红外调制光谱研究Ⅲ-Ⅴ族窄禁带锑化物与稀铋半导体电子能带结构

发布时间：2020-11-11 23:04

　　 光致发光(Photoluminescence,PL)和光调制反射(Photoreflectance,PR)光谱具有无损、简便和高灵敏度等优点,在半导体电子结构和光学性质研究中得到广泛应用。基于步进扫描傅立叶变换红外(Fourier transform infrared,FTIR)光谱仪的红外调制PL和PR技术充分利用FTIR光谱仪的优势,克服热辐射背景干扰和探测器效率低的困难,将光谱测量范围拓展至20μm的中红外波段。III-V族窄禁带锑(Antimony,Sb)化物半导体易于生长、缺陷密度低、大面积均匀性好,被认为是继碲镉汞(Hg1-xCdxTe,MCT)之后的重要红外光电功能材料;广受关注的稀铋(Bismuth,Bi)半导体具有Bi致禁带宽度收缩系数大、带隙温度敏感度低、电子特性受影响小等优势,有望在红外光电器件应用中发挥重要作用。Sb化物和稀Bi半导体的电子能带图像和光学性能受到杂质/缺陷、低维界面等因素的影响,为提高/优化光电器件的性能,很有必要深入理解Sb化物和稀Bi半导体电子结构与材料条件的联系。本工作采用基于FTIR光谱仪的变条件红外调制PL和/或PR光谱技术分别对III-V族窄禁带Sb化物的代表材料(In Sb薄膜、In As/Ga Sb超晶格和In Ga Sb/In As/Al Sb量子阱)和Ga Sb(Bi)单量子阱的电子能带结构和载流子跃迁特性展开系统的研究。此外还开展In PBi和Ga As(Sb)/In As反量子点PL光谱的初步探索。具体内容包括以下三方面:1.利用变条件红外PL和/或PR光谱方法研究In Sb薄膜、类In Sb界面In As/Ga Sb超晶格和不同界面类型In Ga Sb/In As/Al Sb量子阱的电子能带结构和载流子特性。我们利用变温PR确认了In Sb薄膜的近带边束缚态和共振态的电子能级位置。在此基础上利用变温/变激发PL开展对类In Sb界面In As/Ga Sb超晶格退火温度效应的研究,建立退火温度导致界面原子互扩散的唯像模型并阐明界面互混同载流子非辐射复合的内在联系。最后利用磁光-PL对类In Sb和类Ga As界面In Ga Sb/In As/Al Sb量子阱的载流子跃迁特性进行研究,发现类In Sb界面电子能级的构型使得量子阱的非局域态同时存在II类和I类的载流子PL跃迁。2.基于变条件红外调制光谱研究Ga Sb(Bi)/Al Ga Sb单量子阱的Bi掺入对界面结构、带边电子能级以及俄歇复合等的影响。结果表明:360和380?C生长的Ga Sb Bi量子阱界面均出现类台阶结构,其中前者的晶格无序度增大,Bi的有效掺入量可忽略;后者的Bi等电位掺入V族位,导致等效禁带收缩。Ga Sb Bi量子阱激子特性的变化来自于Bi掺入和晶格无序的共同作用。另外PR光谱表明Ga Sb(Bi)的导带底下降和价带顶上升均对Bi致带隙收缩有贡献,其中导带底下降约占带隙收缩的(29±6)%。这说明尽管价带反交叉(band anticrossing,BAC)效应仍是Bi致带隙收缩的主要原因,但导带底的下降不可忽略。此外,Ga Sb Bi量子阱的Bi致俄歇复合抑制效应也得到变温/变激发PL光谱的检验。3.初步开展In P1-xBix和Ga As(Sb)/In As反量子点红外PL光谱的探索。我们在0.5-1.2 e V范围观察到In PBi的禁带下PL特征。PL特征的能量对Bi组分和晶格温度均具有很强的非敏感性。通过初步分析,In PBi的PL特征可能来自于P反位(PIn)施主能级到Bi团簇不同构型受主能级的跃迁,或者与Bi3+的III位占据有关。在Si掺杂的Ga As(Sb)/In As反量子点中发现能量约0.45 e V的PL特征。该特征的变温演化表明将其本质可能为压应变In As区域的禁带跃迁。Si掺杂导致的电子注入使得该特征增强从而在PL谱中显现。
【学位单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN304.23
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
第一章 绪论
    §1.1 红外光电应用与窄禁带半导体
    §1.2 窄禁带III-V族Sb化物的工程价值
    §1.3 稀Bi半导体的发展现状
    §1.4 红外光致发光 （PL） 和光调制反射 （PR） 光谱基本背景
    §1.5 本论文的主要研究内容
第二章 半导体体光谱学相关理论基础
    §2.1 半导体的光学跃迁
        2.1.1 量子力学描述
        2.1.2 带间跃迁PL线型
        2.1.3 PL的洛伦兹-高斯线型
        2.1.4 PR调制机制
        2.1.5 PR的洛伦兹导数线型
    §2.2 低维半导体能带结构
        2.2.1 I类和II类能带结构
        2.2.2 带阶的模型-固体理论
        2.2.3 能带的包络函数近似和k·p近似
    §2.3 本章小结
第三章 红外调调制光谱技术原理和方法
    §3.1 傅立叶变换红外 （FTIR） 光谱仪
        3.1.1 构造与工作原理
        3.1.2 性能优势
    §3.2 基于FTIR光谱仪的红外PL和PR光谱方法
        3.2.1 FTIR-PL方法
        3.2.2 FTIR-PR方法
    §3.3 变条件光谱测试
    §3.4 本章小结
第四章 红外调调制光谱研究III-V族族窄禁带锑化物电子结构和界面特性
    §4.1 变温红外PR研究In Sb薄膜带边电子结构
        4.1.1 PR光谱信号真实性检验
        4.1.2 PR光谱特征能量温度演化
        4.1.3 近带边束缚能级和共振能级
    §4.2 PL分析类In Sb界面In As/Ga Sb超晶格退火温度效应
        4.2.1 变温PL实验结果
        4.2.2 超晶格界面原子交换模型
    §4.3 磁光-PL研究不同界面类型In Ga Sb/In As/Al Sb量子阱
        4.3.1 样品描述和实验细节
        4.3.2 局域态的磁光-PL演化特性
        4.3.3 非局域态磁光-PL演化特性
        4.3.4 界面类型与磁光-PL演化现象的解释
    §4.4 本章小结
第五章 红外调调制光谱研究Ga Sb（Bi） 量量子阱铋掺入效应
    §5.1 PL研究Ga Sb（Bi） 量子阱生长温度效应
        5.1.1 量子阱组分和界面的PL研究条件
        5.1.2 含Bi量子阱PL能量反常蓝移
        5.1.3 磁光-PL线型劈裂和准二维退磁移动
        5.1.4 稀Bi量子阱唯像模型
    §5.2 PR研究Ga Sb Bi单量子阱的Bi致电子能级移动
        5.2.1 Ga Sb（Bi） 单量子阱PR光谱拟合分析
        5.2.2 Ga Sb（Bi） 量子阱模型-固体理论与实验结果对比
        5.2.3 Ga Sb（Bi） 量子阱带边移动
    §5.3 Bi抑制Ga Sb（Bi） 量子阱俄歇复合
        5.3.1 量子阱PL强度的温度猝灭
        5.3.2 PL积分强度随激发功率演化
    §5.4 本章小结
第六章 Ga As（Sb）/In As反反量子点和In PBi的的红外PL光光谱初探
    §6.1 In PBi的红外PL光谱探索
        6.1.1 Bi组分依赖的PL光谱
        6.1.2 In P0.9887Bi0.0113变温PL光谱
        6.1.3 PL特征的可能来源
    §6.2 Ga As（Sb）/In As反量子点红外PL光谱探索
        6.2.1 样品生长和结构描述
        6.2.2 Si掺杂样品的变温PL光谱
        6.2.3 特征HEF的可能来源
    §6.3 本章小结
第七章 总结和和展望
    §7.1 总结
    §7.2 展望
参考文献
作者简介及在学期间取得成果

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