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IV-VI族半导体外延生长及其特性研究

斯剑霄  
【摘要】: 以PbSe和PbTe为代表的Ⅳ-Ⅵ族窄带隙半导体材料具有一些独特的物理性质,如能带结构高度对称、重空穴带缺失,直接带隙位于布里渊区的L对称点、且具有正的温度系数关系等;Ⅳ-Ⅵ族半导体还具有俄歇复合率低的特点,比相似带隙的Ⅲ-Ⅴ族半导体低1-2个数量级。这些特性使得Ⅳ-Ⅵ族半导体成为制备中红外光电子器件的重要材料之一,并被应用到环境检测、有毒气体分析、医学诊断和国防等领域,因此研究Ⅳ-Ⅵ族窄带隙半导体材料的生长和物理特性具有重要的意义。本论文开展了Ⅳ-Ⅵ族半导体低维结构和PbTe/CdZnTe新型异质体系的分子束外延生长及其物理特性的研究工作,在BaF2(111)单晶衬底、CdZnTe(111)单晶衬底上实现了PbTe薄膜的外延生长,并在此基础上研究了PbSe量子点的生长机理。利用原子力显微镜(AFM)、高分辨X射线衍射(HRXRD)、X射线光电子能谱(XPS)以及光致发光谱(PL)等表征手段研究了PbTe薄膜、PbSe量子点以及PbTe/CdZnTe异质界面等的微结构和光电特性。取得的主要结果如下: (1)在BaF2(111)衬底上外延得到了单原子层平整表面的PbTe薄膜。通过比较不同生长温度、Te/PbTe束流比的PbTe薄膜的晶体质量和表面形貌,发现增大Te/PbTe束流比(Gr≥0.33)可以有效的改善表面形貌,得到单原子层平整的表面。同时,升高生长温度,可以有效的改善晶体质量,减少位错密度和缺陷。在不同温度下观察到了PbTe薄膜的中红外光致发光。 (2)在单原子层平整的PbTe薄膜上,用分子束外延方法自组装(self-assembled)生长了PbSe量子点。通过观察不同沉积速率下的PbSe量子点生长,得到了PbSe量子点形状和分布特征,发现PbSe应力各向异性是影响量子点形状和分布的主要因素。此外在单原子层平整的PbTe薄膜上,通过电子束曝光、刻蚀,成功制备了脊背式和二维平面式PbTe薄膜微结构模板。 (3)用分子束外延方法在Ⅱ-Ⅵ族Cd0.96Zn0.04Te (111)衬底上成功生长了PbTe单晶薄膜,通过比较不同生长温度、不同冷却速率下PbTe/Cd0.96Zn0.04Te薄膜的表面形貌和晶体质量,发现PbTe/Cd0.96Zn0.04Te薄膜的表面形貌主要由滑移台阶线和螺旋台阶面构成,缓慢的冷却过程可以提高PbTe/Cd0.96Zn0.04Te薄膜晶体质量。这与PbTe/和Cd0.96Zn0.04Te之间的热失配驰豫有关。实验发现在PbTe/Cd0.96Zn0.04Te界面上两种材料的(200)晶面发生了70.6。角度旋转。 (4)利用X射线光电子谱(XPS),测量得到了PbTe/CdTe异质结的价带带阶为0.135±0.05 eV,同时,根据PbTe和CdTe的带隙,计算得到PbTe/CdTe导带带阶为1145±0.05eV。分析了PbTe/CdTe界面的应力、极化电荷对带阶测量的影响和PbTe/CdTe异质结带阶遵循“共阴离子”定律的原因。实验测量结果符合理论预言的带阶值。 (5)研究了PbSe薄膜中声子散射对空穴迁移率的影响。通过对PbSe材料的光学波极性散射、杂质散射、声学波形变散射、声学波压电散射、光学波非极性散射的迁移率理论计算,结果表明在77-295K温度范围,PbSe的长纵光学波极性散射是影响载流子迁移率的主要散射机理。


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