内生富镓对GaSb单晶表面、异质结界面及相关性质的影响

All of GaSb single crystals grown by different methods (melt, liquid phase and gas phase) contain high concentration of Ga antisite intrinsic defects, resulting in endogenous gallium-rich properties of the stoichiometric in native GaSb single crystals, which have a negative effect on the electrical and optical properties. With the increasingly improved performance requirements of InAs/GaSb type-II superlattice infrared detectors, it is necessary to study the effects of the endogenous gallium-rich properties on GaSb single crystal surface, heterojunction interface and the generated complex defects. The surface oxidation, adsorption of impurity atoms and chemical state in GaSb single crystals, as well as heterojunction interface states and complex defects of InAs/GaSb, etc. are to be studied in this project to discuss the influence of endogenous gallium-rich properties on interface diffusion, component segregation and so on. The surface preparation technology of wafer, the quality of epitaxial material and the performance of device will be promoted by controlling surface defects, oxide composition and the chemical state of the GaSb substrate and epitaxial layer.

不同方法（熔体、液相和气相）生长的GaSb单晶材料均含有高浓度的镓反位本征受主缺陷，导致原生GaSb单晶化学配比为富镓，对材料的电学和光学性质产生了不利影响。面对InAs/GaSb II类超晶格红外探测器日益提高的性能要求，有必要研究内生富镓特性对GaSb单晶表面、异质结界面及产生的复合缺陷的影响作用。本项目拟开展GaSb单晶表面氧化、杂质吸附及化学态、InAs/GaSb等异质结界面态及复合缺陷等研究，探讨其内生富镓特性对界面扩散、组份偏析等的影响作用和规律。通过对GaSb单晶衬底和外延层的表面缺陷、氧化层成分及其化学状态等的调控，促进晶片表面制备技术及外延材料质量和器件性能的提高。

GaSb单晶是一种典型的III-V族化合物半导体材料，与InAs的晶格匹配良好，可以用于制备InAs/GaSbII类超晶格红外探测器，被广泛应用于工业、农业、医学和军事等行业，被认为是继HgCdTe（MCT）材料之后的最有应用前景的第三代FPA材料，具有广阔的发展前景。半导体器件性能的好坏和成品率除了与生长方法和工艺有关外，还与衬底材料的质量有很大的关系，特别是衬底材料的表面特性是决定器件性能的关键因素。虽然目前利用国产GaSb单晶衬底制备的红外探测器可以展现出良好的红外探测性能，但是通过控制材料的原生复合缺陷的形成可以进一步提高其光电性能。.本项目针对GaSb单晶在晶体生长过程中存在的富镓特性导致的破坏晶格完整性和表面质量问题开展了相关的研究工作，并初步取得了一些重要的成果。我们分析了富镓特性的产生规律及其对GaSb单晶氧化特性、界面性质、表面复合缺陷转化以及表面吸杂等作用机理。其次，分析了原料中的杂质特别是碳和氧原子对材料电学性质的影响，并应用双带模型科学解释了GaSb能带结构中次能谷导电的机制。最后，通过研究GaSb中损伤和残余应力的产生和去除机理，探寻了退火工艺对材料宏观物理性能的具体影响机理。基于本项目的研究工作，不但有助于GaSb衬底材料的缺陷水平和光电参数调控，而且可以指导晶体生长和衬底表面制备工艺的改善和优化。