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《长春理工大学》 2009年
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Ⅲ-Ⅴ族非晶态探测器材料研究

么艳平  
【摘要】: Ⅲ-Ⅴ族晶体半导体材料由于其稳定性好,高吸收系数、高迁移率,可望在室温工作等特点已引起人们广泛注意。与晶体Ⅲ-Ⅴ族半导体相比,非晶态半导体材料具有成本低、制备工艺简单的优点。Ⅲ-Ⅴ族非晶半导体仍具有半导体特性,有望应用于探测器(适用波段1~3μm)以及其它光电器件。但是目前国内外还缺乏Ⅲ-Ⅴ族非晶态材料全面和详尽的研究。本文围绕非晶(a-)In_xGa_(1-x)As(0≤x≤1)薄膜和a-InSb薄膜的制备、表征、退火和氢钝化四个方面开展工作。 (一)Ⅲ-Ⅴ族非晶薄膜的制备工艺 在玻璃和单晶硅衬底上,我们利用磁控溅射方法制备了Ⅲ-Ⅴ族非晶薄膜。通过材料的生长机理和动力学研究,分析了工艺参数对结构的影响。减小功率、降低衬底温度或增加工作气压可以减小溅射粒子的能量,制备出非晶薄膜。通过大量的实验,我们确定了a-In_xGa(1-x)As薄膜和a-InSb薄膜的生长窗口。 1、a-GaAs薄膜制备工艺条件:在室温条件下,溅射功率(P_(rf))为40-100W,工作气压(P_w)为0.5-8 Pa。 2、对于制备a-InAs薄膜,在P_(rf)一定时,不同的衬底温度T_S存在不同的门槛气压使制备样品结构从多晶态向非晶态转变,并且随T_S增加,门槛气压也随之增加。 3、通过调整InAs靶和GaAs靶的功率,可以制备出a-InGaAs薄膜。 4、在室温条件下,P_(rf)为50W,P_w为3Pa以上时,制备InSb薄膜为非晶结构。 (二)Ⅲ-Ⅴ族非晶薄膜的结构、组分、形貌和光电性质表征 采用X射线衍射仪、透射电镜、X射线能谱仪、原子力显微镜、扫描电镜等手段对Ⅲ-Ⅴ族非晶薄膜的结构、组分和表面特性进行了表征,分析了工艺参数对结构、组分和形貌的影响,我们已获得了表面形貌很好、符合化学计量比的a-In_xGa(1-x)s和a-InSb薄膜。并且由X射线衍射结果计算出径向分布函数和双体相关函数,获得了a-In_xGa_(1-x)As薄膜的微观结构数据。a-GaAs和a-InAs薄膜的最近邻原子的配位数小于4,说明含有一定的错键。a-InGaAs薄膜的径向分布函数第一近邻峰分裂成位于2.58(?)和2.7(?)的两个峰,分别对应Ga-As键和In-As键的键长,并且随In成分的增加,位于2.58(?)处的峰的相对峰高变小,而2.7(?)处的峰的相对峰高变大。 我们利用分光光度计和椭圆偏振光谱仪分析了a-In_xGa(1-x)As和a-InSb薄膜的光学性质。工艺参数直接影响光学带隙的变化,随P_w的增加或P_(rf)减小,导带带尾和价带带尾的缺陷态减小,光学带隙相应增加。实现a-In_xGa(1-x)As薄膜的光学带隙变化范围为0.72eV-1.77 eV;a-InSb的光学带隙在0.462-0.61eV之间。实验中发现,在一定条件下制备InGaAs薄膜的光学带隙与In含量的关系不确定。通过椭圆偏振光谱获得了薄膜光学常数,发现非晶、多晶和单晶薄膜的椭圆偏振光谱表现出巨大的差异。 采用Hall系统进行了非晶薄膜的电学特性分析,薄膜的无序化程度越高,电阻率越大、载流子浓度越小。 对a-In_xGa(1-x)As薄膜和a-InSb薄膜的光敏特性进行了分析。实验制备的a-InGaAs、a-InSb薄膜在光照下具有明显的光敏特性。在a-GaAs和a-InSb薄膜中,光敏随气压的增加而增加。然而对于a-In.As薄膜,符合化学计量比时光敏最大,但是要比a-GaAs、a-InGaAs和a-InSb薄膜光敏小。 (三)Ⅲ-Ⅴ族非晶薄膜的退火研究 对a-In_xGa_(1-x)As薄膜进行了退火实验,晶化温度约为300℃。在晶化温度以下退火,可以减少带尾中的缺陷以及增加应变键的驰豫,由此导致光学带隙增加。随退火温度增加而出现结晶相,光学带隙减小。并且由于多晶相和非晶相的交界面上,形变键和悬挂键数目增加,带尾宽度增加。对a-GaAs:H薄膜进行了退火实验,发生氢的释放,光敏下降。 (四)a-In_xGa_(1-x)As薄膜的掺氢研究 实现发现,溅射过程中加H_2对a-In_xGa_(1-x)As薄膜有钝化作用,减少了带尾和带隙中的态密度,导致吸收边蓝移、光电导增强。同时发现,加H_2易于造成a-InAs薄膜的晶化。 总之,我们采用磁控溅射技术制备Ⅲ-Ⅴ族非晶薄膜,并且研究了工艺参数对结构、组分、表面形貌和光电性能的影响。通过优化工艺参数,我们可以制备出具有光电响应,能应用于光导探测器的Ⅲ-Ⅴ族非晶薄膜,这为Ⅲ-Ⅴ族非晶薄膜的将来应用提供了实验依据。
【学位授予单位】:长春理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TN36

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