InAs/GaSb应变超晶格材料的结构与性能

摘要

InAs/Ga(In)SbⅡ型超晶格材料由于其特殊的能带结构,使其在长波红外(LWIR)和(超长波红外)VLWIR方面有着广阔的应用前景,有望成为替代HgCdTe的首选材料。且对于InAs/Ga(In)SbⅡ型超晶格材料而言，界面对材料的影响已经成为研究热点。
　　本论文首先开展了在GaAs(100)衬底上MBE外延InAs/GaSb超晶格材料的工艺技术研究。得出InAs/GaSb应变超晶格材料的较佳生长工艺为：GaAs缓冲层生长温度600℃，GaSb缓冲层生长温度520℃，InAs/GaSb超晶格薄膜生长温度400℃；As/In束流比为4.5，Sb/Ga束流比为6。在此基础上外延生长了设计结构分别为：{InAs(17ML)/InSb(0.5ML)/GaSb(13ML)}×30、{InAs(17ML)/InSb(1.0ML)/GaSb(13 ML)}×30、{InAs(8ML)/InSb(0.2ML)/GaSb(8ML)}×30的1＃、2#及3#试验样品。
　　通过对材料进行双晶X射线对称衍射，分析了材料的周期厚度、缺陷密度、垂直应变等。数据显示，当InSb层为1.0ML时，材料的结构质量最好。而3#样品比1#样品的结构质量要好，说明InSb层对短周期样品的结构质量影响较大。通过对材料进行非对称双晶X射线衍射分析，说明材料的类InSb层在0.2ML～1.0ML范围内，对材料的垂直应变影响不大，主要影响材料的平行应变。
　　通过对材料进行原子力显微镜(AFM)的测试和分析，给出1#、2#和3#样品的均方根粗糙度分别为2.215nm、1.230nm和1.216nm。说明了类 InSb层为1.0ML时对材料的表面质量改善明显，且类InSb层对短周期超晶格材料的影响比长周期的要大，对表面质量的改善更加明显。
　　通过对材料进行光致发光(PL)谱、傅里叶变换红外(FTIR)光谱的测试，分析了超晶格材料的红外吸收特性和光致发光特性。研究发现，红外吸收峰应来源于超晶格能带结构中Ec1-EHH1、Ec1-ELH1、Ec1-EHH2能级的电子跃迁吸收；光致发光峰应来源于超晶格能带结构中Ec1-EHH1能级间的电子-空穴的复合发光。短周期的超晶格材料有发光，而长周期超晶格没有观察到明显发光，说明周期厚度减小有利于抑制俄歇复合，进而有利于发光性能的提高。
　　通过霍尔效应(HALL)测试，研究发现2#样品70k时霍尔迁移率为21003cm2/v·s,远高于其它样品的霍尔迁移率。我们推断其主要原因是超晶格界面中形成了类InSb能带结构，使电子的迁移率大幅增大，而使空穴迁移率减小，从而导致材料的霍尔迁移率有大幅提高。
　　上述研究表明，界面结构对超晶格结构质量和表面形貌及光、电特性都有很大的影响。研究发现，在超晶格生长过程中可以通过调整界面生长工艺，控制界面结构来调节超晶格中的应变量，从而提高材料的质量和性能。

目录

InAs/GaSb应变超晶格材料的结构与性能

STRUCTURE AND PROPERTIES OF InAs/GaSb STRAIN SUPERLATTICE MATERIALS

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 红外探测器

1.2 超晶格材料

1.3 InAs/Ga(In)Sb超晶格红外探测器研究现状

1.4 本论文主要研究内容

第2章 探测用InAs/Ga(In)Sb超晶格设计上 有关问题分析

2.1 InAs/Ga(In)Sb超晶格材料的基本参数

2.2 InAs/GaSb材料的能带结构

2.3 影响InAs/Ga(In)Sb超晶格材料能带状况的主要因素

2.4 本章小结

第3章 材料的制备与分析技术

3.1 材料的制备技术

3.1.1 样品生长所用设备

3.1.2 样品生长过程中原位监控(RHEED)

3.1.3 MBE生长机制

3.2 样品的生长过程

3.2.1 衬底材料的选择与预处理

3.2.2 GaAs的生长

3.2.3 GaSb缓冲层的生长

3.2.4 InAs/GaSb超晶格材料的生长

3.3 与材料有关的分析技术

3.3.1 高分辨X射线衍射(HRXRD)

3.3.2 原子力显微镜(AFM)

3.3.3 光致发光谱(PL谱)

3.3.4 傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)

3.3.5 霍尔效应(HALL)测试

3.4 本章小结

第4章 材料的结构质量分析

4. 1 影响结构质量的因素

4.2 高分辨X射线衍射分析

4.2.1 对称衍射和非对称衍射

4.2.2 应变超晶格材料的X射线双晶衍射测定

4.2.3 数据计算方程

4.2.4 测试结果及分析

4.3 AFM表面形貌表征

4.4 本章小结

5.1 光学性能分析

5.1.1 半导体光吸收和发光过程

5.1.2 红外吸收谱测试与分析

5.1.3 光致发光(PL)谱测试与分析

5.2 电学性能分析

5.2.1不同温度下霍尔系数的绝对值与磁场的关系

5.2.2 载流子浓度和载流子迁移率与温度的关系

5.3 本章小结

结论

参考文献

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致谢