锑化物超晶格材料缺陷与光电特性研究

发布时间：2020-10-24 23:16

　　 InAs/GaSb Ⅱ类超晶格在红外探测器制备方面有着诸多的理论优势,是现在国际上公认的第三代红外焦平面优选材料体系之一。目前主流的InAs/GaSb Ⅱ类超晶格探测材料通常生长在GaSb衬底,并且经过十几年的探索研究,InAs/GaSb Ⅱ类超晶格探测技术取得了长足的发展,当前报道的超晶格探测器件性能已经与碲镉汞探测器件相当。国际上的许多研究机构已经实现了多种类型的超晶格焦平面器件,涵盖了短波、中、长波、甚长波、双色、多色以及高温、大规模等等,相关器件开始工程应用和产品制造,超晶格探测技术已成为新一代红外探测技术的重要发展方向。不过,尽管超晶格的理论性能要比碲镉汞高一个数量级,然而由于InAs/GaSb Ⅱ类超晶格面临因其生长温度低及晶格失配大而导致表面原子扩散系数小、扩散长度短、缺陷密度高、缺陷辅助隧穿电流高及少子寿命短等科学和技术问题,使得其性能与理论预期仍旧有一定差距。因此,为了不断提高超晶格探测器件性能,获得理论预期性能的超晶格探测器件,近年中科院上海技术物理研究所的超晶格研究团队开始探索利用MBE技术在InAs衬底进行InAs/Ga(As)Sb Ⅱ类超晶格的生长研究。InAs/Ga(As)Sb Ⅱ类超晶格可以实现更高的生长温度,理论上更容易获得低缺陷的超晶格外延层。更为重要的是,对于InAs/Ga(As)Sb Ⅱ类超晶格,可以通过调节Ga(As)Sb中As的含量来调节外延超晶格层与衬底之间的失配,无需插入特定的界面层。并且,随着红外探测器往长波、甚长波发展,超晶格中InAs层厚度相应增加,在InAs衬底上生长超晶格则无需考虑由于InAs厚度增加而导致外延层与衬底之间的应变,因此,利用MBE技术进行InAs/Ga(As)Sb Ⅱ类超晶格的生长,理论上可以实现更加高质量的超晶格外延材料,对于超晶格红外探测技术的进一步发展和技术应用具有重要的现实意义。鉴于此,本论文着重对InAs/Ga(As)Sb Ⅱ类超晶格材料缺陷和光电特性进行了一系列深入研究。并且,论文还对新型超晶格雪崩光电探测器进行了探索性研究。具体研究内容和进展如下:1.InAs和GaSb体材料的缺陷特性研究。通过湿法化学腐蚀液组分以及配比的优化,清晰揭示了InAs和GaSb体材料(100)晶面的腐蚀坑形貌,其腐蚀坑密度都在10~4量级。通过透射光谱测试,并对吸收系数随波长变化进行拟合分析,结果表明n型InAs衬底中自由电子对红外辐射的吸收以电离杂质散射机制为主。对不同厚度的InAs衬底进行透射率测试,表明随着厚度的减薄,透过率增加。当厚度减薄到200μm左右时,由于衬底和空气层之间形成了法布里-珀罗谐振腔,导致透过率随波长变化产生了震荡效应。通过变温透射光谱的测试,表明温度的升高对InAs红外吸收的影响不大。2.InAs/Ga(As)Sb Ⅱ类超晶格材料光致发光特性研究。通过变温PL谱的测试与分析发现,在整个温度区间,相似发光峰值波长的新型InAs/Ga(As)Sb超晶格材料的半高全宽(FWHM)都比InAs/GaSb超晶格材料的窄并且随温度上升宽化速率更慢。另外,尽管随温度上升,FWHM变宽,所有材料的半峰宽都依然由非均匀部分占主导,即主要与超晶格的势阱宽度变化、内部杂质和界面粗糙度等因素有关。对PL积分强度随温度变化进行拟合分析,表明InAs/Ga(As)Sb和InAs/GaSb Ⅱ类超晶格的发光峰积分强度都符合双通道非辐射复合模型,拟合结果表明,相同波段新型InAs/Ga(As)Sb超晶格材料缺陷相关的非辐射复合通道对PL强度猝灭的贡献有所降低,表明该新型超晶格材料缺陷浓度有所降低。3.InAs/Ga(As)Sb超晶格单元器件湿法腐蚀工艺研究。对InAs、GaSb二元化合物以及新型InAs/Ga(As)Sb Ⅱ类超晶格材料的湿法腐蚀进行了系统研究,对腐蚀工艺进行了优化。利用优化腐蚀工艺得到了InAs/Ga(As)Sb超晶格材料光滑的腐蚀表面和陡直的侧壁,表面粗糙度仅为1 nm,并制备了长波InAs/Ga(As)Sb超晶格单元器件,在81 K下,50%截止波长为12μm,峰值电流响应率为1.6A/W,对应的峰值量子效率(QE)为38%,暗电流密度为5.7×10~-33 A/cm~2,表面电阻率为4.4×10~3Ωcm,相较于优化前提高了八倍。实验结果表明磷酸系腐蚀液可以获得低表面漏电的长波InAs/Ga(As)Sb Ⅱ类超晶格红外探测器。4.InAs/GaSb超晶格红外雪崩光电探测器的探索性研究。介绍了雪崩光电探测器(APD)的特点、应用以及制备中红外APD的困难并阐述了InAs/GaSb超晶格APD的研究现状和用以制备中红外APD的理论优势。最后利用磷酸系湿法腐蚀工艺制备了超晶格APD单元器件,经过I-V测试发现在偏压为-11 V左右,增益达到120;通过噪声频谱的测试拟合,提取出白噪声,计算获得在偏压为-5 V的时候,过剩噪声因子F=2.2。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB34
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 红外辐射
    1.2 红外探测器
    1.3 InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外探测器
        1.3.1 InAs/GaSb Ⅱ类超晶格探测器原理及优势
        1.3.2 InAs/GaSb Ⅱ类超晶格探测器发展现状
    1.4 InAs/Ga（As）Sb Ⅱ类超晶格红外探测器
    1.5 本论文的研究目的和内容构成
第二章 InAs/Ga（As）Sb Ⅱ类超晶格材料生长及实验方法
    2.1 分子束外延技术
    2.2 MBE生长过程及其特点
    2.3 InAs/Ga（As）Sb Ⅱ类超晶格材料生长
    2.4 材料表征方法
        2.4.1 光学干涉显微镜
        2.4.2 原子力显微镜
        2.4.3 扫描电子显微镜
        2.4.4 X射线衍射仪
        2.4.5 红外透射光谱测试系统
        2.4.6 霍尔测试
    2.5 单元器件测试与表征
        2.5.1 相对响应光谱测试
        2.5.2 I-V测试
        2.5.3 黑体探测率测试
    2.6 本章小结
第三章 InAs和GaSb体材料缺陷特性研究
    3.1 缺陷类型以及对器件性能的影响
    3.2 InAs和GaSb体材料位错腐蚀坑特性
        3.2.1 GaSb体材料位错腐蚀坑研究
        3.2.2 InAs体材料位错腐蚀坑研究
        3.2.3 InAs/GaSb超晶格位错腐蚀坑研究
    3.3 InAs体材料电学和光学特性
        3.3.1 InAs衬底霍尔测试
        3.3.2 InAs衬底透射光谱测试与分析
    3.4 本章小结
第四章 InAs/Ga（As）Sb Ⅱ类超晶格材料光致发光特性研究
    4.1 红外光致发光谱方法和理论
        4.1.1 光致发光谱测试原理
        4.1.2 基于傅里叶变换红外光谱仪的红外PL光谱方法
        4.1.3 光致发光谱拟合分析
    4.2 超晶格材料红外光致发光性质
        4.2.1 材料的结构与表征
        4.2.2 超晶格变温PL谱研究
    4.3 本章小结
第五章 InAs/Ga（As）Sb Ⅱ类超晶格单元器件湿法腐蚀研究
    5.1 单元器件流片工艺
    5.2 表面氧化研究
    5.3 湿法腐蚀液研究
        5.3.1 InAs体材料表面湿法腐蚀
        5.3.2 GaSb体材料表面湿法腐蚀
        5.3.3 InAs/Ga（As）Sb Ⅱ类超晶格表面湿法腐蚀
    5.4 长波InAs/Ga（As）Sb Ⅱ类超晶格单元器件制备及特性
        5.4.1 材料结构
        5.4.2 材料表征
        5.4.3 单元器件制备以及测试分析
        5.4.4 变温I-V测试分析
        5.4.5 暗电流拟合分析
    5.5 本章小结
第六章 超晶格中红外雪崩光电探测器
    6.1 雪崩光电探测器介绍
    6.2 InAs/GaSb超晶格雪崩光电探测器
        6.2.1 InAs/GaSb超晶格雪崩光电探测器研究现状
        6.2.2 InAs/GaSb超晶格雪崩光电探测器结构以及制备
        6.2.3 I-V测试与分析
        6.2.4 噪声测试与分析
    6.3 本章小结
第七章 总结与展望
    7.1 总结
    7.2 展望
参考文献
致谢
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果

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本文编号：2855112