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

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【摘要】：本工作著眼于利用對(duì)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(yīng),以及它們?cè)诋愘|(zhì)結(jié)構(gòu)中的行為。在明確帶邊無序的同時(shí)分析兩個(gè)材料的分立帶邊結(jié)構(gòu)。紅外半導(dǎo)體材料具有很高戰(zhàn)略價(jià)值。當(dāng)前主流的紅外半導(dǎo)體材料以合金為主,這使其既具有與晶格周期性相關(guān)聯(lián)的電子能帶結(jié)構(gòu)特征,又兼受替位無序所致局域的影響。過去,人們對(duì)這一材料的研究主要關(guān)注與有序晶格和缺陷有關(guān)的光-電性質(zhì),而對(duì)無序的方面則缺乏深入的實(shí)驗(yàn)認(rèn)知;利用合適的表征手段對(duì)典型的弱無序體系的電子結(jié)構(gòu)做分析既可填補(bǔ)紅外波段凝聚態(tài)物理實(shí)驗(yàn)研究的空白,也可為工程實(shí)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(dǎo)體合金材料的典型代表,分別對(duì)應(yīng)紅外探測(cè)和輻射應(yīng)用,對(duì)它們的無序效應(yīng)做系統(tǒng)研究具有現(xiàn)實(shí)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(diǎn)劃定有效邊界。PL光譜是研究半導(dǎo)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(dǎo)體材料帶邊的信息。根據(jù)半導(dǎo)體中的無序理論,替位無序主要在材料的擴(kuò)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(shí)驗(yàn)研究主要借助PL光譜測(cè)試展開。由于紅外波段受中心波長(zhǎng)約為10μm的室溫黑體輻射強(qiáng)干擾和探測(cè)器探測(cè)能力的衰減,利用PL方法研究紅外材料帶邊結(jié)構(gòu)的報(bào)道有限;本工作借助基于步進(jìn)掃描傅立葉變換紅外光譜儀的調(diào)制PL光譜技術(shù)展開,克服了上述不利因素,獲得了關(guān)于In Ga As和Hg Cd Te帶邊無序的數(shù)據(jù)資料;同時(shí),采用多種外界條件尤其是強(qiáng)磁場(chǎng)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(guān)窄禁帶材料帶邊光譜學(xué)屬性的物理圖像。本工作包括下述具體研究?jī)?nèi)容和進(jìn)展:(a)弱無序體系In Ga As的PL光譜學(xué)性質(zhì)和無序效應(yīng):研究了非本征摻雜InGa As的PL結(jié)構(gòu)隨溫度的演化,排除復(fù)雜帶邊分立結(jié)構(gòu)導(dǎo)致S形PL峰能量移動(dòng)的可能性,證實(shí)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(duì)分析的影響,同時(shí)借助量子阱對(duì)光生載流子的俘獲機(jī)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?qū)χ鲗?dǎo)性復(fù)合機(jī)制的調(diào)控作用;進(jìn)一步地增加體系的復(fù)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(duì)PL譜和帶邊結(jié)構(gòu)的影響,同時(shí)檢驗(yàn)當(dāng)前稀Bi理論。(b)在研究In Ga As的基礎(chǔ)上,對(duì)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(xì)化帶邊結(jié)構(gòu)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(gè)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(duì)比度與激發(fā)功率的關(guān)聯(lián),排除PL干涉的帶邊分離能級(jí)發(fā)光來源。通過磁場(chǎng)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(shí),借助磁光-PL探究了Hg Cd Te的精細(xì)帶邊結(jié)構(gòu),討論了Hg Cd Te光電過程中主導(dǎo)的空穴類型,并對(duì)磁致載流子凍析行為的PL表現(xiàn)做了討論。(c)分析具有強(qiáng)帶尾特征(即干涉性PL包絡(luò))的Hg Cd Te對(duì)Hg Cd Te/Cd Te異質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響,指出高于Hg Cd Te禁帶寬度的高能信號(hào)來源。通過多個(gè)樣品的比對(duì),說明了高能信號(hào)在Hg Cd Te/Cd Te異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的普遍性。借助對(duì)高能PL信號(hào)的分析,對(duì)Hg Cd Te-Hg Te間的價(jià)帶、導(dǎo)帶偏移量與Cd組分的關(guān)系做定量估算。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(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)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN304;TG132.2

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本文編號(hào)：1334001