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CdZnTe带边电子结构与InGaAs(N,Bi)/GaAs界面特性的光致发光谱研究

【摘要】:光电子材料作为光电子学科和产业的基础和先导,一直以来是科研关注的一个重点。半导体光电子材料作为早期就投入研究的主体材料,在信息、交通、能源、医疗、军事等应用方面都扮演着重要角色。传统半导体碲锌镉(Cd_(1-x)Zn_xTe)晶体材料因其Zn组分相关光电性质,在光电探测领域取得了广泛应用:Zn组分x=0.05~0.4时可用作室温核探测器材料;Zn组分x=0.04时更是HgCdTe长波红外探测器的优选衬底材料。新型稀氮(Nitrogen,N)、稀铋(Bismuth,Bi)半导体因其在能带裁剪等方面的独特优势,引发大量研究兴趣并被认为有望在近红外半导体激光器领域发挥重要作用。然而,与材料与器件制备的快速发展相比,CdZnTe与稀N/稀Bi半导体杂质缺陷及其对光电性能影响、退火工艺及其对杂质缺陷与光学性能的改善等机制性难题仍有待系统研究。为进一步优化CdZnTe晶体和稀N/稀Bi材料掺入退火工艺、提高材料光电性能,有必要采用对光电性能特别敏感的实验手段,深入分析材料杂质缺陷特性及其与掺杂/退火工艺之间的关联,厘清相关光电跃迁机制。光致发光(Photoluminescence,PL)光谱具有简便无损、易调控等优点,在半导体能带结构与光电性质的研究中取得广泛应用。基于连续扫描傅立叶变换红外(Fourier transform infrared,FTIR)光谱仪的PL光谱技术具有高通量、高灵敏度等显著特点,通过进一步提升探测灵敏度和多变条件调控能力,可以在半导体材料杂质缺陷的研究方面体现出新技术优势。本工作利用基于连续扫描FTIR光谱仪的PL光谱方法,结合可变温度、激发强度、外磁场等调控条件,分别对CdZnTe晶体和稀N、稀Bi低维结构半导体的代表材料(InGaAsN/GaAs和InGaAsBi/GaAs量子阱)的电子能带结构和杂质缺陷特性展开系统研究,对不同退火工艺晶格缺陷的演化进行深入分析。所开展工作和取得进展主要包括以下四个方面:1、利用变温、变激发功率、变磁场以及二维空间分辨PL光谱实验条件,研究特定组分的CdZnTe晶体,分析浅能级特征发光类型;获得CdZnTe晶体变磁场系列PL光谱,结合二维空间分辨PL光谱分析,发现CdZnTe晶片表面存在张应力分布并导致轻空穴带相对重空穴带上移。2、利用低温PL光谱分析不同生长、退火条件CdZnTe晶片,发现新的复合中心发光特征SA,揭示A-center与SA复合结构发光机制与退火演化过程;利用晶体腐蚀技术与扫描电子显微镜分析不同深度CdZnTe晶体的杂质、缺陷分布差异,结合PL光谱分析结果,提出CdZnTe材料退火演化机制;结合材料退火机制与深能级PL光谱分析,建立包括带边浅杂质与深能级缺陷的相对完整CdZnTe电子能带结构图像。3、对InGaAs/GaAs和InGaAsN/GaAs量子阱进行了变激发功率、变磁场以及变温PL光谱测试。拟合分析结果表明,In原子聚集效应产生的组分不均会导致量子阱层等效阱宽的涨落,退火可以增强量子阱界面处的In-Ga原子互扩散,降低这种不均匀,优化量子阱材料的晶格质量;1.2%的N并未明显增强量子阱内In-Ga互扩散效应,却对量子阱激子束缚能有可观增强,同时加剧量子阱界面处组分不均。4、利用变温度、激发光功率、变磁场PL光谱分析InGaAs Bi/Ga As和InGaAs/GaAs量子阱电子能带结构。拟合分析发现:InGaAs/GaAs量子阱除阱层等效宽度涨落外,在界面处还存在局域态能级结构;Bi掺入弱化量子阱界面处晶格失配,减弱阱内In原子聚集,抑制由于组分不均而导致的能带结构涨落,降低俄歇复合几率,从而显著改善量子阱的光电性能。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:O471.1

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