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硅基InAs/GaSb超晶格红外探测材料的MBE生长与特性研究

批准号:
62104236
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王楠
学科分类:
半导体材料
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王楠

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
Si基InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外探测材料有成本低、机械强度高、探测波段可调谐、尺寸大等优点成为了红外探测和成像领域的研究热点。但是由于Si与InAs/GaSb超晶格材料在晶格常数、极性和热膨胀系数的差异,在材料制备过程中易产生极高的位错和反相畴密度,影响Si基InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外探测材料的性能。本项目利用MBE设备在Si(001)衬底上外延制备超晶格材料。重点研究Si衬底退火条件优化、低温GaSb成核层、高温GaSb缓冲层和GaSb/AlSb位错阻挡层的引入对材料质量的改善作用和机理,探明Si基InAs/GaSb超晶格红外探测材料的最佳制备工艺,为下一代低成本、大规模、高度集成的红外焦平面阵列提供理论基础和技术支撑。
英文摘要
Si-based InAs/GaSb infrared detection materials have the advantages of low cost, high mechanical strength, tunable detection band, and large size, which have become a research hotspot in the field of infrared detection and imaging. However, due to the difference in lattice constant, polarity, and thermal expansion coefficient between Si and InAs/GaSb superlattice materials, extremely high dislocations and antiphase domain densities are prone to occur during the material preparation process, which affects the infrared detection of Si-based InAs/GaSb The performance of the material. This project uses MBE equipment to epitaxially prepare superlattice materials on Si (001) substrates. Focus on the improvement of Si substrate annealing conditions, low-temperature GaSb nucleation layer, high-temperature GaSb buffer layer and GaSb/AlSb dislocation barrier layer on the improvement of material quality and mechanism, and to find out the best of Si-based InAs/GaSb infrared detection materials Optimal preparation technology provides theoretical foundation and technical support for the next generation of low-cost, large-scale, and highly integrated infrared focal plane arrays.
新一代红外探测技术的核心竞争力在于“SWaP3”,即更小的尺寸、更轻的重量、更低的功耗、更高的性能和更低的成本。当前高性能制冷型红外焦平面,制造成本已成为制约其在武器装备大规模应用的首要因素。新型的InAs/GaSb Ⅱ类超晶格材料以其理论上高俄歇寿命、探测波段可调谐(3 至30 微米)、对垂直光有响应等一系列性能优势,使其成为新一代红外探测优选材料,且其基于III-V族化合物半导体所带来的时空稳定性好、材料均匀性高等特点,更使其在大规模焦平面器件具有极大优势。然而,InAs/GaSb Ⅱ类超晶格的外延生长需要晶格匹配的InAs、GaSb等III-V族衬底,该类衬底制备工艺复杂、成本高、尺寸小,且由于该类衬底在军事探测领域的广泛应用,生产设备和原料长期被西方国家封锁,大尺寸衬底尚无国产替代。上述因素极大限制了低成本、大规模InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外焦平面的发展。. Si衬底具有尺寸大、成本低、机械强度高等优点,在Si衬底上外延生长InAs/GaSb Ⅱ类超晶格材料并以此为基础制备焦平面阵列,不仅可以降低材料的制备成本,解除Ⅲ-Ⅴ族衬底尺寸对焦平面规模的限制,而且还有望实现Si读出电路与焦平面阵列的单片集成。. 但是由于Si与InAs/GaSb超晶格材料在晶格常数、极性和热膨胀系数的差异,在材料制备过程中易产生极高的穿通位错和反相畴密度,影响Si基InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外探测材料的性能。课题面向新一代武器装备发展对“SWaP3”及超大规模焦平面的迫切需求,开展硅基锑化物超晶格异质外延研究,围绕解决大晶格失配和极性失配导致高缺陷密度的科学难题,研究了Si衬底在热处理下的表面原子台阶重构、异质结构的缺陷抑制和异质多层超晶格结构的应力调控等关键技术,实现了高晶格质量的Si基InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外探测材料的外延制备,并设计构建了Si基InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外探测单元器件,为大规模、低成本、高集成的锑化物超晶格焦平面器件提供了理论基础和技术途径。
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