CN1289892C - 多量子阱红外探测材料的结构层厚获取方法 - Google Patents

Abstract

一种多量子阱红外探测材料的结构层厚获取方法，该方法采用常规的透射光谱测量，将测量数据与双层近似模型拟合，获取多量子阱红外探测材料中上电极层和多量子阱区实际的厚度参数，从而为后续的器件制备工艺提供必要的实际材料结构参数；同时还可获得多量子阱区中势垒层中A1组分参数。该方法也可为材料生长过程的参数修正提供参考依据。

Description

多量子阱红外探测材料的结构层厚获取方法

技术领域：

本发明涉及一种多量子阱红外探测器材料结构层厚度和透射光谱测量，具体地说，是关于通过对多量子阱红外探测器材料透射光谱的测量和特殊模型的应用，直接获取材料上电极层、多量子阱区域厚度参数的方法。

背景技术：

随着红外探测器在军事、民用等领域的需求，其材料生长、器件制备受到了极大关注。例如，GaAs/AlGaAs两类重要的红外半导体材料，同HgCdTe材料相比，GaAs/AlGaAs多量子阱红外探测器虽存在光吸收系数小，载流子寿命短的缺点，但是，GaAs材料生长和工艺成熟，容易做成重复性、均匀性好的大面积阵列(FPA)，同时，它的制造成本较低、器件性能稳定，并适合大规模生产，而且AlGaAs/GaAs多量子阱原则上也可以制成在任何红外波段工作的探测器，因此，由于近年来通过大气窗口8～12μm范围的红外探测器在空间遥感技术方面具有重要的应用前景，这就使得AlGaAs/GaAs多量子阱红外探测器(Quantum Well Infrared Photodetector QWIP)的主要发展方向是工作在8～14μm范围内的长波器件，如此更引起人们的广泛兴趣。

分子束外延技术的发展，采用人工控制晶体结构的量子效应红外探测器作为下一代红外探测器已引起人们的注意，目前发展的GaAs/GaAlAs多量子阱红外探测器的研究与发展创造了一条实现8～14μm红外探测器的新途径，而且，它具有独特的优点，在制造某些高性能探测器和光电集成电路中发挥其它材料不可替代的作用。虽然采用分子束外延技术，在材料生长过程中可以通过反射高能电子衍射(RHEED)技术对外延薄膜的生长速率进行监测，但是，在材料整个生长过程中生长速率会产生漂移，使材料实际生长的厚度会产生偏差，这给后期的流片工艺带来了困难。人们通常采用常规的二次离子质谱方法和台阶仪方法等来控制材料的结构参数，但这些方法均需要对样品进行破坏性的处理，而经过这样的处理后材料已不能再被使用，所以真正的被用于器件制备的样品是无法得到其相关结构参数的。为此任何一种无损的检测方法对QWIP器件工艺中的具体参量确定，进而确保工艺过程的可控性是很有用的。

图1给出了GaAs/AlGaAs QWIP材料典型结构示意图，从样品表面依次为上电极层、多量子阱区、下电极层以及缓冲层和衬底。在器件制备过程中，需要光刻并腐蚀到下电极层，确知每一片材料中上电极层和多量子阱区总的厚度参数显得非常重要；同时，对于n型量子阱红外探测器，由于受到量子选择定则的限制，必须使用介质或金属耦合光栅，才能对正入射光有吸收，通常采用在上电极层中光刻并腐蚀出光栅结构，也需要了解上电极层的厚度参数信息。获得这些厚度参数后，器件制备工艺参数才能严格确定，从而确保工艺过程的顺利完成。

发明内容：

如上所述，基于材料生长速率的漂移而导致材料的实际生长厚度不确定乃是本发明所要解决的技术问题，为此，本发明的目的是提供一种简便的、无损伤的获取多量子阱红外探测材料中对器件工艺十分关键的厚度参数的方法，为器件制备工艺顺利进行提供依据。

本发明的技术方案如下：

根据本发明的一种多量子阱红外探测材料的结构层厚获取方法，用于GaAs/AlGaAs多量子阱红外探测材料的上电极层和多量子阱区厚度参数的测量，其步骤包括：

a.先在常规的透射光谱测量系统中测量多量子阱材料的透射光谱；

b.将多量子阱红外探测材料结构之下电极层、缓冲层和衬底视为一体而作为等效衬底层，并将多量子阱区域和上电极层分别作为等效第二层和第一层，该等效第二层和第一层近似为衬底上的双层薄膜模型；

c.之后，采用双层近似模型计算出透射光谱的理论数据并与上述测量光谱数据进行拟合，获取制造工艺需要的厚度参数。

进一步，所述的步骤a的测量过程包括：

(1)首先在透射光谱测量系统的光路中留出放置样品的足够大的空间，以及把样品置放在器件级材料专用的样品架上待测置入光路中；

(2)利用波长为500～600nm可见光调节好光路，并测量此时探测器的信号随波长900～1250nm范围内的变化，测量的结果作为系统的本底信号；

(3)将多量子阱样品放置于光路中，再次测量波长在900～1250nm范围内信号随波长的变化，获得光谱信号；

(4)用上述测得的光谱信号除以本底信号即可得到多量子阱材料的透过率随波长的变化曲线，即透射光谱。

所述的步骤c其过程包括：

(1)利用典型的多层膜的透射率T计算公式推导出两层薄膜正入射时的理论计算式：

$T_t(n_i,d_i,{\mathrm{\λ}}_i)T=\frac{n_{k-1}}{n_0}\frac{{\left(t_0{t}_1{t}_{2}K{t}_k\right)}^2}{{\mathrm{\μ}}_{11}{\·\mathrm{\μ}}_{11}^{*}};$

(2)以按材料设计要求生长而成的QWIP结构参量的上电极层厚度d10多量子阱区厚度d20和多量子阱区的折射率n_QWO为初始值，并对它们作随机变化，使理论计算与实验结果之间达到最佳吻合：

$\mathrm{FX}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{(T_e\left({\mathrm{\λ}}_i\right)-T_t(n_i,d_i,{\mathrm{\λ}}_i))}^2,$ 并最后输出最终拟合参数d1、d2及n_QW，

式中T_e(λ_i)和T_t(n_i，d_i，λ_i)分别表示某一波长处透射率实验测量和理论计算结果。

所述的量子阱层的等效折射率由其中的势垒AlxGal-xAs的折射率决定，通过关系式：n_QW＝x·n_AlAs+(1-x)n_GaAs及从半导体材料参数手册查得量子阱区的Al组分x值来求得量子阱区的折射率。

本发明的最大优点是：

(1)光谱测量具有非接触、无损伤的优点，非常适于确定将用于器件制备的QWIP材料的结构层基本参数；

(2)利用本发明中提出的模型，可以快速、准确地提供器件制备工艺中非常关注的材料生长实际厚度参数；

(3)进行透射光谱测量时样品放入后光路无需重新调节，保证了测量的便捷性和可靠性，适合于常规性测量。

附图说明：

图1为本发明所要测量的一种GaAs/AlGaAs多量子阱红外探测器材料典型结构示意图；

图2为本发明所使用的透射光谱实验测量系统示意图；

图3为应用本发明方法所做的几种实施例对应的实验结果(虚线)与拟合结果(实线)的比较示意图。

具体实施方式：

下面根据图1～图3给出本发明一个较好实施例，并结合该实施例对本发明的方法作进一步的详细说明：

实施例所用样品为分子束外延系统中生长的QWIP材料，材料编号为QWIP1018，GaAs(001)作为衬底，多量子阱区中AlGaAs层Al组分值x＝0.11。

如图1所示，本实施例所用的QWIP材料20，其共由104层薄膜组成，自上而下，依次为上电极层21、多量子阱层22、下电极层23、缓冲层24和衬底25。本发明提出了将下电极层23、缓冲层24视为与衬底25为一体，称为等效衬底层，将50个量子阱的多量子阱区域的101层视为等效第二层，将上电极层21称为第一层，这样就将衬底25上104层薄膜近似为衬底25上的双层薄膜的模型。

本实施例采用常规的透射测量系统，具体实验装置如图2所示，其中光源1为Oriel公司(型号为66184)的卤钨灯；单色仪2是Oriel公司的1/8m(型号：74000，计算机控制)；探测器6为室温工作的Ge探测器；采用EG&G(型号：5209)的锁相放大器7并由计算机9进行数据采集。具体的测量过程为：

(1)首先，样品3不放在光路中，光路的置放样品3的空间要足够大，同时样品3置放在器件级材料专用的样品架上，确保样品不被沾污，可以方便地在测量后进行器件流片。

(2)利用波长为500-600nm可见光调节好光路(光源经单色仪2、调制盘4及透镜5后直接照射到探测器6的光敏元上)并测量这时探测器6的信号响应随波长(范围：900-1250nm)的变化，测量的光谱结果作为系统的本底；

(3)将多量子阱样品3放入光路中(保持其它元件不动)，再次测量波长900-1250nm范围内信号随波长的变化，获得光谱；

(4)用步骤3测量的结果除以本底信号即可得到多量子阱材料的透过率随波长的变化曲线，即透射光谱，如图3中虚线所示。其中干涉条纹的振荡峰幅度为0.5％。

本实施例中将QWIP材料的上电极层21的厚度d1、量子阱层的厚度d2、量子阱区的折射率nQW作为拟合参量，对测量得到的透射光谱进行数据拟合，其中多量子阱层22的等效折射率由其中的势垒AlxGal-xAs的折射率决定，可以用下式表示：

n_QW＝x·n_AlAs+(1-x)n_GaAs                   (1)

其中，nQW、nAlAs、nGaAs分别表示多量子阱、AlAs、GaAs的折射率，从半导体材料参数手册查得1μm附近nAlAs＝2.9，nGaAs＝3.4，x为多量子阱中势垒层Al组分(样品QWIP1018中x＝0.11)根据公式1可以得到量子阱区的折射率为3.345。

利用典型的多层膜的透射率T计算公式：

$T=\frac{n_{k+1}}{n_0}\frac{{\left(t_0{t}_1{t}_{2}K{t}_k\right)}^2}{{\mathrm{\μ}}_{11}{\·\mathrm{\μ}}_{11}^{*}}$ (光正入射情形)；

$T=\frac{n_{k+1}\cos {\mathrm{\θ}}_{k+1}}{n_0\cos {\mathrm{\θ}}_0}\frac{{\left(t_0{t}_1{t}_{2}K{t}_k\right)}^2}{{\mathrm{\μ}}_{11}{\·\mathrm{\μ}}_{11}^{*}}$ (光斜入射情形)；

其中： $t_0=\frac{{2n}_0}{n_0+n_1},r_0=\frac{n_0-n_1}{n_0+n_1};t_1=\frac{{2n}_1}{n_1+n_2},r_1=\frac{n_1-n_2}{n_1+n_2};t_2=\frac{{2n}_2}{n_2+n_3},r_2=\frac{n_2-n_3}{n_2+n_3};\·\·\·;$ $t_k=\frac{{2n}_k}{n_k+n_{k+1}},r_k=\frac{n_k-n_{k+1}}{n_k+n_{k+1}};$ 参量K为多层膜的层数序号；参量μ₁₁为复数，μ^* ₁₁为μ₁₁的共轭复数；

另外， $M_0=\left[\begin{array}{cc}1& r_0\\ r_0& 1\end{array}\right],M_m=\left[\begin{array}{cc}{e}^{{\mathrm{j\δ}}_m}& r_m{e}^{j{\mathrm{\δ}}_m}\\ r_m{e}^{-j{\mathrm{\δ}}_m}& e^{-j{\mathrm{\δ}}_m}\end{array}\right],{\mathrm{\δ}}_m=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_m{d}_m\cos {\mathrm{\θ}}_m,$ m＝1，2，3，4，…，k；j为复数幂指数，

令： $\underset{m=0}{\overset{k}{\mathrm{\Π}}}{M}_m=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\μ}}_{11}& {\mathrm{\μ}}_{12}\\ {\mathrm{\μ}}_{21}& {\mathrm{\μ}}_{22}\end{array}\right],$

对于两层薄膜只涉及M₀、M₁、M₂，其正入射的情形可以推导出：

$T(n_i,d_i,{\mathrm{\λ}}_i)=\frac{n_{k+1}}{n_0}\frac{{\left(t_0{t}_1{t}_{2}K{t}_k\right)}^2}{{\mathrm{\μ}}_{11}{\·\mathrm{\μ}}_{11}^{*}}=1+r_0^2{r}_1^2+r_0^2{r}_2^2+r_1^2{r}_2^2+2(r_0{r}_1+r_0{r}_1{r}_2^2)\cos {2\mathrm{\δ}}_1$

$+2(r_1{r}_2+r_0^2{r}_1{r}_2)\cos {2\mathrm{\δ}}_2+2r_0{r}_2\cos 2({\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2)+{2r}_0{r}_1^2{r}_2\cos 2({\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2)---\left(2\right)$

其中n₀＝1，为空气的折射率；n_m，d_m分别表示第m层薄膜的折射率和薄膜的几何厚度，n₂＝n_GaAs，n₃＝n_QW，θ₀是入射角，实验中取光正入射情形，即θ₀＝0°，也就是说θ_m＝0°。

具体拟合过程中，以按材料设计要求生长而成的QWIP结构参量d10、d20和nQW为初始值，应用计算机Fortran语言中数值为0到1的随机数函数Ran(idum)，对参数d1、d2以及量子阱区的折射率nQW进行随机的变化，使理论计算与实验结果之间达到最佳的吻合程度，也就是使得FX值为最小。FX值为：

$\mathrm{FX}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{(T_e\left({\mathrm{\λ}}_i\right)-T_t(n_i,d_i{,\mathrm{\λ}}_i))}^2---\left(3\right)$

式中Te(λi)、Tt(ni，di，λi)分别表示某一波长处透射率实验测量、理论计算的结果。最后输出最终的拟合参数d1、d2及nQW，再通过公式(1)可以同时获得多量子阱中势垒层Al组分x值，表1给出了几个实施实例的结果。图3给出了拟合的透射光谱与实验测量结果的比较。

表1：几个实施实例的拟合参数

样品编号	参量	设计值	初始值	拟合结果
					Qwip1012	d1(nm)	1750	1750	1906.1
d2(nm)	3360	3360	3722.8
				x		0.11	0.11	0.084
Qwip1016	d1(nm)	1750	1750						1863.3
				d2(nm)	3375	3375	4142.0
	x	0.11	0.11					0.085
				Qwip1017-1	d1(nm)	1750	1750		2122.4
d2(nm)	3390	3390	3724.1
					x	0.11	0.11	0.059
Qwip1017-2	d1(nm)	1750	1750						2047.0
				d2(nm)	3405	3405	4016.1
	x	0.11	0.11					0.09535
				Qwip1018	d1(nm)	1750	1750		2048.6
d2(nm)	3435	3435	3999.8
					x	0.11	0.11	0.0978

Claims (4)

1、一种多量子阱红外探测材料的结构层厚获取方法，用于GaAs/AlGaAs多量子阱红外探测材料的上电极层和多量子阱区厚度参数的测量，其步骤包括：

a.先在常规的透射光谱测量系统中测量多量子阱材料的透射光谱；

b.将多量子阱红外探测材料结构之下电极层、缓冲层和衬底视为一体而作为等效衬底层，并将多量子阱区域和上电极层分别作为等效第二层和第一层，该等效第二层和第一层近似为衬底上的双层薄膜模型；

c.之后，采用双层近似模型计算出透射光谱的理论数据并与上述测量光谱数据进行拟合，获取制造工艺需要的厚度参数。

2、根据权利要求1所述的多量子阱红外探测材料的结构层厚获取方法，其特征在于：所述的步骤a的测量过程包括：

(1)首先在透射光谱测量系统的光路中留出放置样品的足够大的空间，以及把样品置放在器件级材料专用的样品架上待测，此时样品不置入光路中；

(2)利用波长为500～600nm可见光调节好光路，并测量此时探测器的信号随波长900～1250nm范围内的变化，测量的结果作为系统的本底信号；

(3)将多量子阱样品放置于光路中，再次测量波长在900～1250nm范围内信号随波长的变化，获得光谱信号；

(4)用上述测得的光谱信号除以本底信号即可得到多量子阱材料的透过率随波长的变化曲线，即透射光谱。

3、根据权利要求1所述的多量子阱红外探测材料的结构层厚获取方法，其特征在于：所述的步骤c其过程包括：

(1)利用典型的多层膜的透射率T计算公式推导出两层薄膜正入射时的理论计算式：

$T_t(n_i,d_i,{\mathrm{\λ}}_i)T=\frac{n_{k+1}}{n_0}\frac{{\left(t_0{t}_1{t}_{2}K{t}_k\right)}^2}{{\mathrm{\μ}}_{11}\·{\mathrm{\μ}}_{11}^{*}};$

(2)以按材料设计要求生长而成的QWIP结构参量的上电极层厚度d10、多量子阱区厚度d20和多量子阱区的折射率n_QWO为初始值，并对它们作随机变化，使理论计算与实验结果之间达到最佳吻合： $\mathrm{FX}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(T_e\left({\mathrm{\λ}}_i\right)-T_t{(n_i,d_i,{\mathrm{\λ}}_i))}^2,$ 并最后输出最终拟合参数d1、d2及n_QW，

式中T_e(λ_i)和T_t(n_i，d_i，λ_i)分别表示某一波长处透射率实验测量和理论计算结果。

4、根据权利要求3所述的多量子阱红外探测材料的结构层厚获取方法，其特征在于：所述的量子阱层的等效折射率由其中的势垒AlxGa1-xAs的折射率决定，通过关系式：n_QW＝x·n_AlAs+(1-x)n_GaAs及从半导体材料参数手册查得量子阱区的Al组分x值来求得量子阱区的折射率。

Images