拉曼散射和X射線衍射研究InxGa1-xAs材料

張鐵民，繆國(guó)慶，傅 軍，符運(yùn)良，王林茂，洪 麗

（1.海南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，海南 海口 571158；

2.中國(guó)科學(xué)院 激發(fā)態(tài)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130033）

拉曼散射和X射線衍射研究InxGa1-xAs材料

張鐵民1，繆國(guó)慶2，傅 軍1，符運(yùn)良1，王林茂1，洪 麗1

（1.海南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，海南 ?？?571158；

2.中國(guó)科學(xué)院 激發(fā)態(tài)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130033）

使用低壓金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積（LP-MOCVD）技術(shù)，在InP（100）襯底上生長(zhǎng)Inx?Ga1-xAs材料.拉曼散射研究材料的結(jié)構(gòu)無序和計(jì)算材料的應(yīng)力，X射線衍射研究InxGa1-xAs的組分、結(jié)晶質(zhì)量、位錯(cuò)密度.拉曼散射可以獲得材料表面特性，X射線衍射可以獲得材料整體結(jié)構(gòu)信息，即襯底質(zhì)量，緩沖層的特性，外延層特性.

InxGa1-xAs；拉曼散射；X射線衍射

InxGa1-xAs是廣泛應(yīng)用在光發(fā)射[1]、場(chǎng)效應(yīng)管[2]、熱光伏器件[3]、探測(cè)器[4]、光存儲(chǔ)電荷[5]等領(lǐng)域的重要材料，InxGa1-xAs也是近紅外區(qū)非致冷紅外探測(cè)器的重要材料.近年來，高銦組分的InxGa1-xAs（x＞0.53）探測(cè)器需求越來越大，主要應(yīng)用在光譜成像，包括地球觀測(cè)、遙感、環(huán)境監(jiān)測(cè)等[6].拉曼光譜可以研究固體中的各種元激發(fā)的狀態(tài)，當(dāng)改變外部條件（如溫度和壓力等）時(shí)，可以研究固體內(nèi)部狀態(tài)的變化.拉曼光譜的應(yīng)用范圍很廣，應(yīng)用較多的是晶格振動(dòng)的一級(jí)拉曼光譜.拉曼散射可以獲得幾個(gè)晶格常數(shù)尺度范圍的固體本質(zhì)上的重要信息，可用于研究微結(jié)構(gòu)和微形貌的無序本質(zhì)[7].在全部組分范圍內(nèi)，橫向光學(xué)模式和縱向光學(xué)模式的拉曼強(qiáng)度和對(duì)稱性可準(zhǔn)確確定[8].X射線衍射（XRD）已經(jīng)發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科，它廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，XRD可以確定樣品的晶體結(jié)構(gòu)，計(jì)算晶格常數(shù)，研究多晶薄膜材料的晶粒生長(zhǎng)取向性，確定多晶材料的晶粒大小，分析薄膜材料中存在的應(yīng)力等等.本文應(yīng)用拉曼散射和X射線衍射技術(shù)研究在InP襯底生長(zhǎng)的InxGa1-xAs材料.

1 實(shí)驗(yàn)方法

使用低壓、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（LP-MOCVD）技術(shù)，在半絕緣的InP（100）襯底上.生長(zhǎng)InxGa1-xAs使用三甲基銦（TMIn）、三甲基鎵（TMGa）、稀釋在氫氣中含量為10%砷烷（AsH3），經(jīng)過氫氣純化器處理的高純氫為載氣.感應(yīng)耦合射頻加熱石墨襯托，熱電偶位于旋轉(zhuǎn)石墨襯托之下，直接探測(cè)樣品的生長(zhǎng)溫度，反應(yīng)室的壓強(qiáng)應(yīng)保持在10 000 Pa.制備的樣品為In0.82Ga0.18As/In0.28Ga0.72As/InP和In0.98Ga0.02As/InP，使用RENISHAW InVia Ra?mam Microscpe作為拉曼光譜測(cè)量?jī)x器，激光器為氬離子激光器，功率為20 mW，分辨率為2.5cm-1，研究InxGa1-xAs材料的GaAs縱向光學(xué)聲子的分布曲線非對(duì)稱（Γa≥Γb）性，對(duì)材料的質(zhì)量進(jìn)行分析.研究GaAs的LO頻率移動(dòng)并計(jì)算出材料的應(yīng)力.使用D/max-RA型X射線衍射儀（XRD）用于測(cè)量Inx?Ga1-xAs層的晶格常數(shù)，進(jìn)而檢驗(yàn)樣品的In組分是否達(dá)到要求.X射線衍射光譜中InxGa1-xAs的光譜曲線半峰全寬（FWHM）用來表征InxGa1-xAs的結(jié)晶質(zhì)量、位錯(cuò)密度.

2 結(jié)果與討論

2.1 拉曼散射

光散射是除光吸收和光反射以外固體的一類重要的光學(xué)現(xiàn)象，它源于固體介質(zhì)的某種不均勻性，或者說源于固體某種性質(zhì)的起伏.當(dāng)光照射到固體介質(zhì)上時(shí)會(huì)發(fā)生非彈性散射，散射光中除有與激發(fā)光波長(zhǎng)相同的彈性成分（瑞利散射）外，還有比激發(fā)光波長(zhǎng)短的和長(zhǎng)的成分，后一現(xiàn)象統(tǒng)稱為拉曼效應(yīng).對(duì)于純GaAs，拉曼線型表現(xiàn)為對(duì)稱的洛倫茲分布[Γa=Γb，這里Γa（Γb）代表在聲子能帶中低能（高能）半峰半寬].通常拉曼散射由電子、聲子、有限聲子模式積分確定，這些因素導(dǎo)致拉曼線型的非對(duì)稱[9].圖1中黑色實(shí)曲線為In0.82Ga0.18As/In0.28Ga0.72As/InP樣品的拉曼光譜，點(diǎn)線和點(diǎn)劃線為洛倫茲擬合結(jié)果.實(shí)驗(yàn)中所制備的樣品In0.82Ga0.18As/In0.28Ga0.72As/InP，由于使用了緩沖層技術(shù)，得到的樣品表面光亮，拉曼散射測(cè)得樣品只有InAs和GaAs的縱向光學(xué)聲子（LO）模式，與理論上研究薄膜樣品所應(yīng)具有的性質(zhì)相一致，即橫向光學(xué)聲子（TO）模式被禁止.拉曼散射曲線中GaAs縱向光學(xué)聲子的分布曲線呈現(xiàn)非對(duì)稱性.圖1中的插圖為此拉曼光譜局部放大圖，在插圖中標(biāo)出GaAs縱向光學(xué)聲子的分布曲線非對(duì)稱性（Γa＞Γb）.比較Γa和Γb的值，可以得到材料結(jié)構(gòu)的無序度，進(jìn)而表征材料的質(zhì)量.

圖1In0.82Ga0.18As的拉曼光譜，插圖為GaAs的縱向光學(xué)聲子模式的非對(duì)稱比Fig.1 Raman spectra of In0.82Ga0.18As，the inset shows asymmetric ratio(Γa/Γb)of GaAs-like LO phonon

圖2In0.98Ga0.02As的拉曼光譜Fig.2 Raman spectra of In0.98Ga0.02As

圖2為In0.98Ga0.02As/InP拉曼光譜.通常InxGa1-xAs中光學(xué)聲子有兩個(gè)模式，InAs和GaAs模式存在整個(gè)組分范圍，InAs的LO頻率變化小，而GaAs的LO頻率隨組分不同而改變.由于制備的In0.98Ga0.02As，銦組分較高，所以In0.98Ga0.02As外延表面出現(xiàn)三維島狀結(jié)構(gòu)，該樣品的拉曼光譜已不同于In0.82Ga0.18As樣品，被禁止的橫向光學(xué)聲子模式被激活.在圖2中，即可看到InAs和GaAs的LO模式，也可以看到InAs和GaAs的TO模式.In0.98Ga0.02As中的TO模式的光譜強(qiáng)度比LO模式的強(qiáng)度大，這與材料的三維生長(zhǎng)有關(guān).In0.98Ga0.02As的拉曼散射中GaAs和InAs縱向光學(xué)聲子和橫向光學(xué)聲子頻率位置與組分的簡(jiǎn)單關(guān)系式：

式中ω為頻率，x為材料的組分，上公式也可作為測(cè)量InxGa1-xAs材料組分的方法.

研究In0.82Ga0.18As材料的應(yīng)力可從GaAs縱向光學(xué)聲子的頻率移動(dòng)計(jì)算得出.由于In0.82Ga0.18As的晶格常數(shù)大于InP襯底晶格常數(shù)，此材料呈現(xiàn)出壓應(yīng)力，而壓應(yīng)力使聲子向高能方向頻移[10]，樣品的GaAs縱向光學(xué)聲子頻率發(fā)生頻移ΔΩLO，使用ΔΩLO的測(cè)量結(jié)果和公式[11]，可計(jì)算出In0.82Ga0.18As材料的應(yīng)力.

計(jì)算參數(shù)[12]p和q

測(cè)試GaAs的頻移可計(jì)算外延層的應(yīng)力，通過計(jì)算下式得出：

對(duì)于GaAs的LO模式最后可得到In0.82Ga0.18As材料的應(yīng)力F的表達(dá)式為：

2.2 X射線衍射

由于X射線衍射的強(qiáng)度和空間分布與物質(zhì)的組成及結(jié)構(gòu)有關(guān)，每一種晶體都給出獨(dú)自的衍射圖樣.實(shí)際上沒有兩種晶體的衍射圖樣是相同的.可以用其獨(dú)有的衍射圖樣進(jìn)行鑒定，判斷生長(zhǎng)的晶體是不是所要的晶體，判斷晶體中的原子是否按所需要的方式排列.

圖3為樣品In0.82Ga0.18As/In0.28Ga0.72As/InP的X射線衍射的光譜曲線.從圖中觀測(cè)到，X射線衍射光譜不僅有In0.82Ga0.18As外延層的信息，圖中P1為外延層In0.82Ga0.18As的峰值，也有緩沖層In0.28Ga0.72As的信息，圖中P2為緩沖層的峰值，還有襯底InP的信息.由于樣品的襯底厚度為300 μm，它的X射線衍射強(qiáng)度最強(qiáng)，而In0.28Ga0.72As緩沖層的厚度只有100 nm，它的X射線衍射強(qiáng)度最弱.In0.82Ga0.18As層厚度為1 μm，它的X射線衍射信號(hào)非常清晰.這表明X射線衍射是對(duì)材料的全部厚度上進(jìn)行表征，每個(gè)部分具有什么樣的性質(zhì)都可觀測(cè)到.研究材料的結(jié)晶性質(zhì)，可通過測(cè)量衍射峰的半高全寬來衡量.

圖3In0.82Ga0.18As/In0.28Ga0.72As/InP的X射線衍射光譜曲線Fig.3 The X-ray diffraction of the In0.82Ga0.18As/In0.28Ga0.72As/InP

晶體的晶格常數(shù)是晶態(tài)物質(zhì)的重要基本物理參數(shù)，它與該晶態(tài)物質(zhì)的許多物理參數(shù)有關(guān).在晶體生長(zhǎng)過程中，經(jīng)常要對(duì)所生長(zhǎng)的晶體進(jìn)行晶格常數(shù)的測(cè)量.由于晶體的主要組分發(fā)生變化會(huì)在晶格常數(shù)的變化上表現(xiàn)出來，因而人們也經(jīng)常用測(cè)量晶格常數(shù)的辦法來推知晶體中組分的變化.用XRD測(cè)量晶體的晶格常數(shù)是一種間接的測(cè)量方法，通過測(cè)量晶體的衍射角，利用公式：2dsinθ=λ來計(jì)算晶體的晶格常數(shù).對(duì)布拉格公式進(jìn)行微分可以得到下式：

這里d為晶格常數(shù)，Δd為晶格常數(shù)差，θ為衍射角，Δθ為外延層峰與襯底峰的角度差.

通過XRD測(cè)量，可以獲得InGaAs的晶格常數(shù)，計(jì)算公式[14]：

其中λ為X射線波長(zhǎng)；θB為衍射角；Δθ為外延層峰與襯底峰的角度差.

In0.82Ga0.18As的組分x計(jì)算公式：

這里aInGaAs為InGaAs的晶格常數(shù)，aInAs為InAs的晶格常數(shù)，aGaAs為GaAs的晶格常數(shù).

線位錯(cuò)密度可根據(jù)X射射線衍射（XRD）信號(hào)的半峰全寬（FWHM）使用下式進(jìn)行估算[15]：

這里FWHM為測(cè)量值，b是位錯(cuò)伯格斯（Burg?ers）矢量的長(zhǎng)度，Ndis是位錯(cuò)密度（cm-2）.

3 結(jié)論

使用LP-MOCVD技術(shù)，在InP（100）襯底上生長(zhǎng)In0.82Ga0.18As材料.拉曼散射和X射線衍射研究In0.82Ga0.18As材料.從拉曼散射和X射線衍射表征材料的結(jié)果來看，要想獲得薄層材料的特性，使用拉曼光譜比較合適.因?yàn)槔⑸錅y(cè)量使用的激光功率只有20 mW，只能穿透材料50 nm左右的深度.對(duì)于更深的內(nèi)部無法測(cè)量，也就無法獲得內(nèi)部信息，但拉曼光譜很靈敏，能測(cè)量材料結(jié)構(gòu)無序，能通過測(cè)量拉曼頻移計(jì)算出材料的應(yīng)力變化.X射線穿透力很強(qiáng)，能對(duì)整個(gè)材料各層特性進(jìn)行表征.由于X射線衍射光譜的強(qiáng)度與材料的厚度有關(guān)，所以薄層材料，特別是10多nm厚度以下的材料很難測(cè)得.因此，要想了解材料的綜合特性，如組分、結(jié)晶質(zhì)量、位錯(cuò)密度可使用X射線衍射來表征.

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Study of InxGa1-xAs by Raman Scattering and X-ray Diffraction

ZHANG Tiemin1，MIAO Guoqing2，F(xiàn)U Jun1，F(xiàn)U Yunliang1，WANG Linmao1，HONG Li1
（1.College of Physics and Electronic Engineering，Hainan Normal University，Haikou571158，China；
2.Key Laboratory of Excited State Processes，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，The Chinese Academy of Sciences，Changchun130033，China）

InxGa1-xAs was grown on InP substrates by LP-MOCVD.The disorder of structure was characterized by the symmetry ratio（Γa/Γb）of GaAs-like LO phonon and the evaluation of stress in InxGa1-xAs was made from frequency shift of the GaAs-like LO phonon of the Raman spectrum.The In content and crystalline quality were analyzed,and disloca?tions of InxGa1-xAs was characterized by X-ray diffraction.The properties of shin film characterized by Raman scattering were better than that by X-ray diffraction.But X-ray diffraction is effective to investigate the whole materials,including substrate,buffer,and epilayer.

InxGa1-xAs；Raman scattering；X-ray diffraction

O 471.1

A

1674-4942（2010）04-0379-04

2010-07-09

海南省教育廳高等學(xué)?？蒲谢痦?xiàng)目（Hjkj2010-21）；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（50132020）；海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（609002）；海南師范大學(xué)學(xué)科建設(shè)基金項(xiàng)目（0020303020317）

黃 瀾