GaSb薄膜及其超晶格结构的分子束外延生长与物性研究

摘要

中红外光谱范围的激光器、探测器在国防、医疗、通信等方面都具有广泛的应用。获得红外光的方式有多种，而目前研究最为热门的是以锑化物做半导体激光器发光有源区的方式。锑化物半导体材料在生长的过程中，晶格的失配、缺陷密度、应力等问题一直制约着锑化物材料的发展。基于以上背景，本论文研究了GaSb衬底上外延生长GaSb薄膜和InAs/GaSb超晶格结构的生长工艺及物性表征，针对外延层的掺杂、钝化以及超晶格结构的界面控制进行详细分析和表征。
　　采用分子束外延方式制备了GaSh薄膜，利用生长GaSb缓冲层的方式克服了表面较大的位错密度，减小了衬底吸附杂质和去氧化层时残留的较大粗糙度。研究了外延层的生长速率、Ⅴ/Ⅲ族束流比，源温等参数对GaSb薄膜晶体质量和光学特性的影响。确定了最佳的生长参数，利用X射线双晶衍射测得半峰宽小于30arcsec，说明生长薄膜和衬底层之间晶格失配非常小，实现了同质外延的目的。测得GaSb薄膜发光波长为1.99μm，半峰高宽仅为0.03eV，结果表明晶体发光质量较好。
　　在生长GaSb薄膜的基础上，对薄膜的掺杂进行分析和表征。实验中利用高温退火处理GaSh薄膜，增强了Sb原子的活性，降低Ga原子的反位缺陷和载流子浓度，减少了材料中的空位，提高了晶格的完整性。霍尔测试结果表明，利用不同的生长条件可以使GaSb薄膜呈现明显的P型导电和N型导电，空穴浓度和电子浓度都可以达到1018cm-3，可以实现器件的要求。
　　研究了飞秒激光照射材料表面和湿法钝化相结合的钝化方法，达到了使GaSb薄膜表面态降低的目的，并改善了发光特性。经过飞秒激光辐射后的样品，表面烧蚀形成了微结构。通过光谱测试得到:在室温下，样品的光荧光谱产生微小蓝移，约为14meV;在低温测试中，781emV峰位强度变大，所以利用此种钝化方式，可以改善GaSb材料表面的发光特性。
　　利用分子束外延生长InAs/GaSb超晶格结构，研究了生长中断法对超晶格界面结构的影响。实验中采用Sb和As浸渍的方法，形成InAsSb界面层，利用Sb和As的高效置换生长了高质量的InAs/GaSb超晶格。超晶格周期和厚度对晶体质量的影响进行了分析。研究发现，50个周期的对称超晶格结构，双晶衍射测得半峰宽为98arcsec，应力仅为0.43％;透射电镜测试表征缓冲层和衬底之间已经实现共格，超晶格没有产生失配，测得荧光谱集中在3.44μm，实现了中红外光谱的输出。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 锑化物中红外半导体激光器

1．2 锑化物半导体材料

1．2．1 GaSb材料的性质

1．2．2 InAs／GaSb超晶格

1．3 分子束外延生长技术

1．3．1 分子束外延生长

1．3．2 衬底的选择

1．3．3 国内外发展现状

1．4 半导体材料的钝化技术

1．5 本论文的主要研究内容

第二章 实验方法

2．1 分子束外延生长

2．1．1 分子束外延生长技术特点

2．1．2 分子束外延生长工艺过程

2．1．3 反射式高能电子衍射仪(RHEED)

2．2 材料的测试及表征方法

2．2．1 原子力显微镜技术(Atomic Force Microscope-AFM)

2．2．2 透射电子显微镜技术(Transmission Electron Microscope-TEM)

2．2．3 双晶X射线衍射谱测量技术(X-Ray Diffraction-XRD)

2．2．4 光致发光谱测量技术(photluminescence-PL)

2．5．5 材料的电学测试技术

2．3 本章小结

第三章 GaSb同质外延薄膜的生长及表征

3．1 GaSb同质外延薄膜的生长

3．2 影响薄膜同质外延生长的参数

3．2．1 生长速率

3．2．2 Ⅴ／Ⅲ束流比

3．3 RHEED观测GaSb薄膜生长

3．3．1 衬底温度对生长的影响

3．3．2 利用RHEED观测GaSb薄膜生长

3．4 GaSh外延薄膜的特性测试

3．4．1 GaSb表面形貌分析

3．4．2 GaSb薄膜的XRD光谱分析

3．4．3 GaSb薄膜的PL光谱分析

3．5 本章小结

第四章 GaSb薄膜的掺杂技术及钝化研究

4．1 霍尔原理及测试技术

4．2 GaSb薄膜层背景载流子浓度测试

4．3 GaSb薄膜的掺杂研究

4．3．1 生长AlGaAsSb缓冲层

4．3．2 p型和n型掺杂研究

4．4 GaSb薄膜的钝化技术

4．5 本章小结

第五章 InAs／GaSb超晶格材料的生长及测试表征

5．1 InAs／GaSb超晶格不同结构的生长

5．2 InAs／GaSb结构的界面控制

5．3 InAs／GaSb超晶格结构特性表征

5．4 InAs／GaSb超晶格光谱特性

5．5 InAs／GaSb超晶格TEM表征

5．6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士期间发表论文