拉曼散射和X射线衍射研究InxGa1-xAs材料

张铁民，缪国庆，傅 军，符运良，王林茂，洪 丽

（1.海南师范大学 物理与电子工程学院，海南 海口 571158；

2.中国科学院 激发态物理重点实验室，吉林 长春 130033）

拉曼散射和X射线衍射研究InxGa1-xAs材料

张铁民1，缪国庆2，傅 军1，符运良1，王林茂1，洪 丽1

（1.海南师范大学 物理与电子工程学院，海南 海口 571158；

2.中国科学院 激发态物理重点实验室，吉林 长春 130033）

使用低压金属有机化学气相淀积（LP-MOCVD）技术，在InP（100）衬底上生长Inx⁃Ga1-xAs材料.拉曼散射研究材料的结构无序和计算材料的应力，X射线衍射研究InxGa1-xAs的组分、结晶质量、位错密度.拉曼散射可以获得材料表面特性，X射线衍射可以获得材料整体结构信息，即衬底质量，缓冲层的特性，外延层特性.

InxGa1-xAs；拉曼散射；X射线衍射

InxGa1-xAs是广泛应用在光发射[1]、场效应管[2]、热光伏器件[3]、探测器[4]、光存储电荷[5]等领域的重要材料，InxGa1-xAs也是近红外区非致冷红外探测器的重要材料.近年来，高铟组分的InxGa1-xAs（x＞0.53）探测器需求越来越大，主要应用在光谱成像，包括地球观测、遥感、环境监测等[6].拉曼光谱可以研究固体中的各种元激发的状态，当改变外部条件（如温度和压力等）时，可以研究固体内部状态的变化.拉曼光谱的应用范围很广，应用较多的是晶格振动的一级拉曼光谱.拉曼散射可以获得几个晶格常数尺度范围的固体本质上的重要信息，可用于研究微结构和微形貌的无序本质[7].在全部组分范围内，横向光学模式和纵向光学模式的拉曼强度和对称性可准确确定[8].X射线衍射（XRD）已经发展成为一门独立的学科，它广泛地应用在各个领域，XRD可以确定样品的晶体结构，计算晶格常数，研究多晶薄膜材料的晶粒生长取向性，确定多晶材料的晶粒大小，分析薄膜材料中存在的应力等等.本文应用拉曼散射和X射线衍射技术研究在InP衬底生长的InxGa1-xAs材料.

1 实验方法

使用低压、金属有机化学气相沉积（LP-MOCVD）技术，在半绝缘的InP（100）衬底上.生长InxGa1-xAs使用三甲基铟（TMIn）、三甲基镓（TMGa）、稀释在氢气中含量为10%砷烷（AsH3），经过氢气纯化器处理的高纯氢为载气.感应耦合射频加热石墨衬托，热电偶位于旋转石墨衬托之下，直接探测样品的生长温度，反应室的压强应保持在10 000 Pa.制备的样品为In0.82Ga0.18As/In0.28Ga0.72As/InP和In0.98Ga0.02As/InP，使用RENISHAW InVia Ra⁃mam Microscpe作为拉曼光谱测量仪器，激光器为氩离子激光器，功率为20 mW，分辨率为2.5cm-1，研究InxGa1-xAs材料的GaAs纵向光学声子的分布曲线非对称（Γa≥Γb）性，对材料的质量进行分析.研究GaAs的LO频率移动并计算出材料的应力.使用D/max-RA型X射线衍射仪（XRD）用于测量Inx⁃Ga1-xAs层的晶格常数，进而检验样品的In组分是否达到要求.X射线衍射光谱中InxGa1-xAs的光谱曲线半峰全宽（FWHM）用来表征InxGa1-xAs的结晶质量、位错密度.

2 结果与讨论

2.1 拉曼散射

光散射是除光吸收和光反射以外固体的一类重要的光学现象，它源于固体介质的某种不均匀性，或者说源于固体某种性质的起伏.当光照射到固体介质上时会发生非弹性散射，散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长短的和长的成分，后一现象统称为拉曼效应.对于纯GaAs，拉曼线型表现为对称的洛伦兹分布[Γa=Γb，这里Γa（Γb）代表在声子能带中低能（高能）半峰半宽].通常拉曼散射由电子、声子、有限声子模式积分确定，这些因素导致拉曼线型的非对称[9].图1中黑色实曲线为In0.82Ga0.18As/In0.28Ga0.72As/InP样品的拉曼光谱，点线和点划线为洛伦兹拟合结果.实验中所制备的样品In0.82Ga0.18As/In0.28Ga0.72As/InP，由于使用了缓冲层技术，得到的样品表面光亮，拉曼散射测得样品只有InAs和GaAs的纵向光学声子（LO）模式，与理论上研究薄膜样品所应具有的性质相一致，即横向光学声子（TO）模式被禁止.拉曼散射曲线中GaAs纵向光学声子的分布曲线呈现非对称性.图1中的插图为此拉曼光谱局部放大图，在插图中标出GaAs纵向光学声子的分布曲线非对称性（Γa＞Γb）.比较Γa和Γb的值，可以得到材料结构的无序度，进而表征材料的质量.

图1In0.82Ga0.18As的拉曼光谱，插图为GaAs的纵向光学声子模式的非对称比Fig.1 Raman spectra of In0.82Ga0.18As，the inset shows asymmetric ratio(Γa/Γb)of GaAs-like LO phonon

图2In0.98Ga0.02As的拉曼光谱Fig.2 Raman spectra of In0.98Ga0.02As

图2为In0.98Ga0.02As/InP拉曼光谱.通常InxGa1-xAs中光学声子有两个模式，InAs和GaAs模式存在整个组分范围，InAs的LO频率变化小，而GaAs的LO频率随组分不同而改变.由于制备的In0.98Ga0.02As，铟组分较高，所以In0.98Ga0.02As外延表面出现三维岛状结构，该样品的拉曼光谱已不同于In0.82Ga0.18As样品，被禁止的横向光学声子模式被激活.在图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模式的光谱强度比LO模式的强度大，这与材料的三维生长有关.In0.98Ga0.02As的拉曼散射中GaAs和InAs纵向光学声子和横向光学声子频率位置与组分的简单关系式：

式中ω为频率，x为材料的组分，上公式也可作为测量InxGa1-xAs材料组分的方法.

研究In0.82Ga0.18As材料的应力可从GaAs纵向光学声子的频率移动计算得出.由于In0.82Ga0.18As的晶格常数大于InP衬底晶格常数，此材料呈现出压应力，而压应力使声子向高能方向频移[10]，样品的GaAs纵向光学声子频率发生频移ΔΩLO，使用ΔΩLO的测量结果和公式[11]，可计算出In0.82Ga0.18As材料的应力.

计算参数[12]p和q

测试GaAs的频移可计算外延层的应力，通过计算下式得出：

对于GaAs的LO模式最后可得到In0.82Ga0.18As材料的应力F的表达式为：

2.2 X射线衍射

由于X射线衍射的强度和空间分布与物质的组成及结构有关，每一种晶体都给出独自的衍射图样.实际上没有两种晶体的衍射图样是相同的.可以用其独有的衍射图样进行鉴定，判断生长的晶体是不是所要的晶体，判断晶体中的原子是否按所需要的方式排列.

图3为样品In0.82Ga0.18As/In0.28Ga0.72As/InP的X射线衍射的光谱曲线.从图中观测到，X射线衍射光谱不仅有In0.82Ga0.18As外延层的信息，图中P1为外延层In0.82Ga0.18As的峰值，也有缓冲层In0.28Ga0.72As的信息，图中P2为缓冲层的峰值，还有衬底InP的信息.由于样品的衬底厚度为300 μm，它的X射线衍射强度最强，而In0.28Ga0.72As缓冲层的厚度只有100 nm，它的X射线衍射强度最弱.In0.82Ga0.18As层厚度为1 μm，它的X射线衍射信号非常清晰.这表明X射线衍射是对材料的全部厚度上进行表征，每个部分具有什么样的性质都可观测到.研究材料的结晶性质，可通过测量衍射峰的半高全宽来衡量.

图3In0.82Ga0.18As/In0.28Ga0.72As/InP的X射线衍射光谱曲线Fig.3 The X-ray diffraction of the In0.82Ga0.18As/In0.28Ga0.72As/InP

晶体的晶格常数是晶态物质的重要基本物理参数，它与该晶态物质的许多物理参数有关.在晶体生长过程中，经常要对所生长的晶体进行晶格常数的测量.由于晶体的主要组分发生变化会在晶格常数的变化上表现出来，因而人们也经常用测量晶格常数的办法来推知晶体中组分的变化.用XRD测量晶体的晶格常数是一种间接的测量方法，通过测量晶体的衍射角，利用公式：2dsinθ=λ来计算晶体的晶格常数.对布拉格公式进行微分可以得到下式：

这里d为晶格常数，Δd为晶格常数差，θ为衍射角，Δθ为外延层峰与衬底峰的角度差.

通过XRD测量，可以获得InGaAs的晶格常数，计算公式[14]：

其中λ为X射线波长；θB为衍射角；Δθ为外延层峰与衬底峰的角度差.

In0.82Ga0.18As的组分x计算公式：

这里aInGaAs为InGaAs的晶格常数，aInAs为InAs的晶格常数，aGaAs为GaAs的晶格常数.

线位错密度可根据X射射线衍射（XRD）信号的半峰全宽（FWHM）使用下式进行估算[15]：

这里FWHM为测量值，b是位错伯格斯（Burg⁃ers）矢量的长度，Ndis是位错密度（cm-2）.

3 结论

使用LP-MOCVD技术，在InP（100）衬底上生长In0.82Ga0.18As材料.拉曼散射和X射线衍射研究In0.82Ga0.18As材料.从拉曼散射和X射线衍射表征材料的结果来看，要想获得薄层材料的特性，使用拉曼光谱比较合适.因为拉曼散射测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.对于更深的内部无法测量，也就无法获得内部信息，但拉曼光谱很灵敏，能测量材料结构无序，能通过测量拉曼频移计算出材料的应力变化.X射线穿透力很强，能对整个材料各层特性进行表征.由于X射线衍射光谱的强度与材料的厚度有关，所以薄层材料，特别是10多nm厚度以下的材料很难测得.因此，要想了解材料的综合特性，如组分、结晶质量、位错密度可使用X射线衍射来表征.

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

ZHANG Tiemin1，MIAO Guoqing2，FU Jun1，FU 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，Fine 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

海南省教育厅高等学校科研基金项目（Hjkj2010-21）；国家自然科学基金重点项目（50132020）；海南省自然科学基金项目（609002）；海南师范大学学科建设基金项目（0020303020317）

黄 澜