弱无序红外半导体合金材料的变条件光致发光谱研究
本文关键词：弱无序红外半导体合金材料的变条件光致发光谱研究 出处：《中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)》2016年博士论文 论文类型：学位论文
【摘要】：本工作着眼于利用对带边敏感的光致发光(photoluminescence,PL)方法研究典型红外材料碲镉汞(Hg Cd Te)和铟镓砷(In Ga As)的带边无序效应,以及它们在异质结构中的行为。在明确带边无序的同时分析两个材料的分立带边结构。红外半导体材料具有很高战略价值。当前主流的红外半导体材料以合金为主,这使其既具有与晶格周期性相关联的电子能带结构特征,又兼受替位无序所致局域的影响。过去,人们对这一材料的研究主要关注与有序晶格和缺陷有关的光-电性质,而对无序的方面则缺乏深入的实验认知;利用合适的表征手段对典型的弱无序体系的电子结构做分析既可填补红外波段凝聚态物理实验研究的空白,也可为工程实践提供新的视野和数据支持。Hg Cd Te和In Ga As是红外半导体合金材料的典型代表,分别对应红外探测和辐射应用,对它们的无序效应做系统研究具有现实意义;采用两种不同的材料体系,既便于比较共性,也为分析所得的观点划定有效边界。PL光谱是研究半导体材料的经典手段。由于载流子带内快速弛豫的特性,PL光谱主要揭示半导体材料带边的信息。根据半导体中的无序理论,替位无序主要在材料的扩展态带边附近引入带尾;与PL光谱的分辨能力恰好重叠。因此,本博士论文所涉及的实验研究主要借助PL光谱测试展开。由于红外波段受中心波长约为10μm的室温黑体辐射强干扰和探测器探测能力的衰减,利用PL方法研究红外材料带边结构的报道有限;本工作借助基于步进扫描傅立叶变换红外光谱仪的调制PL光谱技术展开,克服了上述不利因素,获得了关于In Ga As和Hg Cd Te带边无序的数据资料;同时,采用多种外界条件尤其是强磁场条件的调控,增加了红外-PL光谱方法的表征维度,提供了一系列有关窄禁带材料带边光谱学属性的物理图像。本工作包括下述具体研究内容和进展:(a)弱无序体系In Ga As的PL光谱学性质和无序效应:研究了非本征掺杂InGa As的PL结构随温度的演化,排除复杂带边分立结构导致S形PL峰能量移动的可能性,证实PL方法研究弱无序体系中短程有序行为的有效性,并指出了辐射性与非辐射性SRH过程随温度变化的过渡行为;采用In Ga As量子阱,避免纵向组分不均匀性对分析的影响,同时借助量子阱对光生载流子的俘获机制抑制光激发纵向梯度分布的影响;通过研究In Ga As量子阱的变条件PL演化,说明带尾无序对主导性复合机制的调控作用;进一步地增加体系的复杂度,在In Ga As量子阱中引入大量Bi原子杂质,形成无序杂质分布,探究这样的分布对PL谱和带边结构的影响,同时检验当前稀Bi理论。(b)在研究In Ga As的基础上,对同为弱无序材料的Hg Cd Te做了深入分析。比较分别包含干涉和精细化带边结构的两类不同Hg Cd Te材料PL特征,指出干涉特征的低态密度来源。明确PL干涉的清晰界面和介质透明度两个前提因素,通过形貌和透射光谱说明界面在样品干涉性PL中的次要作用;指出PL干涉对比度与激发功率的关联,排除PL干涉的带边分离能级发光来源。通过磁场演化揭示这一低态密度区域在禁带中的连续分布,从而说明其无序带尾属性。在确立Hg Cd Te带尾PL属性的同时,借助磁光-PL探究了Hg Cd Te的精细带边结构,讨论了Hg Cd Te光电过程中主导的空穴类型,并对磁致载流子冻析行为的PL表现做了讨论。(c)分析具有强带尾特征(即干涉性PL包络)的Hg Cd Te对Hg Cd Te/Cd Te异质结构的影响,指出高于Hg Cd Te禁带宽度的高能信号来源。通过多个样品的比对,说明了高能信号在Hg Cd Te/Cd Te异质结构中的普遍性。借助对高能PL信号的分析,对Hg Cd Te-Hg Te间的价带、导带偏移量与Cd组分的关系做定量估算。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304;TG132.2
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，本文编号：1334001
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