文摘

Photoreflectance (PR)和拉曼是两个非常有用的光谱技术,通常是用来知道GaAs-based半导体器件表面电子态。然而,尽管他们是特殊的工具很少有报道,这两种技术被用于这些类型的设备。在这部作品中,表面电子态AlGaAs /砷化镓异质结构进行了研究,以确定激光穿透深度等因素的影响,覆盖层厚度,在公关和拉曼光谱和表面钝化。公关测量进行交替两个激光(532 nm和375 nm波长)调制源为了识别内部和表面特性。表面电场计算公关分析而砷化镓覆盖层厚度的增加而减少,在良好的协议与类似的行为中观察到的拉曼测量( 率)。当异质结构被Si-flux治疗,这些技术显示相反的行为。公关分析显示在表面电场减少由于钝化过程而 比例不存在相同的行为,因为它是由耗尽层宽度(盖层厚度)和激光穿透深度。

1。介绍

砷化镓,高出5倍电子迁移率和硅相比,有可能实现超快电子和光电设备。然而,这种半导体患有明显的效果与表面或接口:特别是,砷化镓表面电子态密度大销的费米能级midgap和导致大表面复合速度(106厘米/秒)。为了消除化学不稳定,可能会造成不良影响,是不争的表面GaAs-based设备必须适当处理。频繁,半导体器件的表面钝化,以稳定它们的化学性质和消除反应。多硫化铵(NH4)2年代x被经常用来使钝化表面的砷化镓与共价键的硫原子(1- - - - - -9]。然而,硫钝化表面只提供短期的稳定。为了得到更稳定,硅界面控制层(Si ICL)方法提出了由长谷川和Akazawa [10- - - - - -12补充高 高频振荡器等介质表面氧化层2(13- - - - - -16),氧化铝3(16,17],SiO [18]。其他的研究已经由自组装单层膜(SAMs) octadecanethiol (ODT)和dodecanethiol (DDT) [19,20.]。

具体地说,与AlGaAs /砷化镓异质结构有报道电子上的表面性质的影响。特别是,表面电场之间的关系和电子迁移率的二维电子气(2度)取得AlGaAs /砷化镓界面进行了研究[21- - - - - -31日]。其他的研究与异质结双极晶体管(32)、高电子迁移率晶体管(33- - - - - -35,量子霍尔效应36),和nanostructure-based设备(37- - - - - -41已报告。

Photoreflectance和拉曼光谱是非常有用的方法,已被广泛用于研究GaAs-based设备(4,23- - - - - -31日]。公关技术已经被用于研究AlGaAs /砷化镓系统在众多报道,是专注于确定的起源Franz-Keldysh振荡(FKO)通常观察到公关光谱(24- - - - - -31日]。今天我们知道wide-period FKO 1.42和1.7之间观察到电动汽车相关的表面电场和短周期FKO略高于1.42 eV源自内部AlGaAs /砷化镓接口(31日]。在拉曼光谱的情况下,有很多报道,作为一个有用的工具来探索表面钝化的电影和AlGaAs砷化镓/砷化镓异质结构。广泛接受,相对强度与纵光学(LO)耦合plasmon-phonon (L−)模式可以发现有用的信息关于砷化镓表面钝化的(5- - - - - -7,20.,42- - - - - -45]。

在这项工作中,我们研究了一套由photoreflectance AlGaAs /砷化镓异质结构和拉曼光谱,使这两种技术的比较研究。不同厚度的样品的砷化镓表面覆盖层成长为了改变电场。公关与两种不同的激光波长测量以确定内部和表面特性。此外,我们研究了原位沉积硅层产生的影响(Si毫升)的盖层异质结构。

2。实验的细节

一组AlGaAs /砷化镓异质结构是生长在半绝缘性砷化镓(100)通过分子束外延衬底。所有样品都有1μ米厚的砷化镓缓冲层(提单),第一次间隔层(sl) 7纳米纯的x遗传算法1−x,紧随其后的是一个80纳米厚Si-doped AlGaAs屏障(掺杂1.4×1018原子/厘米3)。接下来,还有一个间隔层(sl) 7纳米纯的x遗传算法1−x作为。名义Al浓度的32%被用于AlGaAs层。最后,结构封顶无掺杂砷化镓层(见图1)。表层的厚度是25岁,60岁,和80 nm样本M1, M2, M3,分别。此外,两个样本了25个nm-GaAs原位覆盖层和表面钝化处理与Si-flux为了得到1和2毫升的公称厚度,分别标记为M4、M5。当硅沉积衬底温度为600°C和砷通量是为了维护良好的表面质量。


图1
原理图的半导体异质结构层。 和 标签表面和内部电场区域,分别。

Photoreflectance (PR)测量进行交替与两个固体激光调制源(543 nm和375 nm波长,最大输出功率12和10兆瓦,resp)和切碎的200赫兹的频率。0.5 m的Sciencetech单色仪使用了焦距。实验装置采用的是类似于那些描述的其他地方(23]。使用波长543纳米的激光,可以得到砷化镓的公关信号缓冲层因为穿透深度接近120海里;然而375纳米线激光,穿透深度显著降低(< 50 nm) (46]。所有测量在室温下进行。拉曼光谱与热科学获得共焦显微镜系统安排在180°的反向散射配置和配备了532纳米固体激光器输出功率的10 mW, 100 x目标,一个电荷耦合装置(CCD)。100曝光和10年代收集时间被用来收集拉曼散射。所有光谱归一化强度使用LO-GaAs模式。

3所示。结果与讨论

3.1。覆盖层厚度的影响

图2显示室温公关光谱获得的M1与两种不同的激光调制来源:532海里(黑线)和375海里(红线)。在公关光谱获得532海里,可以看到三个特点:短周期Franz-Keldysh振荡(s-FKO) 1.42 eV与砷化镓的能量带隙有关,一个wide-period Franz-Keldysh振荡(w-FKO)在1.42和1.6之间的电动车,和振荡与AlGaAs能量带隙。公关与波长375纳米的激光没有获得第一个功能,这意味着它源于一个内部AlGaAs / GaAs-BL接口考虑波长375纳米的激光的穿透深度小于50 nm。Bessolov等人约108海里的穿透深度514.5纳米线激光为457.9和50.8 nm纳米线(6]。w-FKO可见激光,这表明它来源于表面砷化镓层。在先前的报道这一特性与表面电场(31日]。最后,在1.8 eV我们可以看到特性源于AlGaAs层,提供信息的能量带隙,因此铝浓度。考虑到公关光谱产生主要来自接口,可以建立这种振荡源于最近的砷化镓/ AlGaAs接口表面,因为它是观察与激光。


图2
公关光谱M1异质结构获得与532 nm(黑线)和375海里(红线)激光调制源。

为了降低表面电场 来自电子迁移从AlGaAs:硅层表面(见图1),M2和M3样本种植与砷化镓60和80纳米厚的覆盖层,分别。图3显示了公关与波长375纳米的激光光谱获得的。所有样品s-FKO功能消失。w-FKO显示其周期性减少来自表面电场的减少。与AlGaAs层相关的功能仅仅是观察在M1和M2和M3光谱几乎消失,由于表面之间的距离的增加和AlGaAs层sl (2)。


图3
公关光谱M1、M2和M3异质结构,限制与25岁,60岁,分别和80海里砷化镓层。375纳米激光用作调制源。

确定相关的电场大小FKO,我们考虑的渐近表达式调制electroreflectance Aspnes和Studna[提出的47]: 在哪里 是电光的能量, 线宽, 是带隙能量, 是一个任意的相位因子。电场 有关 的表达式 在哪里 电子空穴质量和减少吗 是电子电荷。

在这个模型中,一个的位置 th FKO是由极端 在哪里 是指数和 是相应的能量。

方程(3可以重新安排 我们可以看到,(4)对应于一个线性函数斜率 ,可以确定使用实验数据的线性拟合的情节 与索引号 。接下来, 可以确定使用(2)。

图4显示了线性w-FKO极端适合与实验获得的数据在公关光谱M1, M2, M3,减少表面电场的证据( )随着覆盖层厚度的增加。我们可以看到在桌子上1的大小, 从5.99减少到3.57和3.40×105V / cm(减少43.2%)M1, M2, M3,分别。

表1
覆盖层厚度、表面电场( )从公关获得测量, / 从拉曼测量比例计算。

图4
线性适应w-FKO分析从公关光谱M1, M2, M3。

图5显示了异质结构的拉曼光谱M1、M2和M3(保护层厚度25、60和80海里,resp)。哪里有观察到四个振动模式:耦合plasmon-phonon (L−)与纵光学(LO)砷化镓层局部限制在268和291厘米−1分别和两种模式源自AlGaAs层(LO GaAs-like和LO AlAs-like)位于281和377厘米−1,分别。拉曼光谱都是标准化在LO砷化镓模式强度。L−模式强度低于瞧砷化镓模式,因为无掺杂砷化镓层(帽和提单)。增加保护层厚度的影响是显而易见的LO GaAs-like和LO AlAs-like模式强度因为减少随着砷化镓表面厚度的增加。


图5
喇曼散射的M1、M2和M3异质结构,限制了砷化镓层25岁,60岁,和80海里。

在n型砷化镓电影,LO峰(291厘米−1)是由于表面耗尽层而L−模式源于自由航空公司存在的大部分(3- - - - - -7,20.,42- - - - - -44]。在这种情况下,盖层厚度是一样的宽耗尽层,我们可以看到图1。然后瞧强度( )将增加随着覆盖层厚度的增加,因此我们可以使用 比研究表面状态。测量值的摘要 从拉曼光谱图获得的比例5提出了表1。图6情节表面电场通过公关(黑色点)和拉曼比率 (红圈)的函数覆盖层厚度。我们可以看到,这两种技术表现出类似的行为在这些异质结构表面的电场。类似行为的表面电场被Kudrawiec等人发现在GaN范霍夫结构研究了非接触式electroreflectance [48]。


图6
通过公关行为比较表面的电场(黑色)和拉曼比率 (红圈)的函数覆盖层厚度。
3.2。如果钝化的效果

一个类似的研究是由异质结构与Si-ML钝化。在这种情况下,盖层厚度保持不变,因此表面态密度的减少预计由于钝化过程的形成源自SiO单层当样品暴露于大气中。图7显示了公关光谱M1, M4、M5为了比较样本没有(M1)和Si-ML (M4、M5)。的振荡 > 1.7 eV与AlGaAs层没有消失,因为保护层厚度25 nm三个样品和激光穿透深度更大。w-FKO时期也有类似的行为M1和M4;然而,M5呈现出显著的变化。线性符合实验数据从w-FKO极端图所示8。我们可以看到在桌子上1,表面电场变化从5.99到5.91级和5.08×105V / cm M1、M4、M5,分别。这些结果表明,表面钝化过程发生但可能不足以消除表面状态,因为如果沉积在高温(~ 600°C)。


图7
公关光谱M1、M4、M5异质结构钝化与0,1,分别和2硅层。375纳米激光用作调制源。

图8
线性适应w-FKO分析从公关光谱M1, M4、M5。

图9显示了异质结构的拉曼光谱M1、M4、M5(处理0、1和2 Si-ML resp)相同的四个图中观察到的振动模式5是观察到的。拉曼光谱都是标准化在LO砷化镓模式。当异质结构处理硅层可以看到一些变化。在这种情况下,LO AlAs-like峰来自AlGaAs层不减少由于覆盖层厚度25 nm的三个样品。的 / 比从0.170变化到0.189和0.177 M1, M4、M5,分别(表1)。


图9
喇曼散射的M1、M4、M5异质结构封顶25 nm砷化镓层钝化和0,1和2 Si-ML分别。一个波长532纳米的激光作为激励源。

图10情节表面电场通过公关(黑色点)和拉曼强度比率 (红圈)作为硅层的功能。在这种情况下,公关测量分析给出了一个轻微的降低表面的电场为样本1和2 Si-ML但喇曼散射隐含着一个相反的情况。考虑到表面耗尽层保持不变,我们期望一个不变的比率 。这种分歧公关和拉曼光谱可以与激光穿透深度,因为使用的激光拉曼系统类似于公关测量(图2),这样它激发砷化镓缓冲层。因此,帽子和更深的砷化镓层影响拉曼光谱。与这些异质结构在之前的研究,我们发现,如果表面电场减少(如由公关建议测量)更广泛的耗尽区是起源于AlGaAs / GaAs-BL接口(49],它改变了拉曼强度比率 。这意味着公关测量是最好的方法来研究表面电场,因为拉曼光谱影响更深的砷化镓界面。


图10
通过公关行为比较表面的电场(黑色)和拉曼比率 (红圈)作为Si-ML的函数。

公关分析在这个工作是在良好的协议与电场分布的工程在沃甘/氮化镓异质结构,广泛研究了其他作者electroreflectance光谱显示类似的行为当修改覆盖层(48,50,51]。上述表明,公关光谱是一个很好的工具,可以用来探索更复杂的异质结构像GaN /石墨烯/ Si (52)或砷化镓/石墨烯/ Si (53]在晶体内部电场可以给信息质量。

4所示。结论

表面电子态AlGaAs /砷化镓异质结构研究了photoreflectance和拉曼光谱技术。表面电场计算通过公关分析减少而砷化镓保护层厚度增加良好的协议类似的行为中观察到的拉曼测量( 率)。当异质结构处理Si-flux,这些技术显示相反的行为来自激光的穿透深度用于公关和拉曼测量。公关分析发现的表面电场而缓慢减退 比中观察到的拉曼分析显示值高于没有Si-ML示例。这项工作说明可以使用公关和拉曼光谱来研究表面电子态AlGaAs /砷化镓异质结构和钝化过程中这种半导体器件。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢DGDAIE-UV、DGI-UV SENER-CONACYT支持这项工作。