Al0.1Ga0.9As厚度对(Al0.1Ga0.9As)/GaAs异质结结构、光学、热学和电学性能的影响*

1. 概述

        在GaAs衬底上沉积了不同厚度的Al0.1Ga0.9As纳米薄膜，并使用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、紫外-可见分光光度法、光致发光（PL）、电化学阻抗谱（EIS）和光热偏转（PTD）进行了检测。PTD技术用于分析Al0.1Ga0.9As厚度对热性能的影响，并显示了其对弱结构变化的敏感性。通过增加Al0.1Ga0.9As的厚度，结晶度降低，观察到以997.4nm为中心的红外发射，其强度在50nm时最高。厚度大于400 nm时形成pn结，带隙从1.59 eV增加到1.68 eV。热导率从35.3 m ^{– 1} K ^-1增加到37.3 m ^{– 1} K ^-1，热扩散率从0.195cm² s ^-1增加至0.22cm² s ^-1。研究结果表明，Al0.1Ga0.9As/GaAs在光电和热电器件中具有潜在的应用前景。

 2. 样品制备：Al0.1Ga0.9As/GaAs外延

        厚度为50、100、200、400、500和1000nm的Al0.1Ga0.9As薄膜采用分子束外延(MBE) 技术生长在350μm厚的GaAs衬底晶圆上（来自中芯晶研）。

2.1 SEM表征

        扫描电子显微镜（SEM）检查Al0.1Ga0.9As样品的典型形态，发现一个光滑的层，有分散的和未粘附的颗粒，如图1（a）。图1b显示了试样的侧视图，试样上喷涂了5μm厚的石墨层，该石墨层将用于热分析。该图还清楚地显示了沉积在GaAs衬底上的Al0.1Ga0.9As薄膜。

图1 SEM图（a）Al0.1Ga0.9As/GaAs；（b）具有石墨膜的Al0.1Ga0.9 As/GaAs

2.2 AFM表征

        AFM图像显示，表面由纳米针形式的圆顶组成。对具有50、100、200、400、500和1000nm Al0.1Ga0.9As厚度的表面的平均粗糙度的检查，发现薄膜的厚度越大，其表面粗糙度越低。

图2 Al0.1Ga0.9As/GaAs样品AFM图（AlGaAs厚度分别为50nm、100nm、200nm、400nm、500nm、1000nm）

2.3 XRD表征

        图3a显示了不同Al0.1Ga0.9As厚度（50、100、200、400、500和1000nm）的Al0.1Ga0.9 As/GaAs样品的XRD图谱。在图3b中，显示了当厚度从50nm增加到1000nm时，其峰值发生左移。这种峰值位移可能归因于生长的Al0.1Ga0.9As薄膜的晶体生长、晶粒尺寸和形状变化，这将伴随着内部微应变。

图3（a）Al0.1Ga0.9As/GaAs样品和GaAs的XRD图谱；（b） 放大Al0.1Ga0.9As薄膜的峰值（311）

3. 结论

        研究了沉积在 GaAs 衬底上的 Al0.1Ga0.9As 薄膜（从50nm到1000nm）的厚度对其光学、电学和热性能变化的影响。使用紫外-可见分光光度法和光致发光技术研究其光学特性；使用电化学阻抗谱研究其电气特性；使用光热偏转技术来研究热性能。

        推论出，随着Al 0.1 Ga 0.9 As厚度的增加，带隙、热导率和热扩散率分别从1.59增加到1.68 eV，从35.34 W m ^-1 K ^-1 增加到37.30 W m^-1 K^-1，并且从0.195～0.220cm²  s^-1; 而折射率则从2.94下降到2.89，如图4、5所示。对于较高的厚度形成pn结并且对于最低的厚度产生以997.4nm为中心的最大强度的红外光致发光峰。这些结果表明 Al0.1Ga0.9As/GaAs结构是热电和光电器件的理想材料。

图4 不同厚度Al0.1Ga0.9As/GaAs样品的带隙和Urbach能

图5 不同厚度的（Al0.1Ga0.9As）/GaAs样品的热导率和热扩散率

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