本文關鍵詞：弱無序紅外半導體合金材料的變條件光致發(fā)光譜研究　出處：《中國科學院研究生院(上海技術物理研究所)》2016年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 銦鎵砷 碲鎘汞 無序 光致發(fā)光譜 磁光

【摘要】：本工作著眼于利用對帶邊敏感的光致發(fā)光(photoluminescence,PL)方法研究典型紅外材料碲鎘汞(Hg Cd Te)和銦鎵砷(In Ga As)的帶邊無序效應,以及它們在異質(zhì)結構中的行為。在明確帶邊無序的同時分析兩個材料的分立帶邊結構。紅外半導體材料具有很高戰(zhàn)略價值。當前主流的紅外半導體材料以合金為主,這使其既具有與晶格周期性相關聯(lián)的電子能帶結構特征,又兼受替位無序所致局域的影響。過去,人們對這一材料的研究主要關注與有序晶格和缺陷有關的光-電性質(zhì),而對無序的方面則缺乏深入的實驗認知;利用合適的表征手段對典型的弱無序體系的電子結構做分析既可填補紅外波段凝聚態(tài)物理實驗研究的空白,也可為工程實踐提供新的視野和數(shù)據(jù)支持。Hg Cd Te和In Ga As是紅外半導體合金材料的典型代表,分別對應紅外探測和輻射應用,對它們的無序效應做系統(tǒng)研究具有現(xiàn)實意義;采用兩種不同的材料體系,既便于比較共性,也為分析所得的觀點劃定有效邊界。PL光譜是研究半導體材料的經(jīng)典手段。由于載流子帶內(nèi)快速弛豫的特性,PL光譜主要揭示半導體材料帶邊的信息。根據(jù)半導體中的無序理論,替位無序主要在材料的擴展態(tài)帶邊附近引入帶尾;與PL光譜的分辨能力恰好重疊。因此,本博士論文所涉及的實驗研究主要借助PL光譜測試展開。由于紅外波段受中心波長約為10μm的室溫黑體輻射強干擾和探測器探測能力的衰減,利用PL方法研究紅外材料帶邊結構的報道有限;本工作借助基于步進掃描傅立葉變換紅外光譜儀的調(diào)制PL光譜技術展開,克服了上述不利因素,獲得了關于In Ga As和Hg Cd Te帶邊無序的數(shù)據(jù)資料;同時,采用多種外界條件尤其是強磁場條件的調(diào)控,增加了紅外-PL光譜方法的表征維度,提供了一系列有關窄禁帶材料帶邊光譜學屬性的物理圖像。本工作包括下述具體研究內(nèi)容和進展:(a)弱無序體系In Ga As的PL光譜學性質(zhì)和無序效應:研究了非本征摻雜InGa As的PL結構隨溫度的演化,排除復雜帶邊分立結構導致S形PL峰能量移動的可能性,證實PL方法研究弱無序體系中短程有序行為的有效性,并指出了輻射性與非輻射性SRH過程隨溫度變化的過渡行為;采用In Ga As量子阱,避免縱向組分不均勻性對分析的影響,同時借助量子阱對光生載流子的俘獲機制抑制光激發(fā)縱向梯度分布的影響;通過研究In Ga As量子阱的變條件PL演化,說明帶尾無序對主導性復合機制的調(diào)控作用;進一步地增加體系的復雜度,在In Ga As量子阱中引入大量Bi原子雜質(zhì),形成無序雜質(zhì)分布,探究這樣的分布對PL譜和帶邊結構的影響,同時檢驗當前稀Bi理論。(b)在研究In Ga As的基礎上,對同為弱無序材料的Hg Cd Te做了深入分析。比較分別包含干涉和精細化帶邊結構的兩類不同Hg Cd Te材料PL特征,指出干涉特征的低態(tài)密度來源。明確PL干涉的清晰界面和介質(zhì)透明度兩個前提因素,通過形貌和透射光譜說明界面在樣品干涉性PL中的次要作用;指出PL干涉對比度與激發(fā)功率的關聯(lián),排除PL干涉的帶邊分離能級發(fā)光來源。通過磁場演化揭示這一低態(tài)密度區(qū)域在禁帶中的連續(xù)分布,從而說明其無序帶尾屬性。在確立Hg Cd Te帶尾PL屬性的同時,借助磁光-PL探究了Hg Cd Te的精細帶邊結構,討論了Hg Cd Te光電過程中主導的空穴類型,并對磁致載流子凍析行為的PL表現(xiàn)做了討論。(c)分析具有強帶尾特征(即干涉性PL包絡)的Hg Cd Te對Hg Cd Te/Cd Te異質(zhì)結構的影響,指出高于Hg Cd Te禁帶寬度的高能信號來源。通過多個樣品的比對,說明了高能信號在Hg Cd Te/Cd Te異質(zhì)結構中的普遍性。借助對高能PL信號的分析,對Hg Cd Te-Hg Te間的價帶、導帶偏移量與Cd組分的關系做定量估算。
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(上海技術物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN304;TG132.2

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