周 朋，劉 銘，邢偉榮，尚林濤，鞏 鋒

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

隨著紅外探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展以及軍事的需求，第三代紅外探測(cè)器逐漸向高性能、低成本、高溫工作、雙多色方向發(fā)展。其中，實(shí)現(xiàn)高溫工作是第三代紅外探測(cè)器發(fā)展的一個(gè)重要分支［1］。InSb由于其優(yōu)異的光電性能而成為制備高性能中波(3～5μm)探測(cè)器的首選材料之一。

使用分子束外延技術(shù)制備InSb紅外探測(cè)材料是目前比較先進(jìn)的方法。在分子束外延過(guò)程中，由于受襯底質(zhì)量、外延溫度、V/III束流比、生長(zhǎng)速率等因素的影響，外延材料上會(huì)產(chǎn)生多種缺陷，這些缺陷將成為載流子的復(fù)合中心而增加器件的暗電流，嚴(yán)重影響探測(cè)器性能［2］。如何降低外延缺陷成為InSb基分子束外延技術(shù)開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)。

本文對(duì)InSb分子束外延薄膜中的各種缺陷進(jìn)行歸類(lèi)分析，對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行探討，并找出外延缺陷的起因和消除方法，從而降低了InSb材料的外延缺陷，進(jìn)而達(dá)到減小器件的暗電流，實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)器高溫工作的目的。

2 實(shí)驗(yàn)

InSb薄膜分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)研究使用的是自制的2 in InSb(100)晶片。設(shè)備為 DCA P600 MBE系統(tǒng)，襯底采用無(wú)銦粘接的方式固定。通過(guò)標(biāo)定，加熱器熱偶溫度比實(shí)際溫度高50℃左右［3］。本文實(shí)驗(yàn)所涉及的溫度均為熱偶溫度。

InSb薄膜分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)的具體步驟如下:InSb襯底經(jīng)過(guò)常規(guī)的InSb晶片的機(jī)械化學(xué)拋光、綜合清洗之后，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的CP4腐蝕液處理，在表面形成一層保護(hù)的氧化層膜;然后采用干燥的氮?dú)鈱⒁r底吹干，迅速裝入MBE系統(tǒng)中，經(jīng)進(jìn)樣室和緩沖室除氣后，傳送至生長(zhǎng)室;隨后對(duì)InSb襯底進(jìn)行升溫，溫度升高至570～580℃去除氧化層，時(shí)間在15min以上;然后降溫至生長(zhǎng)溫度進(jìn)行InSb薄膜生長(zhǎng)，不同外延片的生長(zhǎng)條件如表1所示。整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程采用在線20 keV反射式高能電子衍射儀(RHEED)監(jiān)控。

表1 不同外延片的生長(zhǎng)條件

InSb分子束外延膜的晶體質(zhì)量采用X射線高分辨衍射儀(XRD)分析測(cè)試，XRD采用CuKα1特征譜線，單色器采用四個(gè) Ge(220)晶體;采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)并結(jié)合能譜儀(EDX)對(duì)外延膜表面缺陷進(jìn)行研究;并采用聚焦離子束(FIB)轟擊特定缺陷觀察其截面圖。

3 結(jié)果及分析

通過(guò)對(duì)各外延片缺陷的觀察分析得出，InSb外延片的缺陷主要分為以下幾類(lèi):

3．1 Sb 空缺

Sb空缺的宏觀表現(xiàn)為成對(duì)出現(xiàn)的三角形坑，其顯微圖片如圖1所示。圖中可以看出，Sb空缺在外延片邊緣更為明顯，坑的數(shù)量隨著遠(yuǎn)離邊緣的距離減少，并且形態(tài)也發(fā)生了變化，有逐漸平緩的趨勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)中，Sb空缺在V/III為3的外延片上的數(shù)量遠(yuǎn)大于V/III為5的外延片。由此可知，此類(lèi)缺陷是由于Sb束流不足導(dǎo)致的。在外延生長(zhǎng)過(guò)程中，InSb中的Sb原子很容易揮發(fā)出來(lái)，因此，在外延過(guò)程中需要適當(dāng)提高Sb束流的比例;此外，在生長(zhǎng)空隙(如去氧化層、退火等)時(shí)也需要Sb束流保護(hù)。如果Sb束流不足，就會(huì)形成Sb空缺。由于邊緣位置的束流會(huì)略小于中心位置，邊緣處的缺陷數(shù)量有所增加。減少此類(lèi)缺陷的方法為適當(dāng)?shù)脑黾覸/III束流比。

圖1 Sb空缺的顯微照片

3．2 In 滴

此類(lèi)缺陷呈液滴狀，尺寸很小，一般在5μm左右，用金相顯微鏡很難觀察到，其SEM形貌如圖2所示。經(jīng)能譜測(cè)試，液滴處的In含量為100%，因此可以確定該缺陷為In滴。在去氧化層的過(guò)程中，襯底溫度可以達(dá)到580℃(熱偶溫度)左右，已經(jīng)接近InSb的熔點(diǎn)535℃。根據(jù)In－Sb相圖(如圖3［4］所示)可知，如果外延時(shí) Sb揮發(fā)以致 Sb、In比例失衡，In－Sb化合物的熔點(diǎn)會(huì)有所降低，使得化合物更容易融化，而液態(tài)的化合物中，Sb更易揮發(fā)，最終形成熔化的In滴懸掛于外延片下方。此類(lèi)缺陷由于Sb束流不足與去氧化層溫度過(guò)高共同導(dǎo)致，外延片的邊緣位置不僅Sb束流偏小，而且溫度也稍高于中心位置，因此In滴在邊緣處聚集。本實(shí)驗(yàn)中，編號(hào)為1306的外延片上In滴最多，1302次之。通過(guò)增加V/III比或者適當(dāng)降低去氧化層溫度可以減少此類(lèi)缺陷。

圖2 In滴的SEM圖

圖3 Sb－In相圖

3．3 In 偏析

通過(guò)對(duì)外延片表面SEM分析發(fā)現(xiàn)，有些缺陷有明顯的核心，其SEM形貌圖如圖4所示。EDX顯示核心位置的In含量高于正常位置，由此確定該缺陷是由In偏析造成的［5］。核心的尺寸在2～10μm之間，超過(guò)了外延層厚度(3～5μm)，故推斷此類(lèi)缺陷產(chǎn)生在外延之前，即去氧化層的過(guò)程中。其形成原因與In滴類(lèi)似，由于去氧化層時(shí)溫度偏高，導(dǎo)致Sb、In比例失衡，但I(xiàn)n偏析程度不高，核心中的Sb原子并未完全揮發(fā)，而是形成了核心，對(duì)周?chē)耐庋釉赢a(chǎn)生影響。通過(guò)降低去氧化層的溫度、增加V/III比，可以控制此類(lèi)缺陷的產(chǎn)生。

圖4 帶核心的缺陷SEM圖

3．4 蟲(chóng)洞

在金相顯微鏡下可以發(fā)現(xiàn)外延片表面有一些較深的小洞，其形貌類(lèi)似于蟲(chóng)洞，尺寸多在10～20μm之間，但也有個(gè)別的尺寸達(dá)到200μm以上。圖5為蟲(chóng)洞缺陷的金相顯微圖片和SEM形貌圖。通過(guò)觀察用FIB轟擊蟲(chóng)洞后的截面SEM圖片(如圖6所示)可以看出，蟲(chóng)洞起源于襯底位置。編號(hào)為1301的襯底由于其表面質(zhì)量稍差，在外延后形成了大量的蟲(chóng)洞，并且沿著磨拋留下的線形痕跡分布，其他外延片上也有少許蟲(chóng)洞，推測(cè)為襯底表面的雜質(zhì)導(dǎo)致的。蟲(chóng)洞的形成原因?yàn)?襯底上存在應(yīng)力中心，對(duì)四周的外延原子形成了影響，使這些原子外延過(guò)程中逐漸長(zhǎng)成圓形。而襯底上的雜質(zhì)，以及襯底在磨拋過(guò)程中產(chǎn)生的劃痕，均可以充當(dāng)應(yīng)力中心。此類(lèi)缺陷的消除方法是選用光滑的、無(wú)劃痕和雜質(zhì)的襯底。

圖5 蟲(chóng)洞缺陷的金相顯微圖和SEM形貌圖

圖6 蟲(chóng)洞經(jīng)過(guò)FIB后的形貌

3 ．5 晶格完整性缺陷

X射線雙晶衍射半峰寬是無(wú)損評(píng)價(jià)晶體晶格質(zhì)量的重要參數(shù)，通過(guò)雙晶XRD衍射的半峰寬可以從側(cè)面反應(yīng)材料中的晶格完整性，其原理為:當(dāng)晶體材料中有位錯(cuò)等缺陷時(shí)，晶體的周期性被破壞，倒易點(diǎn)變?yōu)椴灰?guī)則球，對(duì)應(yīng)衍射峰為測(cè)量方向與該倒易球的截線。而點(diǎn)缺陷并不會(huì)導(dǎo)致半峰寬的展寬［6］。通過(guò)采用退火或者使用緩沖層技術(shù)，可以有效減少位錯(cuò)。本實(shí)驗(yàn)外延薄膜的X射線雙晶衍射曲線如圖7所示，其半峰寬在8 arcsec左右，最好值為6．44 arcsec，其值可以跟體晶材料的半峰寬(6 arcsec左右)媲美，說(shuō)明其位錯(cuò)密度比較低。

圖7 X射線雙晶衍射曲線

4 結(jié)論

本文介紹了InSb分子束外延材料中存在的一些主要缺陷的特征、起因和消除方法等。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，缺陷的來(lái)源可分為來(lái)源于襯底和來(lái)源于工藝過(guò)程兩大類(lèi)。其中來(lái)源于襯底的缺陷主要為襯底表面被污染、襯底上有劃痕以及去氧化層過(guò)程中處理不當(dāng)引起的，而來(lái)源于工藝過(guò)程的缺陷主要由生長(zhǎng)過(guò)程中V/III比例過(guò)小以及生長(zhǎng)溫度偏高等引起。

因此，要獲得高質(zhì)量的InSb分子束外延薄膜，首先要選用完好的襯底，并且配備合適的襯底處理工藝，使得襯底在外延前缺陷和污染程度降到最低。其次要控制好生長(zhǎng)條件，經(jīng)過(guò)對(duì)多片外延片上的缺陷分析得出，最好的生長(zhǎng)溫度在470℃左右，超過(guò)此溫度時(shí)，In偏析缺陷明顯增多，而V/III比至少在3以上才能保證外延后不會(huì)出現(xiàn)大量的Sb空缺和In滴。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的材料缺陷(1μm以上)密度最低值降到483 cm－2。

致 謝:在此對(duì)華北光電技術(shù)研究所焦平面專業(yè)部材料中心的強(qiáng)宇、王彬、折偉林、沈?qū)氂?、李達(dá)以及器件中心的楊雅茹、付偉等人所做的相關(guān)工作深表感謝!

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