InAs-GaSb基Ⅲ-Ⅴ族納米結(jié)構(gòu)的制備及光電學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、InAs/GaSb基Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)因其高的電子遷移率，大的波爾激子半徑以及優(yōu)異的光電學(xué)性質(zhì)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于光電子學(xué)領(lǐng)域。目前InAs/GaSb基Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)主要通過(guò)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)，分子束外延(MBE)等方法合成。然而，高昂的成本和傳統(tǒng)Ⅴ族前驅(qū)體（如:AsH3和AsO3）的劇毒特性限制了這些方法的推廣。本文基于傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積法制備幾種類(lèi)型的Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體納米材料，包括GaSb納米線(xiàn)，組分連續(xù)

2、可調(diào)的GaxIn1-xAs1-ySby四元合金納米線(xiàn)，GaInAsSb四元合金納米片，以及GaSb/InAs基橫向納米片異質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線(xiàn)衍射儀(XRD)、激光拉曼光譜儀(Labram-010)和掃描透射電子顯微鏡(STEM)對(duì)產(chǎn)物的形貌、成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征;利用近場(chǎng)光學(xué)顯微系統(tǒng)和自建的紅外PL測(cè)試系統(tǒng)對(duì)樣品的光致發(fā)光進(jìn)行了研究;利用半導(dǎo)體參數(shù)儀測(cè)試了幾種納米結(jié)構(gòu)的紅外探測(cè)特性;此外，通過(guò)改進(jìn)的CVD系統(tǒng)，

3、研究了VLS機(jī)制與VS機(jī)制協(xié)同及競(jìng)爭(zhēng)作用下，納米材料形貌所呈現(xiàn)的多樣性，研究了納米材料軸向外延與徑向外延的深層機(jī)制。本文取得了如下幾項(xiàng)研究成果:
　　1.基于化學(xué)氣相沉積法合成了高結(jié)晶質(zhì)量的GaSb納米線(xiàn)。在固態(tài)源蒸發(fā)反應(yīng)體系中，材料生長(zhǎng)條件（溫度，壓強(qiáng)，Ⅴ/Ⅲ比例，沉積溫區(qū)等）的微弱擾動(dòng)會(huì)極大地影響產(chǎn)物的形貌及結(jié)晶質(zhì)量。通過(guò)梯度延長(zhǎng)GaSb粉末的生長(zhǎng)時(shí)間，GaSb納米線(xiàn)的長(zhǎng)度及直徑均勻增加。XRD譜表明制備的納米線(xiàn)結(jié)晶性質(zhì)優(yōu)良，

4、為立方閃鋅曠結(jié)構(gòu)。激光功率依賴(lài)的拉曼光譜表明，在背散射配置下，隨著激光功率的升高，GaSb納米線(xiàn)的TO模及LO模都向低波數(shù)方向移動(dòng)，歸因于測(cè)試過(guò)程中的激光加熱效應(yīng)及聲子限域效應(yīng)。光致發(fā)光譜表明所制備的GaSb納米線(xiàn)發(fā)光主要來(lái)自于帶隙原子直接躍遷，晶體管測(cè)試表明所合成的納米線(xiàn)具有較強(qiáng)的紅外光響應(yīng)。
　　2.結(jié)合GaxIn1-xAs1-ySby四元合金納米線(xiàn)，在一定程度上克服了四元合金系的混熔帶隙難題。STEM結(jié)構(gòu)表征表明納米線(xiàn)具有優(yōu)

5、異的結(jié)晶性質(zhì);納米線(xiàn)的低溫光致發(fā)光可從1635 nm連續(xù)調(diào)節(jié)至3250 nm。采用紫外光刻和金屬蒸鍍系統(tǒng)，構(gòu)建了單合金0納米線(xiàn)晶體管，其響應(yīng)率峰R值和EQE致可分別達(dá)到336 AW-1及4.02×104％?；诮钟蚱胶庀碌柠溈怂鬼f氣體分子運(yùn)動(dòng)方程及三元合金相圖，分析了GaxIn1-xAs1-ySby四元合金納米線(xiàn)的形成機(jī)理，以及實(shí)現(xiàn)Ⅲ-Ⅴ族四元合金系全組分連續(xù)可調(diào)的理論依據(jù)。
　　3.首次采用CVD法合成了GaInAsSb四元合

6、金納米片，實(shí)現(xiàn)了Ⅲ-Ⅴ族合金材料在維度上的擴(kuò)展。STEM及XRD表征表明，納米片具有較好的結(jié)晶品質(zhì)，為典型的立方閃鋅礦結(jié)構(gòu);微區(qū)拉曼譜發(fā)現(xiàn)納米片具有多模聲子振動(dòng)行為，且各支模隨激光功率的增加，一致向低頻段移動(dòng)，反應(yīng)這種新的準(zhǔn)一維材料當(dāng)中存在的聲子限域效應(yīng);變溫光致發(fā)光數(shù)據(jù)表明，納米片的溫度熱膨脹因子α明顯低于GaInAsSb薄膜材料，這歸因于小尺寸效應(yīng)導(dǎo)致的熱膨脹限域;隨后，設(shè)計(jì)了基于納米片的紅外探測(cè)器件，測(cè)試結(jié)果表明，其峰值響應(yīng)率R值

7、可達(dá)675 A/W，相應(yīng)的外量子效率EQE值為8.05×104％，遠(yuǎn)高于基于GaInAsSb薄膜的紅外探測(cè)器件。結(jié)合VLS及VS機(jī)制，分析了納米片的形成機(jī)理，這為實(shí)現(xiàn)Ⅲ-Ⅴ新型準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)提供了參考。
　　4.首次通過(guò)CVD法合成了GaSb/InAs基橫向片狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有類(lèi)葉片狀形態(tài)，STEM表征表明其晶體結(jié)構(gòu)為立方相，桿部的生長(zhǎng)方向與片區(qū)的生長(zhǎng)方向相互垂直。該葉狀橫向異質(zhì)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)在維度上的擴(kuò)