InN与InGaN薄膜材料的光学特性研究

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随着人类社会进入信息化社会,信息量飞速增长。为适应生活的需求以及时代的要求,以半导体为代表的材料和器件迅速发展,遍及人类生活的各个领域。InN与InGaN材料因其带隙随In组分x变化从0.7到3.4 eV连续可调,其对应的吸收光谱的波长从紫外部分(365 nm)可以一直延伸到近红外部分(1770 nm),几乎完整地覆盖了整个太阳光谱,这为设计新型太阳能电池、超高亮度发光二极管(LED)以及全彩显示提供了极大的可能,所以InN与InGaN材料近年来逐渐成为研究的热点。由于薄膜的光学常数(如折射率、吸收系数、色散关系等)是描述固体的独立光学常数,是确定和描述其他物理量的基础,并且高性能的光电子器件的设计与制造需要掌握材料的光学特性,其中薄膜材料的折射率在波导、探测器和光子器件等器件的实际应用中是必不可少的参量。因此,得到InxGa1-xN材料的色散关系对InxGa1-xN基器件的设计会起到至关重要的作用。但是目前高质量的InN与InGaN材料生长还面临许多困难,InN与InGaN材料的特性相对于其他三族氮化物还知之甚少。在样品制备与实验测试之前,本文先利用第一性原理计算,对InN材料的色散关系进行了模拟,这为之后的椭偏模拟计算提供了基础。同时本文使用MOCVD设备在蓝宝石上生长了GaN厚层,并在此基础上用脉冲法在GaN外延层上分别生长了InN与InGaN薄膜。随后采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、分光光度计以及椭圆偏振光谱仪对样品进行了结构、晶体质量与光学特性的研究。在分析椭圆偏振光谱信息时,采用椭圆偏振光谱仪配套的Delta Psi2软件进行拟合,通过不断更新初值,利用最小二乘法逐渐逼近材料的真实色散关系。相关椭偏拟合得到的样品薄膜厚度与扫描电子显微镜、及样品监控曲线估算的厚度结果一致,表明模拟结果是可靠的。最终得到InN与InGaN薄膜的带隙Eg及色散公式,得到了InN与InGaN材料在可见、近红外波段的色散关系曲线,相应研究成果对InN与InGaN薄膜的应用开发具有指导意义。
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