InAs基红外薄膜的LPE生长特性研究与器件结构优化探索

发布时间：2017-08-16 17:15

  本文关键词：InAs基红外薄膜的LPE生长特性研究与器件结构优化探索

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【摘要】：工作在3-5μm波段的红外光电器件,例如发光二极管、红外探测器、激光器等,在医药诊断、环境监测、地形勘探和航空航天等领域有重要应用。在Ⅲ-Ⅴ族半导体材料中,窄禁带半导体材料In As1-xNx和In As1-xSbx是制备红外器件的潜力材料。液相外延是一种近平衡态的材料生长方法,获得的薄膜晶格缺陷少,晶体质量高,非常适合应用于器件质量的In As1-xNx和In As1-xSbx材料的生长。我们采用液相外延技术制备In As1-xNx和In As1-xSbx薄膜,对其结构、光学和电学性质进行表征和分析。在材料生长的基础上进行In As Sb基p Bin型红外探测器制备。主要研究内容及研究进展如下:(1)改进液相外延生长设备。新设备实现了液相外延生长过程的自动化,电脑和直线电机控制的自动推舟取代了旧设备中的手动推舟,提高了推舟过程的平稳性和定位的准确性;衬底滑动的新石墨舟取代了熔源滑动的旧石墨舟,减小了生长过程中的扰动;在主控温系统之外添加了辅控温系统,延长了恒温区长度,增加了温场的稳定性;新气路系统实现了氮气和氢气的通断与切换的自动控制,正、负保压过程提高了整个系统的安全性。新液相外延设备大大提高了样品生长的可重复性和成品率,提高了外延薄膜的质量。(2)采用液相外延技术在In As衬底上生长In As1-xNx薄膜。通过优化液相外延生长参数和In N粉末的放置方式增加外延薄膜中的N元素含量。通过扫描电子显微镜(SEM)测试和原子力显微镜(AFM)测试分别对外延薄膜的截面形貌和表面形貌进行表征。通过高分辨X射线衍射谱(HRXRD)测试得到薄膜中的N元素含量最高达到0.66%,其摇摆曲线半高宽与In As单晶衬底的半高宽相差不大,外延薄膜的晶体质量较好。通过红外透射谱测试得到了外延薄膜的能隙,随着外延薄膜中N元素含量的增加,材料的能隙逐渐变小。(3)采用液相外延技术在In As衬底上生长In As1-xSbx薄膜。采用Sb元素含量较低的In As1-xSbx材料(x0.10)作为缓冲层,生长Sb元素含量较高的In As1-xSbx材料(x0.10)。通过HRXRD、SEM、透射电子显微镜(TEM)、红外透射谱、光致发光(PL)谱和椭圆偏振(SE)光谱测试对外延薄膜的结构性质、截面形貌、缺陷情况和光学性质进行表征和分析。外延薄膜的晶体质量较好,室温下透射谱截止波长达到4.6μm。(4)采用高温烘烤熔源材料和向熔源材料中添加稀土元素相结合的方法纯化In As1-xSbx材料。采用化学机械抛光的方法将In As0.94Sb0.06/In As样品中的In As衬底抛掉,消除导电衬底对In As0.94Sb0.06薄膜电学测试结果的影响。通过Hall测试对纯化后In As0.94Sb0.06薄膜的电学性质进行表征,研究分析不同的纯化过程对材料电学性质的影响。此外通过FTIR和PL谱测试对纯化后的In As0.94Sb0.06薄膜的光学性质进行表征,研究分析不同的纯化过程对材料光学性质的影响。(5)采用液相外延技术在n型In As衬底上生长In As Sb基p Bin器件结构。In As0.92Sb0.08作为缓冲层减小In As0.87Sb0.13吸收层中的位错与缺陷,宽能隙的In As0.67Sb0.14P0.19四元合金作为势垒阻挡层压制器件暗电流。通过HRXRD、SEM、TEM和PL测试等对器件结构中各组元的晶体结构、位错情况和光学性质进行表征和分析。最后对器件的电流电压特性和光电流响应特性进行测试和分析。
【关键词】：液相外延 InAs1-xNx薄膜 InAs1-xSbx薄膜 纯化 器件结构优化
【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】：2015
【分类号】：TN216
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-32
• 1.1 In As1-x Nx红外材料11-17
• 1.1.1 In As1-x Nx材料特性11-12
• 1.1.2 In As1-x Nx材料研究进展12-15
• 1.1.3 In As1-x Nx器件研究进展15-16
• 1.1.4 In As1-x Nx材料研究中遇到的难题16-17
• 1.2 In As1-x Sbx红外材料17-22
• 1.2.1 In As1-x Sbx材料特性17-19
• 1.2.2 In As1-x Sbx材料与器件的研究进展19-22
• 1.3 本论文选题背景与创新意义22-24
• 参考文献24-32
• 第二章 液相外延生长设备改进32-39
• 2.1 液相外延（LPE）生长方法介绍32-33
• 2.2 液相外延生长设备改进33-38
• 2.2.1 石墨舟的改进34-35
• 2.2.2 精确推舟定位的设计35
• 2.2.3 控制面板和保压系统的设计35-37
• 2.2.4 黄金炉恒温设计37-38
• 2.3 石墨舟和石英管的清洗38
• 2.4 本章小结38-39
• 第三章 In As1-x Nx薄膜的液相外延生长和性质表征39-54
• 3.1 In As1-x Nx薄膜液相外延生长参数优化39-41
• 3.2 In As1-x Nx薄膜的液相外延生长41-43
• 3.3 In As1-x Nx薄膜的性质表征43-49
• 3.3.1 高分辨X射线衍射谱（HRXRD）43-45
• 3.3.2 In As1-x Nx薄膜的形貌表征45-47
• 3.3.3 In As1-x Nx薄膜的拉曼光谱47-48
• 3.3.4 In As1-x Nx薄膜的红外透射光谱48-49
• 3.4 In As1-x Nx薄膜的能隙蓝移与分析49-52
• 3.5 本章小结52-53
• 参考文献53-54
• 第四章 In As1-x Sbx薄膜的液相外延生长和性质表征54-73
• 4.1 In As1-x Sbx薄膜的液相外延生长54-56
• 4.1.1 熔源配比计算54-55
• 4.1.2 In As1-x Sbx薄膜的液相外延生长55-56
• 4.2 In As1-x Sbx薄膜的性质表征56-70
• 4.2.1 In As1-x Sbx薄膜的结构性质表征57-60
• 4.2.2 In As1-x Sbx薄膜的光学性质表征60-62
• 4.2.3 In As1-x Sbx薄膜的椭圆偏振光谱研究62-67
• 4.2.4 In As1-x Sbx薄膜的位错研究67-70
• 4.3 本章小结70-71
• 参考文献71-73
• 第五章 In As_(1-x) Sbx材料的纯化与性质表征73-90
• 5.1、纯化方法介绍73-74
• 5.2 In As0.94Sb0.06薄膜电学性质的表征方法74-79
• 5.2.1 pn结方法75-76
• 5.2.2 化学机械抛光方法76-77
• 5.2.3 电学测试方法介绍77-79
• 5.3 n-In As0.94Sb0.06/p-In As型样品性质表征79-80
• 5.4 In As0.94Sb0.06抛薄样品的性质表征80-87
• 5.4.1 In As0.94Sb0.06抛薄样品的电学性质表征80-82
• 5.4.2 In As0.94Sb0.06抛薄样品的光学性质表征82-87
• 5.5 本章小结87-88
• 参考文献88-90
• 第六章 In As Sb基p Bin型红外探测器的LPE生长与性能表征90-107
• 6.1 In As Sb基红外探测器器件结构优化90-97
• 6.1.1 缓冲层设计90-92
• 6.1.2 In As1-x-y Sbx Py势垒层设计92
• 6.1.3 In As0.87Sb0.13吸收层厚度优化92-96
• 6.1.4 In As Sb基p Bin器件结构96-97
• 6.2 In As Sb基p Bin器件结构的LPE生长97
• 6.3 In As Sb基p Bin结构各组元性质表征97-102
• 6.3.1 器件结构中各组元的组分确定97-99
• 6.3.2 器件结构截面形貌99-100
• 6.3.3 器件结构各组元中的位错100-101
• 6.3.4 外延薄膜的光学能隙101-102
• 6.4 器件性能表征102-105
• 6.4.1 二极管的电流-电压特性103-104
• 6.4.2 二极管的光电流响应特性104-105
• 6.5 本章小结105-106
• 参考文献106-107
• 第七章 总结和展望107-109
• 7.1 研究工作总结107-108
• 7.2 进一步研究工作展望108-109
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果109-110

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 ;LPE Growth of InAsPSb on InAs:Melt Composition,Lattice Mismatch and Surface Morphology[J];Rare Metals;1990年01期

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本文编号：684500