PIN結(jié)構(gòu)InAs-GaSb超晶格的MBE生長(zhǎng)與性能研究.pdf

1、窄禁帶銻化物半導(dǎo)體材料即“0.61nmⅢ-Ⅴ族材料”近年來(lái)成為第三代紅外探測(cè)器的優(yōu)選材料體系,InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格材料具有特殊的能帶結(jié)構(gòu),顯示出優(yōu)越的性能,在中遠(yuǎn)紅外探測(cè)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景,但是結(jié)構(gòu)材料的生長(zhǎng)工藝仍面臨著相當(dāng)大的困難和技術(shù)挑戰(zhàn)。本文在GaAs襯底上外延生長(zhǎng)p-i-n結(jié)構(gòu)InAs/GaSb超晶格材料,研究材料的生長(zhǎng)工藝、結(jié)構(gòu)質(zhì)量和光電性能,為制備器件提供優(yōu)質(zhì)材料。
　　首先本文采用分子束外延法在GaAs(1

2、00)襯底上生長(zhǎng)GaSb/GaAs、InAs/GaAs及InAs/GaInSb/GaSb/GaAs系列異質(zhì)結(jié)薄膜,利用獲得生長(zhǎng)工藝在GaAs(100)襯底上外延InAs/GaSb超晶格材料。獲得優(yōu)化生長(zhǎng)工藝為:GaAs緩沖層、GaSb緩沖層、InAs/GaSb超晶格及InAs蓋層的生長(zhǎng)溫度分別為600℃、520℃、390℃、380℃。Ⅴ/Ⅲ族束流比:Sb/Ga為6,As/In為10。在此基礎(chǔ)上成功外延生長(zhǎng)了利用Be作為p型摻雜劑,利用S

3、i作為n型摻雜劑,p型層(n型層)具有不同摻雜濃度和厚度及i型層具有不同壘阱層厚度和周期數(shù)的p-i-n結(jié)構(gòu)薄膜材料。
　　利用原子力顯微鏡(AFM)和掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)材料表面形貌進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)中2-4＃、2-2＃、2-5＃、2-1＃到2-3＃樣品的摻雜濃度依次增加,得到材料的2μm×2μm均方根粗糙度依次為1.14nm、1.5nm、1.54nm、1.61nm和2.57nm。證明摻雜使材料的位錯(cuò)增加,缺陷密度增大,表面質(zhì)

4、量變差。分析2-1＃和2-3＃的超晶格層厚度分別為0.21μm和0.42μm,2-3＃的表面形貌較好峰谷高度比2-1＃小。證明了超晶格層厚度增加改善了超晶格結(jié)構(gòu)質(zhì)量,由于超晶格厚度增加降低了系統(tǒng)自由能,結(jié)晶質(zhì)量較高。對(duì)2-3＃樣品掃描電鏡分析得到由于原子替換導(dǎo)致成分不均勻,增加了點(diǎn)缺陷密度,使結(jié)晶質(zhì)量變差。
　　利用雙晶X射線衍射法對(duì)材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量進(jìn)行了分析,結(jié)果顯示摻雜濃度的變化對(duì)p-i-n結(jié)構(gòu)超晶格的結(jié)構(gòu)質(zhì)量有較大影響,隨摻雜濃

5、度增加,超晶格衍射峰級(jí)數(shù)減小,半峰寬變寬,證明位錯(cuò)密度增加,主要是摻雜劑在n型層和p型層向超晶格層的界面中擴(kuò)散引起的。超晶格層厚度增加改善了超晶格結(jié)構(gòu)質(zhì)量,2-8＃樣品超晶格周期數(shù)是2-9＃樣品的兩倍,半峰寬和位錯(cuò)密度較小。界面層對(duì)短周期超晶格材料的影響比對(duì)長(zhǎng)周期超晶格材料的影響大。
　　利用霍爾效應(yīng)和電化學(xué)方法分析了材料的電學(xué)性能,測(cè)得霍爾遷移率、載流子濃度和導(dǎo)電類(lèi)型。分析了材料缺陷和超晶格界面對(duì)載流子濃度和遷移率的影響,當(dāng)超晶

6、格為類(lèi)InSb界面時(shí),與出現(xiàn)類(lèi)InSb和類(lèi)GaAs界面的混合界面相比,測(cè)得載流子濃度降低。主要是由于類(lèi)InSb界面的晶格失配較小,產(chǎn)生缺陷少。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到,從低溫(77K)向室溫(300K)轉(zhuǎn)變時(shí),超晶格的導(dǎo)電類(lèi)型發(fā)生了轉(zhuǎn)化。說(shuō)明當(dāng)超晶格本底導(dǎo)電類(lèi)型為p型時(shí),隨著工作溫度的升高,本征激發(fā)的電子濃度將大于空穴濃度,其導(dǎo)電類(lèi)型會(huì)發(fā)生由p型向n型的轉(zhuǎn)化。
　　通過(guò)超晶格薄膜的Raman光譜特性,進(jìn)一步揭示在現(xiàn)有工藝條件下所制備的超晶格材料