質(zhì)子輻照對GaAsAlGaAs多量子阱材料光學(xué)性質(zhì)的影響

1、第20卷第11期1999年11月半導(dǎo)體學(xué)報CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORS.20,No.11VolNov.,1999質(zhì)子輻照對GaAs󰃗AlGaAs多量子阱材料光學(xué)性質(zhì)的影響3黃萬霞林理彬(四川聯(lián)合大學(xué)物理系國家教委輻射物理及技術(shù)開放實驗室成都610064)曾一平潘量(中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所材料科學(xué)中心北京100083)2211摘要用固定能量為20keV,劑量為10111013󰃗cm,能量為cm的質(zhì)子和固定劑量為1×10󰃗30100keV的質(zhì)子,對GaAs󰃗AlGaAs多量子阱材料進(jìn)行輻照,得

2、到了材料的光致發(fā)光特性隨質(zhì)子能量和劑量的變化關(guān)系,并進(jìn)行了討論.結(jié)果表明,質(zhì)子輻照對材料的光學(xué)性質(zhì)有破壞性的影響,這種影響是通過兩種機制引起的.相同能量的質(zhì)子輻照,隨著輻照劑量的增大,對量子阱光致發(fā)光峰的破壞增大.相同劑量的質(zhì)子輻照,當(dāng)輻照質(zhì)子的射程剛好覆蓋整個量子阱結(jié)構(gòu)區(qū)域時,對量子阱光致發(fā)光峰的破壞最嚴(yán)重,當(dāng)輻照質(zhì)子的射程超過量子阱結(jié)構(gòu)區(qū)域時,對量子阱光致發(fā)光峰的破壞反而減小.PACC:6180,6865,78551引言自1980年日本富士通的Minura1利用調(diào)制摻雜技術(shù)研制成功第一只n2AlGaAs󰃗高速計GaAs高電子遷移率晶體管(HEMT)以來,人們競相采用HEMT

3、于高速邏輯電路、算機和信息系統(tǒng).另一方面,對于量子阱結(jié)構(gòu)光學(xué)特性研究的不斷深入,導(dǎo)致了量子阱激光器、高速發(fā)光器件以及光敏器件等一系列光電子器件的出現(xiàn),并考慮將這些新型器件應(yīng)用于空間技術(shù)及核技術(shù)有關(guān)的輻射環(huán)境中.為此,研究GaAs󰃗AlGaAs材料的輻照效應(yīng)是很有意義的.用質(zhì)子轟擊量子阱激光器并對其深能級中心進(jìn)行研究2,3,發(fā)現(xiàn)質(zhì)子轟擊引起的損傷在量子阱中產(chǎn)生了一個濃度和俘獲截面較大的高溫電子陷阱或與材料原有的陷阱相互作用產(chǎn)生新的陷阱;HEMT材料的電子輻射效應(yīng)4,得到了材料結(jié)構(gòu)中的2維電子氣的電輸運性質(zhì)隨輻照電子能量和劑量的變化關(guān)系.在量子阱材料的光學(xué)性質(zhì)的輻照效應(yīng)方面,尚未見

4、到有關(guān)報道.211本文的工作是以固定能量為20keV,采用10111013󰃗cm的劑量和固定劑量為1×10󰃗3國家自然科學(xué)基金資助項目,基金號69576107;國家教委高校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目黃萬霞女,1973年出生.現(xiàn)就讀四川大學(xué)物理系凝聚態(tài)物理專業(yè)碩士,主要從事超晶格材料的輻射效應(yīng)研究1998211206收到,1999202209定稿958半導(dǎo)體學(xué)報20卷2100keV的質(zhì)子束,對GaAs AlGaAs多量子阱材料進(jìn)行輻照,通過對輻cm,采用能量30照前后樣品進(jìn)行光致發(fā)光測試,研究質(zhì)子輻照能量及注量變化對材料光學(xué)性質(zhì)的影響.實驗結(jié)果表明,

5、經(jīng)輻照后,量子阱光致發(fā)光峰的強度變小,相同能量的質(zhì)子輻照,隨著劑量的增大,量子阱光致發(fā)光峰的強度越來越小直至完全消失.相同劑量的質(zhì)子輻照,當(dāng)能量為80keV時光致發(fā)光峰強度減至最小.經(jīng)分析量子阱光致發(fā)光峰強度經(jīng)輻照后變?nèi)醯脑蛴袃蓚€方面,一是質(zhì)子轟擊產(chǎn)生損傷引入新的陷阱,使一部分激子通過這些陷阱發(fā)光,在光致發(fā)光光譜上我們看到在1149eV和0175eV處新出現(xiàn)兩個較平緩的發(fā)光帶;二是質(zhì)子轟擊使材料晶格空間的完整性受到一定程度的破壞,致使產(chǎn)生的激子數(shù)目減少,從而導(dǎo)致發(fā)光強度變?nèi)?當(dāng)輻照質(zhì)子的射程剛好覆蓋整個量子阱結(jié)構(gòu)區(qū)域時,對量子阱光致發(fā)光峰的破壞最嚴(yán)重,當(dāng)輻照質(zhì)子的射程超過量子阱結(jié)構(gòu)區(qū)域時,對

6、量子阱光致發(fā)光峰的破壞反而減小.2樣品制備和輻照實驗本實驗所用樣品為中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所提供的用MBE法生長的GaAs AlGaAS多量子阱材料,AlGaAs中x值為013.樣品結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖1GaAs AlGaAs多量子阱結(jié)構(gòu)示意圖質(zhì)子輻照是在K280離子注入機上完成的,對樣品1采用固定能量為20keV,注入劑量2122132分別為1×1011 .對樣品2采用固定注入劑量為1cm,1×10 cm,1×10 cm進(jìn)行輻照2×1011 50、80、100keV進(jìn)行輻照.cm,能量分別為30、3實驗結(jié)果311相同能量不同劑量的質(zhì)子輻照對樣品光致發(fā)光光譜

7、的影響對輻照前后的樣品進(jìn)行了光致發(fā)光測試,激發(fā)光波長51415nm,溫度15K.圖2(a)是能量為20keV,不同注入劑量的質(zhì)子輻照后光致發(fā)光光譜的比較,1#曲線為輻照前樣品的光致發(fā)光光譜,波長為01766m的A峰(E=1161eV)對應(yīng)于量子阱導(dǎo)帶中n=1的電子能態(tài)和價帶重空穴能態(tài)之間的激子復(fù)合發(fā)光,這是HEMT材料在光學(xué)應(yīng)用中的主要光學(xué)參數(shù)11期黃萬霞等:質(zhì)子輻照對GaAs AlGaAs多量子阱材料光學(xué)性質(zhì)的影響959之一.波長為01801.2#曲線m的B峰(E=1155eV)對應(yīng)于GaAs體材料的光致發(fā)光發(fā)射2是劑量為1×1011 cm的質(zhì)子輻照后的光致發(fā)光譜,圖中在A、B兩峰

8、相應(yīng)位置仍然有兩個很弱的峰,分別對應(yīng)于量子阱和GaAs體材料的光致發(fā)光發(fā)射,但強度比未輻照的大大減2小.3#曲線是輻照劑量為1×1012 .4#曲線為輻cm的光致發(fā)光譜,圖中A、B兩峰基本消失2照劑量為1×1013 .cm的光致發(fā)光譜,同樣A、B兩峰已消失圖2不同條件下的質(zhì)子輻照對光致發(fā)光光譜的影響(a)相同能量,不同劑量,(b)相同劑量,不同能量.312相同注入劑量不同能量的質(zhì)子輻照對樣品光致發(fā)光光譜的影響2.圖中圖2(b)是采用劑量為1×1011 cm,不同能量的質(zhì)子輻照后光致發(fā)光光譜的比較可以看出,輻照前的光致發(fā)光光譜在波長為0178m的A處(E=1158e

9、V)有一個很強的銳峰,對應(yīng)于量子阱的熒光反射,在波長為1101m的D處(E=1122eV)有一個較平緩的寬峰,由樣品的DLTS譜測得一深能級缺陷與之對應(yīng),我們認(rèn)為它對應(yīng)于AlGaAs中DX中心的復(fù)合發(fā)光.經(jīng)輻照后,在波長為0183m的C處(E=1149eV)和波長為1165m的E處(E=0175eV)均出現(xiàn)兩個低緩的寬峰且量子阱的光致發(fā)光峰強度變?nèi)?輻照能量為30keV時,量子阱光致發(fā)光峰強度減為輻照前的一半,且在波長為018m的B處(E=1156eV)出現(xiàn)了較弱的GaAs體材料的本征光致發(fā)光峰,輻照能量為50keV時量子阱的光致發(fā)光峰減小到幾乎消失,能量增大為80keV時,量子阱光致發(fā)光峰徹

10、底消失,且C、D、E三處的寬峰與其他能量輻照的光致發(fā)光譜相比強度減弱近一半.當(dāng)輻照能量繼續(xù)增大為100keV時,量子阱光致發(fā)光峰又出現(xiàn)并且有一定的強度.4討論(1)由圖2(a)可見,質(zhì)子輻照對樣品的光學(xué)性質(zhì)起破壞性作用.相同能量的質(zhì)子輻照,隨著輻照劑量的增大,這種破壞性也增強,輻照對樣品的光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生完全破壞性影響的劑2量閾值為1×1012 cm.為了進(jìn)一步分析質(zhì)子輻照對樣品的光致發(fā)光光譜產(chǎn)生的這種破壞性960半導(dǎo)體學(xué)報20卷影響的機理,我們首先研究GaAs .在超晶格量子阱等準(zhǔn)AlGaAs多量子阱材料的發(fā)光過程二維體系中,激子的基態(tài)束縛能趨近三維系中的4倍,因而激子效應(yīng)很明顯.Ga

11、As量子阱的光躍遷過程,常常是自由激子起主要作用的本征過程.當(dāng)一定波長的激發(fā)光照射樣品時,電子吸收光子能量h以后,從價帶躍遷到導(dǎo)帶,在價帶中產(chǎn)生空穴,它和導(dǎo)帶電子之間由庫侖引力可能形成電子和空穴束縛狀態(tài)的激子,激子中的電子不能穩(wěn)定地存在,它通過從導(dǎo)帶躍遷回價帶和空穴復(fù)合而放出能量,并發(fā)射光子.圖2(a)中的A峰即是激子中的電子從導(dǎo)帶的電子子能帶E1躍遷到價帶的重空穴子能帶HH1的發(fā)光峰.我們知道,只有在完整和純凈的晶體中才能觀察到較明顯的激子效應(yīng),這是因為激子的波爾半徑較大,激子的波爾半徑5為:aexe=aBmr m0(1)-1-1(mn),經(jīng)計算得到在GaAs中激子的波爾半式中aB是氫原子的

12、波爾半徑,mr=1 +mp徑約為10nm,因此在這樣大范圍內(nèi)晶體完整性的破壞必將對激子效應(yīng)產(chǎn)生影響,從而影響激子的產(chǎn)生和存在.在本實驗中,經(jīng)質(zhì)子輻照后樣品中將產(chǎn)生大量缺陷,使GaAs AlGaAs多量子阱材料的晶格空間的完整性受到破壞,致使產(chǎn)生的激子數(shù)量減少,因而量子阱的光致發(fā)光峰強度變?nèi)?當(dāng)輻照劑量增大,晶格空間完整性的破壞進(jìn)一步增大,產(chǎn)生的激子數(shù)進(jìn)一步減少直至沒有激子的產(chǎn)生,相應(yīng)的量子阱的光致發(fā)光峰強度變?nèi)踔敝镣耆?(2)輻照質(zhì)子劑量一定量,輻照對材料光學(xué)性質(zhì)的破壞不是隨著質(zhì)子能量的增大而一直增大,見圖2(b).當(dāng)能量較小時,隨著質(zhì)子能量的增大,對材料的破壞性增大,當(dāng)能量為80keV的

13、破壞性達(dá)到最大,量子阱的光致發(fā)光峰徹底消失,能量繼續(xù)增大到100keV時破壞性反而減小,量子阱的光致發(fā)光峰出現(xiàn)并有一定強度.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于當(dāng)帶電粒子穿過物質(zhì)時,在其射程末端產(chǎn)生的比電離最多6,因而在其射程末端產(chǎn)生的缺陷也最多.當(dāng)能量為80keV的質(zhì)子轟擊樣品時,其射程末端剛好處于量子阱區(qū)域,在量子阱中產(chǎn)生大量的缺陷,因此對量子阱光致發(fā)光峰的破壞最大;當(dāng)能量低于80keV時,質(zhì)子射程沒有完全覆蓋量子阱區(qū)域,即有一部分量子阱區(qū)域沒有受到質(zhì)子的轟擊,因此在量子阱中產(chǎn)生的缺陷少,對量子阱的破壞也較小;當(dāng)能量高于80keV時,入射質(zhì)子中的一部分已打過了量子阱區(qū)域,其射程末端位于量子阱之外,落在

14、量子阱區(qū)域的只是質(zhì)子射程的中間段,因而在量子阱中產(chǎn)生的缺陷反而減小,對量子阱的破壞也減小.從圖中我們還看到,經(jīng)輻照后量子阱的光致發(fā)光峰強度變?nèi)?而在E=1149eV和E=0175eV處出現(xiàn)兩個新的低緩的寬峰.這說明質(zhì)子轟擊對材料產(chǎn)生損傷,在量子阱的禁帶中引入兩個新的深能級中心,使一部分激子通過這兩個深能級中心發(fā)光,因而量子阱的光致發(fā)光峰強度減弱.對比能量為50keV和80keV的質(zhì)子輻照我們發(fā)現(xiàn),量子阱的光致發(fā)光峰強度都已減至最小,幾乎完全消失,而對C、D、E三處的寬峰相比較,80keV比50keV強度減弱近一半,這說明量子阱光致發(fā)光峰的消失,除了因為一部分激子通過深能級中心復(fù)合發(fā)光外,還存在

15、另一種機制,即質(zhì)子轟擊產(chǎn)生損傷使晶格空間的完整性受到破壞,使激子效應(yīng)受到影響,從而使激子數(shù)目減少.由于80keV的質(zhì)子對量子阱區(qū)域的覆蓋比50keV的大,產(chǎn)生的損傷和缺陷更多,對晶格空間完整性的破壞也更大,激子數(shù)目減少更嚴(yán)重,因而在C、D、E處的寬發(fā)光峰的強度也比50keV的弱.由此我們認(rèn)為,質(zhì)子輻照對材料光學(xué)性質(zhì)的破壞,是通過兩種機制引起的,一是質(zhì)子轟擊產(chǎn)生損傷引入新的陷阱,使一部分激子通過這些陷阱發(fā)11期黃萬霞等:質(zhì)子輻照對GaAs AlGaAs多量子阱材料光學(xué)性質(zhì)的影響961光;二是質(zhì)子轟擊使材料晶格空間的完整性受到破壞,致使產(chǎn)生的激子數(shù)目減少.(3)用Trim96程序計算了質(zhì)子轟擊材料

16、后,在材料中的射程及分布情況.Trim96程序采用的是以蒙特卡洛方法為基礎(chǔ)的統(tǒng)計方法,由于在計算分層材料時,總共只能計算到第8層,因此我們對量子阱區(qū)域作了一定的簡化.圖3是用Trim96程序計算的80keV質(zhì)子和100keV質(zhì)子在材料中的射程及分布情況.圖3(a)是80keV的質(zhì)子在樣品中的分布情況,可以看出,大部分的入射質(zhì)子部分布在量子阱結(jié)構(gòu)區(qū)域.圖3(b)是100keV的質(zhì)子在樣品中的分布情況,有相當(dāng)一部分質(zhì)子已打出量子阱區(qū)域.由此可見,80keV質(zhì)子與100keV質(zhì)子相比,落在量子阱區(qū)域的質(zhì)子數(shù)更多,因此在量子阱中引起的損傷和缺陷更多.其計算結(jié)果與我們的實驗結(jié)果一致.5結(jié)論圖3輻照質(zhì)子在

17、樣品中的射程及分布情況(a)80keV,(b)100keV.通過以上結(jié)果及討論,得出質(zhì)子輻照對材料產(chǎn)2生完全破壞性影響的劑量閾值為1×1012 cm,當(dāng)輻照質(zhì)子射程剛好覆蓋整個量子阱結(jié)構(gòu)區(qū)域時,對量子阱的破壞最嚴(yán)重.這種破壞性是由于晶格空間完整性的破壞導(dǎo)致激子數(shù)目的減少和新的陷阱的產(chǎn)生使激子通過這些陷阱復(fù)合發(fā)光引起的.參考文獻(xiàn)1T.Minuraetal.,Jpn.J.Appl.Phys.,1980,19:L225.2盧勵吾,等,半導(dǎo)體學(xué)報,1994,15(5):785.3盧勵吾,等,半導(dǎo)體學(xué)報,1992,13(3):155.4林理彬,等,四川大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1995,(2):

18、39.5K.Seeger,半導(dǎo)體物理學(xué),408410.6原子核物理實驗方法,原子能出版社,55.7彭英才,半導(dǎo)體超晶格物理與器件,半導(dǎo)體雜志,1991,(9),46.8沈?qū)W礎(chǔ),半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì),北京:科學(xué)出版社,633.9劉恩科,半導(dǎo)體物理學(xué),225.962半導(dǎo)體學(xué)報20卷EffectsofOpticCharacterofGaAs AlGaAsMultipleQuantumWellWithProtonIrradiationHuangWanxia,LinLibin(DepartmentofPhysics,Radiation&TechnologyLaboratory,SichuanUniversity,Chengdu610064)ZengYiping,PanLiang(InstituteofSemiconductor,TheChineseAcademyofSciences,Beijing100083)Received