GaInAsSb四元合金纳米线的合成及其光电性能研究

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Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料具有禁带宽度小、载流子迁移率高、激子玻尔半径大、光电转换效率高等优点,是极具应用价值的一类半导体材料。其中,室温带隙值为0.726 eV的GaSb和带隙值为0.354eV的InAs,它们的体材料分别具有最高的空穴迁移率和超高电子迁移率。基于这两种半导体材料的四元合金GaInAsSb是窄禁带直接带隙半导体,其发光覆盖近、中红外波段,在发光二极管、激光二极管和红外光电探测器等领域有着广泛的应用前景。目前,GaInAsSb四元合金的制备主要是通过液相外延(LPE)、金属有机物气相外延(MOVPE)、分子束外延(MBE)、和金属有机化学气相沉积(MOCVD)等技术。由于GaInAsSb四元材料存在很大的混熔带隙,LPE或其他热力学平衡方法很难合成窄带隙,即较长波段发光材料。尽管MBE和MOCVD等非平衡的生长方法,可以有效克服带隙混熔的困难,但其实验过程复杂、成本高,且不利于大规模应用。在本论文中,我们利用操作简单、成本低廉的化学气相沉积(CVD)法制备了GaSb和GaInAsSb纳米线,制作了基于这些纳米结构的光电器件,并对其光电性能进行了研究与分析。主要研究内容如下:  1,通过CVD法合成了具有良好结晶质量的GaSb纳米线,该纳米线属于立方闪锌矿晶体结构。光致发光(PL)光谱表明,制备的GaSb纳米线发光主要来自于电子的直接带间跃迁。通过电子束曝光制作了GaSb纳米线晶体管,其电流随着背栅电压的增大而减小,显示出p型半导体材料的特性。  2,利用CVD法结合VLS机制、原子重组和离子交换机制,制备了GaInAsSb四元合金纳米线,在一定程度上解决了四元合金系的混熔带隙这一难题。材料表征与光谱测试均表明该纳米线结晶性好,属立方闪锌矿结构。该四元合金元素配比合适,制作了室温下工作的近红外光探测器件,并测试了该探测器在不同功率近红外激光(980nm)照射下的光电响应。所制备的GaInAsSb四元合金纳米线相比于之前报道的GaInAsSb薄膜探测器,具有更高的外量子效率和光响应度。
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