銻化物紅外探測材料的MOCVD生長及光電性能研究.pdf

1、銻化物超晶格材料與傳統(tǒng)的紅外材料HgCdTe相比，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、帶隙調(diào)節(jié)簡單、隧穿電流小、應(yīng)變使輕重空穴帶能級分裂抑制俄歇復(fù)合等一系列優(yōu)點(diǎn)，是制作第三代半導(dǎo)體紅外探測焦平面陣列的優(yōu)選材料之一，已成為當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前此類超晶格通常使用分子束外延技術(shù)(MBE)生長，而利用金屬有機(jī)化合物氣相沉積技術(shù)(MOCVD)生長的報(bào)道比較少。由于MOCVD生長過程易于控制，操作方便，可以進(jìn)行批量生產(chǎn)降低材料制備成本。因此本論文圍繞中波紅外(

2、3-5μm)銻化物超晶格MOCVD生長這一主題展開研究，從材料生長優(yōu)化、光電性質(zhì)測試、單元器件制備等方面出發(fā)，主要內(nèi)容如下：
　　采用低溫成核，退火，高溫生長的“三步法”在GaAs襯底異質(zhì)外延GaSb緩沖層，原子力顯微鏡測試結(jié)果表明其表面粗糙度小于0.5 nm，雙晶XRD半高寬僅為172 arc sec。在此基礎(chǔ)上利用相對比較簡單的“交換界面”方法制備InAs/GaSb超晶格，利用高分辨X射線衍射、原子力顯微鏡進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析表征，然

3、后通過變溫拉曼光譜(77-357 K)得到InAs/GaSb超晶格LO模及GaAs-like界面模的溫度系數(shù)，分別為-0.01674 cm-1/K、-0.01552 cm-1/K。
　　由于InAs/GaSb超晶格MOCVD生長溫度為520℃，已經(jīng)非常接近InSb的熔點(diǎn)(535℃)，所以簡單的InSb界面設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足材料生長需要，需要設(shè)計(jì)新型界面結(jié)構(gòu)，對于InAs/GaSb超晶格MOCVD生長是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。另外由于組分層G

4、aSb中與Ga元素相關(guān)的一些缺陷導(dǎo)致超晶格少數(shù)載流子壽命非常短，嚴(yán)重限制探測器在高溫工作時(shí)的性能。為解決上述問題，研究不含Ga元素的InAs/InAsSb超晶格材料MOCVD生長，不僅可以解決InAs/GaSb超晶格材料少數(shù)載流子壽命短的問題而且其界面設(shè)計(jì)簡單，還可以簡化生長過程。采用MOCVD生長不同周期、不同Sb組分的InAs/InAsSb超晶格材料，采用高分辨X射線衍射、原子力顯微鏡、透射電子顯微鏡、光致發(fā)光及光響應(yīng)技術(shù)對材料進(jìn)行

5、分析表征。為進(jìn)一步提高材料質(zhì)量，研究生長溫度、退火溫度對材料晶體質(zhì)量及光電性質(zhì)的影響，得到500℃為InAs/InAsSb超晶格材料生長的最佳溫度，Sb組分隨生長溫度升高而降低。退火溫度550℃，時(shí)間30 min，可以大幅增強(qiáng)InAs/InAsSb超晶格材料的光響應(yīng)，但退火溫度繼續(xù)升高后可能會對材料界面造成破壞導(dǎo)致界面組分波動(dòng)且粗糙度增加使得材料光學(xué)性質(zhì)衰減。隨后研究生長超晶格組分層InAsSb時(shí)不同V/III比對超晶格Sb組分的影響，

6、隨著V/III的增加，Sb組分逐漸降低。
　　利用光致發(fā)光研究 InAs/InAsSb超晶格的光學(xué)性質(zhì)，擬合得出Varshni及Bose-Einstein參數(shù)，為后續(xù)探測器件設(shè)計(jì)提供參考。由于組分層厚度、Sb組分波動(dòng)及界面處缺陷、失序會產(chǎn)生局域中心，引發(fā)載流子局域現(xiàn)象。經(jīng)過詳細(xì)的光學(xué)性質(zhì)研究觀測到載流子局域現(xiàn)象且最大局域能處于4.9-6.3 meV。研究InAs/InAsSb超晶格的發(fā)光機(jī)制及發(fā)光淬滅機(jī)理，即低溫時(shí)束縛激子發(fā)光且激

7、子束縛能處于2.0-6.3 meV之間，與材料質(zhì)量密切相關(guān)；高溫時(shí)則是自由激子發(fā)光。對于發(fā)光淬滅機(jī)理則是低溫時(shí)束縛激子熱活化導(dǎo)致發(fā)光淬滅，活化能對應(yīng)激子束縛能；結(jié)合同時(shí)觀測到的高溫PL峰形不對稱，出現(xiàn)高能端拖尾現(xiàn)象，認(rèn)為高溫時(shí)發(fā)光淬滅的機(jī)理很有可能是由界面失序、缺陷或Sb團(tuán)簇引發(fā)的自由載流子熱復(fù)合，但對于高溫非輻射復(fù)合通道淬滅活化能目前還未能給予充分解釋。由于載流子局域效應(yīng)的存在會影響少數(shù)載流子壽命準(zhǔn)確測量，干擾后續(xù)紅外探測器的設(shè)計(jì)。當(dāng)