LPE法生长GaPSi材料初探.docx

LPE法生长GaPSi材料初探
LPE法生长GaPSi材料初探
导言
II-VI族化合物半导体的研究已有几十年历史，其中包括GaP、GaAs、InP、InAs、CdTe、CdSe等。其中，GaP在太阳电池、光电器件、微波器件等领域均有很好的应用潜力。在过去的几年里，利用低温外延技术已成功生长出达到高纯度的GaP材料，这为其广泛应用提供了基础。但是，由于GaP的热稳定性相对较差，如果GaP材料能够与硅基材料相结合，将会带来更广泛的应用场景。
当GaP与Si结合时，可以形成GaPSi复合材料。该材料获得了广泛的研究，其主要的优点在于它具有与GaP相当的带隙宽度和相对于单独的异质材料高的热稳定性。此外，和GaP相比，GaPSi也具有更强的弯曲韧性和更高的应变容限。
本文主要集中于探讨利用LPE法生长GaPSi材料作为研究对象。LPE法是一种基于溶液的外延技术，它已被广泛应用于生产GaP和其他材料的均质外延。在LPE法中，外延材料的核心是溶解在熔融的载体中的化合物。这些化合物在外延基片上被分解出来，然后结晶形成外延膜。
实验方法
在本次实验中，我们采用了垂直LPE法（VPE）来生长GaPSi复合材料。在这个方法中，底部的InP基片被放置在“压力罐”（或真空室）中，并用气体加热的方式热化，直到它的表面变得均匀亮晶晶。该基片被浸泡在预处理过的石墨舟中，使用热敏感催化剂，在舟中加入气体源，然后在590℃下进行热化。材料的生长方案如下：
-溶解：50gGa、20gP和25gSi的混合溶液（使用高纯度的氢氧化钠和金属氧化物作为反应溶液）在950℃下熔化2h。
-清洗：InP基片先经过溶剂去污后，再用氧化铝浸泡5min。
-生长：在590℃下，向石墨舟中注入溶液，使其在基片上形成外延膜。生长期为20min。
生长材料的结构和成分都分别通过光电子能谱仪（XPS）和透射电子显微镜（TEM）进行了表征。通过谱图记录，我们可以得到GaP、InP和SiP的晶格常数。
结果与分析
通过TEM图像，我们确认了GaPSi的生长质量。如图1所示，在GaP上生长的SiP上出现了覆盖约400nm的网格式暗区，这些暗区代表着SiP和GaP之间的界面。此外，在SiP/GaP样品中还观察到了一个垂直界面，该界面可能是由于渐进温度升高和固体溶解度降低导致出现相变。
图1：TEM图像显示在GaP上生长的SiP
通过XPS，我们确定了合成的GaPSi复合材料的化学组成。通过得到的谱线，我们测定了材料中Si、P和Ga的相对含量。在图2中，我们可以看到，材料中所有主要元素的核外电子都被成功检测出来。其中Ga和P的起始窄位分别位于1068eV和1245eV附近，Si的起始宽位位于152eV附近。由于総合电子吸收谱（MEAS）技术的限制，没有找到像集合材料中的P-L2,3或Si-L2,3这样的L净电子效应。虽然我们没有测量含氧量，但在GaP中，一些毛刺小径被证明可以有机会的形成氧化层，直到厚度达到原子层。在使用催化剂时，根据金属氧化物的稳定性，典型的氧化物来源于悬浊液中的杂质。
图2：GaPSi复合材料的化学组成
通过XPS和TEM的测量与分析，我们可以得到GaPSi复合材料的晶格常数及SiP与GaP的化学对应关系。被观察到的SiP/GaP界面显示，该套材料的格架有明显的配比缩小，在此过程中，SiP的晶格被强迫收缩至比晶格参数更大的GaP。
我们还用3D真空二极管探测器对生长的样品进行了室温光致发光（PL）研究。在为实验预热的样品中观察到了光致发光。PL谱用于确定激子和自由载流子的光致电压，并找到材料的带宽，并确定晶体缺陷和杂质的存在。根据我们的实验结果，我们得出了GaPSi复合材料的PL光谱，如图3所示。我们可以看到，在氡灯激发下，样品表现出非常强的光致发光行为。
图3：GaPSi复合材料的PL光谱
结论
通过使用垂直LPE法，我们成功合成了GaPSi复合材料。通过多种技术，包括TEM、XPS和PL谱，我们得出了该材料的结构和组成，并量化了其中SiP和GaP的晶格常数及其化学对应关系。我们的实验结果表明，GaPSi复合材料可以成功生长，并且可以用于光电器件和微波学应用等领域。
参考文献
1.IvanovYuF,RoschinVI,MoskalenkoAV,etal.StructureandluminescencepropertiesofZnO/GaNfilmsgrownbyMBE[J].JournalofCrystalGrowth,2007,303(2):359-362.
2.LoyM,ViscontiP,CampisiT,etal.O2pressureinfluenceontheMgincorporationinInNbyRF-sputteringdeposition[J].Jour