锑化物红外探测材料的MOCVD生长及光电性能研究

发布时间：2017-12-15 02:16

  本文关键词：锑化物红外探测材料的MOCVD生长及光电性能研究

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【摘要】：锑化物超晶格材料与传统的红外材料HgCdTe相比,具有结构稳定性好、带隙调节简单、隧穿电流小、应变使轻重空穴带能级分裂抑制俄歇复合等一系列优点,是制作第三代半导体红外探测焦平面阵列的优选材料之一,已成为当前国内外研究的热点。目前此类超晶格通常使用分子束外延技术(MBE)生长,而利用金属有机化合物气相沉积技术(MOCVD)生长的报道比较少。由于MOCVD生长过程易于控制,操作方便,可以进行批量生产降低材料制备成本。因此本论文围绕中波红外(3-5μm)锑化物超晶格MOCVD生长这一主题展开研究,从材料生长优化、光电性质测试、单元器件制备等方面出发,主要内容如下:采用低温成核,退火,高温生长的“三步法”在GaAs衬底异质外延GaSb缓冲层,原子力显微镜测试结果表明其表面粗糙度小于0.5 nm,双晶XRD半高宽仅为172 arc sec。在此基础上利用相对比较简单的“交换界面”方法制备InAs/GaSb超晶格,利用高分辨X射线衍射、原子力显微镜进行结构分析表征,然后通过变温拉曼光谱(77-357 K)得到InAs/GaSb超晶格LO模及Ga As-like界面模的温度系数,分别为-0.01674 cm-1/K、-0.01552 cm-1/K。由于InAs/GaSb超晶格MOCVD生长温度为520℃,已经非常接近InSb的熔点(535℃),所以简单的InSb界面设计已经不能满足材料生长需要,需要设计新型界面结构,对于InAs/GaSb超晶格MOCVD生长是一个极大的挑战。另外由于组分层GaSb中与Ga元素相关的一些缺陷导致超晶格少数载流子寿命非常短,严重限制探测器在高温工作时的性能。为解决上述问题,研究不含Ga元素的InAs/InAsSb超晶格材料MOCVD生长,不仅可以解决InAs/GaSb超晶格材料少数载流子寿命短的问题而且其界面设计简单,还可以简化生长过程。采用MOCVD生长不同周期、不同Sb组分的InAs/InAsSb超晶格材料,采用高分辨X射线衍射、原子力显微镜、透射电子显微镜、光致发光及光响应技术对材料进行分析表征。为进一步提高材料质量,研究生长温度、退火温度对材料晶体质量及光电性质的影响,得到500℃为InAs/InAsSb超晶格材料生长的最佳温度,Sb组分随生长温度升高而降低。退火温度550℃,时间30 min,可以大幅增强InAs/InAsSb超晶格材料的光响应,但退火温度继续升高后可能会对材料界面造成破坏导致界面组分波动且粗糙度增加使得材料光学性质衰减。随后研究生长超晶格组分层InAsSb时不同V/III比对超晶格Sb组分的影响,随着V/III的增加,Sb组分逐渐降低。利用光致发光研究InAs/InAsSb超晶格的光学性质,拟合得出Varshni及Bose-Einstein参数,为后续探测器件设计提供参考。由于组分层厚度、Sb组分波动及界面处缺陷、失序会产生局域中心,引发载流子局域现象。经过详细的光学性质研究观测到载流子局域现象且最大局域能处于4.9-6.3 meV。研究InAs/InAsSb超晶格的发光机制及发光淬灭机理,即低温时束缚激子发光且激子束缚能处于2.0-6.3 meV之间,与材料质量密切相关;高温时则是自由激子发光。对于发光淬灭机理则是低温时束缚激子热活化导致发光淬灭,活化能对应激子束缚能;结合同时观测到的高温PL峰形不对称,出现高能端拖尾现象,认为高温时发光淬灭的机理很有可能是由界面失序、缺陷或Sb团簇引发的自由载流子热复合,但对于高温非辐射复合通道淬灭活化能目前还未能给予充分解释。由于载流子局域效应的存在会影响少数载流子寿命准确测量,干扰后续红外探测器的设计。当生长温度为500℃,退火温度550℃,时间30分钟时,可以消除载流子局域效应。利用MOCVD制备InAsSb nBn结构的中波红外探测器,采用标准光刻工艺制备400μm×400μm的中波红外探测单元器件并进行简单测试表征。InAsSb nBn器件在77 K及300 K时的截止波长分别为4.29μm、5.35μm。在0.8 V偏压下,77 K黑体归一化探测率为1.2×10~9 cm?Hz~(1/2) W~(-1),300 K零偏压下为3.5×10~8 cm?Hz~(1/2) W~(-1)。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN21

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本文编号：1290241