IV-VI族半导体薄膜生长行为及金属/IV-VI族半导体界面性质研究

论文摘要

Ⅳ-Ⅵ族半导体PbX （X=S,Se,Te）具有窄的直接带隙（常温下约0.3 eV）,对称的能带结构,以及由重空穴带缺失导致的低俄歇复合率等本征特性,使其在中红外（波长范围3-30μm）激光器和探测器两大领域有着重要的应用前景。此外,这类材料还具有高的载流子迁移率,高的介电常数,其带隙温度系数为正,带隙压强系数为负。这些特性使得Ⅳ-Ⅵ族半导体在新型光电器件研制方面具有很好的应用价值。由于Ⅳ-Ⅵ族半导体器件是基于薄膜结构的,所以薄膜的表面结构和界面特性对于Ⅳ-Ⅵ族半导体器件的应用具有决定性的影响。因此对与之相关的基础性问题（如涉及Ⅳ-Ⅵ族半导体器件的表面和界面特性）的研究将有助于我们深入了解Ⅳ-Ⅵ族半导体器件的工作机理,从而为Ⅳ-Ⅵ族半导体发光器件的设计提供有力的理论依据。本文利用扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy, STM）、光电子能谱（Photoemission Spectroscopy, PES）和低能电子衍射（Low Energy Electron Diffraction, LEED）等现代表面测试手段,对涉及Ⅳ-Ⅵ族半导体薄膜的两类行为-Ⅳ-Ⅵ族半导体薄膜的生长以及Ⅳ-Ⅵ族半导体/金属的界面性质进行了系统研究。首先,我们利用超高真空扫描隧道显微镜（UHV-STM）对在BaF2（111）衬底上分子束外延生长的PbSe单晶薄膜进行了研究。实验结果表明沉积的PbSe薄膜是以台阶流模式生长的,其表面形貌依赖于外延生长时铅、硒的比率。在PbSe的生长条件下得到的PbSe薄膜,其表面为具有单原子层平整度的螺旋锥体,这样的薄膜不仅适合用作多层异质结构如多量子阱结构生长的缓冲层,而且还适合作为单晶衬底来研究与金属间的界面形成机理。而在Pb/Se>1（约为1.01）的生长条件下得到的PbSe薄膜,由于生长过程中过量的铅会作为杂质在位错中心云集而使PbSe在（100）面的生长速率减慢,致使薄膜表面除了单原子层生长卷线外还形成了呈倒置三棱锥结构的Ⅴ型缺陷。经研究发现PbTe与PbSe具有完全相同的薄膜生长行为。在半导体器件中,涉及金属/Ⅳ-Ⅵ族半导体界面的一些基础性问题（如金属与半导体间的相互作用）的研究至关重要,它将直接影响载流子从电极向半导体层的注入能力以及器件的性能。基于PbSe、PbTe薄膜生长行为的研究,利用光电子能谱我们首先对典型金属Ag-PbTe（111）的界面行为进行了探究。其结果表明Ag的初始沉积使Ag/PbTe（111）界面产生了0.13 eV的能带向下弯曲。结合第一性原理的计算结果,我们发现衬底原子Pb和Te均向金属Ag生长层表面发生了偏析,且以Te为截止面的单个Pb-Te bilayer形式位于金属Ag生长层的最表面。衬底原子向金属薄膜的偏析现象使得金属/Ⅳ-Ⅵ族半导体体系更赋趣味性与特殊性,这一实验结果有助于我们深入了解金属/Ⅳ-Ⅵ族半导体界面的形成机理,为进一步改善器件载流子从电极向Ⅳ-Ⅵ族半导体层的注入能力提供了有力的理论依据。磁性材料/半导体异质结在器件的自旋注入以及半导体极化电流的自旋分析等方面起着决定性作用,因此磁性材料/半导体的界面问题成为近来科学研究的热点。我们选取了典型磁性过渡族金属Mn,对其在PbTe（111）表面上的生长行为用扫描隧道显微镜（STM）和X光电子能谱（XPS）进行了系统研究。研究结果表明Mn在PbTe（111）面上的生长过程分为二个阶段：第一阶段为吸附Mn原子与衬底原子间的替代互作用阶段。即沉积Mn原子不断替代PbTe（111）衬底最外层的Pb原子位置,并与Te以立方相MnTe的成键方式相结合,在表面形成（√3×√3）R30°MnTe超结构,而被Mn取代出的Pb原子则以自由态Pb的形式与未发生替代反应的Mn原子一起在MnTe岛边缘成核生长,以绕MnTe的三维（3D）环状亮岛为中间态,最后形成具有一定大小（10-27 nm）及几何形状规则的Mn岛（Mn岛表层被自由态Pb所覆盖）。第二阶段为Mn在最外层Pb被完全取代后的PbTe（111）样品上的继续生长阶段。这个阶段中,沉积的Mn原子部分在MnTe超结构区域成核生长；部分则吸附于Pb覆盖的Mn岛表面,促进岛的纵向生长,但并不改变岛的其他性质（包括岛的横向大小、几何形状及表层成分等）。此实验结果有助于理解磁性金属/Ⅳ-Ⅵ族半导体异质结构的形成及其相关性质。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 Ⅳ-Ⅵ族半导体材料的基本物理性质
• 1.2.1 Ⅳ-Ⅵ族半导体材料的晶体结构和能带结构
• 1.2.2 Ⅳ-Ⅵ族半导体材料的其他物理性质
• 1.3 Ⅳ-Ⅵ族半导体光电器件的发展历程与存在的问题
• 1.3.1 Ⅳ-Ⅵ族半导体光电器件的发展历程
• 1.3.2 Ⅳ-Ⅵ族半导体器件目前存在的主要问题
• 1.4 本论文的研究工作
• 2 实验简介
• 2.1 PbTe、PbSe半导体薄膜样品的制备
• 2.2 表面分析方法简介
• 2.2.1 扫描隧道显微镜（STM）
• 2.2.1.1 扫描隧道显微镜的基本结构
• 2.2.1.2 STM的隧道电流及其图像的影响因数
• 2.2.1.3 STM的扫描模式
• 2.2.2 低能电子衍射（LEED）
• 2.2.3 光电子能谱（Photoemission Spectroscopy,PES）
• 2.2.3.1 光电子能谱基本原理
• 2.2.3.2 常用光电子能谱简介
• 2.2.3.3 能量分析器
• 2（111）衬底上分子束外延生长PbSe单晶薄膜的扫描隧道显微镜研究'>3 在BaF₂（111）衬底上分子束外延生长PbSe单晶薄膜的扫描隧道显微镜研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 结论
• 4 Ag/PbTe（111）界面行为的光电子能谱研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 Ag/PbTe（111）界面的XPS结果与讨论
• 4.3.2 Ag/PbTe（111）界面的UPS结果与讨论
• 4.4 结论
• 5 Mn/PbTe（111）界面行为的X光电子能谱研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.3 结果与讨论
• 5.4 总结
• 6 Mn/PbTe（111）界面行为的扫描隧道显微镜研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验
• 6.3 结果与讨论
• 6.4 总结
• 7 总结与今后工作展望
• 7.1 本文研究工作总结
• 7.2 今后工作展望
• 参考文献
• 个人简历