关键词：
HgTe
分子束外延(MBE)
负磁阻
反弱局域
摘要：
应变的HgTe具有反转的能带结构,是一种典型的拓扑绝缘体材料,大多数研究都集中于（100）晶向单轴应变的HgTe。本论文利用分子束外延（MBE）实现了Cd Te/Ga As复合衬底上高质量HgTe（111）薄膜和量子阱的生长;另外,从理论上和实验上研究了HgTe（111）薄膜的应变特性,系统地研究了HgTe（111）量子阱的低温输运特性。此外,还尝试生长了中波HgCdTe薄膜材料,并且做了初步的器件验证。主要研究内容如下:（1）实现了高质量HgTe薄膜的生长。首先系统地介绍了MBE系统的结构和原理,以及Hg基MBE系统的特殊性。利用MBE系统在Ga As（100）衬底上,生长出了高质量的Cd Te（111）单晶薄膜缓冲层,1um厚的Cd Te（111）缓冲层平均粗糙度（RMS）为0.8nm,达到了原子级的表面平整度,我们选用Cd Te（111）作为缓冲层生长HgTe（111）薄膜。相比于Cd Te缓冲层,HgTe薄膜的生长难度更大,其生长温度低,温度区间小（<3℃）。通过反射高能电子衍射（RHEED）实时监控,优化了HgTe薄膜生长条件,最终得到了高质量的HgTe薄膜材料。此外,对于HgTe薄膜的XRD,拉曼和EDS作了初步的测试和分析。（2）系统地研究了HgTe（111）薄膜的应变和界面特性。理论上,基于力平衡理论,通过Matthews临界厚度计算模型,计算出了Cd Te衬底上,HgTe（111）薄膜的应变释放临界厚度为239nm。实验上,通过HRXRD结合倒易空间图谱（RSM）测试分析,研究了不同厚度HgTe（111）样品应变释放特性,实验结果与理论计算结果基本匹配。此外,通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）测试发现,在157℃生长的HgTe薄膜在HgTe-Cd Te界面处有类似孪晶的缺陷,在HgTe生长初期RHEED实时监控图中有类孪晶的点阵;而对于160℃生长的HgTe薄膜,其HRTEM和RHEED结果中的HgTe-Cd Te界面质量良好。对于HgTe（111）薄膜,其失配位错等缺陷取向大多为[011],平行于HgTe（111）表面,RHEED基于高能电子略入射的衍射模式能够有效的监控（111）表面缺陷的出现。（3）研究了HgTe（111）量子阱的输运特性。（a）对于157℃和160℃不同生长条件以及不同厚度的HgTe（111）量子阱,系统地测试了其磁输运特性。发现157℃生长的薄的HgTe（111）量子阱具有奇异的低温正磁阻和高温负磁阻特性;而157℃生长的厚度超过67nm的HgTe（111）量子阱,以及160℃生长的量子阱,低温和高温下均表现为正磁阻特性。HgTe（111）量子阱的负磁阻特性可能来自于HgTe-Cd Te界面缺陷导致的晶界散射。通过选择腐蚀液的腐蚀掉Cd Te覆盖层之后,～13nm和～31nm两个样品的正磁阻-负磁阻转变温度均为120K左右,此转变温度与文献报道的8nm HgTe量子阱的能带反转到正常能带转变温度113.8K非常接近。对此,我们猜测电子输运在低温下受对缺陷不敏感的拓扑态保护,表现为正磁阻特性;当温度超过120K时,HgTe量子阱转变为常规的能带,大量的界面缺陷散射导致负磁阻特性。此外,通过反弱局域（WAL）效应研究了两个HgTe量子阱的导电通道属性,通过HLN模型拟合发现,～13nm的HgTe量子阱边缘导电特性明显,而～31nm的HgTe量子阱边缘和体导电通道耦合效应明显,随着厚度的增加,体导电模式占据主导,界面缺陷影响变弱,在～67nm的HgTe量子阱中没有出现高温负磁阻特性。（4）制作了HgTe量子阱霍尔器件,并研究了的反弱局域特性。利用160℃生长的～13nm高质量HgTe（111）量子阱样品,通过紫外光刻,制作了霍尔器件。通过低温下的栅压调制,系统地研究了HgTe的WAL效应。结合HLN和Golub模型拟合,研究了HgTe量子阱退相干长度以及自旋轨道长度随温度和载流子浓度变化特性,其退相干长度lφ高达1400nm。样品中存在非常强的自旋轨道耦合和导电通道耦合效应。此外,对弱的Sd H振荡信号作了初步地分析。（5）实现了HgCdTe薄膜材料的MBE生长。2.9um的Hg0.713Cd0.287Te薄膜样品的AFM测试表面起伏小于5nm,表面缺陷密度约为600 cm-2,（422）峰半峰宽为115arcsec。通过对傅里叶红外透射光谱拟合分析,3inch HgCdTe样品的厚度非均匀性和组分非均匀性均在1%以内。制备了光导型器件,在77K下在3.5—5.5μm波长范围内响应率大于0.8（归一化）,不同器件的光电响应曲线基本重合。最后,尝试生长了HgTe/Hg0.3Cd0.7Te量子阱二维电子气结构,探索了载流子浓度与In掺杂温度的关系。为HgCdTe红外探测器和高迁移率二维电子
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