摘 要

在半导体材料的器件应用中，载流子浓度和迁移率是衡量器件性能两个基本参数，对器件设计和性能优化至关重要。LO声子-等离子体耦合模的拉曼散射光谱可以用来确定GaAs中载流子浓度和迁移率。相对于其他测量方法而言，拉曼光谱测量具有非接触式、无损伤、准确率较高的优点，在半导体材料电学性质的测量上成为一种有效的手段。因此，研究半导体中LO声子-等离子体耦合模的拉曼散射对器件的设计和应用上有很大的实际意义。

为了研究GaAs半导体材料中LO声子-等离子体耦合模的特性，本文分析了GaAs中LO声子-等离子体激元耦合模的拉曼散射光谱的表达式，证明了耦合模的拉曼光谱在小阻尼条件下有两支耦合模，在大阻尼条件下有一支耦合模。本文通过数学方法解析出了GaAs中LO声子-等离子体耦合模的低阻尼和高阻尼条件，得到了耦合模的拉曼光谱刚好有一支耦合模时的阻尼解析式，并利用MATLAB仿真对解析式进行了验证。分析了等离子体振荡频率对LO声子-等离子体耦合模拉曼散射峰值频率、线宽和强度的影响，并用MATLAB进行曲线拟合。最后，本文基于GaAs半导体材料，根据解析出来的小阻尼条件，提出了一种基于LO声子—等离子体耦合模效应的可调谐的全光波长转换器。

关键词：GaAs；LO声子-等离子体耦合模；拉曼光谱；波长转换器

Abstract

In semiconductor device applications, carrier concentration and mobility are two basic parameters that characterize device performance and are critical to device design and performance optimization. Raman scattering spectra of LO phonon-plasmon coupling modes can be used to determine carrier concentration and mobility in GaAs. Compared with other measurement methods, Raman spectroscopy has the advantages of non-contact, non-damage, and high accuracy. It has become an effective method for measuring the electrical properties of semiconductor materials. Therefore, the study of the Raman scattering of the phonon-plasmonic coupled mode in semiconductors has great practical significance for the design and application of devices.

In order to study the characteristics of LO phonon-plasma coupling mode in GaAs semiconductor materials, the Raman scattering spectrum of LO phonon-plasmon coupling mode in GaAs is analyzed and the Raman spectrum of the coupled mode is proved. There are two coupled modes under small damping conditions and one coupled mode under large damping conditions. This paper analyzes the characteristics of LO phonon-plasmon coupled modes in GaAs under conditions of high damping and low damping. And the conditions of small damping and large damping are analyzed. Analyze the influence of carrier concentration on peak frequency, linewidth and strength of LO phonon-plasma coupled modes Raman scattering. And fit curve by using MATLAB. Finally, according to the parsed lightly damped condition,the paper is proposed a kind of all-optical tunable wavelength shifter based on L0 phonon-plasma coupled mode effect of GaAs semiconductor material.

Key Words：GaAs；LO phonon-plasma coupled modes；Raman spectra；all-optical tunable wavelength shifter

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文研究内容及章节安排 2

第2章 GaAs中LO声子-等离子体耦合模的拉曼散射 4

2.1 拉曼散射 4

2.2 LO声子-等离子体耦合模的拉曼散射 4

2.3 本章小结 8

第3章 等离子体振荡阻尼条件的解析 9

3.1 小阻尼和大阻尼条件的解析 9

3.2 阻尼条件的分析 15

3.3 本章小结 16

第4章 LO声子-等离子体耦合模拉曼散射的应用分析 18

4.1 测定样品载流子浓度 18

4.2 测定迁移率 19

4.3 基于LOPP拉曼散射的全光波长转换器 19

4.4 本章小结 22

第5章 总结与期望 23

参考文献 24

致谢 25

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

砷化镓（GaAs）是III-V族元素化合物，黑灰色固体，熔点1238℃。它在600℃以下，能稳定存于在空气中，并且不易被非氧化的酸侵蚀，是一种重要的化合物半导体材料。GaAs于1964年进入实用阶段，同硅、锗相比，砷化镓的电子迁移率和禁带宽度都比较大，用它制造的半导体器件具有较好的耐高温特性和频率特性，在制作高速数字电路、半导体激光器和微波器件方面得到重要应用。由于传送讯号的射频元件需要低杂讯、低功率消耗、工作频率高等特点，而GaAs本身具有光电特性与高速的特性，因此GaAs多用于高频通讯元件和光电元件。GaAs曾用来做成耿氏二极管、微波二极管和甘恩二极管以发射微波。此外，GaAs可以运用在卫星通讯、移动电话、雷达系统、微波点对点连线等地方。一种可批量生产砷化镓晶片的技术已经被美国研究人员研发出来，突破了成本上的瓶颈，从而使感光性能比硅更优良的砷化镓材料，有望大规模用于太阳能和半导体相关产业。因而砷化镓是一种很有发展前途的半导体材料。

在半导体材料的器件应用中，载流子浓度和迁移率是衡量器件性能两个基本参数，对器件设计和性能优化至关重要。因此获得这两种参数十分必要。目前，霍尔效应被广泛采用来得到半导体材料的载流子浓度和迁移率，但这种方法对材料形状有一定的要求，会破坏样品，同时耗时较长，测量繁琐。此外，红外光谱法通过测量半导体材料的红外反射谱，也可以得到半导体材料的载流子浓度等基本参量，这种方法对样品没有损害且测量速度快，但欠缺对载流子迁移率的光谱表征^[1]。电化学C_V法也是当前测量化合物半导体载流子浓度纵向分布的非常重要的方法之一，但是用电化学C_V法在测量有较大浓度梯度的外延样品的载流子浓度纵向分布时的误差较大^[2]。光致发光法可通过建立光致发光谱与载流子浓度的关系测量载流子的浓度和迁移率,这种方法虽然高效无损，但对于不同的材料，其跃迁过程较为复杂，依据简单的能级模型得到的测量结果往往存在很大误差^[3-4]。