晶格匹配InAs/AlSb超晶格材料的分子束外延生长研究

InAs/GaSb超晶格是量子级联激光器(quantum cascade lase,QCL)和带间级联激光器(interband cascade lasers,ICL)结构中重要的组成,特别是作为ICL的上下超晶格波导层是由大量的超薄外延层(纳米量级)交替生长而成,细微的晶格失配便会直接导致材料晶体质量变差,而且每层的厚度和组分变化会强烈影响材料结构性能.论文研究验证了InAs/GaSb超晶格材料生长的最佳温度约在420℃.通过在衬底旋转的情况下生长40周期短周期GaSb/AlSb和InAs/GaSb超晶格,并采用XRD测量拟合获得了GaSb和AlSb层厚分别为5.448 nm和3.921 nm,以及InAs和GaSb层厚分别为8.998 nm和13.77 nm,误差在10%以内,获得了InAs/AlSb超晶格的生长最优条件.在GaSb衬底上生长晶格匹配的40周期的InAs/AlSb超晶格波导层,充分考虑飘逸As注入对InAs/AlSb超晶格平均晶格常数的影响,在固定SOAK时间为3 s的条件下,通过变化As压为1.7×10^-6 mbar来调整个超晶格的平均晶格常...     

锑化物Ⅱ类超晶格材料外延生长、结构及光学特性研究进展

近年来,锑化物Ⅱ类超晶格材料在外延生长和发光性质等方面的研究取得了巨大的进步,为获得高性能中红外波段光电子器件奠定了重要的基础.然而,由于传统的InAs/GaSb体系超晶格材料中内部本征Ga原子缺陷的存在,使得InAs/GaSb材料的少子寿命过短,严重影响了光电子器件性能的提升,因此设计并生长具有长少子寿命的新材料体系...     

低压MOCVD生长参量对Ⅱ型InAs/GaSb超晶格材料表面形貌的影响

采用自制低压金属有机源化学气相沉积设备,在(100)面GaSb单晶衬底上生长了Ⅱ型InAs/GaSb超晶格材料.利用双晶X射线衍射、光学显微镜、原子力显微镜和光致发光谱等分析手段对材料特性进行了表征,获得了表面光亮的晶体质量较好的Ⅱ型InAs/GaSb超晶格材料,在77 K下得到光致发光谱峰值波长为3.25 μm.研究了生长温度、过渡层、界面层对其表面形貌的影响,得出生长温度在500 ℃～520 ℃,无过渡层,使用InAsSb界面层有利于改善材料的表面形貌.     

低压MOCVD生长参量对Ⅱ型InAs/GaSb超晶格材料表面形貌的影响

采用自制低压金属有机源化学气相沉积设备,在（100）面GaSb单晶衬底上生长了Ⅱ型InAs/GaSb超晶格材料.利用双晶X射线衍射、光学显微镜、原子力显微镜和光致发光谱等分析手段对材料特性进行了表征,获得了表面光亮的晶体质量较好的Ⅱ型InAs/GaSb超晶格材料,在77 K下得到光致发光谱峰值波长为3.25 μm.研究了生长温度、过渡层、界面层对其表面形貌的影响,得出生长温度在500 ℃~520 ℃,无过渡层,使用InAsSb界面层有利于改善材料的表面形貌.     

第一原理研究界面弛豫对InAs/GaSb超晶格界面结构、能带结构和光学性质的影响

通过广义梯度近似的第一原理全电子相对论计算, 研究了不同界面类型InAs/GaSb超晶格的界面结构、电子和光吸收特性. 由于四原子界面的复杂性和低对称性, 通过对InAs/GaSb超晶格进行电子总能量和应力最小化来确定弛豫界面的结构参数. 计算了InSb, GaAs型界面和非特殊界面(二者交替)超晶格的能带结构和光吸收谱, 考察了超晶格界面层原子发生弛豫的影响.为了证实能带结构的计算结果, 用局域密度近似和Hartree-Fock泛函的平面波方法进行了计算. 对不同界面类型InAs/GaSb超晶格的能带结构计算结果进行了比较, 发现界面Sb原子的化学键和离子性对InAs/GaSb超晶格的界面结构、 能带结构和光学特性起着至关重要的作用.     

InAs/GaSb量子阱的能带结构及光吸收

采用八能带K-P理论以及有限差分方法,研究了沿[001]方向生长的InAs/GaSb二类断带量子阱体系的能带结构、波函数分布和对[110]方向线性偏振光的吸收特性.研究发现,通过改变InAs或GaSb层的厚度,可有效调节该量子阱体系的能带结构及波函数分布.计算结果表明,当InAs/GaSb量子阱的导带底与价带顶处于共振状态时,导带基态与轻空穴基态杂化效应很小,且导带基态与第一激发态的波函数存在较大的重叠,导带基态与第一激发态之间在布里渊区中心处的跃迁概率明显大于导带底与价带顶处于非共振状态时的跃迁概率.研究结果对基于InAs/GaSb二类断带量子阱体系的中远红外波段的新型级联激光器、探测器等光电器件的设计具有重要意义.     

(InAs)1/(GaSb)1超晶格原子链的第一原理研究

利用第一原理平面波赝势法, 对(InAs)₁/(GaSb)₁超晶格原子链的原子结构、力学特性、电子能带结构、 声子结构和光学特性进行研究, 并结合密度泛函理论数值原子轨道赝势法和非平衡格林函数法计算量子输运特性. 与二维层结构的(InAs)₁/(GaSb)₁超晶格相比, (InAs)₁/(GaSb)₁超晶格原子链的能带结构有明显不同, 在某些情况下表现为金属能带特性. 对理想条件下(InAs)₁/(GaSb)₁ 超晶格原子链的力学强度计算表明, 该结构可承受的应变高达 ε=0.19. 通过对声子结构的完整布里渊区分析, 研究了(InAs)₁/(GaSb)₁超晶格原子链的结构稳定性. 对两端接触电极为Al纳米线的InAs/GaSb超晶格原子链的电子输运特性计算表明, 电导随链长和应变的改变而发生非单调变化.光吸收谱的计算结果表现出在红外波段具有陡峭吸收边, 截止波长随超晶格原子链的结构而变化.预计InAs/GaSb超晶格原子链可应用于红外光电子纳米器件, 通过改变超晶格原子链的结构来调节光电响应波段.     

(InAs)1/(GaSb)1超晶格纳米线第一原理研究

半导体纳米线作为纳米器件的作用区和连接部分具有理想的形状, 把电子运动和原子周期性限制在一维结构当中.通过体材料的已知特性, 有效地选择材料组分使纳米线的低维结构优点更加突出.此外, 还可以通过其他方式来调整纳米线特性, 如控制纳米线直径、晶体学生长方向、结构相、表面晶体学晶面和饱和 度等内部或固有的特性;施加电场、磁场、热场和力场等外部影响. 体材料InAs和GaSb的晶格常数非常相近, 因此InAs/GaSb异质结构晶格失配很小, 可生长成为优良的红外光电子材料.另外, 体材料InAs在二元III---V化合物半导体中具有最低的有效质量, 这使得电子限制在InAs层的InAs/GaSb超晶格具有良好的输运特性. 本文通过第一原理计算研究轴线沿[001]和[111]闪锌矿晶体学方向的 (InAs)₁/(GaSb)₁超晶格纳米线(下标表示分子或双原子单层的数量) 的结构、电子和力学特性, 以及它们随纳米线直径(线径约为0.5---2.0 nm)的变化规律.另外, 分析了外部施加的应力对电子特性的影响, 考察了不同线径(InAs)₁/(GaSb)₁超晶格纳米线的电子带边能级随轴向应变的变化, 从而确定超晶格电子能带的带边变形势.     

InAs和InAs/GaSb异质结的MOCVD生长和表征

以三甲基铟(TMIn)、砷烷(AsH3)、三甲基镓(TMGa)和三甲基锑(TMSb)为源,用水平常压MOCVD技术,在较低的Ⅴ/Ⅲ比的条件下(1.5～4)于GaAs和GaSb衬底上成功地生长了InAs合金和InAs/GaSb异质结。实验表明,生长温度在500℃～620℃范围内,InAs外延生长是扩散控制的。在Ⅴ/Ⅲ比为2.5时,生长效率(相对Ⅲ族源)为3×103μm/mol.不掺杂InAs外延层为n型的,室温迁移率为2000cm2/V.s.InAs/GaSb异质结的12KPL谱为一个在375meV处较宽的与杂质相关的跃迁峰,和一个在417meV附近的几乎被杂质峰湮没的带边峰.     

InAs/InxGa1－xSb二类超晶格红外探测器的吸收波长与电子-空穴波函数交叠的研究

运用包络函数模型和传输矩阵方法计算了二类超晶格的能级结构.考虑到InAs与In_xGa_1-xSb结合存在应变,在计算中InAs/In_xGa_1-xSb二类超晶格的带阶采用模型固体理论处理.因为吸收系数与电子-空穴波函数交叠成正比,所以研究了InAs/In_xGa_1-xSb二类超晶格红外探测器的吸收波 关键词： 二类超晶格 红外探测器 波函数的交叠 传输矩阵     

InAs/GaInSb超晶格薄膜结构与电学性能

采用分子束外延(MBE)方法, 调节生长温度、Ⅴ/Ⅲ束流比等参数在(001)GaAs衬底上生长了InAs/GaInSb超晶格薄膜.结果表明:InAs/GaInSb超晶格薄膜的最佳生长温度在385~395 ℃, Ⅴ/Ⅲ束流比为5.7 :1~8.7 :1.高能电子衍射仪(RHEED)原位观测到清晰的GaAs层(4×2)、GaSb层(1×3)和InAs层(1×2)再构衍射条纹.获得的超晶格薄膜结构质量较好.随着温度的升高, 材料的载流子浓度和迁移率均上升.     

InAs/AlSb/GaSb量子阱中的双色光吸收

为了降低噪声对InAs/GaSb量子阱作为双色电探测器性能的影响,设计性能优良的光电探测器,在InAs/GaSb量子阱中加入AlSb夹层,以减少电子和空穴在界面处的复合,从而抑制由于电子和空穴复合引起的噪声。首先应用转移矩阵方法求解薛定谔方程得到量子阱中电子和空穴的能级和波函数,研究AlSb夹层对电子和空穴波函数的影响。应用平衡方程方法求解外加光场条件下的玻尔兹曼方程,研究所有电子和空穴跃迁通道对光吸收系数的贡献,重点研究了AlSb夹层厚度对光吸收系数的影响。结果表明:基于In As/GaSb的量子阱体系可以实现双色光吸收,加入AlSb夹层可以有效抑制电子和空穴在界面处的隧穿,从而降低复合噪声,同时AlSb夹层的加入也对吸收峰有影响。AlSb夹层的厚度达到2 nm即可有效降低电子和空穴复合噪声,双色光吸收峰在中远红外波段,为该量子阱作为性能良好的中远红外光电探测器提供理论支撑。     

利用InAs/GaAs数字合金超晶格改进InAs量子点有源区的结构设计

利用分子束外延技术,通过InAs/GaAs数字合金超晶格代替传统的直接生长InGaAs层的方式,在GaAs(100)衬底上生长了InAs量子点结构并成功制备了1.3μm InAs量子点激光器.通过原子力显微镜和光致荧光谱测试手段,对传统生长模式和数字合金超晶格生长模式的两种样品进行了表征,研究发现采用32周期InAs/GaAs数字合金超晶格样品的量子点密度非常高,发光性能良好.通过与常规生长方式所制备激光器的性能对比,发现采用InAs/GaAs数字合金超晶格生长InAs量子点的有源区也可以得到高质量的激光器.利用该方式生长的InAs量子点激光器的阈值电流为24 mA,相应的阈值电流密度仅为75 A/cm2,最高工作温度达到120℃.InAs/GaAs数字合金超晶格既可以保证生长过程中源炉的温度保持不变,还可以对InGaAs层的组分实现灵活调控.不需要改变生长速度,通过改变InAs/GaAs数字合金超晶格的周期数以及InAs层和GaAs层的厚度,便可以获得任意组分的InGaAs,从而得到不同发光波长的激光器.这种生长方式对量子点有源区的结构设计和外延生长提供了新思路.     

生长中断法生长InAs/GaSbⅡ型超晶格材料表面形貌的研究

利用分子束外延技术,基于控制快门开关顺序的生长中断法,在GaSb衬底上生长了10周期和20周期的InAs(10 monolayer, 10 ML)/GaSb(10 ML)Ⅱ型超晶格材料。实验中,基于软件模拟对生长参数进行调控分析,实现了As-Sb高效的置换,有效地降低了界面的应力。通过双晶X射线衍射和原子力显微镜对超晶格样品表面形貌进行测试和表征,应变分别减少到0.64%和0.56%,均方根粗糙度仅为0.81 nm和0.45 nm,为后续器件的制备提供了基础。     

非晶态半导体超晶格研究中的几个问题

本文扼要介绍非晶态半导体超晶格研究中的几个有代表性的问题．着重讨论了超晶格结构的界面,持续光电导,光诱增电导（ＰＩＥＣ）现象,由于带隙兰移和电荷转移掺杂引起的电导率的异常现象,质量调制超晶格的负阻效应．     

Ⅰ类和Ⅱ类准周期半导体超晶格的电子子带和波函数

本文将包迹函数近似推广用于计算有理数近似下,垂直于超晶格轴的波矢K_⊥不等于零时,准周期半导体超晶格(QSS)的电子子带和波函数,对K_⊥=0的情形,分别计算了Ⅰ类的GaAs/Al_xGa_1-xAs和Ⅱ类的InAs/GaSb QSS的电子子带和波函数,直至代序数m=9和6。对于价带对导带影响强的InAs/GaSb QSS,分别计算了m=5和6时电子子带随K_⊥的变化关系。并提出了利用本文结果计算Ⅰ类的GaAs/Al_xGa_1-xAs QSS带间集体激发的具体方法。     

AlN/InN和AlN/GaN超晶格能带结构研究

利用Krönig-Penney 模型和形变势理论,从理论上探讨了纤锌矿型AlN/InN和AlN/GaN超晶格系统的能带结构及不同应变模式对能带结构的影响,计算得到了能带结构随各亚层参量变化的一般性规律、超晶格的能量色散关系、应变造成的影响以及不同亚层厚度的系统禁带宽度和导带第一子禁带宽度.研究发现,通过改变亚层厚度可以从不同形式设计能带结构,应变会改变系统禁带宽度,使带阶和子能带明显窄化,价带结构趋于复杂甚至生成准能带结构.与实验结果对比后发现,该模型适于模拟窄势阱结构超晶格,而对于宽势阱则必须 关键词： AlN/InN和AlN/GaN超晶格 Krönig-Penney模型 应变 子能带     

二维复式晶格磁振子晶体的带隙结构

提出了一种复式晶格磁振子晶体的模型,该模型由两种铁磁材料散射体周期排列在另一种铁磁材料基底中构成.应用超原胞的思想拓展了平面波展开法,用于数值计算研究自旋波在复式晶格磁振子晶体中的本征性质本文数值计算了由两种大小不同的铁(Fe)-铁(Fe)圆柱体交替正方排列在氧化铕(EuO)基底材料中构成的二维复式晶格磁振子晶体的带结构,研究了带隙宽度随体积填充率的变化行为,并与同一铁(Fe)圆柱正方排列在氧化铕(EuO)基底材料中构成的简单晶格磁振子晶体的带隙结构随体积填充率的变化行为进行了比较.结果表明,利用复式晶格可以优化或调节自旋波带隙的宽度和频率位置.     

GaNAs基超晶格太阳电池的分子束外延生长与器件特性

采用分子束外延(MBE)生长技术生长了周期厚度不同的1 e V吸收带边的Ga N0.03As0.97/In0.09Ga0.91As应变补偿短周期超晶格(SPSL)。高分辨率X射线衍射(HRXRD)测量结果显示,当周期厚度从6 nm增加到20 nm时,超晶格的结晶质量明显改善。然而,当周期厚度继续增加时,超晶格品质劣化。对超晶格周期良好的样品通过退火优化,获得了具有低温光致发光现象的高含N量Ga NAs/In Ga As超晶格,吸收带边位于1 e V附近。使用10个周期的Ga NAs/In Ga As超晶格(10 nm/10 nm)和Ga As组成的p-i-n太阳电池的短路电流达到10.23 m A/cm2。经聚光测试获得的饱和电流密度、二极管理想因子与由电池暗态电流-电压曲线得到的结果一致。     

As保护下的生长中断时间对AlSb/InAs超晶格界面粗糙度的影响

用分子束外延设备(MBE)在GaAs(100)衬底上生长了InSb型界面的AlSb/InAs超晶格，界面生长过程中采用了As保护下不同的中断时间.运用掠入射X射线反射技术(GIXRR)对样品进行了测量，并对测量结果进行了模拟和分析，发现As保护下生长中断20 s能获得最平整的AlSb/InAs界面.结合分析显微镜下观察到的样品形貌，过短的界面中断时间会导致界面富In并形成In点，而过长的中断时间会导致AlAs型界面的形成，两者都使界面变得粗糙.另外，还讨论了生长中断在分子束外延生长中的应用. 关键词： 分子束外延 生长中断 超晶格 掠入射X射线反射