In(GaSb)薄膜及量子点结构的MOCVD外延生长

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Ⅲ-Ⅴ族锑化物是半导体材料体系的重要组成部分,由于其独特的能带结构、有效质量小、电子迁移率高等优良特性,在超高速低功耗器件和红外光电领域有着重要应用。特别是量子点、超晶格等低维结构以及Ⅱ型能带结构的引入,使波长从近中红外延伸到远红外,锑化物器件被认为是第三代红外技术的重要发展方向。然而,由于锑源具有较低的饱和蒸汽压,使得采用MOCVD技术很难制备高质量的锑化物材料,严重限制了其高性能器件的大规模商业化生产。本文基于MOCVD技术,开展了InGaSb薄膜以及InGaSb、GaSb量子点的生长和特性研究,具体内容如下:1.采用MOCVD技术,在GaSb衬底上制备了InGaSb薄膜,研究了生长温度、Ⅴ/Ⅲ比、Ga/Ⅲ比对In GaSb薄膜性质的影响。当温度从430°C增大到510°C时,In GaSb薄膜的表面形貌和结晶质量得到极大的改善,结合In的并入情况,获得最佳生长温度为470°C,热力学是主要影响因素。当Ⅴ/Ⅲ比从0.5增大到2.0,InGaSb薄膜表面粗糙度明显降低,Ⅴ/Ⅲ比为1.5时结晶质量最好,XRD摇摆曲线半高宽(FWHM)为0.47°。当Ga/Ⅲ比从0.3增大到0.8时,InGaSb薄膜的表面形貌和结晶质量得到极大的改善,成键强度和动力学等是主要影响因素。2.采用MOCVD技术,在GaAs衬底上制备了In GaSb量子点,研究了生长温度、反应压强、生长时间、中断时间等生长参数,以及沉积厚度和GaSb缓冲层对In GaSb量子点形貌的影响。温度为500°C、反应压强为100mbar、生长时间为5s、中断时间为10s时,量子点密度最大且沿[110]方向生长速度快,密度为5.5×109cm-2,平均高度为11nm,平均直径为72nm,平均长宽比约1.5。3.采用MOCVD技术,在GaAs衬底上制备了GaSb量子点,通过Sb表面处理方法,在GaAs衬底上形成低表面能的Sb-Sb浮层,实现以界面失配(IMF)生长模式对GaSb量子点诱导生长,量子点沿[110]方向生长较快。温度为500°C、压强为40mbar、生长时间为20s时,量子点密度最大为1.2×1010cm-2,平均直径43nm,平均高度5.8nm。此外,研究了液滴外延生长模式对GaSb量子点形貌的影响,其量子点密度较小约109cm-2,直径约90100nm,高度约912nm。4.研究了源输入流量、反应压强对GaSb量子点各向异性的影响,以及Sb保护对量子点生长机制和形貌的影响。高的源输入流量和低的反应压强都可以有效抑制量子点形貌的各向异性,采用高的源输入流量虽然可以较好抑制各向异性,但导致量子点堆垛现象严重,并且过短的生长时间(<5s)很难控制量子点分布的均匀性。采用较低压强(40mbar)不仅可以有效抑制量子点各向异性形貌,而且可以通过改变生长时间在较大的范围内调节量子点尺寸。生长前的Sb保护过程,有类似Sb表面处理的作用,促进IMF生长模式的形成。
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