InAs/GaSbⅡ型超晶格红外探测材料的MOCVD生长特性研究

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaoyaozhu
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InAs/GaSb超晶格材料因具有特殊的错开型能带结构,使其在红外探测方面有着广泛的应用前景,是目前国际上该领域的研究热点。与传统的红外探测材料相比,InAs/GaSb超晶格材料同时具有大面积均匀性好、响应波段范围宽、隧穿电流小、俄歇复合率低、吸收系数高等优点,是制作大面积焦平面红外光电探测器的理想材料。目前该类超晶格材料大多用MBE生长,MOCVD生长的报道比较少,而众所周知,MOCVD生长在大面积高产量方面具有一定优势,因而本论文开展了InAs/GaSbⅡ型超晶格材料的MOCVD生长特性的研究,内容主要集中在界面设计、材料制备、测试分析方面,取得了以下重要成果:  1.针对MOCVD生长温度高的特性,提出了新型混合界面,明显提高了材料质量。MBE生长InAs/GaSbⅡ型超晶格取得成功的关键是引入InSb-like界面实现了超晶格租GaSb衬底的应变补偿,但是InSb-like界而在MOCVD较高生长温度下不稳定,使样品形成很多纳米孔洞,结晶质量严重下降,本文提出在InAs和GaSb之间引入一个As和Sb的阴离子混合平面,既能适应MOCVD的生长环境,又起到应变补偿的作用,有效改善样品的表面形貌和结晶质量。  2.研究了超晶格生长的温度特性,发现与MOCVD生长GaAs时宽的温度窗口不同,InAs/GaSbⅡ型超晶格的MOCVD生长温度窗口非常窄,仅仅20℃的偏差对材料质量影响就非常大,具体地,在我们的MOCVD生长系统中,超晶格的最佳生长温度是520℃,降低20℃不利于GaSb层的结晶,造成了超晶格中存在较多的缺陷,而升高20℃会加大超晶格界面中的As含量,不利于对超晶格进行应变补偿,两种情况都会造成超晶格和GaSb衬底之间存在较大的晶格失配。  3.提出了新的界面控制方式形成三元合金界面,使超晶格质量明显提高。具体地,采用常规生长三元合金的方法,即按比例同时引入As和Sb源的方法,生长出的超晶格样品表现出界面组分不均匀,造成超晶格与GaSb衬底晶格失配达-0.4%,我们通过优化,采用As原子和Sb原子在生长表面置换的方式,得到了组分均匀的界面和高质量的InAs/GaSb超晶格样品,晶格失配减小到+0.18%。  4.在晶格大失配GaAs衬底上生长出InAs/GaSb超晶格,首先必须外延高质量的GaSb缓冲层,本文在文献上两步法的基础上,引入短暂的高温退火,有效的提高了缓冲层的质量,获得的材料质量接近晶格匹配的GaSb衬底的结果。采用了半绝缘GaAs衬底,详细研究了样品的输运特性,变温Hall测试表明在特定温度Tc处样品的导电类型发生转变,低温表现为p型,高温表现为n型特征,超晶格中InAs层越厚,导电类型的转变温度Tc越低。对电导率-温度关系拟合得到空穴激活能和电子激活能,发现空穴位于浅受主能级,而电子位于深能级,证实了理论预言。对迁移率与温度的关系进行数值拟合,发现样品中除了存在声子散射和离化杂质散射外,还存在界面粗糙度散射。最后,GaAs上外延的超晶格样品室温电子迁移率可达9200cm2/V.s(260K),与文献报道的MBE生长的类似结构样品的迁移率非常接近。  5.生长了不同InAs和GaSb层厚的超晶格样品,实现了2-5μm中红外波段的室温吸收,吸收系数达到2000-3000cm-1,基本达到文献报道MBE生长的同波段超晶格的水平。
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