【摘 要】
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扩展波长InGaAs短波红外探测器由于其在航天遥感、微光夜视、农业、工业、气体检测以及医疗诊断等领域的潜在应用而受到持续关注,并朝着更高性能、更高集成、更大规模及更低功耗方向发展。但扩展波长InGaAs材料与InP衬底或Si衬底都存在着失配,较高的失配位错密度是制约器件性能提升的关键因素。本论文面向扩展波长InGaAs短波红外探测器的制备,主要围绕不同衬底上扩展波长InGaAs材料的异质外延与表征
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扩展波长InGaAs短波红外探测器由于其在航天遥感、微光夜视、农业、工业、气体检测以及医疗诊断等领域的潜在应用而受到持续关注,并朝着更高性能、更高集成、更大规模及更低功耗方向发展。但扩展波长InGaAs材料与InP衬底或Si衬底都存在着失配,较高的失配位错密度是制约器件性能提升的关键因素。本论文面向扩展波长InGaAs短波红外探测器的制备,主要围绕不同衬底上扩展波长InGaAs材料的异质外延与表征展开研究。论文的主要研究内容及成果如下:1.通过张压应变调控生长的InAsyP1-y缓冲层实现了与InP衬底失配为1.6%的高质量In0.76Ga0.24As异质外延。利用分子束外延技术,在获得了 InAsyP1-y的组分校正曲线基础上,生长并研究了常规组分步进和组分起伏步进InAsyP1-y缓冲层结构对In0.76Ga0.24As外延层的表面形貌、应力弛豫、位错和光学性能的影响。在张/压应变交替作用下,组分起伏步进结构中的位错加速滑移并湮灭在InAsyP1-y缓冲层区域,有利于应力充分弛豫,降低In0.76Ga0.24As材料表面粗糙度,改善其晶体质量与光学性能。在总厚度为2.09 μm的组分起伏步进InAsyP1-y缓冲层上生长的In0.76Ga0.24As表面粗糙度仅为1.38 nm,为目前报道的具有相近发光波长的InGaAs材料中最低值;其室温PL发光强度提升了 4倍。变温PL结果显示材料内存在与界面和位错相关的两种非辐射复合机制,与位错相关的非辐射复合中心的减少是提高材料室温发光的主要原因。2.制备了以InAsyP1-y材料为缓冲层的InP基InGaAs短波红外探测器。单元器件对光谱响应的50%截止波长为1945 nm;在10 mV反向偏压下,探测器的暗电流密度为0.83 nA/cm2,对应的深能级陷阱密度约为1012 cm-3;在1 MHz频率和0 V偏压下电容为144 pF。3.获得了 GaP/Si（100）模板上同质外延GaP的优化条件:研究了生长温度、Ⅴ/Ⅲ 比及脱氧温度对GaP表面形貌的影响。在合适的脱氧条件下,生长温度为628℃,Ⅴ/Ⅳ为10～20,可以获得具有台阶流表面的GaP外延层。而过度脱氧使GaP/Si（100）模板中结晶质量较差的GaP完全分解或形成GaP团簇,成为后续异质外延的缺陷成核中心并产生位错聚集效应。同时研究发现超晶格位错过滤层可以修复因失配而模糊的界面,并对位错有明显的调控作用;随着位错过滤层周期数的增加,位错过滤作用更加明显,但对层错阻挡效果不佳。DFLs中产生的层错相互作用后延伸至表面形成对状缺陷。4.采用数字合金低温结合位错过滤层及组分起伏步进InAsyP1-y缓冲层在GaP/Si（100）模板上生长了 In0.64Ga0.36As外延层,研究了两步生长法中低温层对In0.64Ga0.36As材料性能的影响:原位退火引入的热应力使低温层中的位错加速滑移,可有效改善In0.64Ga0.36As外延层质量;且失配应力主要通过在低温层中产生高密度刃位错进行弛豫。采用InAs/InP数字合金低温层并升高退火温度可以进一步降低表面粗糙度和位错密度,使材料的室温发光强度提升了 2倍。对In0.64Ga0.36As材料光学性能的研究表明GaP/Si（100）上In0.64Ga0.36As材料中存在两种非辐射复合中心,其中深能级复合中心主要来源于材料中的VⅢ空位。5.采用第一性原理与实验相结合研究了 Si（100）衬底上不同初始原子对GaP的表面和界面的影响。结果表明,初始原子为P时,衬底表面Si原子被P原子取代形成了 Si-P异质二聚体造成表面粗化,且在界面存在混溶区,主要归因于有剩余电子的Si-P键与缺失电子的Si-Ga键之间发生的电子交换。以Ga为初始原子生长的GaP/Si（100）界面清晰,实验与理论计算结论一致。通过优化Ga通入时间使GaP表面粗糙度降低至0.57 nm。
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