CN101614685B - 检测半导体晶体或外延薄膜材料极性的方法及检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测半导体晶体或外延薄膜材料极性的方法，所述方法包括以下步骤：利用圆偏振光辐照待测的半导体晶体或外延薄膜材料，并检测所产生的无偏压电流的电流方向；根据所述无偏压电流的电流方向，判断所述待测的半导体晶体或外延薄膜材料的极性。另外本发明还公开了一种半导体晶体或外延薄膜材料极性的检测系统。本发明的测试系统可在常温常压下工作，检测精确度高、制样简单快捷、检测速度快，对测试样品具有无损性，而且对测试人员的要求很低，操作非常容易，每个样品的测试时间仅为10分钟左右，更为重要的是整套测试系统价格低廉，可以大大降低测试成本。

Description

检测半导体晶体或外延薄膜材料极性的方法及检测系统

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别是涉及一种检测半导体晶体或外延薄膜材料极性的方法及检测系统。

背景技术

近几十年来，基于III-V族、II-VI族化合物半导体材料上的光电器件得到了非常广泛的应用并创造了巨大的经济效益。作为光电器件的基础，高质量III-V族、II-VI族化合物半导体材料的生长及其物理性质的研究尤为重要。对于上述的半导体材料而言，由于非中心对称结构而产生的极性、或者说是极化效应对半导体的性质，尤其是其外延薄膜和量子结构的光电性质具有强烈的影响。比如，III族氮化物宽禁带半导体的极性对于材料的光学和电学性质都有着至关重要的影响，GaN基异质结的极化效应可以导致强度高达兆伏/厘米量级的内建电场和密度达到10¹³cm^-2的极化电荷，大大提高了异质结二维电子气(2DEG)的密度，可以被用来研制高功率微波功率器件等新一代电子器件。更为重要的是，不同极性的外延薄膜具有不同的生长行为和性质。还是以GaN为例，实验上发现与N极性GaN相比，Ga极性的GaN不但表面平坦，半导体晶体质量更好，而且更容易实现p型掺杂。同样极性对于其他的III-V族和II-VI族化合物半导体如GaAs、ZnO、ZnSe、ZnS等也具有重要的影响。

鉴于极性对材料光电性质至关重要的影响，如何判断半导体晶体或者外延材料的极性就显得非常重要。目前，判断半导体晶体极性的方法共有如下几种：X光光电子谱、共轴离子散射，汇聚束电子衍射，化学腐蚀等。其中最常用的是汇聚束电子衍射和化学腐蚀的方法，前者需要和透射电子显微镜同时进行测量，不但仪器昂贵、制样和仪器操作困难、对样品具有破坏性，而且不能进行大面积的判断。化学腐蚀的方法虽然相对简单，但是准确性差，对样品也具有破坏性。X光光电子谱和共轴离子散射这两种方法虽然对样品不具有破坏性，但是测试需要超高真空系统，对样品表面的清洁度要求苛刻，另外结果需要和理论计算的结果相模拟，工作量很大且精确度不高。因此，目前急需一种有效、无损伤、价廉和易操作的判断半导体晶体和外延薄膜极性的方法。

发明内容

本发明的目的是提供—种操作简单快捷、检测精确度高、制样简单，且测试系统价格低廉的通过圆偏振自旋光电效应检测半导体晶体或外延薄膜极性的方法及检测系统。

为达到上述目的，一方面，本发明的技术方案提供一种检测半导体晶体或外延薄膜材料极性的方法，所述方法包括以下步骤：利用圆偏振光辐照待测的半导体晶体或外延薄膜材料，并检测所产生的无偏压电流的电流方向；根据所述无偏压电流的电流方向，判断所述待测的半导体晶体或外延薄膜材料的极性。

其中，半导体晶体为具有极性或者不对称性的半导体晶体。

其中，所述的半导体晶体为III-V族化合物半导体或II-VI族化合物半导体。

其中，所述外延薄膜为具有极性的外延薄膜及其量子结构。

其中，所述外延薄膜为GaN、AlN、InN外延薄膜、ZnO、ZnS、ZnSe外延薄膜或GaN基异质结构。

另一方面，本发明的技术方案提供一种检测半导体晶体或外延薄膜材料极性的检测系统，所述系统包括：激光光源，用于发射线偏振光；1/4波片，位于所述激光光源下方，可旋转用于改变光的螺旋度，产生圆偏振光；放大电路，待测的半导体晶体或外延薄膜材料表面做两个欧姆接触的电极，并引线与所述放大电路相连；锁相放大器，与所述放大电路连接。

上述技术方案具有如下优点：本发明的测试系统可在常温常压下工作，检测精确度高、制样简单快捷、检测速度快，对测试样品具有无损性，而且对测试人员的要求很低，操作非常容易，每个样品的测试时间仅为10分钟左右，更为重要的是整套测试系统价格低廉，可以大大降低测试成本。

附图说明

图1是本发明实施例的一种不同自旋取向导致的圆偏振自旋光电效应带内激发示意图；

图2是本发明实施例中利用圆偏振自旋光电流效应判断极性的测试系统示意图；

图3是本发明实施例中的In极性InN的样品结构示意图；

图4是本发明实施例中的N极性InN的样品结构示意图；

图5是本发明实施例中利用圆偏振自旋光电流效应判断InN极性的示意图。

其中：1：激光光源；2：1/4波片；3：放大电路；4：锁相放大器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明利用圆偏振自旋光电效应(CPGE，circular photo-galvaniceffect)来判断半导体晶体或者外延薄膜的极性。圆偏振自旋光电效应指在缺乏空间反演对称性的半导体晶体或者半导体低维结构中，通过圆偏振光辐照会形成微弱的无偏压定向电流，电流大小随入射光螺旋度而改变，左右圆偏光产生的电流等值反向。值得强调的是，只有缺乏反演对称性的半导体材料才会产生CPGE电流，其原因是空间反演对称性的破缺使得原来的自旋简并解除。在半导体能带图上体现为相应能带的横向劈裂，如图1所示，其中e1为导带第一子带，hh1为重空穴带，K为波矢，σ+为右旋偏振光，jx为沿X方向的光电流密度。此时左圆偏光和右圆偏光激发的电子在动量空间上有着相反的分布，对应着相反的光电流：

J_CPGE＝γIP_circsinθ    (1)

其中：J_CPGE为CPGE电流，I为入射光强， $P_{\mathrm{circ}}=\frac{I_{\mathrm{\σ}+}-I_{\mathrm{\σ}-}}{I_{\mathrm{\σ}+}+I_{\mathrm{\σ}-}}$ 为入射光的螺旋度(I_σ+，I_σ-分别代表入射光的右圆偏光强度和左圆偏光强度)，θ为光的入射角，γ是正比于材料(或微结构)的自旋轨道耦合系数，它是决定CPGE电流的重要参数，体现了对应材料的反演不对称性。一般而言γ可分为两部分：结构反演不对称性和体反演不对称性。

对于不同极性的半导体体材料而言，显而易见具有体空间反演不对称性，而自旋劈裂也主要来自于此。以InN为例，N极性的材料从对称性的角度相当于In极性材料的翻转，所以相应的自旋劈裂也就会相反，因而圆偏振自旋光电流的方向也就相反。其次，在极性半导体中存在着自发极化效应，不同极性半导体的自发极化方向不同，极化电场的方向也就不同，因此所导致的自旋劈裂也相反。由此可见，这两种效应都导致了自旋劈裂相反的结果，因而圆偏振自旋光电流的方向也相反。

简而言之，极性相反的同一种半导体晶体或者外延薄膜在相同的条件下测试得到的圆偏振自旋光电流是反向的。因此，可以利用圆偏振自旋光电流的方向来判断该半导体的极性(或极性面)。在实验上，鉴于某些样品的背景电流较高，也可以利用不同极性半导体的圆偏振自旋光电流变化规律是否相反的来判断该半导体的极性。

本发明方法所需要的测试系统非常简单，图2所示为搭建的一套测试系统。系统包括一个激光光源1，一个1/4波片2，一个锁相放大器4和一个放大电路3。激光光源1用于发射线偏振光；1/4波片2位于激光光源1下方，用于将线偏振光转换为圆偏振光；放大电路3，待测的半导体晶体或外延薄膜材料表面做两个欧姆接触的电极，并引线与放大电路3相连；锁相放大器4与放大电路3连接。

下面以InN样品为例，利用本发明方法判断InN样品的极性。实验上我们使用不同极性的InN样品，该样品采用分子束外延方法生长，样品结构分别如图3、图4所示。其中In极性样品生长在Ga极性GaN模板上，而N极性样品生长在N极性GaN模板上。两种样品的极性已通过共轴离子散射，汇聚束电子衍射，化学腐蚀这三种测试手段加以证实。实验测试采用图2所示系统，其中激光光源波长为1060nm。因为InN的禁带宽度为0.65eV左右，所以产生圆偏振自旋光电流归结于带内跃迁，其原理如图1所示。

我们在实验中测试了多组不同极性的样品，都得到了相同的结果。图5所示为两组不同极性InN样品的圆偏振自旋光电流，由图可见，不同极性的圆偏振自旋光电流的方向是相反的，而且光电流与波片转角的依赖关系也是相反的，从而说明利用圆偏振自旋光电流效应是一种非常简单而有效判断半导体晶体或者外延薄膜极性的方法。

利用本发明方法测定半导体晶体和外延薄膜极性所需要搭建的测试系统与现有的测定极性的其他测试系统相比，首先是可以在常压下操作，而不需要高真空系统，因而不但对测试人员几乎没有高真空方面专业技能的要求，扩大了用户的范围，而且显著地降低了系统的总成本；其次，该方法测试需要的时间很短，所需要时间仅为其他测试方法的1/30。这种简单、快捷且精确的发明方法在半导体尤其是半导体材料产业和半导体材料物理化学性质研究等领域具有良好的应用前景，而且测试系统成本低廉，容易可以迅速转化为产品。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种检测半导体晶体或外延薄膜材料极性的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

利用圆偏振光辐照待测的半导体晶体或外延薄膜材料，并检测所产生的无偏压电流的电流方向；

根据所述无偏压电流的电流方向，判断所述待测的半导体晶体或外延薄膜材料的极性，判断标准为：

极性相反的同一种半导体晶体或者外延薄膜在相同的条件下测试得到的圆偏振自旋光电流是反向的；或者

利用不同极性半导体的圆偏振自旋光电流变化规律是否相反来判断该半导体的极性。

2.如权利要求1所述的检测半导体晶体或外延薄膜材料极性的方法，其特征在于，所述的半导体晶体为具有极性或者不对称性的半导体晶体。

3.如权利要求2所述的检测半导体晶体或外延薄膜材料极性的方法，其特征在于，所述的半导体晶体为III-V族化合物半导体或II-VI族化合物半导体。

4.如权利要求1所述的检测半导体晶体或外延薄膜材料极性的方法，其特征在于，所述外延薄膜为具有极性的外延薄膜及其量子结构。

5.如权利要求4所述的检测半导体晶体或外延薄膜材料极性的方法，其特征在于，所述外延薄膜为GaN、AlN、InN外延薄膜、ZnO、ZnS、ZnSe外延薄膜或GaN基异质结构。

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