InAs/GaSb超晶格界面微观结构研究

论文摘要

GaSb/GaAs薄膜及InAs/GaSb超晶格等GaSb基材料作为重要的光电功能材料在中远红外探测等领域展现出了极大的应用前景。本文主要研究了GaAs衬底上GaSb薄膜及InAs/GaSb超晶格材料的生长方法及其缺陷分布、结构特征和光电性质。本文系统研究了GaAs（001）衬底上GaSb薄膜的外延生长方法。采用二步生长法,引入低温缓冲层提高了GaSb外延层的质量。对GaSb低温缓冲层的生长速度、V/III比、厚度等进行了分析,得到了优化的低温GaSb缓冲层生长参数:生长速率为1.43μm/h,厚度为20nm,V/III束流比为3.0。通过引入低温GaSb缓冲层,降低了GaSb薄膜生长早期的温度,控制了生长初期岛的粗化过程,有效抑制了60°失配位错的形成,从而降低了GaSb薄膜中的穿透位错密度。开展了GaSb/GaAs薄膜的微观结构研究。透射电子显微镜观察发现, GaAs衬底上生长的GaSb薄膜中存在着大量的位错,包括位于{111}滑移面内的穿透位错和界面处的失配位错。利用高分辨X射线衍射对在沿[110]方向4°斜切的GaAs衬底上生长的GaSb薄膜中的位错分布进行了研究,结果表明（111）滑移面上的穿透位错密度高于（111）面上的穿透位错密度,[110]方向的位错间距大于[110]方向上的位错间距。这是由GaSb薄膜中的应力分布不均匀和GaSb岛生长的方向性决定的。另外,对斜切衬底引起的外延层中的错向角的大小和成因进行了分析,指出了在外延生长早期主要形成90°失配位错,而在随后的岛的合并过程中才形成60°位错,进而使错向角增大。未掺杂GaSb/GaAs薄膜的霍尔测试结果表明,GaSb/GaAs薄膜呈明显的p型导电特性,其77K下的空穴浓度为3.6×1015cm-3,霍尔迁移率为4200cm2v-1s-1,这主要与GaSb中高浓度的Ga反位缺陷有关。实验研究发现,高温退火能够减少GaSb薄膜中的缺陷,降低载流子浓度,提高GaSb薄膜的迁移率。采用Sb浸渍的方法,利用Sb/As置换反应生长了高质量的GaAs/GaAsSb超晶格,并对衬底温度、Sb束流大小和Sb束流下暴露时间与超晶格中的Sb含量的关系进行了研究,实验结果表明,随着衬底温度的提高,Sb的解吸附程度增加,使超晶格中的Sb含量下降,在Sb4束流作用下,Sb/As置换反应很弱,仅局限在GaAs表面层中,因此对暴露时间和束流大小不敏感。利用分子束外延方法生长了InAs/GaSb超晶格,研究了生长中断和表面迁移增强（MEE）方法对超晶格材料的界面结构的影响。采用MEE工艺,可以在InAs/GaSb超晶格的界面处形成较好的GaAs型和InSb型界面;而采用生长中断的方法会使V族原子在界面处聚集,导致超晶格界面起伏较大,质量下降。InAs/GaSb超晶格的界面结构研究表明,界面结构对超晶格中的应变状态有很大的影响;与GaAs型界面相比,采用InSb型界面使超晶格的平均晶格常数增加。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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 InAs/GaSb超晶格材料衬底的选择
• 1.3 InAs/Ga（In）Sb 应变超晶格材料特点
• 1.3.1 InAs/Ga（In）Sb 应变超晶格的能带结构
• 1.3.2 InAs/Ga（In）Sb应变层超晶格的界面类型
• 1.3.3 InAs/GaInSb应变层超晶格材料的界面反应
• 1.4 InAs/GaInSb超晶格红外探测器研究的发展现状
• 1.5 论文的选题意义及主要研究内容
• 第2章 实验方法
• 2.1 分子束外延（MBE）生长技术
• 2.1.1 分子束外延生长原理
• 2.1.2 分子束外延生长系统
• 2.1.3 反射式高能电子衍射仪（RHEED）
• 2.1.4 分子束外延技术的工艺过程
• 2.2 样品的分析和表征技术
• 2.2.1 原子力显微镜（AFM）技术
• 2.2.2 透射电子显微镜（TEM）技术
• 2.2.3 拉曼散射（Raman）光谱测量技术
• 2.2.4 光致发光测量技术（photoluminescence,PL）
• 第3章 GaSb薄膜的分子束外延生长和光电性能研究
• 3.1 GaSb薄膜的分子束外延生长
• 3.1.1 GaSb薄膜生长的RHEED观察
• 3.1.2 GaSb/GaAs薄膜的外延生长模式
• 3.1.3 GaSb薄膜中的位错分析
• 3.2 低温GaSb缓冲层技术研究
• 3.2.1 低温GaSb缓冲层的生长速率对位错密度的影响
• 3.2.2 低温GaSb缓冲层的厚度对位错密度的影响
• 3.2.3 低温GaSb缓冲层的V/III束流比对位错密度的影响
• 3.3 GaSb薄膜的表面形貌分析
• 3.4 GaSb薄膜的TEM观察分析
• 3.5 GaSb外延薄膜的光电性质
• 3.5.1 GaSb外延薄膜的电学特性研究
• 3.5.2 GaSb外延膜的光致发光谱分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 GaSb薄膜中位错的高分辩X射线衍射研究
• 4.1 高分辨X射线衍射（HRXRD）技术原理
• 4.2 GaSb薄膜的错向角研究
• 4.2.1 错向角的测量及实验结果
• 4.2.2 错向角的成因及失配位错分析
• 4.3 GaSb外延层的共格长度研究
• 4.3.1 外延薄膜中的镶嵌结构（Mosaic Structure）
• 4.3.2.W illianson－Hall方法
• 4.3.3 GaSb 薄膜共格长度方向性的分析
• 4.4 GaSb 薄膜的斜对称衍射分析
• 4.4.1 入射方位角对GaSb 薄膜FWHM 的影响
• 4.4.2 GaSb薄膜各衍射面的斜对称衍射的FWHM分析
• 4.4.3 位错密度对非对称衍射FWHM的影响机理
• 4.5 本章小结
• 第5章 GaAs/GaAsSb 超晶格结构及Sb/As置换反应研究
• 5.1 GaAs/GaAsSb超晶格的分子束外延生长
• 5.2 GaAs/GaAsSb 超晶格的结构研究
• 5.2.1 GaAs/GaAsSb 超晶格的周期的测量
• 5.2.2 GaAs/GaAsSb超晶格层厚的测定
• 5.3 生长参数对As/Sb反应的影响
• 5.3.1 衬底温度对Sb/As交换反应的影响
• 5.3.2 Sb暴露时间对Sb/As置换反应的影响
• 5.3.3 Sb束流对Sb/As置换反应的影响
• 5.4 Sb/As置换反应的机理研究
• 5.5 本章小结
• 第6章 InAs/GaSb超晶格界面结构研究
• 6.1 InAs/GaSb超晶格的分子束外延生长
• 6.2 InAs/GaSb超晶格的HRXRD分析
• 6.2.1 InAs/GaSb超晶格界面结构对应变状态的影响
• 6.2.2 InAs/GaSb超晶格界面生长工艺
• 6.2.3 InAs/GaSb超晶格界面粗糙度分析
• 6.2.4 周期厚度对InAs/GaSb超晶格应变的影响
• 6.3 InAs/GaSb超晶格界面结构的拉曼光谱分析
• 6.4 InAs/GaSb超晶格的HRTEM研究
• 6.4.1 InAs/GaSb超晶格中的位错分析
• 6.4.2 InAs/GaSb超晶格的界面结构研究
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历