InAs/GaInSb超晶格的外延生长模拟及微结构设计研究

摘要

本文采用动力学蒙特卡罗方法(KMC)在SOS(Solid-on-Solid)模型基础上模拟了InAs/Gal-xInxSb超晶格的分子束外延(MBE)生长，利用包络函数方法计算了InAs/Gal-xInxSb的能带结构，在模拟和计算的基础上设计了特定截止波长的InAs/Gal-xInxSb超晶格结构。
　　模拟研究发现，生长温度为663K时，在GaSb缓冲层上生长InAs层与GaInSb层时粗糙度曲线出现周期性振荡，与典型的RHEED图像相符，表明在该生长温度下生长的InAs/Gal-xInxSb能得到较好的薄膜质量。同时发现InSb型界面比GaAs型界面更加适合InAs/Gal-xInxSb超晶格的生长。另外，在生长Gal-xInxSb材料时，In含量越高，薄膜表面越粗糙。
　　对InAs/Gal-xInxSb超晶格的能带结构计算表明，InAs/Gal-xInxSb的能带结构受到周期厚度和In含量的影响。InAs层和GaInSb层厚度都会影响超晶格的子带结构，InAs层变厚，HH1增加而Cl下降，使得Eg减小；GalnSb层厚度变厚，Cl和HH1均增加，Eg:变化很小。In含量的变化由于同时改变了应变和GaInSb的能带参数，对InAs/Gal_。In。Sb能带结构产生了巨大的影响，随着In含量的增加，Cl下降，HH1增加，使得Eg迅速减小。
　　在外延生长模拟和超晶格能带计算的基础上，选用InAs/Gao．91no．iSb(3nm/2.7nm)结构设计p-i-n型光伏器件，其主要结构为：p+层为40个周期的InAs/GaInSb超晶格(GaInSb:BelXl017cm-3);i层为20个周期的非故意掺杂InAs/GaInSb超晶格；n+层为40个周期的InAs/GaInSb超晶格(InAs:SiSxl017cm-3)。计算该光伏器件在77K时的暗电流发现，其扩散电流较小，暗电流主要由复合电流和带间隧穿电流组成。当反向偏压小于16.5mV时，暗电流主要是复合电流；反向偏压超过16.5mV以后带间隧穿电流超过复合电流成为暗电流的主要组成部分。为InAs/GaInSb超晶格的器件设计奠定了基础。

目录

InAs/GaInSb 超晶格的外延生长模拟及微结构设计研究

InAs/GaInSb SUPERLATTICE EPITAXL GROWTH SIMULATION AND MICRO-STRUCTURE RESEARCH

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 红外探测器的研究进展

1.3 InAs/GaInSb材料的研究进展

1.3.1 InAs/GaInSb的性质

1.3.2 InAs/GaInSb超晶格材料的制备

1.3.3 InAs/GaInSb材料界面研究

1.4 薄膜材料生长过程的计算机模拟的研究现状

1.4.1 常用模拟方法简介

1.4.2 KMC模拟研究现状

1.5 本文研究的目的与主要内容

1.5.1 本文研究的目的与意义

1.5.2 研究工作的主要内容

第2章 InAs/Ga1-xInxSb超晶格的生长模拟与能带结构计算方法

2.1 InAs/Ga1-xInxSb超晶格生长模拟

2.1.1 动力学蒙特卡罗法

2.1.2 Solid-on-Solid（SOS）模型

2.1.3 建模过程

2.2 InAs/Ga1-xInxSb能带结构的计算

2.3 本章小结

第3章 InAs/Ga1-xInxSb超晶格生长的计算机模拟

3.1 GaAs衬底上的GaSb 缓冲层的生长

3.2 GaSb缓冲层对InAs/Ga1-xInxSb超晶格生长的影响

3.2.1 GaSb缓冲层对薄膜表面形貌的影响

3.2.2 GaSb缓冲层对薄膜表面粗糙度研究

3.2.3 薄膜形核过程的分析

3.3 界面层对InAs/Ga1-xInxSb超晶格生长的影响

3.3.1 GaAs型界面的影响

3.3.2 InSb型界面的影响

3.4 对超晶格周期性生长模拟的初步探索

3.5 本章小结

第4章 InAs/Ga1-xInxSb超晶格的能带结构计算

4.1 InAs/GaSb超晶格的能带结构

4.1.1 InAs层厚度对InAs/GaSb超晶格能带结构的影响

4.1.2 GaSb层厚度对InAs/GaSb超晶格能带结构的影响

4.2 InAs/Ga1-xInxSb超晶格的能带结构

4.2.1 InAs层厚度对InAs/Ga1-xInxSb超晶格能带结构的影响

4.2.2 GaInSb层厚度对InAs/Ga1-xInxSb超晶格能带结构的影响

4.2.3 In含量x对InAs/Ga1-xInxSb超晶格能带结构的影响

4.3 本章小结

第5章 应变超晶格材料的微结构设计及其器件应用

5.1 应变超晶格材料的微结构设计

5.1.1 应变对薄膜成膜质量的影响

5.1.2 应变对超晶格能带结构的影响

5.1.3 InAs/Ga1-xInxSb生长工艺设计

5.2 InAs/Ga1-xInxSb应变超晶格的光电探测器件模拟设计

5.2.1 红外探测器的暗电流

5.2.2 InAs/GaInSb红外探测器件设计

5.3 本章小结

结论

参考文献

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致谢