光致發(fā)光(Photoluminescence,PL)和光調(diào)制反射(Photoreflectance,PR)光譜具有無(wú)損、簡(jiǎn)便和高靈敏度等優(yōu)點(diǎn),在半導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)研究中得到廣泛應(yīng)用�；诓竭M(jìn)掃描傅立葉變換紅外(Fourier transform infrared,FTIR)光譜儀的紅外調(diào)制PL和PR技術(shù)充分利用FTIR光譜儀的優(yōu)勢(shì),克服熱輻射背景干擾和探測(cè)器效率低的困難,將光譜測(cè)量范圍拓展至20μm的中紅外波段。III-V族窄禁帶銻(Antimony,Sb)化物半導(dǎo)體易于生長(zhǎng)、缺陷密度低、大面積均勻性好,被認(rèn)為是繼碲鎘汞(Hg1-xCdxTe,MCT)之后的重要紅外光電功能材料;廣受關(guān)注的稀鉍(Bismuth,Bi)半導(dǎo)體具有Bi致禁帶寬度收縮系數(shù)大、帶隙溫度敏感度低、電子特性受影響小等優(yōu)勢(shì),有望在紅外光電器件應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。Sb化物和稀Bi半導(dǎo)體的電子能帶圖像和光學(xué)性能受到雜質(zhì)/缺陷、低維界面等因素的影響,為提高/優(yōu)化光電器件的性能,很有必要深入理解Sb化物和稀Bi半導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)與材料條件的聯(lián)系。本工作采用基于FTIR光譜儀的變條件紅外調(diào)制PL和/或PR光譜技術(shù)分別對(duì)III-V族窄禁帶Sb化物的代表材料(In Sb薄膜、In As/Ga Sb超晶格和In Ga Sb/In As/Al Sb量子阱)和Ga Sb(Bi)單量子阱的電子能帶結(jié)構(gòu)和載流子躍遷特性展開(kāi)系統(tǒng)的研究。此外還開(kāi)展In PBi和Ga As(Sb)/In As反量子點(diǎn)PL光譜的初步探索。具體內(nèi)容包括以下三方面:1.利用變條件紅外PL和/或PR光譜方法研究In Sb薄膜、類(lèi)In Sb界面In As/Ga Sb超晶格和不同界面類(lèi)型In Ga Sb/In As/Al Sb量子阱的電子能帶結(jié)構(gòu)和載流子特性。我們利用變溫PR確認(rèn)了In Sb薄膜的近帶邊束縛態(tài)和共振態(tài)的電子能級(jí)位置。在此基礎(chǔ)上利用變溫/變激發(fā)PL開(kāi)展對(duì)類(lèi)In Sb界面In As/Ga Sb超晶格退火溫度效應(yīng)的研究,建立退火溫度導(dǎo)致界面原子互擴(kuò)散的唯像模型并闡明界面互混同載流子非輻射復(fù)合的內(nèi)在聯(lián)系。最后利用磁光-PL對(duì)類(lèi)In Sb和類(lèi)Ga As界面In Ga Sb/In As/Al Sb量子阱的載流子躍遷特性進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)類(lèi)In Sb界面電子能級(jí)的構(gòu)型使得量子阱的非局域態(tài)同時(shí)存在II類(lèi)和I類(lèi)的載流子PL躍遷。2.基于變條件紅外調(diào)制光譜研究Ga Sb(Bi)/Al Ga Sb單量子阱的Bi摻入對(duì)界面結(jié)構(gòu)、帶邊電子能級(jí)以及俄歇復(fù)合等的影響。結(jié)果表明:360和380?C生長(zhǎng)的Ga Sb Bi量子阱界面均出現(xiàn)類(lèi)臺(tái)階結(jié)構(gòu),其中前者的晶格無(wú)序度增大,Bi的有效摻入量可忽略;后者的Bi等電位摻入V族位,導(dǎo)致等效禁帶收縮。Ga Sb Bi量子阱激子特性的變化來(lái)自于Bi摻入和晶格無(wú)序的共同作用。另外PR光譜表明Ga Sb(Bi)的導(dǎo)帶底下降和價(jià)帶頂上升均對(duì)Bi致帶隙收縮有貢獻(xiàn),其中導(dǎo)帶底下降約占帶隙收縮的(29±6)%。這說(shuō)明盡管價(jià)帶反交叉(band anticrossing,BAC)效應(yīng)仍是Bi致帶隙收縮的主要原因,但導(dǎo)帶底的下降不可忽略。此外,Ga Sb Bi量子阱的Bi致俄歇復(fù)合抑制效應(yīng)也得到變溫/變激發(fā)PL光譜的檢驗(yàn)。3.初步開(kāi)展In P1-xBix和Ga As(Sb)/In As反量子點(diǎn)紅外PL光譜的探索。我們?cè)?.5-1.2 e V范圍觀察到In PBi的禁帶下PL特征。PL特征的能量對(duì)Bi組分和晶格溫度均具有很強(qiáng)的非敏感性。通過(guò)初步分析,In PBi的PL特征可能來(lái)自于P反位(PIn)施主能級(jí)到Bi團(tuán)簇不同構(gòu)型受主能級(jí)的躍遷,或者與Bi3+的III位占據(jù)有關(guān)。在Si摻雜的Ga As(Sb)/In As反量子點(diǎn)中發(fā)現(xiàn)能量約0.45 e V的PL特征。該特征的變溫演化表明將其本質(zhì)可能為壓應(yīng)變In As區(qū)域的禁帶躍遷。Si摻雜導(dǎo)致的電子注入使得該特征增強(qiáng)從而在PL譜中顯現(xiàn)。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類(lèi)】：TN304.23
【文章目錄】：
致謝
摘要
Abstract
第一章 緒論
    §1.1 紅外光電應(yīng)用與窄禁帶半導(dǎo)體
    §1.2 窄禁帶III-V族Sb化物的工程價(jià)值
    §1.3 稀Bi半導(dǎo)體的發(fā)展現(xiàn)狀
    §1.4 紅外光致發(fā)光 （PL） 和光調(diào)制反射 （PR） 光譜基本背景
    §1.5 本論文的主要研究?jī)?nèi)容
第二章 半導(dǎo)體體光譜學(xué)相關(guān)理論基礎(chǔ)
    §2.1 半導(dǎo)體的光學(xué)躍遷
        2.1.1 量子力學(xué)描述
        2.1.2 帶間躍遷PL線型
        2.1.3 PL的洛倫茲-高斯線型
        2.1.4 PR調(diào)制機(jī)制
        2.1.5 PR的洛倫茲導(dǎo)數(shù)線型
    §2.2 低維半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)
        2.2.1 I類(lèi)和II類(lèi)能帶結(jié)構(gòu)
        2.2.2 帶階的模型-固體理論
        2.2.3 能帶的包絡(luò)函數(shù)近似和k·p近似
    §2.3 本章小結(jié)
第三章 紅外調(diào)調(diào)制光譜技術(shù)原理和方法
    §3.1 傅立葉變換紅外 （FTIR） 光譜儀
        3.1.1 構(gòu)造與工作原理
        3.1.2 性能優(yōu)勢(shì)
    §3.2 基于FTIR光譜儀的紅外PL和PR光譜方法
        3.2.1 FTIR-PL方法
        3.2.2 FTIR-PR方法
    §3.3 變條件光譜測(cè)試
    §3.4 本章小結(jié)
第四章 紅外調(diào)調(diào)制光譜研究III-V族族窄禁帶銻化物電子結(jié)構(gòu)和界面特性
    §4.1 變溫紅外PR研究In Sb薄膜帶邊電子結(jié)構(gòu)
        4.1.1 PR光譜信號(hào)真實(shí)性檢驗(yàn)
        4.1.2 PR光譜特征能量溫度演化
        4.1.3 近帶邊束縛能級(jí)和共振能級(jí)
    §4.2 PL分析類(lèi)In Sb界面In As/Ga Sb超晶格退火溫度效應(yīng)
        4.2.1 變溫PL實(shí)驗(yàn)結(jié)果
        4.2.2 超晶格界面原子交換模型
    §4.3 磁光-PL研究不同界面類(lèi)型In Ga Sb/In As/Al Sb量子阱
        4.3.1 樣品描述和實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)
        4.3.2 局域態(tài)的磁光-PL演化特性
        4.3.3 非局域態(tài)磁光-PL演化特性
        4.3.4 界面類(lèi)型與磁光-PL演化現(xiàn)象的解釋
    §4.4 本章小結(jié)
第五章 紅外調(diào)調(diào)制光譜研究Ga Sb（Bi） 量量子阱鉍摻入效應(yīng)
    §5.1 PL研究Ga Sb（Bi） 量子阱生長(zhǎng)溫度效應(yīng)
        5.1.1 量子阱組分和界面的PL研究條件
        5.1.2 含Bi量子阱PL能量反常藍(lán)移
        5.1.3 磁光-PL線型劈裂和準(zhǔn)二維退磁移動(dòng)
        5.1.4 稀Bi量子阱唯像模型
    §5.2 PR研究Ga Sb Bi單量子阱的Bi致電子能級(jí)移動(dòng)
        5.2.1 Ga Sb（Bi） 單量子阱PR光譜擬合分析
        5.2.2 Ga Sb（Bi） 量子阱模型-固體理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
        5.2.3 Ga Sb（Bi） 量子阱帶邊移動(dòng)
    §5.3 Bi抑制Ga Sb（Bi） 量子阱俄歇復(fù)合
        5.3.1 量子阱PL強(qiáng)度的溫度猝滅
        5.3.2 PL積分強(qiáng)度隨激發(fā)功率演化
    §5.4 本章小結(jié)
第六章 Ga As（Sb）/In As反反量子點(diǎn)和In PBi的的紅外PL光光譜初探
    §6.1 In PBi的紅外PL光譜探索
        6.1.1 Bi組分依賴(lài)的PL光譜
        6.1.2 In P0.9887Bi0.0113變溫PL光譜
        6.1.3 PL特征的可能來(lái)源
    §6.2 Ga As（Sb）/In As反量子點(diǎn)紅外PL光譜探索
        6.2.1 樣品生長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)描述
        6.2.2 Si摻雜樣品的變溫PL光譜
        6.2.3 特征HEF的可能來(lái)源
    §6.3 本章小結(jié)
第七章 總結(jié)和和展望
    §7.1 總結(jié)
    §7.2 展望
參考文獻(xiàn)
作者簡(jiǎn)介及在學(xué)期間取得成果

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本文編號(hào)：2879880