InAsSb红外光电薄膜制备和表征与单元器件研究

题名:InAsSb红外光电薄膜制备和表征与单元器件研究
作者:刘晓明
学位授予单位:哈尔滨工业大学
关键词:分子束外延;;InAsSb;;InAsSb/InSb超晶格;;光学性能;;电学性能;;光电性能
摘要:

 InAsxSb1-x薄膜以其结构稳定、高载流子迁移率、小介电常数等优点在中长波红外探测领域具有潜在的应用前景。但由于缺乏晶格匹配的衬底,生长高质量InAsSb薄膜仍是个难点,而且人们希望InAsSb的红外探测截止波长能够更长一些。基于以上背景,本文主要研究了GaAs衬底上分子束外延InAsSb薄膜的工艺以Rare earth magnets及所制备薄膜的结构和性能,设计和制备了以InAsSb/InSb应变超晶格为探测层的光伏型单元器件,并对其光电性能进行了研究。

 以InSb外延层做为InAsSb薄膜的缓冲层,研究了生长温度、V/III束流比、低温形核层厚度等对InSb缓冲层质量的影响。得到优化生长工艺为:先以衬底温度345℃,生长速率0.2μm/h, V/III束流比为1.5,生长厚度65nm的InSb低温形核层,再以生长速率1.2μm/h,衬底温度为390℃-415℃,V/III束流比为3.6,生长所需厚度的InSb层。低温形核层为43nm时,InSb外延层以二维成核方式生长,而低温缓冲层厚度为65nm、87nm以及无低温形核层时,InSb外延层以台阶流动方式生长。

 研究了工艺参数对InAsSb薄膜Sb组分、晶体质量及性能的影响,特别是不同缓冲层对中等Sb含量的InAsSb薄膜晶体质量及性能的影响。结果表明不同As(As2和As4)气氛下,生长温度和As/Sb束流比对InAsSb薄膜组分和质量的影响不同:在As4气氛下,改变温度和As4/Sb4束流比对Sb组分的影响较小,且当温度高于420℃时,薄膜质量显著下降;在As2气氛下生长温度和As2/Sb4束流比均对Sb组分产生较大影响,且生长温度为450℃时仍可得到晶体质量较好的InAsSb薄膜。

 通过Hall测试研究了磁场和温度对InAsSb薄膜电学性能的影响。结果表明霍尔系数和磁阻随磁场强度的变化规律以及迁移率随温度的变化规律均与理论吻合的很好。用优化后的工艺生长的InAsSb薄膜具有非常优秀的电学性能:室温掺杂浓度为3.5×1018cm~(-3)时, 300K的霍尔迁移率为19000cm2/V·s,77K的霍尔迁移率达到27500 cm2/V·s;未掺杂时,InAsSb薄膜为弱p型,300K的霍尔迁移率为34000cm2/V·s。

 通过红外傅里叶变换研究了InAs1-xSbx薄膜的光学性能。当Sb含量大于0.7时InAsSb薄膜的带隙随Sb组分的变化规律基本符合现有经典公式。中等Sb含量(x=0.53)的InAsSb薄膜的带隙明显大于经典公式计算的带隙值。

 设计并制备了InAsSb/InSb超晶格为探测层的p-i-n红外光电二极管。双晶X射线衍射和高分辨透射电镜研究结果表明,InAsSb/InSb超晶格具有非常高的晶体质量。光电测试结果显示二极管有很好的光电性能:77K时在2.7-3.5μm,4-12μm和15-25μm处均有响应,其中4-10μm处的响应非常强,与本征跃迁对应。随温度http://www.chinamagnets.biz/faq.php的升高2.7-3.5μm和15-25μm的响应很快就消失了,而随温度的继续升高,噪声明显增强,最终使10-12μm处的响应也淹没在噪声中。本征响应的最高工作温度可达260K。
学位年度:2010