纤锌矿GaN外延层薄膜热膨胀行为的变温Raman散射研究

本文对纤锌矿结构GaN外延层薄膜的热膨胀行为进行了研究,结合热膨胀系数的物理意义与变温Raman散射时声子频移的变化规律,研究了热膨胀系数与变温Raman散射之间的关系.结果表明:通过测量Raman声子E_2(high),A_1(TO)和E_1(TO)频移与温度之间的线性关系,结合相应声子Gruneisen参数的涵义,可对纤锌矿结构GaN外延层薄膜在一定温度范围内的热膨胀系数进行测量.本文提供了一种表征纤锌矿结构GaN外延层薄膜热膨胀行为的有效方法,为进一步研究III族氮化物外延层薄膜在生长过程中热膨胀系数的匹配、降低外延层薄膜中的位错密度并提高发光二极管的发光效率提供了理论依据.     

氮化铝结构的高温Raman光谱分析

本文测量了氮化铝在不同温度下的Raman光谱 ,并确定了氮化铝的光学声子模E2 1、A1(TO)、E2 2 、E1(TO)、A1(LO)和E1(LO)Raman散射峰的频率 ,它们分别为 2 5 2cm- 1、6 1 4cm- 1、6 5 8cm- 1、6 72cm- 1、894cm- 1和 91 2cm- 1,其中光学声子模A1(TO)、E2 2 的Raman散射峰比较明显。随着温度的升高 ,A1(TO)、E2 2 散射峰的频率向低波数方向变化 ,表明氮化铝粉末压制体中存在的压应力逐渐减小 ;这两个散射峰的半高宽逐渐增大 ,说明随着温度的升高 ,存在氮原子和铝原子的扩散使得氮化铝粉末压制体中晶体结构逐渐发生变化。由于氮化铝粉末本身在空气中易与水蒸气发生反应 ,生成的Al(OH) 3 或AlOOH在加热过程会发生分解 ,干扰样品高温Raman光谱测量。     

MOCVD生长的GaN和GaN:Mg薄膜的拉曼散射

通过显微拉曼散射对用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法在Al2O3衬底上生长的六方相CaN和掺Mg的P型GaN薄膜进行了研究。在两个样品的拉曼散射谱中同时观察到位于640,660cm^-1附近的两个峰。640cm^-1的峰归因于布里渊区边界(L点)最高声学声子的二倍频,而660cm^-1的峰为布里渊区边界的光学声子支或缺陷诱导的局域振动模。掺Mg的GaN在该处的峰型变宽是Mg诱导的缺陷引起的加宽或Mg的局域模与上述两峰叠加的结果。在掺Mg的样品中还观察到276,376cm^-1几个局域模并给予了解释。同时掺Mg的GaN中出现了应力弛豫的现象,掺Mg引起的失配位错和电子-声子相互作用都有可能对E2模的频率产生影响。     

分子束外延GaAs/Si材料的喇曼散射研究

对逐层腐蚀的GaAs/Si材料进行喇曼散射实验,研究晶格振动声子谱沿外延生长方向的剖面分布,发现GaAs外延层从表面到界面经历着从双轴张应力到双轴压应力的变化。用Anastassakis等人提出的特殊相关模型对GaAsLO声子的谱形进行分析,发现GaAs外延层的晶体质量随着外延层厚度的减薄(从1μm—500?)是渐渐退化的,这是由于界面失配位错进入外延层所致。对GaAs LO声子与TO声子强度之比分析表明:外延层厚度从3.3μm变化到1μm左右时,其晶体质量并不是简单地随着厚度的减薄而退化,在1.3μm左右外延层晶体质量反而变好。对这种现象做了详细的讨论。 关键词：     

Si(100)和蓝宝石(0001)衬底上3C-SiC的Raman研究

单晶Si和蓝宝石(0001)是两种重要的3C-SiC异质外延衬底材料，然而，由于Si及蓝宝石和3C-SiC之间大的晶格失配度和热膨胀系数失配度，在3C-SiC中会产生很大的内应力，直接影响3C-SiC的电学特性。Raman散射测试是一个功能很强的测试方法，其强度、宽度、Raman位移等有关Raman参数可以给出有关SiC晶体质量的信息，其中包括内应力。利用背散射几何构置的Raman方法研究了Si(100)和蓝宝石(0001)村底上LPCVD方法生长的SiC外延薄膜，在生长的所有样品中均观察到了典型的3C-SiC的TO和LO声子峰，在3C-SiC／Si材料中，这两个声子峰分别位于970．3cm-l和796．0cm-1，在3C-SiC／蓝宝石材料中，分别位于965．1cm^-1和801．2cm-1，这一结果表明这两种外延材料均为3C-SiC晶型。利用一个3C-SiC自由膜作为无应力标准样品,并根据3C-SiC／Si和3C-SiC／蓝宝石的TO和LO声子峰Raman位移相对于自由膜的移动量，得到3C-SiC中的内应力约分别为1GPa和4GPa。实验发现在这两种材料的TO声子峰的Raman位移移动方向相反，通过比较3C-SiC、Si和蓝宝石的热膨胀系数，预期Si衬底上的3C-SiC外延膜受到的应力为张应力，而蓝宝石衬底上3C-SiC受到的应力则为压应力。     

LPE碲镉汞薄膜的显微Raman谱与显微荧光谱分析

利用Raman显微镜系统对4块用液相外延(LPE)方法在Cd0.96Zn0.04Te衬底上生长的Hg0.8Cd0.2Te外延薄膜样品，在100～5 000cm^-1光谱范围进行测量，在实验曲线中除了观察到与碲镉汞材料晶格振动相符的类．HgTe的光学振动横模(TO1模)和纵模(LO1模)的Raman散射峰、类-CdTe光学振动横模(TO2模)和纵模(LO2模)混合的Raman散射峰以及来源于TO1 LO1的二级Raman散射峰外，在1 000～5 000cm^-1光谱范围首次发现了LPE碲镉汞薄膜的显微荧光峰，该显微荧光的发光范围换算为电子伏特标度为1．34～1．83eV．发光中心位于2750cm^-1即1.62eV，发光峰的半高宽(FWFIM)约为0．25eV。通过分析指出．该显微荧光来源于碲镉汞外延层中阴性离子空位与材料导带底的共振能级的发光。     

分子束外延PbTe单晶薄膜的反常拉曼光谱研究

采用分子束外延(MBE)方法在BaF₂(111)衬底上生长了高质量的PbTe单晶薄膜， 拉曼光谱测量观察到了表面氧化物的振动模、布里渊区中心(q≈0)纵光学(LO)声子振动模以 及声子-等离子激元耦合模振动.随着显微拉曼光谱仪激光光斑聚焦深度的改变，各拉曼散射 峰的峰位、积分强度、半高宽等都表现出不同的变化趋势. 随着激光光斑聚焦位置从样品表 面上方3μm处变化到表面下方3μm处，PbTe外延薄膜的LO声子频率从119cm^-1移 动到124cm^{-1关键词： PbTe外延薄膜 拉曼散射 纵光学声子}     

AlN插入层对硅衬底GaN薄膜生长的影响

利用金属有机化合物气相外延沉积技术在2inch(5.08cm)Si(111)图形衬底上生长了GaN外延薄膜,在Al组分渐变AlGaN缓冲层与GaN成核层之间引入了AlN插入层,研究了AlN插入层对GaN薄膜生长的影响。结果表明,随着AlN插入层厚度的增加,GaN外延膜(002)面与(102)面X射线衍射摇摆曲线半峰全宽明显变小,晶体质量变好,同时外延膜在放置过程中所产生的裂纹密度逐渐减小直至不产生裂纹。原因在于AlN插入层的厚度对GaN成核层的生长模式有明显影响,较厚的AlN插入层使GaN成核层倾向于岛状生长,造成后续生长的nGaN外延膜具有更多的侧向外延成分,从而降低了GaN外延膜中的位错密度,减少了GaN外延膜中的残余张应力。同时还提出了一种利用荧光显微镜观察黄带发光形貌来表征GaN成核层形貌和生长模式的新方法。     

金属有机化合物气相外延生长GaN薄膜的电子微结构研究

研究了金属有机化合物气相外延(MOVPE)方法在(0001)氧化铝基底上生长的GaN薄膜的微结构,目的在于解释GaN缓冲层在二步法生长过程中的作用及其对外延层晶体质量的影响.在缓冲层中观察到了高密度的结构缺陷,并发现了两种晶体结构(立方和六角)的GaN.进而对两种结构GaN的成因进行讨论,并对缓冲层和外延层中结构缺陷的关系进行了研究.     

国产SiC衬底上利用AIN缓冲层生长高质量GaN外延薄膜

采用高温AlN作为缓冲层在国产SiC衬底上利用金属有机物化学气相外延技术生长GaN外延薄膜.通过优化AlN缓冲层的生长参数得到了高质量的GaN外延薄膜,其对称(0002)面和非对称(1012)面X射线衍射摇摆曲线的半峰宽分别达到130 arcsec和252 arcsec,这是目前报道的在国产SiC衬底上生长GaN最好的...     

Study on the relationships between Raman shifts and temperature range for α-plane GaN using temperature-dependent Raman scattering

In this paper,Raman shifts of a-plane GaN layers grown on r-plane sapphire substrates by low-pressure metal-organic chemical vapor deposition(LPMOCVD) are investigated.We compare the crystal qualities and study the relationships between Raman shift and temperature for conventional a-plane GaN epilayer and insertion AlN/AlGaN superlattice layers for a-plane GaN epilayer using temperature-dependent Raman scattering in a temperature range from 83 K to 503 K.The temperature-dependences of GaN phonon modes(A1(TO),E2(high),and E1(TO)) and the linewidths of E2(high) phonon peak are studied.The results indicate that there exist two mechanisms between phonon peaks in the whole temperature range,and the relationship can be fitted to the pseudo-Voigt function.From analytic results we find a critical temperature existing in the relationship,which can characterize the anharmonic effects of a-plane GaN in different temperature ranges.In the range of higher temperature,the relationship exhibits an approximately linear behavior,which is consistent with the analyzed results theoretically.     

GaN外延层的拉曼散射研究

ＧａＮ外延层的拉曼散射研究１李国华１韩和相１汪兆平２段树琨３王晓亮（１半导体超晶格国家重点实验室２集成光电子学国家重点联合实验室３半导体材料科学实验室中国科学院半导体研究所北京１０００８３）ＲａｍａｎＳｃａｔｅｒｉｎｇｏｆＧａＮＥｐｉｌａｙｅｒ１Ｌ...     

Raman and infrared reflection spectroscopy in black phosphorus

The symmetry and energies of all optically active phonon modes in black phosphorous are determined by polarized Raman scattering and infrared reflection spectroscopy at room temperature. The obtained energies are; 365 and 470 cm^-1 for A_g modes, 197 for B_lg, 442 for B_2g, 223 and 440 for B_3g, 136 (TO) and 138 (LO) for B_lu, and 468 (TO) and 470 (LO) for B_2u, respectively. The small TO-LO splitting is related to the charge transfer between phosphorus atoms induced by the atomic displacement.     

Structural modifications of GaN after cerium implantation

Among the family of rare earth (RE) dopants, the doping of first member Ce into GaN is the least studied system. This article reports structure properties of Ce‐doped GaN realized by technique of ion implantation. Ce ions were implanted into metal organic chemical vapor deposition grown n‐ and p‐GaN/sapphire thin films at doses 3 × 10¹⁴ and 2 × 10¹⁵ cm⁻². X‐ray diffraction scans and Raman scattering measurements exhibited expansion of lattice in the implanted portion of the samples. First order Raman scattering spectra show appearance of several disorder‐activated Raman scattering modes in addition to typical GaN features. A dose‐dependent decrease in intensity of E₂ mode was observed in Raman the spectra of the implanted samples. Ultraviolet Raman spectra of implanted samples show complete quenching of photoluminescence emission and appearance of multiple A₁(LO) phonon scattering modes up to fifth order. Moreover, a decrease in intensity and an increase in line width of LO modes as a function of wavenumber were observed for implanted samples. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

InGaN合金中LO声子-等离子激元耦合模的研究

分别采用532,488 nm可见光和325 nm紫外光激发,对金属有机化学气相沉积法在蓝宝石衬底上生长的六方相InGaN/GaN薄膜样品在室温和78 K低温下的拉曼散射谱进行了研究。在可见光激发时,E₂模和A₁(LO)模的散射信号主要来自GaN层;采用紫外光激发时,A₁(LO)模向低频方向移动且共振增强,此散射信号来自InGaN层。在可见光激发的情况下,在A₁(LO)模的高频方向观察到一个宽峰,此宽峰为InGaN的LO声子-等离子激元耦合模,根据耦合模频率得到InGaN层中的电子浓度为n_ｅ＝1.61×1018 cm-3。紫外光激发时,没有观察到耦合模,A₁(LO)模散射信号主要来自样品表面耗尽层,由此估算样品中的耗尽层宽度大约在40 nm。此外,还对比分析了在室温和78 K低温下LO声子-等离子激元耦合模的散射强度的变化规律,计算了不同温度下等离子激元的屏蔽波矢。这些结论对于了解InGaN材料的基本性质以及氮化物光电器件的开发利用都有重要参考价值。     

Coherent optical phonon oscillations in bulk GaN excited by far below the band gap photons

We report on generation of coherent optical phonon oscillations in 150 microm thick bulk GaN. With photon energy far below the band gap, the generation mechanisms of coherent phonon modes of A1(LO), high- and low-frequency E2 are revealed to be the impulsive stimulated Raman scattering. We find that one among the two degenerate E2 modes is selectively detected with a proper choice of probe polarization. Dephasing times range from 1.5 to 70 ps for different modes, and phonon-three-photon absorbed carrier interactions are compared between the A1(LO) and the E2 mode.     

First-order Raman scattering in cylindrical wurtzite nanowire

We have presented a theoretical study on electron resonant Raman scattering (ERRS) process associated with the bulk longitudinal optical (LO), surface optical (SO) and quasi-confined (QC) phonon modes in a free-standing wurtzite nanowire (NW). We consider the Fröhlich electron–phonon interaction in the framework of the dielectric continuum model. Numerical calculations on the GaN material reveal that differential cross-section (DCS) is sensitive to the wire size. The bulk LO and high-frequency quasi-confined (QC₊) phonons make main contributions to the DCS and the impact of the SO phonon can be negligible in the ERRS process. Moreover, scattering intensity of the bulk LO phonon is strongly enhanced as the incident photon energy approaches the energy band-gap of the GaN.