GaSb 衬底厚度对超晶格电学特性影响的研究

非故意掺杂的GaSb存在施主缺陷,呈现p型导电,导电性较好。对于分子束外延制备的Sb基超晶格材料,通常用GaSb做衬底,而GaSb衬底厚度远大于超晶格材料厚度,因此对锑基二类超晶格材料进行霍尔测试时GaSb衬底厚度对超晶格电学性能容易产生较大影响。而在红外探测器制备过程中,为了增加材料对红外辐射的吸收,通常在器件制备完成后对衬底进行减薄,通过背入射的方式对红外辐射进行探测,因此探究GaSb厚度对超晶格电学特性的影响能够为超晶格材料的结构设计提供理论依据。讨论了n型超晶格薄膜及p型超晶格薄膜的电学特性受GaSb衬底厚度的影响。使用由分子束外延技术在弱n型GaSb衬底上生长GaSb缓冲层后,分别生长Si掺杂的n型InAs/GaSbⅡ类超晶格及Be掺杂的p型InAs/GaSbⅡ类超晶格,衬底进行不同厚度的减薄,并进行霍尔测试。结果表明:在77 K温度下的霍尔测试中,虽然缓冲层减弱了衬底对超晶格薄膜的影响,但不能完全消除衬底对超晶格薄膜电学特性的影响。n型超晶格及p型超晶格的电学特性仍随衬底厚度变化产生:衬底厚度的减薄导致表面复合效应增加、杂质浓度重分布,因此超晶格材料载流子浓度的减小,载流子迁移率在相同的温度下受杂质散射影响较大,载流子浓度的减小降低了电子散射的可能性,因此迁移率随衬底厚度减薄而增加。n型超晶格载流子浓度及迁移率的变化均在同一量级,与缓冲层极性相反的薄膜材料减薄前的电学特性可以为减薄后的电学特性进行标定。p型超晶格载流子浓度变化相对较大,与缓冲层材料极性相同的材料在需要考虑载流子浓度时,材料生长过程中需要进行高浓度掺杂保证减薄后薄膜材料的载流子浓度,迁移率变化几乎可视为不变。该研究对标定不同类型掺杂浓度的超晶格材料可提供一定的参考意义。

1280×1024元InAs/GaSb II类超晶格中/中波双色红外焦平面探测器

本文报道了1280×1024元InAs/GaSb II类超晶格中/中波双色红外焦平面阵列探测器的研究结果。探测器采用PN-NP叠层双色外延结构,信号提取采用叠层双色结构和顺序读出方式。运用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料,双波段红外吸收区的超晶格周期结构分别为中波1:6 ML InAs/7 ML GaSb和中波2:9 ML InAs/7 ML GaSb。焦平面阵列像元中心距为12μm。在80 K时测试,器件双波段的工作谱段为中波1:3~4μm,中波2:3.8~5.2μm。中波1器件平均峰值探测率达到6.32×10^(11) cm·Hz^(1/2)W^(-1),中波2器件平均峰值探测率达到2.84×10^(11) cm·Hz^(1/2)W^(-1)。红外焦平面偏压调节成像测试得到清晰的双波段成像。本文是国内首次报道1280×1024规模InAs/GaSb II类超晶格中/中波双色红外焦平面探测器。

光电调控的磁性WSe_(2)超晶格中的自旋和谷极化输运

基于磁性WSe_(2)超晶格系统,探讨了非共振圆偏振光与栅极电压及其对隧穿、谷极化及自旋极化的影响;发现了单层WSe_(2)的弹道输运操纵,以及基于磁性WSe_(2)的NM-FM-NM结的周期性阵列量子输运的调控.结果表明:通过增加势垒的数量,圆偏振光临界值可消除透射能隙;圆偏振光和栅极电压可视为一个透射阀,也可用于控制自旋和谷极化的敏感旋钮.发现了在WSe_(2)超晶格中的克莱因隧穿是自旋-谷相关的;自旋-谷极化可以利用栅极电压和圆偏振光来调整和转换.

界面特性对InAs/GaSb Ⅱ型超晶格光学性质影响理论研究

InAs/GaSb Ⅱ型超晶格是中红外谱段光电子器件的核心结构,其Ⅱ型能带排列特点使电子、空穴在实空间分离而跨过界面,其非公共原子构型使得界面态丰富。我们在Burt-Foreman包络函数理论的基础上,讨论了不同界面态对超晶格电子能态和波函数的调控作用。理论计算表明,超晶格缓变界面和界面势两种不对称界面态分布,都会导致重空穴带的自旋劈裂,而只有施加界面势时才会使得轻空穴带发生自旋劈裂。此外,研究了改变阱宽和改变势垒时超晶格体系带隙的变化趋势。结果表明,随着势垒厚度增大,陡峭界面和缓变界面两种界面态下的带隙计算结果逐渐降低,并且随着厚度增加带隙趋于收敛,而界面势下的带隙计算结果随着势垒厚度的增大而增大,与前两者呈现相反的趋势,这为中红外超晶格器件的精确设计提供了可参考的理论基础。

基于AlAsSb/InAsSb超晶格势垒的InAs/InAsSbⅡ类超晶格nBn中波红外探测器

InAs/InAsSbⅡ类超晶格避免了InAs/GaSbⅡ类超晶格中与Ga原子相关的缺陷复合中心,具有更高的少数载流子寿命,在高工作温度中波红外探测器制备方面有着良好的应用前景。少数载流子单极势垒结构通常被用来抑制探测器暗电流,如nBn结构探测器。在InAs/InAsSbⅡ类超晶格nBn中波红外光电探测器中,势垒层常采用AlAsSb等多元合金材料,阻挡多数载流子的输运。然而,势垒层与吸收层存在的价带偏移(VBO)使得光电流往往需要在大偏压下饱和,从而增大了探测器暗电流。本文设计了一种AlAsSb/InAsSb超晶格势垒,旨在消除VBO并降低量子效率对偏压的依赖性。研究结果显示,150 K下,设计制备的nBn光电探测器的50%截止波长为4.5μm,探测器光响应在-50 mV的小反向偏压下达到了饱和,3.82μm处的峰值响应度为1.82 A/W,对应量子效率为58.8%。在150 K和-50 mV偏压下,探测器的暗电流密度为2.01×10^(-5)A/cm^(2),计算得到在3.82μm的峰值探测率为6.47×10^(11)cm·Hz^(1/2)/W。

基于锥形超晶格p-AlInGaN层的AlGaN基深紫外发光二极管性能优化

为了解决AlGaN基深紫外(DUV)发光二极管(LED)中的严重电子溢出和低空穴注入的问题,本文提出了一种新型锥形超晶格p-AlInGaN层,它大幅改善了基于AlGaN的DUV LED的光电特性.与传统结构相比,所提出结构的输出功率提高了337.8%;同时它的内部量子效率(IQE)也高达96%,并且没有效率下降现象.仿真计算结果表明,锥形超晶格p-AlInGaN层的引入明显增加了多量子阱(MQWs)内载流子的浓度并降低了量子阱(QWs)内的电场,导致了更高的辐射复合率,为改善DUV LED的性能提供了一个有吸引力的解决方案.

InAs/GaSb Ⅱ类超晶格材料的Si离子注入研究

Ⅱ类超晶格红外探测器一般通过台面结实现对红外辐射的探测,而通过离子注入实现横向PN结,一方面材料外延工艺简单,同时可以利用超晶格材料横向扩散长度远高于纵向的优势改善光生载流子的输运,且易于制作高密度平面型阵列。本文利用多种材料表征技术,研究了不同能量的Si离子注入以及退火前后对InAs/GaSb Ⅱ类超晶格材料性能的影响。研究通过Si离子注入,外延材料由P型变为N型,超晶格材料中产生了垂直方向的拉伸应变,晶格常数变大,且失配度随着注入能量的增大而增大,注入前失配度为-0.012%,当注入能量到200 keV时,失配度达到0.072%,超晶格部分弛豫,弛豫程度为14%,而在300℃ 60 s退火后,超晶格恢复完全应变状态,且晶格常数变小,这种张应变是退火引起的Ga-In相互扩散以及Si替位导致的晶格收缩而造成的。

基于超晶格PUF的轻量级信息论安全密钥达成协议

物理不可克隆函数(physicalunclonablefunction,PUF)是一种新型硬件安全原语,提取由器件制造过程中不可避免的随机差异作为密钥.超晶格PUF自提出以来,由于其良好的强PUF特性吸引了国内外诸多学者投入到超晶格随机数发生器和身份认证研究中.但是目前针对超晶格PUF的多方密钥达成协议研究仍然较少,尤其是面向轻量级设备场景.本文提出了一种基于超晶格PUF的轻量级密钥达成协议,阐述了从超晶格PUF派生密钥的方法,并提供信息论安全.通过引入可信第三方来实现持有超晶格PUF的终端设备的注册和会话密钥达成等功能.分析了该协议的攻击模型,证明了其信息论安全.最后在Cortex-A7平台进行实验验证,阐述了其效率和适用性.所提密钥达成协议专注于轻量级群组用户需求,对未来车联网、工业物联网等场景下的安全需求具有重要意义.

超晶格插入层对InGaN/GaN多量子阱的应变调制作用

在InGaN/GaN异质结构量子阱内存在巨大的压电极化场,这严重地削弱了量子阱的发光效率.为了减弱量子阱内的压电极化场,通常引入应变调制插入层提升器件的发光性能.为了研究InGaN/GaN超晶格的应变调制效果和机理,实验设计制备了具有n型InGaN/GaN超晶格插入层的外延结构及其对照样品.变温光致发光谱测试表明引入n型InGaN/GaN超晶格插入层的样品发光波长更短且内量子效率提升,相应的电致发光谱积分强度也显著增加且半宽减小,说明引入超晶格应变插入层可以在一定程度上抑制影响发光效率的量子限制Stark效应.理论计算结果表明:在生长有源区量子阱前引入超晶格应变层,可以削弱有源区量子阱内极化内建电场,减弱有源区量子阱能带倾斜,增加电子空穴波函数交叠,提高发射几率,缩短辐射复合寿命,有利于辐射复合与非辐射复合的竞争,实现更高的复合效率,从而提高发光强度.本文从实验和理论两方面验证了超晶格应变调制插入层可以有效改善器件性能,为器件的结构设计优化指明方向.

InAs/GaSb超晶格台面刻蚀工艺研究综述

本文综述了InAs/GaSb超晶格台面刻蚀工艺研究。从湿法和干法刻蚀的物理化学机理以及参数调控等方面进行分析,旨在阐明工艺条件对台面形貌的影响,以抑制带隙较窄的长波和甚长波超晶格表面漏电流。结果表明,湿法刻蚀中恰当的腐蚀液配比可以实现两种组分的均匀性刻蚀,而不会导致粗糙的表面和严重的下切;干法刻蚀中,采用Cl_(2)基和CH 4基混合气体,通过调整刻蚀气体类型及比例可实现物理和化学刻蚀两个过程的平衡,保证台面侧壁平滑性和倾角的垂直度。另外,对于不同组分的超晶格,需要选择不同的工艺参数才能满足InAs和GaSb的协同性刻蚀。最后对InAs/GaSb超晶格台面刻蚀工艺作出了展望。

莫尔超晶格中的分数化拓扑量子态

带有分数化准粒子激发的分数量子霍尔态是一种奇特的强关联拓扑量子物态,自1982年在强磁场二维电子气中被首次观测到以来一直是凝聚态物理重要的前沿方向.去年来,有多个团队在基于过渡金属硫族化合物和石墨烯的莫尔超晶格中观测到了零磁场分数量子霍尔效应,在莫尔超晶格中还发现了分数量子自旋霍尔效应的迹象.这表明莫尔超晶格体系能够有效调控能带及相互作用,是在零磁场条件下实现分数化拓扑量子态的理想平台.本文简要论述了与此相关的研究进展和存在的挑战,并对该领域未来可能的发展方向做出展望.

锑化物超晶格红外探测器研究进展与发展趋势

锑化物超晶格红外探测器具有均匀性好、暗电流低和量子效率较高等优点,其探测波长灵活可调,可以覆盖短波至甚长波整个红外谱段,是实现高均匀大面阵、长波、甚长波及双色红外探测器的优选技术,得到了国内外相关研究机构的关注和重视,近年来取得了突破性的进展。文中从锑化物超晶格的基本技术原理出发,梳理总结了超晶格红外探测器的发展历程和当前进展,结合超晶格技术特点的分析,初步探讨了超晶格红外焦平面后续发展趋势。

原子层沉积Al_(2)O_(3)钝化对InAs/InGaAsSbⅡ类超晶格发光特性的影响

提出一种基于干法刻蚀与原子层沉积相结合的钝化方法,采用干法刻蚀去除InAs/InGaAsSb超晶格表面及端面固有的氧化层,利用原子层沉积Al_(2)O_(3)薄膜钝化刻蚀表面,对钝化前后光致发光光谱的表征研究其发光性能与长期稳定性。处理后超晶格的As 3d谱中As-O键相关的峰消失表明其表面的氧化物被有效去除。样品的发光强度与激发光功率之间的拟合系数α从1.17减小为1.02,表明激子主导的发光占比增加。连续五天的红外光谱测试发现,处理后样品发光强度降低为原来的89%,而未处理样品的发光强度降低为原来的76%,表明处理后超晶格表现出更好发光稳定性。本研究为提升InAs/InGaAsSb超晶格性能、促进其光电探测领域的应用提供参考。

超晶格结构在二维转角异质结中产生的新奇物态

二维量子材料由于其展现出的许多新奇特质而受到了普遍关注。当二维量子材料组成同质结或异质结时,晶格常数和层间旋转角度会使体系产生新的超晶格结构,从而导致一系列电子能带结构和物理性质的变化。文章首先围绕着超晶格结构所带来的晶格空间结构以及能带结构的变化展开讨论,主要介绍了由此产生的超晶格狄拉克点、莫尔激子和原子重构等新奇物性。除此之外,超晶格结构会使电子的费米速度在一组特定的旋转角度下消失,产生平带。这会导致该区域的物理性质由电子之间的相互作用能主导,从而产生显著地改变。这些由电子之间强关联现象所引起的新奇物性,成为了近些年凝聚态物理等研究领域的前沿课题之一。在这里,文章主要围绕着关联绝缘态、超导、电子晶体和轨道磁性等介绍了与电子之间强关联现象有关的内容,并在最后对超晶格结构未来的发展方向进行了展望。

大面积自组装金纳米颗粒超晶格薄膜的制备及光学特性研究

自组装贵金属纳米颗粒超晶格等离激元与光场的耦合能够激发极化激元模式,在增强光谱及传感等领域具有重要的应用前景。然而目前自组装方法制备超晶格薄膜层数较难控制,同时样品尺寸较小,限制了相关应用的发展。本文基于润湿增强的界面自组装方法可快速、大面积制备单层密排纳米颗粒薄膜的特性,采用逐层堆叠方法制备了具有不同层数的大面积、均匀分布的金纳米颗粒超晶格薄膜样品。实验及计算透/反射光谱表明,所制备超晶格样品能够有效激发极化激元模式,同时高阶极化激元模式随着超晶格层数的增加也可被有效激发。此外,通过调整纳米颗粒尺寸也可有效调制极化激元模式的共振峰位。这些研究为制备大面积高质量纳米颗粒超晶格薄膜提供了一种有效的方案,有望用于高性能微纳光子器件的设计。

半导体超晶格国家重点实验室诚聘英才

中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室长期以来主要致力于半导体物理的电子/自旋量子调控及光、电器件方面的研究,研究内容涉及从基础理论、材料生长、微纳器件的基本物理/功能特性到半导体光电器件的实用基础研究。

基于GeC和WS2超晶格的第一性原理研究

本文通过第一性原理研究了GeC/WS2超晶格结构,利用密度泛函理论(DFT)和VASP软件包,详细分析了GeC和WS2单层材料的电子性质,并进一步探讨了GeC/WS2超晶格在六种不同堆叠方式下的原子结构和电子性质。计算结果显示六种堆叠结构均为II型能带排列的直接带隙半导体,带隙大小在0.55 eV到1.03 eV之间变化。这表明构建超晶格可以通过改变堆叠方式来调控超晶格的电子性质。此外,结合能和层间距的分析表明超晶格的物理稳定性与堆叠方式密切相关。这项研究不仅揭示了GeC/WS2超晶格在电子和光学性质调控方面的应用潜力,也为设计和制备具有特定功能的新型超晶格材料提供了理论基础。

分子束外延HgTe/CdTe超晶格工艺研究

报道了分子束外延生长HgTe/CdTe超晶格结构相关技术。采用HgTe/CdTe超晶格结构进行As掺杂是降低As掺杂元素激活温度的技术路径之一。本文采用分子束外延技术在3 in硅衬底上获得了HgTe/CdTe超晶格结构材料,并采用250℃低温退火获得了激活的原位As掺杂碲镉汞材料。

光场辐照下稀磁半导体/半导体超晶格中自旋电子输运特性研究

基于单电子有效质量近似理论和传递矩阵方法,理论研究了稀磁半导体/半导体超晶格结构中电子的自旋极化输运特性.主要讨论了光场和磁场联合调制对自旋极化输运的影响,以及不同自旋电子在该超晶格结构中的隧穿时间.理论和数值计算结果表明,由于导带电子与掺杂Mn离子之间的sp-d电子相互作用引起巨塞曼劈裂,因此在磁场调制下,不同自旋电子在该结构中感受到的势函数不同而呈现出自旋过滤效应,不同自旋电子的共振透射能带的位置和宽度可以通过磁场进行调制.同时在该结构中考虑光场时,自旋依赖的透射谱会因为吸收和发射光子而呈现出对光场的强度和频率响应;最后,通过不同自旋电子的高斯波包在该结构中随时间的演化给出了不同自旋电子的隧穿时间.本文研究结果对研究和设计基于稀磁半导体/半导体超晶格结构的高速量子器件具有一定的指导意义.

半导体超晶格太赫兹倍频器研究

提出一种基于电场驱动的GaAs基微带超晶格高阶谐波产生的太赫兹倍频器,利用平衡方程方法分析了倍频器在磁场下峰值功率输出和在参数空间(Edc,Eac)的分布情况。研究表明,在(Edc,Eac)的参数平面内,磁场对二次和三次谐波功率的峰值影响不大,但磁场会拓宽谐波输出功率的峰值区域,提高在(Edc,Eac)参数空间内输出峰值功率的概率。当Eac确定时,谐波发射功率峰值的位置会受到直流电场产生的布洛赫振荡频率fB、交流电场产生的调制布洛赫振荡频率fM B和磁场引起的回旋振荡频率fc的影响而发生变化。研究表明,基于半导体超晶格的太赫兹倍频器是很有应用潜力的太赫兹波发生器件。