InAsGaSb超晶格微结构与光电特性研究.doc

InAs/GaSb超晶格微结构与光电特性研究InAs/GaSbⅡ类超晶格被认为是颇具应用价值的第三代红外探测材料。与HgCdTe体材料相比,InAs/GaSbⅡ类超晶格具有带隙灵活可调、电子有效质量大、材料均匀性好等优势。理论上讲,InAs/GaSbⅡ类超晶格红外探测器能够在保持较高量子效率的同时,实现较高的工作温度。在过去二十年间,对InAs/GaSbⅡ类超晶格红外探测器的研究已经取得了相当程度的发展。最近的研究表明,InAs/GaSbⅡ类超晶格的基本性能已经达到自适应焦平面阵列的实际需求。但是,InAs/GaSbⅡ类超晶格红外探测器热噪声限制比探测率的实测值仍然不如目前HgCdTe红外探测器,尚未达到其理论值。这是由多方面原因造成的,诸如少子寿命短、背景载流子浓度高和器件暗电流大等。基于InAs/GaSbⅡ类超晶格红外探测器国内外发展现状和存在的主要问题,本文利用分子束外延(MBE)技术,并结合超晶格界面控制,系统地研究了InAs/GaSb超晶格材料中应变平衡控制、界面原子互混和点缺陷分布等问题。制备了截止波长17μm的p-i-n型超长波InAs/GaSb超晶格红外探测器,并对其光电性能进行了分析。主要研究内容如下:采用表面迁移率增强法生长双InSb界面的InAs/GaSb超晶格样品,实现了超晶格应变控制。获得在超晶格应变近于平衡时,InSb与InAs层厚度经验关系式为tInSb=0.07tInAs-0.21(ML)。利用透射电镜对InAs/GaSb超晶格材料的界面结构进行深入研究。结果显示,在InAs/GaSb超晶格样品中,GaSb-on-InAs界面比InAs-on-GaSb界面更规则,更平直陡峭。其原因是在InAs-on-GaSb生长过程中易发生As/Sb置换反应而导致界面宽化和无序。利用正电子湮灭多普勒展宽技术研究了InAs/GaSbⅡ类超晶格材料的空位点缺陷分布。研究发现,InAs/GaSbⅡ类超晶格的空位点缺陷主要来自于GaSb层,超晶格中的主要空位缺陷类型和GaSb衬底相同,皆为VGa。采用一种结合HRTEM和DF-TEM技术的方法确定InAs/GaSb超晶格材料的组分分布。通过S函数和Muraki偏析模型拟合所得到的超晶格原子分布,对超晶格的超晶格界面原子互混(intermixing)和偏析(segregation)进行了定量分析。研究发现,在所生长的InAs/GaSb超晶格中,其界面原子的互混以As/Sb在InAs-on-GaSb界面处的置换反应为主,而偏析则以Sb原子在InAs-on-GaSb界面偏析为主。当在InAs-on-GaSb界面采用“类InSb型”界面时,可以有效的抑制As/Sb的互混和Sb原子的偏析,减小因界面原子互混和偏析引起的超晶格带隙蓝移,有助于提高超晶格带隙的精确控制。通过设计快速热退火(RapidThermalAnnealing,RTA)实验,研究了RTA对InAs/GaSb超晶格界面原子互扩散影响的一般规律。结果表明,当退火温度小于480℃时,超晶格的界面原子以As/Sb置换反应为主,其对超晶格的材料质量的影响主要表现为:对超晶格界面质量和各亚层组分的均匀性有一定的改善作用;当退火温度超过500℃时,In/Ga置换反应被激活,从而导致超晶格平均界面粗糙度明显增加和界面处堆垛层错和位错形成。由此可得,在对InAs/GaSb超晶格进行RTA后处理时,退火温度不宜超过500℃,而优化的退火温度在450o-480℃之间。制备了周期结构为16MLInAs/7MLGaSb的超长波红外InAs/GaSb超晶格p-i-n型红外探测器。测得所制备的超晶格探测器的截止波长和50%截止波长分别为17.1μm和13.3μm。探测器的峰值响应位于11.3μm处,其响应度为0.67A/W,峰值响应所对应的量子效率为6.3%。台面面积为400×400μm2的探测器R0A值为0.0173Ωcm2。该探测器77K时峰值响应处的热噪声限制比探测率为1.35×109cmHz1/2W-1。采用Hovel模型对InAs/GaSb超晶格p-i-n型红外探测器量子效率拟合分析发现,本征区空穴扩散长度较小是导致探测器量子效率较低的主要原因。理论计算表明,通过对本征i区进行p型掺杂可有效的解决这一问题:在不改变器件基本结构的情况下,p型掺杂器件的量子效率是未掺杂器件的2.2倍。通过对不同台面尺寸和不同工作温度下p-i-n型InAs/GaSb超晶格红外探测器的暗电流拟合发现:当器件工作温度在45~90K时,器件的主导暗电流机制为表面漏电流,该温度区间内的体暗电流以产生-复合电流为主;当器件工作温度在100K以上时,器件的主导暗电流机制为扩散暗电流。