CN1995974A - 一种可靠预测碲镉汞光电响应截止波长的非接触实验方法 - Google Patents

Abstract

一种可靠预测HgCdTe光电响应截止波长的非接触实验方法，系综合运用透射、光电流、光调制反射和光致发光多种光谱表征手段，对77K温度下材料的截止能量进行研究。结果表明：由于缺陷/杂质能级的存在，使传统的透射光谱不能准确预测材料的光电响应截止波长；而根据经验公式估算的材料截止波长则通常偏短。红外光调制反射光谱是非接触性检测方法，又因为它与光电流谱的三阶导数谱相似，可以作为一种可靠预测材料光电响应截止波长的非接触检测手段。

Description

一种可靠预测碲镉汞光电响应截止波长的非接触实验方法

技术领域：

本发明涉及红外光电材料性能表征技术，具体地说，是基于红外调制反射光谱、可靠非接触预测碲镉汞材料光电响应截止波长的测试方法。

背景技术：

碲镉汞(Hg_1-xCd_xTe)是一种重要的窄禁带半导体材料，广泛应用于红外探测器(阵列)的制备。光电响应截止波长作为探测器的一项关键性能指标，严重依赖于材料的组分(x)、掺杂和缺陷。光电流谱(Phototcurrent，PC)是反映器件最终光电响应特性的有效测量手段。但是由于电极制备、额外电学设备等原因，既是接触的因而是破坏性的，又不便于作为常规表征手段。傅立叶变换红外(FTIR)透射光谱(transmission，T)作为传统的非接触性光学检测手段，常用于光电响应截止波长的预测。但是这种方法在很大程度上依赖于对材料光学吸收特性的预知，又因受到材料缺陷和掺杂情况的影响而并非完全可靠。

光调制反射(Photoreflectance，PR)光谱作为非接触性光学检测手段，成功应用于半导体材料与器件光学性质研究。PR光谱是一种基于物理微分的调制光谱。作为灵敏检测手段，它能有效去除干扰信号，获得传统非微分光谱难以分辨的带间光跃迁以及其它微弱特征。但是通常的PR光谱技术由于受限于单色仪及其探测器性能，其适用波段仅局限于紫外—近红外，根本无法用于窄禁带Hg_1-xCd_xTe材料带边能带结构的研究。所幸的是，新近发展起来的基于步进扫描FTIR光谱仪的红外PR光谱方法，首次将敏感工作范围拓展到中、远红外波段。依此进行的细致研究表明，该技术与相关理论结合，能够可靠预测碲镉汞光电响应截止波长。

发明内容：

本发明结合多种光谱表征技术，分析研究砷(As)掺杂窄禁带Hg_1-xCd_xTe材料光电响应截止波长。在探索并初步建立截止波长与材料参数之间内在关系的基础上，形成关于截止波长的非接触可靠预测实验方法和理论判据。相关结果将为材料性能表征和器件优化设计提供依据和参考。

具体地，本发明对77K温度下窄禁带Hg_1-xCd_xTe材料的PC、T、PR和光致发光(Photoluminescence，PL)光谱进行系统研究，并分析比较这些光谱方法用于预测材料截止波长的可靠性。实验结果表明：(1)传统的透射光谱方法在用于预测材料禁带宽度和光电响应截止波长时均存在一定偏差；(2)根据PC谱获得的截止波长相对于材料实际禁带宽度存在明显红移；(3)PR光谱的主要带边特征与PC谱的三阶导数非常相似，PR光谱的主峰位置与PC谱的截止波长位置完好吻合。通过对PR光谱和PL光谱进行基于物理理论的线形拟合，发现材料杂质和缺陷能级是导致截止能量略低于实际的禁带宽度的主要原因。由此得出结论：红外PR光谱可以作为一种方便的非接触光谱手段，可靠预测窄禁带Hg_1-xCd_xTe材料光电响应截止波长。

附图说明：

图1分别给出了77K温度下，分子束外延生长Hg_1-xCd_xTe(x＝0.304)样品的PC谱和透射光谱。光谱对应的三阶导数谱也在图中用虚线给出。竖直虚线和实线分别标注由PC谱和透射光谱确定的样品截止能量。Δ表示由两种方法确定截止能量差。

图2分别给出了77K温度下，Hg_1-xCd_xTe(x＝0.304)样品的PR和PC谱。PC谱的三阶导数谱在图中以虚线给出。竖直虚线标识了PR光谱的主峰。

图3分别给出了77K温度下，Hg_1-xCd_xTe(x＝0.304)样品的PL和PR光谱。图中的点虚线是基于相关理论的线形拟合的结果。箭头标注的是对PR光谱进行线形拟合所获得的光跃迁能量。

具体实施方式：

下面根据图1-图3给出本发明的较好实例，并予以详细描述，使能更好地说明本发明的技术特征和功能特点，而不是用来限定本发明的范围。

As掺杂Hg_1-xCd_xTe外延材料是用分子束外延方法生长的。衬底为GaAs(211)B，As掺杂浓度为10^-17cm^-3。根据室温透射光谱和Hansen公式[G.L.Hansen，et al.，J.Appl.Phys.53，7099(1982)]，得到材料组分x＝0.304。样品是p型的，其中富含汞(Hg)空位。在240℃的氛围中退火48小时，样品变为n型，表明其中的Hg空位被大量减少，As原子占据汞空位充当施主。

在77K下，利用FTIR光谱仪(Bruker IFS 66v/S)，对样品进行了透射、PC、PR和PL光谱测量。对于PR和PL光谱测量，选择光谱仪的步进扫描模式，并结合相敏检测技术(锁相放大器+机械斩波器)。泵浦激光选择Ar+激光器，波长为514.5nm，输出功率为50mW。

图1中的实线是Hg_1-xCd_xTe(x＝0.304)样品的透射谱和PC谱。透射率和PC响应峰值的50％处分别用竖直实线和虚线标注。为了确定光谱带边转折点的具体位置，图中同时给出了对应透射和PC谱的三阶导数谱。从图1的透射光谱和PC谱中可以明显地观察到两种方法所得结果的差异。由透射光谱确定的截止能量相对于PC谱确定值发生了蓝移，能量差Δ＝4.5meV。从光谱的三阶导数谱也能观察到类似现象。由此可见利用传统的透射光谱方法确定材料光电响应截止波长存在着一定的偏差。对于远红外区域，Hg_1-xCd_xTe材料的禁带宽度本身不过100meV左右，此时这种偏差将会导致0.5μm甚至更大的截止波长预测误差。

图2所示为同一样品在77K温度下的PR光谱和PC谱。为了便于比较，图中也给出了PC谱的三阶导数谱。可以看出，PR光谱在带边附近的线形与PC谱的三阶导数谱非常相似。同时，PR光谱的主峰对应能量是0.249eV，和PC谱的截止能量很好地吻合。从理论的角度，77K温度下，Hg_1-xCd_xTe(x＝0.304)样品的禁带宽度可以取为0.250eV(Hansen公式，[G.L.Hansen，etal.，J.Appl.Phys.53，7099(1982)])或者0.267eV(CXT公式，[J.-H.Chu，et al，Appl.Phys.Lett.43，1064(1983)])，前者与PC谱截止能量基本一致，后者则明显高于所有三种光谱手段所确定的截止或主峰能量。注意到CXT公式描述的基本上是禁带宽度与材料组分/温度的关系，而Hansen公式则大致对应于光电响应截止能量与组分/温度的关系[J.-H.Chu，et al，Appl.Phys.Lett.43，1064(1983)]，可以初步判定0.267eV大致就是该材料的禁带宽度。

为了进一步发掘这些现象之后的物理根源，对样品进行了77K温度下的PL光谱测量，并通过线形拟合获得带边附近的具体能级位置。同时，在自由状态和低电场调制的假设前提下，利用三阶导数线形对PR光谱进行拟合

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}=\mathrm{Re}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{e}^{j{\mathrm{\φ}}_i}{(E-E_i+j{\mathrm{\Γ}}_i)}^{-2.5}---\left(1\right)$

式中A_i和φ_i分别是第i阶线形的幅度和相位角，E_i和Γ_i分别是对应跃迁的能量和展宽因子。

图3给出了77K温度下该样品的PR和PL光谱。图中光谱具有高信噪比，进行线形拟合可以获得很好的结果。在公式(1)的基础上，采用4个洛仑兹线形拟合的结果和PR光谱实验数据符合的很好。拟合后得到的光跃迁能量在图中分别用箭头以及E_i＝(i＝0，1，2，3)标出。与此同时，用4个线形拟合PL光谱也能够获得很好的结果，所得线形对应的能量与PR光谱拟合的结果非常接近。E₀对应的拟合峰宽且强，E₁对应的拟合峰强度最高，E₃对应的拟合峰强度很弱。根据这些结果，可以推论，E₀对应于Hg_1-xCd_xTe(x＝0.304)样品的禁带宽度，其余的分别对应于材料中位于禁带内的浅能级(Hg空位以及As施、受主)。虽然关于这些浅能级的机制有待进一步深入研究，但是可以确定的是，由于这些浅能级的存在，PC谱、透射光谱所确定截止能量均相对于实际禁带宽度发生红移(PC～14.5meV，T～10meV)。这一结果也进一步证实了文献所报道、却没有得到广泛认同的论断：Hansen公式描述的大致是材料光电响应截止能量，CXT公式确定的则基本上是材料的实际禁带宽度。

对于不同手段确定材料截止波长所存在的差异，可以这样解释：透射光谱给出的是沿着样品生长方向的平均效应。组分x、汞空位/As施主在生长方向的分布，导致了由透射光谱确定的截止能量和实际近表面层的存在差异。PR光谱揭示的是近表面层的材料特性，这和PC谱是一致的。PR光谱实质上是传统的反射光谱的三阶导数谱，和PC谱的三阶导数谱非常类似。PC谱的三阶导数谱的主峰对应的就是PC谱的截止能量。由此可见，PR光谱提供了一种可靠预测材料的光电响应截止波长的非接触式实验方法。

Claims (5)

1、一种可靠预测HgCdTe光电响应截止波长的非接触实验方法，其特征在于：结合基于傅立叶红外变换光谱仪的光电流、透射、光调制反射和光致发光多种光谱表征，对77K温度下砷掺杂的窄禁带Hg_1-xCd_xTe材料的系统研究。

2、根据权利要求1所述的可靠预测HgCdTe光电响应截止波长的非接触实验方法，其特征在于：获得的实验结果表明：

S1、传统的透射光谱方法在用于预测材料禁带宽度和光电响应截止波长时均存在一定偏差；

S2、根据光电流谱获得的截止波长相对于材料实际禁带宽度存在明显红移；

S3、光调制反射光谱的主要带边特征与光电流谱的三阶导数非常相似，光调制反射光谱的主峰位置与光电流谱的截止波长位置完好吻合，通过对光调制反射光谱和光致发光谱进行基于物理理论的线形拟合，发现材料杂质和缺陷能级是导致截止能量略低于实际的禁带宽度的主要原因。

3、根据权利要求2所述的可靠预测HgCdTe光电响应截止波长的非接触实验方法，其特征在于：红外光调制反射光谱可以作为一种方便的非接触光谱手段，可靠预测窄禁带Hg_1-xCd_xTe材料光电响应截止波长。

4、根据权利要求1-3中的所述的可靠预测HgCdTe光电响应截止波长的非接触实验方法，其特征在于，所述的样品可以是所有窄禁带中、远红外半导体材料。

5、根据权利要求4中的所述的可靠预测HgCdTe光电响应截止波长的非接触实验方法，其特征在于，所述的样品的材料是Hg_1-xCd_xTe材料。

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