熒光法測定半導體禁帶寬度的探討

　　光學帶隙或禁帶寬度是半導體材料的一個重要特征參數.本文以幾個具有代表性的 InGaN/GaN 多量子阱結構作為研究對象，深入探討了熒光法測定某個目標溫度下 InGaN 阱層的光學帶隙所需要滿足的測試條件.由于 InGaN 阱層是一種多元合金且受到來自 GaN 壘層的應力作用，所以該阱層中不僅存在著雜質/缺陷相關的非輻射中心，也存在著組分起伏誘發的局域勢起伏以及極化場誘發的量子限制斯塔克效應(QCSE).因此，為了獲得目標溫度下 InGaN 阱層的較為精確的光學帶隙，我們提出了熒光測量至少應滿足的測試條件，即必須消除該目標溫度下非輻射中心、局域中心以及 QCSE 對輻射過程的影響.盡管這些測試條件尚有待于進一步被完善，但期望本測試方法能夠為半導體光學帶隙測量提供有價值的指導或思路.

　　關鍵詞：光學帶隙，熒光，非輻射復合，局域效應，量子限制斯塔克效應(QCSE)

　　時凱居; 李睿; 李長富; 王成新; 徐現剛; 冀子武 物理學報 2021-12-17

　　1 引言

　　光學帶隙或禁帶寬度是半導體的一個重要特征參數，它反映了價電子被束縛的強弱程度和光學性能的優劣，也決定了影響其光學性能等所需要的外界條件[1–3].因此，在光學研究中，測定一種新型半導體材料的光學帶隙對于了解其結構特性、光學特性和實際用途具有重要的物理意義和現實意義.目前，常用的光學測試方法主要有吸收光譜法(或透射光譜法)[4–6].該方法因其操作過程簡單易行，而被相關研究者所廣泛采用.然而，在實際應用中上述方法也存在著一些難以克服的缺點：1)對于生長在窄帶隙襯底上的外延材料或結構而言，還必須事先進行襯底剝離才能進行上述測量，但這個剝離過程耗時費力，并有可能導致樣品的損傷甚至損壞;2)如果外延層是由不同帶隙的多層材料組成的復合結構，那么其它層的吸收也會對目標層的測量造成不可忽視的干擾;3)利用公式 αhν = A(hν-Eg) p[4]對實驗測得的透射譜的吸收邊進行擬合以確定能量帶隙時，有時會因為吸收邊的不規則而難以完美擬合并因此造成較大的測量誤差[5];4)由于上述測量使用的是寬光源，相應波長的輸出功率較小，這樣也會影響測量精度[6].

　　熒光(光致發光或電致發光，即 PL 或 EL)測量是研究探討半導體發光材料或器件的結構特性和光電特性不可或缺的重要手段[7,8].利用熒光法測定半導體材料的帶隙寬度，在一定程度上可以克服前述透射光譜法的固有弊端，同時也能夠深入地洞悉該材料的結構特性與光學特性的內在關聯，揭示載流子的產生、傳輸和復合發光過程的動力學機制 [9,10].因此熒光法也是測定半導體帶隙寬度的一個理想候選方法，并且已經有許多研究將熒光峰位能量默認為禁帶寬度并結合維加德定律(Vegard’s law)計算出相關的結構參數[11–14].然而，上述將熒光峰位能量簡單地看作是禁帶寬度的做法并不十分妥當，這是因為在很多情況下樣品結構的不完美會導致峰位能量與禁帶寬度之間出現較大的偏差.如我們所知，由于生長工藝的不成熟以及合適襯底的缺乏，致使所獲得的半導體材料的結晶質量或結構質量不夠完美，如雜質/缺陷相關的非輻射中心的存在[15,16]，多元合金中組分起伏相關的局域中心的存在[17,18]，以及異質結構中晶格失配所誘發的量子限制斯塔克效應(QCSE)的存在等[19,20].這些因素都會使得輻射能量發生紅移并導致測量結果和實際帶隙(即本征帶隙)之間存在著較大的偏差，即所謂的斯托克斯位移(Stokes shift).因此，如何優化熒光測試條件以減小或避免上述因素的干擾或影響，是獲得較為精確測量結果的關鍵.

　　光學帶隙也是溫度的函數.對于本征半導體，它遵從瓦氏尼定律(Varshni law)，即依賴溫度的禁帶收縮效應[21,22].在本研究中，我們采用熒光測量方法，重點探討了典型目標溫度下具有代表性結構特征的半導體帶隙測定應滿足的測試條件，即常溫(300 K)條件下 InGaN/GaN 多量子阱結構中 InGaN 阱層的光學帶隙測定應滿足的測試條件，以期獲得較為精確的光學帶隙測量結果.

　　2 實驗方法

　　本研究所涉及的幾個樣品(包括綠光樣品 SG1 和 SG2 以及藍光樣品 SB)均為基于 InGaN/GaN 多量子阱結構的發光二極管(LEDs)，并且都是通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)方法在藍寶石襯底或硅襯底上外延生長而成.其制備過程簡述如下：以三甲基鋁(TMAl)、三甲基銦(TMIn)、三甲基鎵(TMGa)、氨氣(NH3)、硅烷(SiH4)和二茂鎂(Cp2Mg)分別作為 Al、In、Ga、N、Si 和 Mg 的源，并在襯底上依次生長低溫成核層、非故意摻雜的 GaN 層、Si 摻雜的 n 型 GaN 層、InGaN/GaN MQWs 層(即有源區)、Mg 摻雜的 p-AlGaN 電子阻擋層和 p-GaN 接觸層.芯片面積為 1.16 mm × 1.16 mm.樣品結構及具體參數分別如圖 1 和表 1 所示(具體細節可參見文獻[23–26]).

　　同時，所涉及的與上述樣品相關的 EL 數據，也皆為來自我們以前的研究工作 [23-26].這些 EL 數據主要包括： 1)不同注入電流下 EL 譜的溫度依賴性;2)目標溫度(300 K)下 EL 譜的注入電流依賴性.對于上述測量，樣品被置于封閉循環液態氦(He)制冷的樣品室內，溫度可調范圍為 6 至 350 K.一個 Keithley 2400 源表被用作激發電流源，可調電流范圍為 0.01 至 350 mA.來自樣品的信號經過匯聚透鏡收集后進入 Jobin-Yvon iHR320 單色儀，并經單色儀分光后由熱電制冷的 Synapse CCD 探測器進行探測.

　　3 結果和討論

　　圖2顯示了注入電流為5 µA時一個基于InGaN/GaN 多量子阱結構的綠光樣品(SG1)和一個基于 InGaN/GaN 多量子阱結構的藍光樣品(SB)的 EL 峰位能量和線寬的溫度依賴性.由圖 2 可見，綠光樣品 SG1 的峰位能量和線寬都顯示了一個近似的“V-型”(增加降低)溫度依賴行為;相比之下(圖 2 的插圖)，藍光樣品 SB 的峰位能量則顯示了一個“S-型”(降低-增加-降低)溫度依賴行為，同時它的線寬顯示了一個近似的“W-型”(降低-增加-降低-增加)行為.這兩個樣品的上述行為均可被歸因于 InGaN 阱層中組分起伏所誘發的勢起伏以及由此產生的載流子復合的局域特征[27,28].然而，相比之下，綠光樣品 SG1 應當有一個更強的載流子局域效果，這是因為在高溫范圍內(大于 200 K)藍光樣品 SB 所展現的峰位能量隨溫度降低的行為近似地遵從自由載流子的一般熱化過程(即遵從 Varshni 方程