新型半导体材料物理特性的凝聚态光谱研究

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1、上海交通大学博士学位论文新型半导体材料物理特性的凝聚态光谱研究姓名：陈静申请学位级别：博士专业：凝聚态物理指导教师：沈文忠20070101上海交通大学博士学位论文中文摘要数独立地提取出来。由于它具有非破坏性，因此可以多次实验，重复操作，从而保证实验结果的准确性，也便于我们对材料进行不同光学波段的各种光谱实验，得到材料全面的实验数据。在工业上，光谱方法已经开始广泛地应用到材料参数提取及材料质量的检测中，并有着越来越广泛地应用前景。由于光谱方法具有如上所述的优越性，因此已经成为检测和标定半导体材料物理性质最基本、最重要的手段

2、并被广泛应用。在本论文中，我们首先用光谱方法来研究半导体材料红外波段的晶格振动，通过傅立叶红外反射谱和阻尼简谐振子模型来得到三元材料PbI。SrxSe和Mg。Znl。0的晶格振子频率、强度和阻尼系数。分析了不同元素组分下的晶格振动横向光学(TransverseOptical，TO)声子频率随组分的变化关系。同时通过Kramers—Kronig(K．K)色散关系来计算出它们对应的晶格振动纵向光学(LongitudinalOptical，LO)声子的频率。采用修正的随机元素同向位移模型来研究这两种三元半导体材料的声子模行为，

3、发现PbI。Sr，Se是属于混合模的材料，它的临变点在捌．71附近。而MgxZnl。0在不同组分下的结构相变使得模的行为及力常数的变化显得更加复杂，我们发现在立方型MgZnh0中T2声子模具有双模行为，而六角型Mg。Znl。o中的Al模是单模，El模为双模。拉曼散射是研究晶格振动声子频率的另一种常用且有效的方法。我们用拉曼散射法来研究Pbl。Sr，Se的声子频率，给出了PbSe的一阶、二阶及高阶的声子频率值，通过设计深度拉曼聚焦的方法第一次从实验上观察到了SrSe的LO声子频率。并进一步分析得到了三元Pbl。Sr，Se各

4、阶声子的频率，主要观察到了类PbSe的声子模，但在Sr含量较多的材料中我们还观察到了微弱的类SrSe的声子模。同时我们还在三元Pbl。Sr，Se中观察到了由无序产生的声子模并用空间相干模型对它进行了深入分析。变温拉曼上海交通大学博士学位论文中文摘要散射是研究声子驰豫的有效方法，我们在论文中主要讨论了InN的Al(L0)模和E2(high)模声子频率随温度的变化情况，并指出了其可能的弛豫路径。同时还进一步讨论了拉曼峰展宽随温度的变化关系。带隙附近的透射光谱法可以方便地得到半导体材料的禁带宽度，我们通过这种实验方法并结合介电

5、函数模型来分析三元Me。Znl。o的禁带宽度值随组分的变化关系。得到了不同相结构区域中不一样的线性关系，并发现在立方型MgsZnl。O中的组分变化对材料的带隙值具有更强的调控作用。InN半导体材料的带隙值还一直处于争论之中，我们采用透射谱和发光谱结合的方法来研究该材料的带隙值，虽然从这两个光谱上得到的带隙位置在1．4eV左右，但是由于我们InN材料的掺杂浓度较高，还应考虑到Burstein-Moss移动，能带重整化效应及Urbach带尾效应。通过修正后两种光谱法得到的带隙值均在1．2eV附近，与最新文献上相关的报导十分吻

6、合。接着我们用紫外同步辐射法来研究AIN和InN的带隙及带隙以上电子临界点的跃迁过程。我们从实验上得到了AIN的变温真空紫外反射谱。借助Adachi介电函数模型，得到了AIN带隙及以上的电子跃迁能量的实验值。通过与理论经典赝势法(EPM)得到的AIN电子能带结构图相对照，我们对反射谱上的各个跃迁结构进行了相应的指认。在这过程中我们还得到了布里渊区中心AIN的晶体场分裂能量值为110meV。另外，我们发现E0和EJ临界点的能量随温度的增加有明显的减小，而更高阶临界点随温度变化不敏感。同样，在InN的高能反射光谱中，我们也观

7、察到了多个反射结构，借助EPM的理论计算InN电子能带图对这些反射结构所对应的临界点跃迁过程及能量给出了很好的指认。凝聚态光谱方法还能广泛地用来研究半导体材料的质量问题，通过上海交通大学博士学位论文中文摘要拉曼散射谱和空间相干模型，我们得到了三元PbI。Sr，Se的相干长度值，研究了其无序性，并分析了这种无序性的来源，发现这种无序主要来自于三元材料的合金化丽非应变力。在对相同生长温度不同生长压强的一系列InN薄膜／GaAs衬底材料的质量研究中，我们在材料表面某一区域内进行逐点扫描，得到100多条拉曼散射峰和相应的100多

8、个相干长度值。对这100多个值进行统计学的分析后，可以推出其相应的平均值和方差，由于相干长度直接与材料中的缺陷浓度和材料质量相关联，因此得到的平均相干长度反应了薄膜的平均质量，而方差则反应了质量的分布情况。我们发现在10mTorr气压下生长的InN薄膜具有最好的平均质量，但是以牺牲均匀性为代价的，这主要是由晶体谷粒尺