中波红外InAsSb薄膜的LPE生长、特性研究和器件工艺探索
文献类型：学位论文
| 作者 | 王奇伟 |
| 答辩日期 | 2012-05-24 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 戴宁 |
| 关键词 | Inassb 液相外延 中波红外 电学输运 离子注入 |
| 学位专业 | 微电子学与固体电子学 |
| 英文摘要 | 三元合金化合物InAs1-xSbx是一种具有广阔应用前景的红外光电材料，可应用于红外激光器、发光二极管和光电探测器的研制。这主要是InAs1-xSbx与Hg1-xCdxTe相比具有更好的稳定性，同时随着Sb组分x的变化，其带隙覆盖了中波红外 (3-5µm) 和长波红外 (8-12µm)两个大气窗口，在这两个波段范围大气吸收最小。除此之外，InAs1-xSbx在室温下也具有非常高的电子迁移率，因而又可以应用于高速器件的研制。与MBE和MOCVD相比，液相外延 (LPE) 是一种成本低、操作简单的外延生长方法，更适合用于InAs1-xSbx光电器件的制备以降低成本。此外，由于LPE近似平衡生长的特点，所得到的外延层具有更少的缺陷，具有更高的迁移率。因此，对于LPE 生长高质量InAs1-xSbx薄膜的研究、表征其基本物理特性，以及对器件工艺的探索具有重要的意义。本论文主要目的是，利用传统的液相外延设备生长高质量的中波红外InAs1-xSbx薄膜，研究其基本物理特性，探索InAs基器件制备的工艺过程。本论文取得的主要成果包括以下几个方面：(1) 升级和改造了LPE系统的控温系统和高纯气体系统。对石英推杆和石墨舟部件重新设计和加工。实验表明新的LPE系统减少了母液残留、提高了成品率。(2) 利用传统的LPE设备，在440-520℃温度下在InAs (100) 衬底上成功生长了Sb组分在0.07≤x≤0.19的InAs1-xSbx单晶薄膜。利用高分辨的XRD、扫描电镜 (SEM)、光学显微镜、原子力显微镜 (AFM) 和高分辨透射电镜 (HRTEM) 表征了微观结构和表面形貌。对Mn和Zn掺杂对LPE生长InAs1-xSbx的影响做了分析。实验发现Zn掺杂对LPE生长InAs1-xSbx影响很小，因而 Zn元素比Mn元素更适用于InAs1-xSbx的p型掺杂。(3) 利用传统LPE系统成功生长了大面积 (12´12 mm2)、镜面光滑、厚度超过20 μm的InAs1-xSbx单晶薄膜。用环氧树脂将外延层粘贴在半绝缘的Si和GaAs衬底，再利用化学机械抛光 (CMP) 将导电的InAs衬底和界面处的高密度位错层彻底抛去。在12-300K温度范围对消除了InAs导电衬底和位错密度层影响的外延层进行了霍尔测试。实验发现非目的掺杂的InAs1-xSbx导电类型为n型，Zn掺杂InAs1-xSbx薄膜导电类型为p型。非目的性掺杂的LPE生长的InAs1-xSbx电子迁移率要高于相应的MBE和MOCVD生长的值。利用马西森(Matthiessen)定律对其相关的散射机制做了详细的分析。此外，在磁场强度0-1.4T下观察到非特意掺杂InAs1-xSbx的正磁阻效应，并利用经典理论对磁阻进行了拟合。(4) 利用综合物性测试系统 (PPMS)，通过对四点法加工的InAs1-xSbx (0.04≤x≤0.13)样品，在0-9T 磁场下对磁阻特性进行了测试。实验观测到强烈的三维SdH磁阻振荡效应。通过三维的SdH振荡的理论公式对实验数据拟合，抽取得到了载流子浓度、有效质量和Dingle温度。利用SdH振荡得到的载流子浓度和霍尔测试值基本一致，得到的有效质量和理论计算值符合很好。(5) 利用传统LPE系统，原位生长了InAs同质p-n结和InAsSb/InAs 异质p-n结。对p-n结的I-V特性做了测试。尝试了用不同的刻蚀液刻蚀InAs基材料的台面。成功设计并生长了用于红外探测器件的p+ InAsSbP/ n InAsSb/n+InAs异质结构。(6) 通过高分辨的XRD、RBS/C和HRTEM研究了能量为80keV、剂量在1×1012 到 2×1016 cm-2范围的Be 离子注入InAs衬底的晶格膨胀效应。为了研究损伤积累的演化行为，计算并分析了最大垂直应力εm 随注入剂量的非线性曲线。εm 随注入剂量的非线性曲线可以分成五个区域，代表了五种不同损伤积累行为。对每种行为可能所涉及的微观结构变化做出了详细分析。另外，对注入能量为80 keV、剂量在1×1013 到 4×1015 cm-2 Be离子注入的液相外延InAs0.93Sb0.07薄膜做了相似的工作。并对Be注入的InAs0.93Sb0.07薄膜损伤层的退火特性做出了详细研究。当注入剂量小于1×1015 cm-2时，通过在500℃下快速退火10s能够把损伤彻底修复。但是，当注入剂量大于4×1015 cm-2时，纳米量级的残留损伤依旧存在，这可能源于注入损伤产生的无序区域不能很好地重结晶。 |
| 学科主题 | 红外基础研究 |
| 公开日期 | 2012-09-11 |
| 源URL | [http://202.127.1.142/handle/181331/5156]  |
| 专题 | 上海技术物理研究所_上海技物所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王奇伟. 中波红外InAsSb薄膜的LPE生长、特性研究和器件工艺探索[D]. 中国科学院研究生院. 2012. |
入库方式： OAI收割
来源：上海技术物理研究所
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