InAs/GaSb应变超晶格材料的结构与性能

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InAs/Ga(In)SbⅡ型超晶格材料由于其特殊的能带结构,使其在长波红外(LWIR)和(超长波红外)VLWIR方面有着广阔的应用前景,有望成为替代HgCdTe的首选材料。且对于InAs/Ga(In)SbⅡ型超晶格材料而言,界面对材料的影响已经成为研究热点。本论文首先开展了在GaAs(100)衬底上MBE外延InAs/GaSb超晶格材料的工艺技术研究。得出InAs/GaSb应变超晶格材料的较佳生长工艺为:GaAs缓冲层生长温度600℃,GaSb缓冲层生长温度520℃,InAs/GaSb超晶格薄膜生长温度400℃;As/In束流比为4.5,Sb/Ga束流比为6。在此基础上外延生长了设计结构分别为:{InAs(17ML)/InSb(0.5ML)/GaSb(13ML)}×30、{InAs(17ML)/InSb(1.0ML)/GaSb(13 ML)}×30、{InAs(8ML)/InSb(0.2ML)/GaSb(8ML)}×30的1#、2#及3#试验样品。通过对材料进行双晶X射线对称衍射,分析了材料的周期厚度、缺陷密度、垂直应变等。数据显示,当InSb层为1.0ML时,材料的结构质量最好。而3#样品比1#样品的结构质量要好,说明InSb层对短周期样品的结构质量影响较大。通过对材料进行非对称双晶X射线衍射分析,说明材料的类InSb层在0.2ML~1.0ML范围内,对材料的垂直应变影响不大,主要影响材料的平行应变。通过对材料进行原子力显微镜(AFM)的测试和分析,给出1#、2#和3#样品的均方根粗糙度分别为2.215nm、1.230nm和1.216nm。说明了类InSb层为1.0ML时对材料的表面质量改善明显,且类InSb层对短周期超晶格材料的影响比长周期的要大,对表面质量的改善更加明显。通过对材料进行光致发光(PL)谱、傅里叶变换红外(FTIR)光谱的测试,分析了超晶格材料的红外吸收特性和光致发光特性。研究发现,红外吸收峰应来源于超晶格能带结构中Ec1-EHH1、Ec1-ELH1、Ec1-EHH2能级的电子跃迁吸收;光致发光峰应来源于超晶格能带结构中Ec1-EHH1能级间的电子-空穴的复合发光。短周期的超晶格材料有发光,而长周期超晶格没有观察到明显发光,说明周期厚度减小有利于抑制俄歇复合,进而有利于发光性能的提高。通过霍尔效应(HALL)测试,研究发现2#样品70k时霍尔迁移率为21003cm2/v·s,远高于其它样品的霍尔迁移率。我们推断其主要原因是超晶格界面中形成了类InSb能带结构,使电子的迁移率大幅增大,而使空穴迁移率减小,从而导致材料的霍尔迁移率有大幅提高。上述研究表明,界面结构对超晶格结构质量和表面形貌及光、电特性都有很大的影响。研究发现,在超晶格生长过程中可以通过调整界面生长工艺,控制界面结构来调节超晶格中的应变量,从而提高材料的质量和性能。
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