專利名稱：多量子阱紅外探測(cè)材料的結(jié)構(gòu)層厚獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多量子阱紅外探測(cè)器材料結(jié)構(gòu)層厚度和透射光譜測(cè)量，具體地說(shuō)，是關(guān)于通過(guò)對(duì)多量子阱紅外探測(cè)器材料透射光譜的測(cè)量和特殊模型的應(yīng)用，直接獲取材料上電極層、多量子阱區(qū)域厚度參數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
隨著紅外探測(cè)器在軍事、民用等領(lǐng)域的需求，其材料生長(zhǎng)、器件制備受到了極大關(guān)注。例如，GaAs/AlGaAs兩類重要的紅外半導(dǎo)體材料，同HgCdTe材料相比，GaAs/AlGaAs多量子阱紅外探測(cè)器雖存在光吸收系數(shù)小，載流子壽命短的缺點(diǎn)，但是，GaAs材料生長(zhǎng)和工藝成熟，容易做成重復(fù)性、均勻性好的大面積陣列(FPA)，同時(shí)，它的制造成本較低、器件性能穩(wěn)定，并適合大規(guī)模生產(chǎn)，而且AlGaAs/GaAs多量子阱原則上也可以制成在任何紅外波段工作的探測(cè)器，因此，由于近年來(lái)通過(guò)大氣窗口8～12μm范圍的紅外探測(cè)器在空間遙感技術(shù)方面具有重要的應(yīng)用前景，這就使得AlGaAs/GaAs多量子阱紅外探測(cè)器(Quantum Well Infrared Photodetector QWIP)的主要發(fā)展方向是工作在8～14μm范圍內(nèi)的長(zhǎng)波器件，如此更引起人們的廣泛興趣。
分子束外延技術(shù)的發(fā)展，采用人工控制晶體結(jié)構(gòu)的量子效應(yīng)紅外探測(cè)器作為下一代紅外探測(cè)器已引起人們的注意，目前發(fā)展的GaAs/GaAlAs多量子阱紅外探測(cè)器的研究與發(fā)展創(chuàng)造了一條實(shí)現(xiàn)8～14μm紅外探測(cè)器的新途徑，而且，它具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在制造某些高性能探測(cè)器和光電集成電路中發(fā)揮其它材料不可替代的作用。雖然采用分子束外延技術(shù)，在材料生長(zhǎng)過(guò)程中可以通過(guò)反射高能電子衍射(RHEED)技術(shù)對(duì)外延薄膜的生長(zhǎng)速率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是，在材料整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中生長(zhǎng)速率會(huì)產(chǎn)生漂移，使材料實(shí)際生長(zhǎng)的厚度會(huì)產(chǎn)生偏差，這給后期的流片工藝帶來(lái)了困難。人們通常采用常規(guī)的二次離子質(zhì)譜方法和臺(tái)階儀方法等來(lái)控制材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，但這些方法均需要對(duì)樣品進(jìn)行破壞性的處理，而經(jīng)過(guò)這樣的處理后材料已不能再被使用，所以真正的被用于器件制備的樣品是無(wú)法得到其相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的。為此任何一種無(wú)損的檢測(cè)方法對(duì)QWIP器件工藝中的具體參量確定，進(jìn)而確保工藝過(guò)程的可控性是很有用的。
圖1給出了GaAs/AlGaAs QWIP材料典型結(jié)構(gòu)示意圖，從樣品表面依次為上電極層、多量子阱區(qū)、下電極層以及緩沖層和襯底。在器件制備過(guò)程中，需要光刻并腐蝕到下電極層，確知每一片材料中上電極層和多量子阱區(qū)總的厚度參數(shù)顯得非常重要；同時(shí)，對(duì)于n型量子阱紅外探測(cè)器，由于受到量子選擇定則的限制，必須使用介質(zhì)或金屬耦合光柵，才能對(duì)正入射光有吸收，通常采用在上電極層中光刻并腐蝕出光柵結(jié)構(gòu)，也需要了解上電極層的厚度參數(shù)信息。獲得這些厚度參數(shù)后，器件制備工藝參數(shù)才能嚴(yán)格確定，從而確保工藝過(guò)程的順利完成。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，基于材料生長(zhǎng)速率的漂移而導(dǎo)致材料的實(shí)際生長(zhǎng)厚度不確定乃是本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題，為此，本發(fā)明的目的是提供一種簡(jiǎn)便的、無(wú)損傷的獲取多量子阱紅外探測(cè)材料中對(duì)器件工藝十分關(guān)鍵的厚度參數(shù)的方法，為器件制備工藝順利進(jìn)行提供依據(jù)。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下根據(jù)本發(fā)明的一種多量子阱紅外探測(cè)材料的結(jié)構(gòu)層厚獲取方法，特別用于GaAs/AlGaAs多量子阱紅外探測(cè)材料的上電極層和多量子阱區(qū)厚度參數(shù)的測(cè)量，其步驟包括a.先在常規(guī)的透射光譜測(cè)量系統(tǒng)中測(cè)量多量子阱材料的透射光譜；b.之后，采用雙層近似模型計(jì)算出透射光譜的理論數(shù)據(jù)并與上述測(cè)量光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲取制造工藝需要的厚度參數(shù)。
進(jìn)一步，所述的步驟a的測(cè)量過(guò)程包括(1)首先在透射光譜測(cè)量系統(tǒng)的光路中留出放置樣品的足夠大的空間，以及把樣品置放在器件級(jí)材料專用的樣品架上待測(cè)置入光路中；(2)利用波長(zhǎng)為500～600nm可見(jiàn)光調(diào)節(jié)好光路，并測(cè)量此時(shí)探測(cè)器的信號(hào)隨波長(zhǎng)900～1250nm范圍內(nèi)的變化，測(cè)量的結(jié)果作為系統(tǒng)的本底信號(hào)；(3)將多量子阱樣品放置于光路中，再次測(cè)量波長(zhǎng)在900～1250nm范圍內(nèi)信號(hào)隨波長(zhǎng)的變化，獲得光譜信號(hào)；(4)用上述測(cè)得的光譜信號(hào)除以本底信號(hào)即可得到多量子阱材料的透過(guò)率隨波長(zhǎng)的變化曲線，即透射光譜。
所述的步驟b其過(guò)程包括(1)將多量子阱紅外探測(cè)材料結(jié)構(gòu)之下電極層、緩沖層和襯底視為一體而作為等效襯底層，并將多量子阱區(qū)域和上電極層分別作為等效第二層和第一層，該等效第二層和第一層近似為襯底上的雙層薄膜模型；(2)利用典型的多層膜的透射率T計(jì)算公式推導(dǎo)出兩層薄膜正入射時(shí)的理論計(jì)算式Tt(ni,di,λi)T=nk+1n0(t0t1t2Ktk)2μ11·μ11*;]]>(3)以按材料設(shè)計(jì)要求生長(zhǎng)而成的QWIP結(jié)構(gòu)參量的上電極層厚度d10多量子阱區(qū)厚度d20和多量子阱區(qū)的折射率nQWO為初始值，并對(duì)它們作隨機(jī)變化，使理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間達(dá)到最佳吻合FX·=Σi(Te(λi)-Tt(ni,di,λi))2,]]>并最后輸出最終擬合參數(shù)d1、d2及nQW，式中Te(λi)和Tt(ni，di，λi)分別表示某一波長(zhǎng)處透射率實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算結(jié)果。
所述的量子阱層的等效折射率主要由其中的勢(shì)壘AlxGal-xAs 的折射率快，并依關(guān)系式nQW＝x·nAlAs+(1-x)nGaAs及半導(dǎo)體材料參數(shù)手冊(cè)來(lái)求得量子阱區(qū)的折射率。
本發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)是(1)光譜測(cè)量具有非接觸、無(wú)損傷的優(yōu)點(diǎn)，非常適于確定將用于器件制備的QWIP材料的結(jié)構(gòu)層基本參數(shù)；(2)利用本發(fā)明中提出的模型，可以快速、準(zhǔn)確地提供器件制備工藝中非常關(guān)注的材料生長(zhǎng)實(shí)際厚度參數(shù)；(3)進(jìn)行透射光譜測(cè)量時(shí)樣品放入后光路無(wú)需重新調(diào)節(jié)，保證了測(cè)量的便捷性和可靠性，適合于常規(guī)性測(cè)量。


圖1為本發(fā)明所要測(cè)量的一種GaAs/AlGaAs多量子阱紅外探測(cè)器材料典型結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明所使用的透射光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)示意圖；圖3為應(yīng)用本發(fā)明方法所做的幾種實(shí)施例對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(虛線)與擬合結(jié)果(實(shí)線)的比較示意圖。
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)圖1～圖3給出本發(fā)明一個(gè)較好實(shí)施例，并結(jié)合該實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的方法作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明實(shí)施例所用樣品為分子束外延系統(tǒng)中生長(zhǎng)的QWIP材料，材料編號(hào)為QWIP1018，GaAs(001)作為襯底，多量子阱區(qū)中AlGaAs層Al組分值x＝0.11。
如圖1所示，本實(shí)施例所用的QWIP材料20，其共由104層薄膜組成，自上而下，依次為上電極層21、多量子阱層22、下電極層23、緩沖層24和襯底25。本發(fā)明提出了將下電極層23、緩沖層24視為與襯底25為一體，稱為等效襯底層，將50個(gè)量子阱的多量子阱區(qū)域的101層視為等效第二層，將上電極層21稱為第一層，這樣就將襯底25上104層薄膜近似為襯底25上的雙層薄膜的模型。
本實(shí)施例采用常規(guī)的透射測(cè)量系統(tǒng)，具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，其中光源1為Oriel公司(型號(hào)為66184)的鹵鎢燈；單色儀2是Oriel公司的1/8m(型號(hào)74000，計(jì)算機(jī)控制)；探測(cè)器6為室溫工作的Ge探測(cè)器；采用EG&G(型號(hào)5209)的鎖相放大器7并由計(jì)算機(jī)9進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。具體的測(cè)量過(guò)程為(1)首先，樣品3不放在光路中，光路的置放樣品3的空間要足夠大，同時(shí)樣品3置放在器件級(jí)材料專用的樣品架上，確保樣品不被沾污，可以方便地在測(cè)量后進(jìn)行器件流片。
(2)利用波長(zhǎng)為500-600nm可見(jiàn)光調(diào)節(jié)好光路(光源經(jīng)單色儀2、調(diào)制盤(pán)4及透鏡5后直接照射到探測(cè)器6的光敏元上)并測(cè)量這時(shí)探測(cè)器6的信號(hào)響應(yīng)隨波長(zhǎng)(范圍900-1250nm)的變化，測(cè)量的光譜結(jié)果作為系統(tǒng)的本底；(3)將多量子阱樣品3放入光路中(保持其它元件不動(dòng))，再次測(cè)量波長(zhǎng)900-1250nm范圍內(nèi)信號(hào)隨波長(zhǎng)的變化，獲得光譜；(4)用步驟3測(cè)量的結(jié)果除以本底信號(hào)即可得到多量子阱材料的透過(guò)率隨波長(zhǎng)的變化曲線，即透射光譜，如圖3中虛線所示。其中干涉條紋的振蕩峰幅度為0.5％。
本實(shí)施例中將QWIP材料的上電極層21的厚度d1、量子阱層的厚度d2、量子阱區(qū)的折射率nQW作為擬合參量，對(duì)測(cè)量得到的透射光譜進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，其中多量子阱層22的等效折射率主要由其中的勢(shì)壘AlxGal-xAs的折射率決定，可以用下式表示nQW＝x·nAlAs+(1-x)nGaAs(1)其中，nQW、nAlAs、nGaAs分別表示多量子阱、AlAs、GaAs的折射率，從半導(dǎo)體材料參數(shù)手冊(cè)查得1μm附近nAlAs＝2.9，nGaAs＝3.4，x為多量子阱中勢(shì)壘層Al組分(樣品QWIP1018中x＝0.11)根據(jù)公式1可以得到量子阱區(qū)的折射率為3.345。
利用典型的多層膜的透射率T計(jì)算公式T=nk+1n0(t0t1t2Ktk)2μ11·μ11*]]>(光正入射情形)；T=nk+1cosθk+1n0cosθ0(t0t1t2Ktk)2μ11·μ11*]]>(光斜入射情形)；其中t0=2n0n0+n1,]]>r0=n0-n1n0+n1;]]>t1=2n1n1+n2,]]>r1=n1-n2n1+n2;]]>t2=2n2n2+n3,]]>r2=n2-n3n2+n3;···;]]>tk=2nknk+nk+1,]]>rk=nk-nk+1nk+nk+1;]]>另外，M0=1r0r01,]]>Mm=ejδmrmejδmrme-jδme-jδm,]]>δm=2πλnmdmcosθm,m=1,2,3,4,···,k,]]>令Πm=0kMm=μ11μ12μ21μ22,]]>對(duì)于兩層薄膜正入射的情形可以推導(dǎo)出T(ni,di,λi)=nk+1n0(t0t1t2Ktk)2μ11·μ11*=1+r02r12+r02r22+r12r22+2(r0r1+r0r1r22)cos2δ1]]>+2(r1r2+r02r1r2)cos2δ2+2r0r2cos2(δ1+δ2)+2r0r12r2cos2(δ1-δ2)---(2)]]>其中n0＝1，為空氣的折射率；nm，dm分別表示第m層薄膜的折射率和薄膜的幾何厚度，n2＝nGaAs，n3＝nQW，θ0是入射角，實(shí)驗(yàn)中取光正入射情形，即θ0＝0°，也就是說(shuō)θm＝0°。
具體擬合過(guò)程中，以按材料設(shè)計(jì)要求生長(zhǎng)而成的QWIP結(jié)構(gòu)參量d10、d20和nQW0為初始值，應(yīng)用計(jì)算機(jī)Fortran語(yǔ)言中數(shù)值為0到1的隨機(jī)數(shù)函數(shù)Ran(idum)，對(duì)參數(shù)d1、d2以及量子阱區(qū)的折射率nQW進(jìn)行隨機(jī)的變化，使理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間達(dá)到最佳的吻合程度，也就是使得FX值為最小。FX值為FX=Σi(Te(λi)-Tt(ni,di,λi))2---(3)]]>式中Te(λi)、Tt(ni，di，λi)分別表示某一波長(zhǎng)處透射率實(shí)驗(yàn)測(cè)量、理論計(jì)算的結(jié)果。最后輸出最終的擬合參數(shù)d1、d2及nQW，再通過(guò)公式(1)可以同時(shí)獲得多量子阱中勢(shì)壘層Al組分x值，表1給出了幾個(gè)實(shí)施實(shí)例的結(jié)果。圖3給出了擬合的透射光譜與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的比較。
表1幾個(gè)實(shí)施實(shí)例的擬合參數(shù)

權(quán)利要求
1.一種多量子阱紅外探測(cè)材料的結(jié)構(gòu)層厚獲取方法，特別用于GaAs/AlGaAs多量子阱紅外探測(cè)材料的上電極層和多量子阱區(qū)厚度參數(shù)的測(cè)量，其步驟包括a.先在常規(guī)的透射光譜測(cè)量系統(tǒng)中測(cè)量多量子阱材料的透射光譜；b.之后，采用雙層近似模型計(jì)算出透射光譜的理論數(shù)據(jù)并與上述測(cè)量光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲取制造工藝需要的厚度參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多量子阱紅外探測(cè)材料的結(jié)構(gòu)層厚獲取方法，其特征在于所述的步驟a的測(cè)量過(guò)程包括(1)首先在透射光譜測(cè)量系統(tǒng)的光路中留出放置樣品的足夠大的空間，以及把樣品置放在器件及材料專用的樣品架上待測(cè)，此時(shí)樣品不置入光路中；(2)利用波長(zhǎng)為500～600nm可見(jiàn)光調(diào)節(jié)好光路，并測(cè)量此時(shí)探測(cè)器的信號(hào)隨波長(zhǎng)900～1250nm范圍內(nèi)的變化，測(cè)量的結(jié)果作為系統(tǒng)的本底信號(hào)；(3)將多量子阱樣品放置于光路中，再次測(cè)量波長(zhǎng)在900～1250nm范圍內(nèi)信號(hào)隨波長(zhǎng)的變化，獲得光譜信號(hào)；(4)用上述測(cè)得的光譜信號(hào)除以本底信號(hào)即可得到多量子阱材料的透過(guò)率隨波長(zhǎng)的變化曲線，即透射光譜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多量子阱紅外探測(cè)材料的結(jié)構(gòu)層厚獲取方法，其特征在于所述的步驟b其過(guò)程包括(1)將多量子阱紅外探測(cè)材料結(jié)構(gòu)之下電極層、緩沖層和襯底視為一體而作為等效襯底層，并將多量子阱區(qū)域和上電極層分別作為等效第二層和第一層，該等效第二層和第一層近似為襯底上的雙層薄膜模型；(2)利用典型的多層膜的透射率T計(jì)算公式推導(dǎo)出兩層薄膜正入射時(shí)的理論計(jì)算式Tt(ni,di,λi)T=nk+1n0(t0t1t2Ktk)2μ11·μ11*;]]>以按材料設(shè)計(jì)要求生長(zhǎng)而成的QWIP結(jié)構(gòu)參量的上電極層厚度d10、多量子阱區(qū)厚度d20和多量子阱區(qū)的折射率nQW0為初始值，并對(duì)它們作隨機(jī)變化，使理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間達(dá)到最佳吻合FX=Σi(Te(λi)-Tt(ni,di,λi))2,]]>并最后輸出最終擬合參數(shù)d1、d2及nQW式中Te(λi)和Tt(ni，di，λi)分別表示某一波長(zhǎng)處透射率實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算結(jié)果。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多量子阱紅外探測(cè)材料的結(jié)構(gòu)層厚獲取方法，其特征在于所述的量子阱層的等效折射率主要由其中的勢(shì)壘AlxGal-xAs的折射率決定，并依關(guān)系式nQW=x·nAlAs+(1-x)nGaAs]]>及半導(dǎo)體材料參數(shù)手冊(cè)來(lái)求得量子阱區(qū)的Al組分x值。
全文摘要
一種多量子阱紅外探測(cè)材料的結(jié)構(gòu)層厚獲取方法，該方法采用常規(guī)的透射光譜測(cè)量，將測(cè)量數(shù)據(jù)與雙層近似模型擬合，獲取多量子阱紅外探測(cè)材料中上電極層和多量子阱區(qū)實(shí)際的厚度參數(shù)，從而為后續(xù)的器件制備工藝提供必要的實(shí)際材料結(jié)構(gòu)參數(shù)；同時(shí)還可獲得多量子阱區(qū)中勢(shì)壘層中Al組分參數(shù)。該方法也可為材料生長(zhǎng)過(guò)程的參數(shù)修正提供參考依據(jù)。
文檔編號(hào)G01J3/28GK1546944SQ20031010924
公開(kāi)日2004年11月17日 申請(qǐng)日期2003年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月11日
發(fā)明者陸衛(wèi), 陳貴賓, 王少偉, 李寧, 陳效雙, 季亞林, 李志鋒, 陸 衛(wèi) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所