摘 要

半导体结构的缺陷会影响其电学和光学特性，从而限制其电子和光学器件性能的进一步提升。例如晶体的结构缺陷会在禁带中引入局域态，这些局域态一方面会捕获载流子增强非辐射复合，另外一方面也会给载流子提供耗散途径，从而减小了载流子的寿命，增大了漏电流。广延缺陷给GaAs材料电学和光学性能的影响对于研究材料生长和器件应用而言十分重要。

利用激光扫描共焦显微拉曼系统测量GaAs广延缺陷的光致发光和拉曼光谱图像以及LO声子-等离子体耦合模拉曼光谱，发现拉曼光谱图像具有更高的成像分辨率。同时，相比于非缺陷处，缺陷处的LO声子-等离子体耦合模的峰值频率更低，强度更高，基于LO声子-等离子体耦合模理论对实验现象进行合理解释。

通过对耦合模的线型拟合可以得到等离子体的振动频率以及阻尼系数，进而求得载流子浓度和迁移率。经研究发现，随着扫描探测点离缺陷中心的距离增大，载流子浓度逐渐增大，迁移率也逐渐增大。同时，随着光功率密度的增大，载流子浓度逐渐增大，但是迁移率的变化情况则较为复杂。本文根据电离杂质散射、声学波散射和光学波散射这三个不同的散射机制来分别分析迁移率随光生载流子浓度的变化关系。

关键词：广延缺陷，拉曼散射，LO声子-等离子体耦合模，载流子浓度，迁移率

Abstract

Electrical and optical characteristics of semiconductors may be affected by defects, which prevents the electronic and optical devices from reaching further improvment of performance. For example, defects in the crystal lattice may introduce localized states with energy levels lying within the forbidden gap. These localized states augment nonradiative recombination by capturing carriers. Besides, they tend to provide the carriers with dissipation pathways. Generally, defects lead to shorter carrier lifetime and increase of leakage current. The effect of extended defects on the electrical and optical properties of GaAs is very important for studying the material growth and device application.

The photoluminescence imaging, Raman imaging and LO phonon-plasmon coupled mode Raman spectroscopy of extended defects in GaAs are obtained by laser scanning confocal Raman system. The imaging resolution in Raman imaging is found to be superior than that in the photoluminescence imaging. Moreover, the LO phonon-plasmon coupled mode at the defect has a lower peak frequency and higher intensity than defect-free sites. Based on the theory of LO phonon-plasmon coupled mode, these experimental phenomena are explained reasonably.

The frequency and damping coefficient of the plasmon can be solved according to the fitting of the coupled mode. And then the carrier concentration and mobility can be determined. It is shown that the carrier concentration and mobility are increasing with distance from the defect center. In the meantime, the carrier concentration augments with the increase of the power density. However, the change regulation of mobility is much more complicated. Based on three different scattering mechanisms--ionized impurity scattering, acoustic wave scattering and optical wave scattering, the change rule of mobility with photon-generated carrier concentration is analyzed respectively.

Key words：Extended defect, Raman scattering, LO phonon-plasmon coupled mode, Carrier concentration, Mobility

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 晶体的广延缺陷 1

1.3 研究现状 2

1.4 本论文研究内容及章节安排 3

第2章 LO声子-等离子体耦合模的拉曼散射 4

2.1 拉曼散射 4

2.1.1 拉曼散射经典理论 4

2.1.2 拉曼散射量子理论 5

2.2 LO声子-等离子体耦合模的拉曼散射 6

2.2.1 介电函数 6

2.2.2 LO声子-等离子体耦合模的拉曼散射峰值频率 8

2.2.3 LO声子-等离子体耦合模的拉曼散射强度 10

2.3 本章小结 12

第3章 GaAs广延缺陷的拉曼散射 13

3.1 实验样品 13

3.2 实验系统 14

3.3 实验现象及理论分析 16

3.3.1 光致发光和耦合模拉曼光谱成像 16

3.3.2 广延缺陷区域的拉曼光谱 17

3.4 本章小结 18

第4章 广延缺陷区域的载流子浓度和迁移率 20

4.1 载流子浓度和迁移率的测量 20

4.2 线扫描和不同光功率密度下的载流子浓度和迁移率 23

4.2.1 线扫描结果 23

4.2.2 不同光功率密度的结果 25

4.2.3 迁移率变化规律理论分析 27

4.3 分析与讨论 31

4.4 本章小结 32

第5章 总结与展望 33

参考文献 35

致 谢 37

1. 绪论
   1. 选题背景及意义

GaAs是一种重要的化合物半导体材料，它的电子有效质量很小，电子迁移率很大，禁带宽度也比较大，用它制造的器件具有高频、耐高温、噪声小、抗辐射能力强等优点，适合于微波体效应器件、高效红外发光二极管、高速数字电路和半导体激光器的制作。同时，由于GaAs具有的高速特性，其常被用于高频通讯，如光纤通信、WLAN、卫星通信等。据专家介绍，GaAs可在一块芯片上同时处理光电数据，因而被广泛用于遥控、手机、照明等光电子领域。而且，GaAs还被广泛用于军事领域，是激光制导导弹的重要材料。因此，GaAs的发展前景非常宽广，随着大规模集成电路、光电子器件、高速通信器件等制造工艺水平的提高，其研究领域和对象将会不断扩展。

然而，半导体材料中难免会存在部分缺陷，这些缺陷会影响材料的电学和光学特性，限制其制成器件性能的进一步提升。在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置作自由振动运动，同时还会有一部分原子会因外界环境的影响获得足够高的能量，克服周围原子对它的束缚而挤入晶格原子之间的间隙中，形成间隙原子，原来的位置就成为空位^[1]。空位是常见的点缺陷，这些点缺陷是晶体中物质运输过程的主要媒介，是众多弛豫现象的本源，也是容纳晶体对化学配比偏离的重要方式。点缺陷可以通过交互作用形成各种广延缺陷，广延缺陷会在禁带中引入局域态，一方面会捕获载流子增大非辐射复合，另一方面也会给载流子提供耗散途径，从而减小了载流子的寿命，增大了漏电流，严重影响半导体材料和器件的性能^[2]。而且，一般而言点缺陷可以通过简单注入的方式使其饱和，但是广延缺陷在同等注入水平下并不能饱和，如果增大注入水平，还会引起广延缺陷朝缺陷网络方向的变异，产生更加不利的影响。因此，研究材料的广延缺陷对材料电学和光学性能的影响对于材料生长和器件应用而言十分重要。

• 1. 晶体的广延缺陷

广延缺陷分为线缺陷、面缺陷和体缺陷。线缺陷是材料中二维尺度很小且三维尺度很大的缺陷，集中表现形式是位错；面缺陷是指晶体畴区之间的界面附近存在的严重的原子错排现象；体缺陷则是指在三维尺寸上的晶体缺陷，如镶嵌块、空洞、气泡、沉淀相等。这里着重对本文研究的类似位错缺陷进行分析。晶体在结晶时受到杂质、温度和应力作用，或受到打击、切削、研磨等机械应力的作用，使晶体内部原子排列变形，原子行间相互滑移，不再满足晶体有秩序的排列形式，由此形成的缺陷称为位错。常见的位错有两种，即刃位错和螺位错^[3]。

（1）刃位错

刃位错是最简单的一种基本类型的位错。一般当应力超过弹性限度而使材料发生范性形变时，可以在表面上观察到所谓滑移带的条纹，沿着平行于条纹线方向观察若一个晶面在晶体内部突然终止与某一条线处，则称这种不规则的原子排列现象为刃位错。

（2）螺位错

螺位错是另一种基本类型的位错，它可以看成是局部滑移区的边界，其特点是位错和滑移的方向是平行的。在这种情况下，原子已不再构成一些平行的原子平面，而是沿着一根轴线盘旋上升，轴线即为螺位错。

• 1. 研究现状

空间分辨光致发光光谱是一种研究单个缺陷特性的有效手段^[2,4,5]，采用光致发光成像技术能够对缺陷进行精确定位及成像。如果不考虑光生载流子的扩散，光致发光的成像分辨率由光学系统的衍射极限决定，但实际上缺陷附近载流子的扩散一定存在，光生载流子会扩散至缺陷处而被消耗，因而看到的缺陷图像比实际更大，这就是成像分辨率受到载流子扩散限制的表现形式。针对这一问题，Chen等人^[2]利用扫描光致发光成像技术得到了缺陷附近的载流子扩散特性，并提出使用局域激发/局域检测模式（L/L）比均匀激发/局域检测模式（U/L）具有更高的空间分辨率。同时，还测出在光功率密度增大时扩散长度的变化规律是先增大再减小的，T.H.Gfroerer^[5]也测出了类似的变化规律。

上述研究都表明采用光致发光成像技术时，空间分辨率会受到载流子扩散的限制，这对于研究缺陷的实际特性是不利的，因此提出一种克服载流子扩散的缺陷成像方法十分必要。由于缺陷中心附近原子的振动特性会有所改变，理论上可以用拉曼散射光谱来对缺陷进行表征。大量实验结果表明，晶体缺陷密度的不同表现为拉曼光谱中声子模的相关特性改变。如Nootz和Schulte等人^[6]研究了GaN薄膜的拉曼频移和位错密度的相关性，观察到GaN声子模的峰值频率随着位错密度的增加而增大。Kitamura和Nakashima等人^[7]则是从GaN声子的谱线线宽入手，发现线宽也随着位错密度的增加而增大。然而这些研究工作情况和我们研究的课题是不相同的，他们都是选取多个缺陷密度不相同的半导体材料来进行拉曼光谱分析，而不是针对材料单个广延缺陷的研究。由于单个广延缺陷的尺寸很小，远小于衍射极限的光斑尺寸，如果要用拉曼散射来表征单个广延缺陷就需要将光束尺寸减小到可以和缺陷尺寸比拟，这样如果要获得同等信号水平则会大大增加光功率密度，从而导致广延缺陷结构的改变。因此，在大多数情况下采用传统的拉曼散射探测单个的微观缺陷不太现实。基于LO声子-等离子体耦合模拉曼散射的峰值频率和强度对载流子浓度十分敏感的特性，采用LO声子-等离子体耦合模拉曼光谱对缺陷进行成像表征可以有效解决成像分辨率受到载流子扩散限制的问题^[8]。同时，Chafai等人^[9]基于LO声子-等离子体耦合模的拉曼散射强度公式，对拉曼散射光谱进行线型拟合得到等离子体激元的振动频率和

阻尼系数，进而求得载流子浓度和迁移率。李国华等人^[10]则是对这一公式作了简化处理，并理论分析了在不同阻尼系数下耦合模峰值频率随载流子浓度的变化规律。因此，基于LO声子-等离子体耦合模的拉曼光谱分析单个广延缺陷，不但可以提高广延缺陷成像的分辨率，还可以过对缺陷的拉曼光谱线型拟合来求得载流子浓度和迁移率，进一步分析广延缺陷对载流子输运特性的影响，对于半导体晶体生长、器件的失效分析具有一定的参考价值。

• 1. 本论文研究内容及章节安排

在光激发的情形下，广延缺陷会俘获电子和空穴，并通过非辐射复合消耗大量光生载流子，使得载流子浓度在广延缺陷处急剧降低，本文基于LO声子-等离子体耦合模拉曼散射的峰值频率和强度对载流子浓度非常敏感这一特性，采用LO声子-等离子体耦合模拉曼光谱对缺陷进行表征，并根据拉曼光谱线型拟合得到等离子体激元的振动频率和阻尼系数，进而得出载流子浓度和迁移率，分析广延缺陷与载流子输运关联。本文内容安排如下：