锑化物红外探测材料的mocvd生长及光电性能研究

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1、博士学位论文锑化物红外探测材料的MOCVD生长及光电性能研究RESEARCHONMOCVDGROWTHANDOPTO-ELECTRICCHARACTERIZATIONOFANTIMONIDEINFRAREDDETECTIONMATERIALS宁振动2016年5月国内图书分类号：TN304.2学校代码：10213国际图书分类号：621.315.592密级：公开工学博士学位论文锑化物红外探测材料的MOCVD生长及光电性能研究博士研究生：宁振动导师：王占国研究员赵连城教授申请学位：工学博士学科：材料科学与工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2016年5月授予学位单位：哈尔滨工业大学C

2、lassifiedIndex:TN304.055U.D.C:621.315.592DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONMOCVDGROWTHANDOPTO-ELECTRICCHARACTERIZATIONOFANTIMONIDEINFRAREDDETECTIONMATERIALSCandidate：NingZhendongSupervisor：Prof.WangZhanguoProf.ZhaoLianchengAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpecial

3、ity：MaterialsScienceandEngineeringAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：May,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要锑化物超晶格材料与传统的红外材料HgCdTe相比，具有结构稳定性好、带隙调节简单、隧穿电流小、应变使轻重空穴带能级分裂抑制俄歇复合等一系列优点，是制作第三代半导体红外探测焦平面阵列的优选材料之一，已成为当前国内外研究的热点。目前此类超晶格通常使用分子束外延

4、技术(MBE)生长，而利用金属有机化合物气相沉积技术(MOCVD)生长的报道比较少。由于MOCVD生长过程易于控制，操作方便，可以进行批量生产降低材料制备成本。因此本论文围绕中波红外(3-5μm)锑化物超晶格MOCVD生长这一主题展开研究，从材料生长优化、光电性质测试、单元器件制备等方面出发，主要内容如下：采用低温成核，退火，高温生长的“三步法”在GaAs衬底异质外延GaSb缓冲层，原子力显微镜测试结果表明其表面粗糙度小于0.5nm，双晶XRD半高宽仅为172arcsec。在此基础上利用相对比较简单的“交换界面”方法制备InAs/GaSb超晶格，利用高分辨X射线衍射、原子力显微镜进行

5、结构分析表征，然后通过变温拉曼光谱(77-357K)得到InAs/GaSb超晶格LO模及GaAs-like界面模的温度系数，分别为-0.01674cm-1/K、-0.01552cm-1/K。由于InAs/GaSb超晶格MOCVD生长温度为520℃，已经非常接近InSb的熔点(535℃)，所以简单的InSb界面设计已经不能满足材料生长需要，需要设计新型界面结构，对于InAs/GaSb超晶格MOCVD生长是一个极大的挑战。另外由于组分层GaSb中与Ga元素相关的一些缺陷导致超晶格少数载流子寿命非常短，严重限制探测器在高温工作时的性能。为解决上述问题，研究不含Ga元素的InAs/InAsS

6、b超晶格材料MOCVD生长，不仅可以解决InAs/GaSb超晶格材料少数载流子寿命短的问题而且其界面设计简单，还可以简化生长过程。采用MOCVD生长不同周期、不同Sb组分的InAs/InAsSb超晶格材料，采用高分辨X射线衍射、原子力显微镜、透射电子显微镜、光致发光及光响应技术对材料进行分析表征。为进一步提高材料质量，研究生长温度、退火温度对材料晶体质量及光电性质的影响，得到500℃为InAs/InAsSb超晶格材料生长的最佳温度，Sb组分随生长温度升高而降低。退火温度550℃，时间30min，可以大幅增强InAs/InAsSb超晶格材料的光响应，但退火温度继续升高后可能会对材料界面

7、造成破坏导致界面组分波动且粗糙度增加使得材料光学性质衰减。随后研究生长超晶格组分层InAsSb时不同V/III比对超晶格Sb组分的影响，随着V/III的增加，Sb组分逐渐降低。利用光致发光研究InAs/InAsSb超晶格的光学性质，拟合得出Varshni及Bose-Einstein参数，为后续探测器件设计提供参考。由于组分层厚度、Sb组分波-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文动及界面处缺陷、失序会产生局域中心，引发载流子局域现象。经过详细的光学性质研究观测