Ⅲ-Ⅴ族非晶態(tài)探測器材料研究.pdf

1、III-V族晶體半導(dǎo)體材料由于其穩(wěn)定性好，高吸收系數(shù)、高遷移率，可望在室溫工作等特點已引起人們廣泛注意。與晶體III-V族半導(dǎo)體相比，非晶態(tài)半導(dǎo)體材料具有成本低、制備工藝簡單的優(yōu)點。III-V族非晶半導(dǎo)體仍具有半導(dǎo)體特性，有望應(yīng)用于探測器(適用波段1～3μm)以及其它光電器件。但是目前國內(nèi)外還缺乏III-V族非晶態(tài)材料全面和詳盡的研究。本文圍繞非晶(a-)InxGa1-xAs(O≤x≤1)薄膜和a-InSb薄膜的制備、表征、退火和氫鈍化

2、四個方面開展工作。 (一)III-V族非晶薄膜的制備工藝 在玻璃和單晶硅襯底上，我們利用磁控濺射方法制備了III-V族非晶薄膜。通過材料的生長機(jī)理和動力學(xué)研究，分析了工藝參數(shù)對結(jié)構(gòu)的影響。減小功率、降低襯底溫度或增加工作氣壓可以減小濺射粒子的能量，制備出非晶薄膜。通過大量的實驗，我們確定了a-InxGa1-xAs薄膜和a-InSb薄膜的生長窗口。 1、a-GaAs薄膜制備工藝條件：在室溫條件下，濺射功率(Prf)

3、為40-100W，工作氣壓(Pw)為0.5-8 Pa。 2、對于制備a-InAs薄膜，在Prf一定時，不同的襯底溫度Ts存在不同的門檻氣壓使制備樣品結(jié)構(gòu)從多晶態(tài)向非晶態(tài)轉(zhuǎn)變，并且隨Ts增加，門檻氣壓也隨之增加。 3、通過調(diào)整InAs靶和GaAs靶的功率，可以制備出a-InGaAs薄膜。 4、在室溫條件下，Prf為50W，Pw為3 Pa以上時，制備InSb薄膜為非晶結(jié)構(gòu)。 (二)III-V族非晶薄膜的結(jié)構(gòu)、

4、組分、形貌和光電性質(zhì)表征 采用X射線衍射儀、透射電鏡、X射線能譜儀、原子力顯微鏡、掃描電鏡等手段對III-V族非晶薄膜的結(jié)構(gòu)、組分和表面特性進(jìn)行了表征，分析了工藝參數(shù)對結(jié)構(gòu)、組分和形貌的影響，我們已獲得了表面形貌很好、符合化學(xué)計量比的a-InxGa1-xAs和a-InSb薄膜。并且由X射線衍射結(jié)果計算出徑向分布函數(shù)和雙體相關(guān)函數(shù)，獲得了a-InxGa1-xAs薄膜的微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。a-GaAs和a-InAs薄膜的最近鄰原子的配位數(shù)

5、小于4，說明含有一定的錯鍵。a-InGaAs薄膜的徑向分布函數(shù)第一近鄰峰分裂成位于2.58A和2.7A的兩個峰，分別對應(yīng)Ga-As鍵和In-As鍵的鍵長，并且隨In成分的增加，位于2.58A處的峰的相對峰高變小，而2.7A處的峰的相對峰高變大。 我們利用分光光度計和橢圓偏振光譜儀分析了a-InxGa1-xAs和a-InSb薄膜的光學(xué)性質(zhì)。工藝參數(shù)直接影響光學(xué)帶隙的變化，隨Pw的增加或Prf減小，導(dǎo)帶帶尾和價帶帶尾的缺陷態(tài)減小，光

6、學(xué)帶隙相應(yīng)增加。實現(xiàn)a-InxGa1-xAs薄膜的光學(xué)帶隙變化范圍為0.72eV-1.77 eV；a-InSb的光學(xué)帶隙在0.462-0.61eV之間。實驗中發(fā)現(xiàn)，在一定條件下制備InGaAs薄膜的光學(xué)帶隙與In含量的關(guān)系不確定。通過橢圓偏振光譜獲得了薄膜光學(xué)常數(shù)，發(fā)現(xiàn)非晶、多晶和單晶薄膜的橢圓偏振光譜表現(xiàn)出巨大的差異。 采用Hall系統(tǒng)進(jìn)行了非晶薄膜的電學(xué)特性分析，薄膜的無序化程度越高，電阻率越大、載流子濃度越小。 對

7、a-InxGa1-xAs薄膜和a-InSb薄膜的光敏特性進(jìn)行了分析。實驗制備的a-InGaAs、a-InSb薄膜在光照下具有明顯的光敏特性。在a-GaAs和a-InSb薄膜中，光敏隨氣壓的增加而增加。然而對于a-InAs薄膜，符合化學(xué)計量比時光敏最大，但是要比a-GaAs、a-InGaAs和a-InSb薄膜光敏小。 (三)III-V族非晶薄膜的退火研究 對a-InxGa1-xAs薄膜進(jìn)行了退火實驗，晶化溫度約為300℃。

8、在晶化溫度以下退火，可以減少帶尾中的缺陷以及增加應(yīng)變鍵的馳豫，由此導(dǎo)致光學(xué)帶隙增加。隨退火溫度增加而出現(xiàn)結(jié)晶相，光學(xué)帶隙減小。并且由于多晶相和非晶相的交界面上，形變鍵和懸掛鍵數(shù)目增加，帶尾寬度增加。對a-GaAs:H薄膜進(jìn)行了退火實驗，發(fā)生氫的釋放，光敏下降。 (四)a-InxGa1-xAs薄膜的摻氫研究 實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，濺射過程中加H2對a-InxGa1-xAs薄膜有鈍化作用，減少了帶尾和帶隙中的態(tài)密度，導(dǎo)致吸收邊藍(lán)移、光電