PbTe/CdTe材料的外延生长及物理特性的研究

摘要

PbTe为Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体中的一员，具有直接跃迁和窄禁带等属性，室温带边发光位于中红外区域。与Ⅲ-Ⅴ族窄禁带半导体相比，具有重空穴缺失和较低的俄歇复合率等特点，因而在中红外光电子器件中有诸多应用。同时，PbTe具有天然较低的热导率和较大的赛贝克系数，使其在废热循环回收利用的热电领域扮演重要角色。CdTe/PbTe异质结构是研究PbTe光电及热电性质的一个重要材料体系，这源于二者具有共同的阴离子(Te）、相近的晶格常数、迥异的晶格结构(PbTe:NaCl结构;CdTe:闪锌矿结构)及较大的禁带宽度差异等独特的物理性质。
　　在详细研究了PbTe及CdTe薄膜的外延生长后，本论文聚焦在PbTe薄膜本征缺陷相关的缺陷能级上，并对CdTe/PbTe(111)异质体系的光学和电学性质进行了深入的探索。取得了以下创新性研究成果:
　　1.利用扫描电子显微镜(SEM)研究PbTe(111)外延薄膜表面出现的规则缺陷。实验中发现了Te/PbTe束流比Rf为0.5、衬底温度T＞235℃和Rf＞0.4、T=280℃时，富Te的PbTe薄膜表面出现规则的长方体和三角锥状缺陷结构。这些规则缺陷源于PbTe较低能量的{100}面的生长速度较{111}高能面快，系统倾向于{100}面的生长来降低表面能;由于PbTe的岩盐结构，因而导致其表面出现了规则的类立方体结构和三角锥型结构。规则缺陷的形成需要一定的衬底温度和富Te环境。当降低Rf使得薄膜富Pb，源于沿PbTe<110>{100}主滑移系统不充分的线位错滑移将导致三角坑的出现。
　　2.采用分子束外延(MBE)方法在BaF2衬底上直接外延生长了CdTe(111)薄膜。反射高能电子衍射(RHEED)原位监控生长表面，衍射图样揭示了CdTe(111)在BaF2表面由二维生长向三维生长的变化过程。XRD表征验证了外延生长的CdTe薄膜的单晶性质。结合红外透射光谱测量和理论拟合，得到了CdTe外延薄膜室温带隙宽度Eg=1.511 eV。
　　3.采用分子束外延的方法在新解理的BaF2单晶(111)表面生长了PbTe外延薄膜，并用步进扫描傅里叶变换红外调制反射光谱(SS-FTIR-PR)和调制光致发光光谱(PL)，在77 K温度下表征PbTe单晶薄膜禁带边附近的光学跃迁。发现本征缺陷能级在电子能带结构中属于共振态的性质:Te空位能级位于导带极小值(CBM)以上29.1 meV，另一个缺陷VX的能级位于价带极大值(VBM)以下约18.1 meV处。VX是否与Pb空位有关尚不清楚，VX也可能由位错线核心处的缺陷引起。本实验的结果支持了Parada和Pratt的理论预期，并与G.Bauer和H.Burkhard的实验结果相符。
　　4.拉曼散射实验明确地观察到，形成CdTe/PbTe(111)极性异质节界面能够有效阻挡PbTe层的声子发射。这种独特的声子屏蔽效应可以由CdTe/PbTe(111)极性异质界面处高浓度的二维电子气(2DEG)来解释。这为新型热电器件的设计和制作做了很好的铺垫。
　　5.对CdTe/PbTe(111)这种新颖异质结的界面原子排布进行了高分辨率TEM表征，并研究了该极性异质界面处形成的2DEG的电输运性质。与已知的传统2DEG系不同，CdTe/PbTe(111)界面处成键方式的失配提供了一种完全不同的2DEG形成机制。我们在磁阻Rxx和霍尔磁阻Rxy中均观察到了量子振荡，并在分析量子振荡时候发现了π贝里相位的证据，这表明界面处的2D电子系统具有狄拉克电子系统的性质。我们的实验结果表明CdTe/PbTe(111)异质结可能是拓扑晶体绝缘体(TCI)中的一员。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 PbTe的基本物理性质

1．2．1 PbTe的晶体结构及成键方式

1．2．2 PbTe的能带结构

1．2．3 PbTe的禁带宽度Eg及其随温度变化的关系

1．2．4 PbTe的带边有效质量m*

1．2．5 PbTe的光学性质

1．2．6．PbTe的热电性质

1．3 CdTe的基本物理性质

1．3．1 CdTe的晶体结构和成键方式

1．3．2 CdTe的能带结构

1．3．3 CdTe的禁带宽度Eg及其随温度的变化

1．3．4 CdTe的带边有效质量m*

1．3．5 CdTe半导体材料的应用

1．4 CdTe／PbTe材料及其异质结构体系的研究

1．5 本论文的研究工作

第二章 实验设备及表征技术原理介绍

2．1．分子柬外延(MBE)

2．2 拉曼散射光谱简介

2．3 调制反射光谱(PR)

2．3．1 传统PR技术

2．3．2 基于步进扫描FTIR谱仪的PR技术

2．3．3 PR光谱曲线拟合分析

2．4 磁输运性质的测量原理

2．4．1 电阻率和霍尔系数测量方法

2．4．2 半导体材料的迁移率测量

2．4．3 多次测量消除实验误差

2．4．4 范德堡法测试中常见的样品形状及优劣

2．4．5 电极线度和位置对溯量结果的影响

2．5 2DEG的Shubnikov de Hass(SdH)振荡和量子霍尔效应(QHE)

2．5．1 SdH振荡

2．5．2 2DEG的量子霍尔效应(QHE)

第三章 CdTe和PbTe材料的外延生长及薄膜物理性质

3．1 引言

3．2 PbTe外延薄膜表面的规则缺陷

3．2．1 实验

3．2．2 结果与讨论

3．2．3 结论

3．3 分子束外延生长[111]晶向CdTe的研究

3．3．1 实验

3．3．2 结果与讨论

3．3．3 结论

第四章 IR-PR技术研究PbTe的本征缺陷

4．1 引言

4．2 实验

4．3 结果与讨论

4．4 结论

第五章 CdTe／PbTe(111)极性异质界面处二维电子气的声子屏蔽效应

5．1 引言

5．2 实验

5．3 结果与讨论

5．4 结论

第六章 CdTe／PbTe(111)界面2DEG的量子振荡

6．1 引言

6．2 实验

6．3 结果和讨论

6．4 结论

第七章 总结与展望

7．1 论文工作总结

7．2 今后工作展望

参考文献

博士期间的研究成果