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

2、到了材料的光致發光特性隨質子能量和劑量的變化關系,并進行了討論.結果表明,質子輻照對材料的光學性質有破壞性的影響,這種影響是通過兩種機制引起的.相同能量的質子輻照,隨著輻照劑量的增大,對量子阱光致發光峰的破壞增大.相同劑量的質子輻照,當輻照質子的射程剛好覆蓋整個量子阱結構區域時,對量子阱光致發光峰的破壞最嚴重,當輻照質子的射程超過量子阱結構區域時,對量子阱光致發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利用調制摻雜技術研制成功第一只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.另一方面,對于量子阱結構光學特性研究的不斷深入,導致了量子阱激光器、高速發光器件以及光敏器件等一系列光電子器件的出現,并考慮將這些新型器件應用于空間技術及核技術有關的輻射環境中.為此,研究GaAs󰃗AlGaAs材料的輻照效應是很有意義的.用質子轟擊量子阱激光器并對其深能級中心進行研究2,3,發現質子轟擊引起的損傷在量子阱中產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生新的陷阱;HEMT材料的電子輻射效應4,得到了材料結構中的2維電子氣的電輸運性質隨輻照電子能量和劑量的變化關系.在量子阱材料的光學性質的輻照效應方面,尚未見

4、到有關報道.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國家自然科學基金資助項目,基金號69576107;國家教委高校博士學科點專項科研基金資助項目黃萬霞女,1973年出生.現就讀四川大學物理系凝聚態物理專業碩士,主要從事超晶格材料的輻射效應研究1998211206收到,1999202209定稿958半導體學報20卷2100keV的質子束,對GaAs AlGaAs多量子阱材料進行輻照,通過對輻cm,采用能量30照前后樣品進行光致發光測試,研究質子輻照能量及注量變化對材料光學性質的影響.實驗結果表明,

5、經輻照后,量子阱光致發光峰的強度變小,相同能量的質子輻照,隨著劑量的增大,量子阱光致發光峰的強度越來越小直至完全消失.相同劑量的質子輻照,當能量為80keV時光致發光峰強度減至最小.經分析量子阱光致發光峰強度經輻照后變弱的原因有兩個方面,一是質子轟擊產生損傷引入新的陷阱,使一部分激子通過這些陷阱發光,在光致發光光譜上我們看到在1149eV和0175eV處新出現兩個較平緩的發光帶;二是質子轟擊使材料晶格空間的完整性受到一定程度的破壞,致使產生的激子數目減少,從而導致發光強度變弱.當輻照質子的射程剛好覆蓋整個量子阱結構區域時,對量子阱光致發光峰的破壞最嚴重,當輻照質子的射程超過量子阱結構區域時,對

6、量子阱光致發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院半導體研究所提供的用MBE法生長的GaAs AlGaAS多量子阱材料,AlGaAs中x值為013.樣品結構如圖1所示.圖1GaAs AlGaAs多量子阱結構示意圖質子輻照是在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進行輻照2×1011 50、80、100keV進行輻照.cm,能量分別為30、3實驗結果311相同能量不同劑量的質子輻照對樣品光致發光光譜

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

8、相應位置仍然有兩個很弱的峰,分別對應于量子阱和GaAs體材料的光致發光發射,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的光致發光譜,圖中A、B兩峰基本消失2照劑量為1×1013 .cm的光致發光譜,同樣A、B兩峰已消失圖2不同條件下的質子輻照對光致發光光譜的影響(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子輻照對樣品光致發光光譜的影響2.圖中圖2(b)是采用劑量為1×1011 cm,不同能量的質子輻照后光致發光光譜的比較可以看出,輻照前的光致發光光譜在波長為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,我們認為它對應于AlGaAs中DX中心的復合發光.經輻照后,在波長為0183m的C處(E=1149eV)和波長為1165m的E處(E=0175eV)均出現兩個低緩的寬峰且量子阱的光致發光峰強度變弱.輻照能量為30keV時,量子阱光致發光峰強度減為輻照前的一半,且在波長為018m的B處(E=1156eV)出現了較弱的GaAs體材料的本征光致發光峰,輻照能量為50keV時量子阱的光致發光峰減小到幾乎消失,能量增大為80keV時,量子阱光致發光峰徹

10、底消失,且C、D、E三處的寬峰與其他能量輻照的光致發光譜相比強度減弱近一半.當輻照能量繼續增大為100keV時,量子阱光致發光峰又出現并且有一定的強度.4討論(1)由圖2(a)可見,質子輻照對樣品的光學性質起破壞性作用.相同能量的質子輻照,隨著輻照劑量的增大,這種破壞性也增強,輻照對樣品的光學性質產生完全破壞性影響的劑2量閾值為1×1012 cm.為了進一步分析質子輻照對樣品的光致發光光譜產生的這種破壞性960半導體學報20卷影響的機理,我們首先研究GaAs .在超晶格量子阱等準AlGaAs多量子阱材料的發光過程二維體系中,激子的基態束縛能趨近三維系中的4倍,因而激子效應很明顯.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.當一定波長的激發光照射樣品時,電子吸收光子能量h以后,從價帶躍遷到導帶,在價帶中產生空穴,它和導帶電子之間由庫侖引力可能形成電子和空穴束縛狀態的激子,激子中的電子不能穩定地存在,它通過從導帶躍遷回價帶和空穴復合而放出能量,并發射光子.圖2(a)中的A峰即是激子中的電子從導帶的電子子能帶E1躍遷到價帶的重空穴子能帶HH1的發光峰.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,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晶體完整性的破壞必將對激子效應產生影響,從而影響激子的產生和存在.在本實驗中,經質子輻照后樣品中將產生大量缺陷,使GaAs AlGaAs多量子阱材料的晶格空間的完整性受到破壞,致使產生的激子數量減少,因而量子阱的光致發光峰強度變弱.當輻照劑量增大,晶格空間完整性的破壞進一步增大,產生的激子數進一步減少直至沒有激子的產生,相應的量子阱的光致發光峰強度變弱直至完全消失.(2)輻照質子劑量一定量,輻照對材料光學性質的破壞不是隨著質子能量的增大而一直增大,見圖2(b).當能量較小時,隨著質子能量的增大,對材料的破壞性增大,當能量為80keV的

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

14、量子阱區域的只是質子射程的中間段,因而在量子阱中產生的缺陷反而減小,對量子阱的破壞也減小.從圖中我們還看到,經輻照后量子阱的光致發光峰強度變弱,而在E=1149eV和E=0175eV處出現兩個新的低緩的寬峰.這說明質子轟擊對材料產生損傷,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光,因而量子阱的光致發光峰強度減弱.對比能量為50keV和80keV的質子輻照我們發現,量子阱的光致發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光峰的消失,除了因為一部分激子通過深能級中心復合發光外,還存在

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

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的統計方法,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域作了一定的簡化.圖3是用Trim96程序計算的80keV質子和100keV質子在材料中的射程及分布情況.圖3(a)是80keV的質子在樣品中的分布情況,可以看出,大部分的入射質子部分布在量子阱結構區域.圖3(b)是100keV的質子在樣品中的分布情況,有相當一部分質子已打出量子阱區域.由此可見,80keV質子與100keV質子相比,落在量子阱區域的質子數更多,因此在量子阱中引起的損傷和缺陷更多.其計算結果與我們的實驗結果一致.5結論圖3輻照質子在

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

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