半绝缘砷化镓（GaAs）热性能的时间分辨激光扫描光热显微镜表征*

1. 概述

        在超带隙能量光子激发下，热波和等离子体波的强耦合效应干扰了半导体热性质的精确表征。本研究提出了一种时间分辨激光扫描光热显微镜（TLS-PTM）来解耦热电子效应，以准确测定半绝缘砷化镓（GaAs）样品的热扩散率。去耦原理的明显优点依赖于激光束在样品表面上的扫描激发将不同的瞬态和稳态特性引入光热响应的热部分和电子部分，其中热部分和电部分之间的瞬态具有大的时间尺度分离，并且稳态显示出比电子效应更强的热效应。因此，等离子体波仅仅是热电子耦合中可忽略的恒定背景的原因。理论和实验结果证明，时间分辨光热信号对变化达几个数量级电子输运参数不敏感，并且可以用于从其最佳拟合确定热扩散率。此外，该方法的扫描激发特性允许对样品进行高效光热成像，以识别热缺陷。

2. 样品制备与分析

        用于表征的样品为垂直梯度冷冻（VGF）生长的半绝缘GaAs晶片（来自中芯晶研），厚度625μm，直径50 mm，晶体取向为（100），蚀刻坑密度<8000 cm^-2，电阻率>1×10⁷Ω·cm。对前表面进行抛光，后表面无光泽。

        连续波激发光束（Coherent，Verdi V10532nm，TEM00）和探测光束（Cohrent，Lablaser，635nm，TEM100）都被扩展，然后分别通过二向色分束器（DBS）和50/50分束器被引导到公共路径。两个光束都可以由电流计扫描仪（Thorlabs，GVS212）扫描，然后由远心扫描透镜（Thorlabs，CLS-SL）聚焦。将样品放置在远心扫描透镜的焦平面上。两个光束都沿其原始路径反射，探针光束仅通过高通滤波器针孔（直径200μm）-APD（Thorlabs，APD430A2/m）组件检测到。具体请参见图1（a）：

图1 （a）TLS-PTM的实验布置；（b） 时间分辨归一化光热信号及其最佳拟合，插图显示了用于拟合的半绝缘 GaAs样品的参数；（c） ～（f）分别是电子输运参数s0、τ和αc以及热扩散率αs的灵敏度分析

        通过扩展器调整样品表面上两个光束的光斑半径，使其与模拟中使用的光斑半径相等 = 20μm和wp = 60μm。半绝缘GaAs的反射率在532nm处为37.5%，在635nm处为34.7%，用于校正两个光束的入射功率。远心扫描透镜在视场边缘具有较差的焦斑，因此我们仅使用18×18mm²的衍射限制视场。检测平面放置在距离样品界面-500mm的光程长度周围。

        首先，测试了半绝缘GaAs样品的热扩散率，从最佳拟合到时间分辨归一化光热信号，该信号是沿x方向t = 0 s到t = 0.05 s以v=0.1 m/s在galvo扫描仪扫描时获得的，如图1（b）所示。采样率为10kHz。厂商提供的样品的热、电子和机械性能用于拟合实验数据，如图1（b）所示。

        然后，研究了电子输运参数s0、τ和αc对光热信号的敏感性，结果如图1（c）-1（e）所示。当s0、τ和αc变化几个数量级时，RMSE的波动非常小，这证实了光热信号对电子输运参数的变化不敏感。然而，图1（f）显示RMSE波动很大，尽管热扩散率αs仅略有变化，验证了样品中的热缺陷将阻止正常的热扩散，进而导致光热信号的明显波动，如图1（b）中的信号尖峰所示。

        使用galvo扫描仪逐行对半绝缘GaAs样品表面进行了二维扫描，以证明高效光热成像可以识别热缺陷。扫描速度和采样率分别设置为0.1m/s和2.5kHz。信号采集在每行扫描0.05s后开始，以排除瞬态数据。获得的有效成像面积为10×10 mm²，如图2（a）所示。作为对热成像分辨率的讨论，我们进行了相同的扫描，如图2（b）所示，除了在0.05 m/s的不同速度和1.25 kHz的采样率下（以保持采样间隔不变）。

图2 不同扫描速度下半绝缘 GaAs样品中热缺陷的光热成像：（a）v = 0.1m/s。（b）v = 0.05m/s。有效成像面积为10×10 mm²

        结果表明，样品中的大的热扩散长度降低了低速扫描图像中的热分辨率，但导致更强的热效应（有利于热电去耦），从而导致更高的信噪比。从这个意义上说，我们得出结论，如果需要高精度的热性能测定，则应限制顶部扫描速度。此外，具有不同电子输运参数的其他半导体材料在热电去耦方面可能具有不同的性能。更长的自由载流子寿命（>1ms）与更低的表面复合速度（<10 m·s^-1）相结合，可能会导致热部件和电子部件之间不可分割的瞬态以及较大的电子贡献，进而增强热电子耦合效应，从而降低热性能测定的准确性。

3. 结论

        本研究从理论和实验上证明了一种有效的时间分辨激光扫描光热显微镜作为精确测定半导体热性能的热电子去耦的替代方法。这种方法的优点在于三个方面：

• 扫描激发分别为热和电子贡献提供具有瞬态和稳态周期的时间分辨光热信号，因此我们可以识别热和电子部件之间瞬态的大时间尺度分离，这表明在热电去耦中具有独特的优势；
• 扫描激发中的稳态周期增强了热效应而不是电子效应，这是通过在样品和流体深处提供高峰值温度和稳定的温度场来实现的，而光生载流子由于高载流子复合率而仅集中在光注入点附近。因此，电子部件仅对热电耦合中可忽略不计的恒定背景负责；
• 扫描激发性质与对电子效应不敏感的特征相结合，允许对样品进行高效光热成像，以识别热缺陷。

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