65Ga0.35N材料所用的蓝宝石衬底的厚度往往大于400 μm,该值远大于光源的相干长度,因此,光在衬底中的传播只需要考虑光波强度的叠加[16]。因此,入射光通过Al0.65Ga0.35N外延层、AlN缓冲层和蓝宝石衬底之后的透射率为
式中:
薄膜材料的粗糙表面会造成入射光线的散射,降低入射光的透过率。为此,本文通过引入表面粗糙度均方根(RMS)参数来进行修正[17-18],即
式中:σ为表面粗糙度RMS值;λ为波长;r10和t10分别表示光从n1介质传播到n0介质的反射系数和透射系数;r01和t01分别表示光从n0介质传播到n1介质的反射系数和透射系数;e指数修正项为粗糙表面给界面处的入射光和反射光带来的相位差。将(9)式代入光学传输矩阵M中进行计算,即可得到最终的透射率。
外延层的色散关系可用A、B和C三个系数组成的关系式[19]表示为
将实验测量的透射率数据代入(11)式[20]进行计算,就可以得到双抛蓝宝石衬底的色散关系。
式中:Ts表示蓝宝石衬底透射率的测试值;ns表示蓝宝石的折射率。AlN缓冲层与Al0.65Ga0.35N外延层遵从相近的色散关系,但色散关系中的A需改为A'[13]。
3 实验
样品是在双抛蓝宝石衬底上利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术生长的Al0.65Ga0.35N外延薄膜。为了对比结构参数对材料光学性能的影响,本文选择了结构相似但参数不同的两个样品,并将其记为样品1和样品2。两种样品的材料结构如
4 结果与讨论
样品1和2的透射谱如
建立合适的吸收系数模型是拟合透射谱的关键。透射谱的三个区域对应不同的吸收系数。在I区,吸收系数与光子能量满足平方根关系,将此区域的吸收系数记为αhigh;在II区,根据Urbach带尾模型[23],吸收系数与光子能量呈e指数关系,将此区域的吸收系数记为αedge;对于III区,为了研究高铝组分AlGaN材料的弱吸收,该区采用了与II区不同的指数模型,将此区域的吸收系数记为αout。
为了避免吸收系数在各个区域边界点的不连续,本文在考虑了αhigh、αedge和αout在各个吸收区的变化之后,对三者之间的关系进行了数学处理,得到了全波段的吸收系数表达式为
表 1. 透射光谱参数的拟合结果
Table 1. Fitted parameters of transmission spectra
|
式中:Eg为AlGaN材料的禁带宽度;Eλ为光子能量;α1、α2、Eurbach、E1、E0为拟合参量。在透射谱吸收边上,选择透射率接近零的波长点所对应的能量作为禁带宽度[24],可以得到样品1的禁带宽度为5.02 eV,样品2的禁带宽度为4.95 eV。AlxGa1-xN(0≤x≤1)材料的禁带宽度满足
式中:b为弯曲系数。
室温时,
最后,基于上述理论模型,本文对样品1和样品2的透射谱进行了拟合,拟合结果用标准偏差来评价。标准偏差的表达式为
式中:n表示透射谱的实际测量点数;Tm,i表示实际测量的透射率值;Tf,i表示拟合的透射率值。拟合的过程即为寻找σt最小的过程。
拟合结果与测试结果如
图 3. 透射谱拟合结果。(a)样品1;(b)样品2
Fig. 3. Fitted transmission spectra. (a) Sample 1; (b) sample 2
拟合参数如
样品的粗糙表面会增加入射光在表面的散射,降低透射谱的振荡峰值,同时压缩透射谱的振荡幅度,相关讨论可参见文献[
17-18]。为了了解两个样品实际的表面状况,本文对它们进行了原子力显微镜(AFM)测试,测试结果如
从
图 4. 样品1和样品2的AFM图像和水平截面高度参数。(a)(b)样品1;(c)(d)样品2
Fig. 4. AFM images and horizontal section height profiles. (a)(b) Sample 1; (c)(d) sample 2
图 5. 利用膜系传递矩阵得到的样品1和样品2的吸收系数
Fig. 5. Fitted absorption coefficient from the films transfer matrix of samples 1 and 2
图 6. 根据透射谱拟合得到的样品1和样品2的折射率
Fig. 6. Fitted refractive index from transmission spectra of samples 1 and 2
5 结论
本文讨论了利用多层膜系和传递矩阵方法对生长在蓝宝石衬底上的Al0.65Ga0.35N外延薄膜材料的透射谱进行拟合的研究,建立了全波段(200~800 nm)范围内的吸收系数模型,根据透射谱测试数据得到了Al0.65Ga0.35N材料的吸收系数,为进一步研究日盲紫外探测器的响应光谱提供了准确的实验数据。本文还提取了外延薄膜的折射率、膜层厚度和表面粗糙度等参数。样品1和样品2的薄膜厚度分别为1055 nm和3487 nm,与设计厚度1020 nm和3500 nm相比,样品1的误差在3.4%左右,样品2的误差在0.4%左右。表面粗糙度参数与AFM测量结果的相关性良好。利用本文提出的研究方法还可以提取薄膜的光学参数、膜层厚度、表面粗糙度等参数,而这也为后续器件的质量评测与研究提供了分析依据。
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