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InSb作为二元Ⅲ-Ⅴ族半导体中禁带最窄的材料,同时具有超高的电子迁移率、明显的磁阻效应和很强的自旋轨道作用,使得InSb可以在中红外光电器件、磁敏器件以及自旋调控等方面获得广泛应用并因此倍受关注;InSb基的InAsSb材料因其在8-12微米大气窗口波段的响应使其成为制备红外非制冷成像器件的理想的材料;理论研究表明InNSb合金其禁带宽度随N组份迅速变窄,2％左右的N组份就可使其禁带宽度降至零,同时相对HgCdTe薄膜兼具较低的俄歇复合率,使得InNSb有可能成为红外光电器件理想的备选材料。本文通过大量的工艺探索,利用分子束外延(MBE)技术成功地在GaAs等衬底上外延生长上述InSb,InAsSb和InNSb薄膜,并借助各种表征手段对其光电特性作了系统研究。主要研究内容包括以下几个方面:
1.InSb/GaAs薄膜的MBE生长和输运特性研究:(1)利用两步生长法在GaAs衬底上制备了不同厚度高质量的InSb薄膜。(2)利用AFM、XRD、红外反射谱、光电流谱对薄膜进行了表征,结果显示材料有很好的晶体质量并且晶体质量随薄膜厚度的增加明显改善。(3)对材料的迁移率和载流子浓度进行了变温测试,对迁移率和载流子浓度随薄膜厚度和测试温度的变化进行了研究。(4)对InSb/OaAs薄膜进行了变温磁阻的研究表明该材料的磁阻因薄膜内迁移率纵向分布而明显高于块材。对不同厚度薄膜磁阻随温度的变化作了研究,并对较厚薄膜在高温时较快达到饱和的现象进行了讨论。(5)观察到InSb/GaAs薄膜的低温的反弱局域现象,通过对实验数据进行拟合得到了τso和τφ与温度的函数关系,结果显示NY机制在本研究中占主导地位;对相应的薄膜进行了倾斜场的磁阻研究,结果表明薄膜的反弱局域效应存在明显的各向异性,通过分析讨论认为粗糙效应是其主要原因。
2.InAsSb/OaAs薄膜的MBE生长和物性研究:(1)通过大量的工艺条件的探索,成功在GaAs(001)衬底上制各了一系列不同As组份的较高质量InAsSb薄膜。(2)利用AFM、XRD、拉曼光谱、红外反射谱对薄膜进行了表征,结果显示材料具有有较好的晶体质量;InAsSb外延薄膜的拉曼光谱和远红外反射均存在双模结构。(3)系统研究了InAsSb薄膜材料迁移率和载流子浓度随As组份和温度依赖关系,并对该薄膜的磁阻作了研究,发现由于As的掺杂使得磁阻明显下降。(4)对InAsSb薄膜的低温磁输运作了细致的研究,观察到明显的反弱局域现象,并且磁阻极大值和极大值对应的磁场强度都比一般的薄膜和量子阱材料大1到2个量级。通过对实验数据的拟合我们得到了参数τso和τψ随温度的变化。
3.InNSb薄膜的MBE生长和物性研究:(1)通过大量的工艺探索,成功的在InSb(001)衬底上制备了一系列不同N组份高质量的InNSb薄膜,其N组份最高至1.34%(XRD结果),细致研究了衬底温度、束流比、N源功率等参数对材料N组份的影响,成功探索出生长InNSb外延薄膜的工艺窗口:(2)利用AFM、XRD、拉曼光谱等表征手段对材料晶体质量进行了表征,结果显示材料具有较好的晶体质量,并且材料的晶体质量随N组份的增加而下降。(3)通过大量的工艺探索,成功的GaAs(001)衬底上制备了不同N组份的InNSb外延薄膜,并对材料的晶体质量进行了细致表征;(4)研究了InNSb薄膜材料迁移率和载流子浓度随As组份和温度依赖关系,并对该薄膜的磁阻作了研究,发现由于N的掺杂使得磁阻明显下降。(5)对一些InNSb/InSb样品进行了初步的退火研究,退火提高材料晶体质量,同时N组份明显变小。