[发明专利]一种原位检测直接带隙AlxGa1－xAs分子束外延薄膜材料组分方法和装置

说明书

本项专利技术是关于GaAs衬底上分子束外延Al_xGa_1-xAs薄膜材料Al组分的原位非接触检测技术。

GaAs及Al_xGa_1-xAs薄膜材料分子束外延工艺已经相当成熟，且由于Al_xGa_1-xAs与GaAs间是晶格匹配的，及Al_xGa_1-xAs在组分x小于0.45时本身的直接带隙特性，使得GaAs与Al_xGa_1-xAs系列材料已经得到广泛的应用。尤其自七十年代Esaki等提出超晶格模型后，由分子束外延实现超晶格后，GaAs与Al_xGa_1-xAs系列因其在能带工程中的优势而得到更加广泛的应用。从多量子阱红外探测器到多量子阱激光器，以及如高电子迁移率器件等电子功能器件上应用。而分子束外延方法是该系列薄膜材料最具优势的生长手段，因为能带工程中一个最重要的变化参数是对Al_xGa_1-xAs组分的裁剪，因此，分子束外延方法生长Al_xGa_1-xAs薄膜材料，对组分的测试是非常重要的。常见的组分测试手段中，退位的有X-ray双晶衍射，椭圆偏振光谱，光调制反射光谱，光荧光光谱，红外反射谱；常见的原位测试手段有椭圆偏振光谱，反射式高能电子衍射等，其中，退位X-ray双晶衍射方法最为常用。利用X-ray的波长与晶格长度的相匹配，通过Bragg衍射来确定Al_xGa_1-xAs与GaAs之间的晶格失配值，从而由Vegard定律来计算组分。因为利用第一晶体的完整性，把X-ray的线宽变窄，使得它对Bragg角分辨率可以很高。但是，因为由双晶衍射曲线求组分时，经过了一定的近似，因此，最后组分结果只能达到百分之一的精度，同时X-ray的穿透深度大，因此，无法测试超薄层。又因为X-ray系统的复杂性，不能用于MBE原位检测，而Al_xGa_1-xAs的薄层材料在空气中易氧化，因此退位检测将破坏外延结构，同时亦终止了材料的连续结构生长，在这种情况下，退位X-ray双晶衍射及光谱等方法不可行，只能用原位方法。

常见的原位组分检测，多是利用反射式高能电子衍射及椭偏仪，其中，反射式高能电子衍射是最常见的，是利用Al_xGa_1-xAs与GaAs生长速度，来计算组分，但其精度有限，因为这种计算组分的方法存在一定的近似，它与材料生长过程的工艺参量有关，所测量的组分值的精度也就有限，椭偏仪是一种常用的在位检测手段，对单层AlGaAs薄膜精度达到百分之一，但是对Al_xGa_1-xAs下面有多层异质结构的样品，则其精度会大大下降。

人们也有采用光调制反射光谱方法来确定Al_xGa_1-xAs材料组分X的，但至今所有可测量的Al_xGa_1-xAs薄膜厚度都要大于100nm，对很薄的Al_xGa_1-xAs材料由于测量的灵敏度限制很难进行测量。特别是材料在大气中暴露后表面的氧化更使得测量变得困难。美国的专利US5159410A提出了原位的光调制光谱对GaAs中费米能级的测量设想。这种原位光谱方法可以避免薄膜材料的氧化，但由于他们采用的光学测量系统是用单色光与分子束外延系统的耦合，使得整个测量系统受外界杂散光干扰很大，难以检测微小信号。这种原位光调制光谱技术用于测量F-K振荡这类大的光谱信号，进而确定费米能级是有效的，但无法对较薄的Al_xGa_1-xAs薄膜进行光调制光谱的测量，更谈不上对超薄的Al_xGa_1-xAs薄膜的测量。

本项专利的目的是提供一种新的简单精确的对分子束外延方法生长的直接带隙的Al_xGa_1-xAs超薄层的薄膜材料非接触式原位光调制反射光谱检测组分的方法和装置。

为阐述方便，先对本发明附图说明如下：

图1为光调制反射光谱原位检测装置框图。

图2为本发明光调制光谱原位检测方法控制流程示意图。

下面，就结合附图对该技术做详细的阐述：