陳道明,國鳳云,張新建,白貴元,趙連城

(1.中國工程物理研究院材料研究所,四川江油 621907; 2.哈爾濱工業(yè)大學材料科學與工程學院,黑龍江哈爾濱 150001)

InAs/GaInSb超晶格薄膜結(jié)構(gòu)與電學性能

陳道明1,2*,國鳳云2,張新建1,白貴元1,趙連城2

(1.中國工程物理研究院材料研究所,四川江油 621907; 2.哈爾濱工業(yè)大學材料科學與工程學院,黑龍江哈爾濱 150001)

采用分子束外延(MBE)方法,調(diào)節(jié)生長溫度、Ⅴ/Ⅲ束流比等參數(shù)在(001)GaAs襯底上生長了InAs/ GaInSb超晶格薄膜。結(jié)果表明:InAs/GaInSb超晶格薄膜的最佳生長溫度在385～395℃,Ⅴ/Ⅲ束流比為5.7∶1～8.7∶1。高能電子衍射儀(RHEED)原位觀測到清晰的GaAs層(4×2)、GaSb層(1×3)和InAs層(1×2)再構(gòu)衍射條紋。獲得的超晶格薄膜結(jié)構(gòu)質(zhì)量較好。隨著溫度的升高,材料的載流子濃度和遷移率均上升。

InAs/GaInSb;超晶格薄膜;分子束外延

1 引 言

隨著紅外探測和成像技術(shù)在武器裝備系統(tǒng)中的迅猛發(fā)展,光學制導將成為精確制導武器技術(shù)的主導。紅外探測技術(shù)還被廣泛應用于遙控、跟蹤、預警、夜視、觀測、瞄準以及醫(yī)療與自動控制等軍事和國民經(jīng)濟諸多領域。美國Los Alamos國家實驗室的Smith等[1]和美國海軍實驗室的Youngdale等[2]指出了InAs/Ga1-xInxSb超晶格材料用于紅外探測的應用潛力,以其為代表的Ⅲ-Ⅴ族Ⅱ類超晶格材料受到發(fā)達國家軍方的重視,被視為有望替代TeCdHg(MCT)的首選材料[3]。由于量子點材料的閾值電流密度較低,所以在制作半導體器件上極具吸引力[4-5]。InAs/GaInSb超晶格材料具有隧道暗電流低、俄歇復合率低、探測波長可調(diào)和面阻高等突出的優(yōu)點[6-8],通過調(diào)節(jié)InAs層厚度、GaInSb層厚度和In含量等可改變InAs/ GaInSb的能帶結(jié)構(gòu),所制作的紅外探測器可實現(xiàn)在2～40 μm之間的任意波段工作[9-10]。隨著紅外焦平面陣列探測器在航空航天中的應用[11], InAs/GaInSb紅外探測器將具有更廣闊的應用前景。

分子束外延方法是一種在清潔的超高真空條件下利用各組分元素制備單晶薄膜的生長技術(shù)。像不同類型紅外探測器件在性能優(yōu)化及物理機制[12]等方面存在制約一樣,制約InAs/GaInSb超晶格材料在紅外探測領域應用的主要因素有:合適的應變補償方法和界面控制;超晶格材料結(jié)構(gòu)設計及質(zhì)量控制;相關工藝參數(shù)的選取及優(yōu)化等。關于InAs/GaInSb超晶格薄膜的層厚、In含量、應變及位錯等基礎計算尚少見報道,對材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量和電學性能等也缺乏分析。本文計算了超晶格薄膜的基礎物性參數(shù),并分析了影響其結(jié)構(gòu)和電學性能的因素。

2 實 驗

2.1 材料設計

InAs/GaInSb超晶格材料屬于第Ⅱ類破隙型超晶格,其中InAs層的導帶低于GaInSb層的價帶,使電子集中在InAs層中,而空穴集中在GaInSb層中[13],如圖1所示。研究者多以GaSb作為薄膜生長的基板,其與InAs/Ga1-xInxSb超晶格的晶格失配度較小,可降低外延層中的缺陷,使超晶格薄膜結(jié)構(gòu)質(zhì)量提高;但缺點是GaSb具有較高的本征摻雜濃度,導致器件隧穿電流較大,同時對GaSb襯底材料的改性較難,生產(chǎn)成本較高。GaAs襯底的成本較低,與GaSb、InAs相比,晶格失配約為7％。本文在成熟的GaAs襯底上再外延生長一層GaSb緩沖層,以期獲得較好的質(zhì)量,作為最終器件生長的基板。

影響InAs/Ga1-xInxSb超晶格薄膜結(jié)構(gòu)質(zhì)量的主要因素有生長溫度、InAs/Ga1-xInxSb各層厚度和Ⅴ/Ⅲ族束流比等。在適當?shù)幕诇囟认?薄膜會從非晶態(tài)經(jīng)過多晶結(jié)構(gòu)向單晶結(jié)構(gòu)發(fā)展。生長溫度對薄膜中的缺陷等也有較大影響。溫度過低不利于表面原子的擴散遷移過程,影響生長速率;溫度過高則不利于薄膜成分的控制。生長溫度會影響表面上的一切過程,如吸附粒子的數(shù)目、表面擴散、凝結(jié)以及島的形貌等。

Ⅴ/Ⅲ束流比是決定材料組分和生長速率的關鍵因素:當Ⅴ/Ⅲ束流比較大時,Ⅴ族原子能夠較快且完全覆蓋薄膜的生長表面,生長速率只與Ⅲ族原子的粘附系數(shù)等因素有關,因而生長速率會呈現(xiàn)出飽和現(xiàn)象;當Ⅴ/Ⅲ束流比較小時,Ⅴ族原子在生長表面的覆蓋程度小,薄膜的生長速率與表面Ⅴ族原子的數(shù)量息息相關。經(jīng)過前期理論計算和實驗驗證,設計使用的Ⅴ/Ⅲ族束流比為5∶1～11∶1。周期及各層厚度等因素對超晶格材料中的應變分布及晶格常數(shù)會產(chǎn)生影響,厚度太大無法形成超晶格結(jié)構(gòu),厚度太小則控制生長過程較難,同時可能造成原子面的鋪排不完整,缺陷增多等。

2.2 薄膜生長

圖1 InAs/GaInSb超晶格能帶結(jié)構(gòu)[13]Fig.1 Band structure of InAs/GaInSb superlattice[13]

表1 樣品生長工藝參數(shù)Table 1 Experimental parameters of samples

采用法國Riber公司的Compact21T分子束外延系統(tǒng)生長InAs/Ga1-xInxSb薄膜,生長室的真空度控制在1×10-8～1×10-11Pa。MBE生長過程在反射式高能電子衍射儀、紅外測溫儀和離子規(guī)等監(jiān)測下進行,可實時監(jiān)測樣品的表面形貌、襯底的表面溫度、室內(nèi)氣壓和校正源爐束流等。

銦源和鎵源均是高純固態(tài)金屬,砷源和銻源分別由帶閥的裂解爐提供,閥門由氣動開關控制,響應時間為0.1 s。實驗采用(001)晶向的GaAs為襯底,先外延生長一定厚度的GaAs層,然后再生長GaSb緩沖層,最后交替生長InAs/GaInSb?；谇捌诘睦碚撛O計和異質(zhì)結(jié)薄膜生長實驗,本文選取的具體生長工藝參數(shù)見表1。在整個生長過程中實時監(jiān)控Ⅲ族元素(鎵和銦)的爐溫和束流關系、Ⅴ族元素(銻和砷)的閥門開放率與束流關系,結(jié)果表明束源溫度或閥門開放率與束流強度呈線性關系。

2.3 樣品表征

雙晶(DCXRD)搖擺曲線的測量采用的是日本理學(Rigaku)的SLX21AL型X射線衍射儀,輻射源為Cu Kα1射線(λ=0.154 06 nm),Ge(004)作為單色器第一晶體,測量過程采用ω/2θ聯(lián)動方式(n,-m)排列掃描。超晶格薄膜的載流子遷移率和載流子濃度等電學性能采用半導體綜合測試系統(tǒng)測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 超晶格薄膜生長的RHEED原位監(jiān)測

GaAs生長完成后的RHEED衍射呈現(xiàn)出清晰的(4×2)再構(gòu)圖樣,如圖2(a)所示,表明GaAs層表面較好,可開始進行GaSb緩沖層生長。此時GaAs層的RHEED衍射圖樣迅速變暗,隨著GaSb層的生長,RHEED圖樣逐漸變?yōu)辄c狀,最終顯示出清晰的(1×3)再構(gòu)衍射條紋,如圖2(b)所示。隨后進行超晶格膜層生長,最后觀察到InAs層呈現(xiàn)(1×2)再構(gòu)條紋,如圖2(c)所示。

3.2 超晶格薄膜結(jié)構(gòu)質(zhì)量

對薄膜進行雙晶X射線衍射分析,選取(004)晶面的對稱衍射,結(jié)果見圖3。從圖3可以看出:樣品SL-1#沒有出現(xiàn)衛(wèi)星峰,所以為異質(zhì)結(jié)薄膜結(jié)構(gòu),并未形成超晶格結(jié)構(gòu),原因是生長各層膜厚較大,各層之間近似完全馳豫,可以看成體單晶結(jié)構(gòu)。據(jù)文獻[14]報道,當超晶格薄膜的周期厚度超過15 nm時,薄膜的性質(zhì)將由半導體轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢饘?此時超晶格結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楫愘|(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。其余樣品均出現(xiàn)明顯的衛(wèi)星峰,且級數(shù)較多,半峰寬較窄,表明超晶格薄膜生長狀況較好。從樣品SL-2#與SL-3#的DCXRD圖像可以看出,生長溫度為385℃的樣品的衛(wèi)星峰級數(shù)要多于生長溫度為395℃的樣品。通過SL-4#、SL-5#和SL-6#樣品的圖像可以得出,隨著Ⅴ/Ⅲ束流比的加大,衛(wèi)星峰級數(shù)有降低的趨勢。

圖2 超晶格薄膜生長的RHEED衍射花樣。(a)(4×2)再構(gòu)圖樣;(b)(1×3)再構(gòu)圖樣;(c)(1×2)再構(gòu)圖樣。Fig.2 RHEED diffraction pattern of superlattice samples growth.(a)4×2.(b)1×3.(c)1×2.

InAs/GaInSb超晶格薄膜和GaSb緩沖層之間可近似認為是完全共格的,屬于小失配情況,對Bragg方程進行微分可得:

式中:Δθ為峰位間距,Δd/d=ε為晶格應變,cotθB為緩沖層Bragg角的余切值,ε為生長方向的應變ε⊥。超晶格的衍射遵守Bragg方程:

式中:D為周期厚度,L為衛(wèi)星峰的級數(shù),θl為第l級的Bragg角。周期厚度D可通過多量子阱衛(wèi)星衍射峰間距Δθp計算:

式中:λ為入射X射線的波長,θB為襯底衍射晶面的Bragg角,φ為(001)面與衍射面的夾角,α為晶體表面與(001)面的夾角。

GaInSb的晶格常量隨In組分的變化而變化,且其晶格常量在GaSb和InSb晶格常量間變化。通過式(4)對不同的晶格常量進行線性插值即可確定不同的晶格常量所對應的In組分:

式中:xi為一個周期內(nèi)各層的組分,ti為一個周期內(nèi)各層厚度,M為周期數(shù)。

對于超晶格薄膜材料,標定峰位時將最靠近襯底衍射峰的衛(wèi)星峰定為零級峰,其峰位為Δθ0,與襯底峰角間距為Δθ＇0,有:

根據(jù)運動學理論,零級衛(wèi)星峰的半高寬(FWHM) Δω0為:

圖3 超晶格樣品SL-1#(a)、SL-2#(b)、SL-3#(c)、SL-4#(d)、SL-5#(e)、SL-6#(f)的DCXRD圖譜。Fig.3 DCXRD figures of superlattice sample SL-1#(a),SL-2#(b),SL-3#(c),SL-4#(d),SL-5#(e),and SL-6#(f),respectively.

式中:ΔθM為任意兩個相鄰衛(wèi)星峰間距。

位錯密度是超晶格薄膜質(zhì)量評估指標中的一項重要參數(shù),X射線衍射雙晶搖擺曲線的半峰寬反映了超晶格薄膜的位錯密度ρ,它們的關系可以表示為:

式中:b為位錯的柏格斯矢量。

綜上所述,通過理論計算和計算機模擬列出超晶格樣品的一些測試參數(shù)如表2所示。由于樣品SL-1#為異質(zhì)結(jié)薄膜,并未形成超晶格結(jié)構(gòu),因此無法用上述理論對其進行計算和分析。

從計算結(jié)果可以得出,Ⅴ/Ⅲ束流比加大和周期厚度減小會使半峰寬加寬,樣品缺陷密度增加,應變和失配位錯增大?？刂浦芷诤穸冗€和生長層原子表面逃逸現(xiàn)象有關,生長過程中由于生長溫度的波動、束流比的改變等致使部分區(qū)域沒有按逐層生長平鋪的模式而出現(xiàn)空缺,造成一定程度的晶面彎曲,進一步使衍射峰寬化。各層厚度的減小增加了原子逐層生長的難度,位錯、點缺陷和周期重復性差等因素都會使衛(wèi)星峰加寬和峰強下降。分析認為,所獲得的InAs/Ga1-xInxSb超晶格薄膜晶體質(zhì)量和結(jié)構(gòu)完整性均較好,GaSb緩沖層與GaAs襯底之間近似完全馳豫,界面共格度較小,而超晶格薄膜與GaSb緩沖層之間的共格度較高,應變層應力馳豫很少。

3.3 超晶格薄膜電學性能

霍爾測試結(jié)果表明,外延生長的超晶格薄膜為n型電子占優(yōu)的半導體材料,載流子遷移率數(shù)據(jù)如表3所示。載流子的遷移率與等電子雜質(zhì)效應和缺陷散射等因素有關。由于超晶格薄膜中摻入了銦元素,銦向GaSb層中擴散,鎵的電負性為1.81,銦替代了部分格點上的鎵,而銦的電負性為1.78,產(chǎn)生等電子雜質(zhì)效應使銦成為正電中心。同時,銻向InAs層中擴散,砷的電負性為2.18,銻替代了部分格點上的砷,銻的電負性為2.05,銻同樣也成為正電中心。生長過程中出現(xiàn)的擴散效應促生大量正電中心,這些正電中心能捕獲薄膜中的自由載流子(電子)。同時,生長過程中還存在這種缺陷中心對載流子的散射作用,這種散射作用越大,遷移率就越低。超晶格薄膜的電學性能受到多種因素的共同作用,生長過程中的結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制至關重要。

TeCdHg是中遠紅外探測中最重要的半導體材料之一,可在室溫下工作[15]。從表3中可以看出,300 K下,InAs/Ga1-xInxSb超晶格薄膜遷移率保持在一個較高的水平,有望實現(xiàn)在非制冷情況下工作。溫度在一定范圍內(nèi)升高,增加了電子的能量,使得電子逃離正電中心束縛的概率增加,也會使遷移率升高。

表3 超晶格樣品的霍爾測試參數(shù)Table 3 Hall test parameters of superlattice samples

4 結(jié) 論

實驗得出了超晶格薄膜的優(yōu)化生長條件:以GaAs上生長的GaSb層為材料生長的基板,生長溫度在385～395℃,Ⅴ/Ⅲ束流比為5.7∶1～8.7∶1,層厚比建議為1～2.5。分析了MBE生長過程和原位監(jiān)測,在生長過程中束源溫度(閥門開放率)與束流強度始終保持線性關系,RHEED原位觀測到各膜層清晰的再構(gòu)衍射條紋。計算了位錯密度、垂直應變、晶格常數(shù)、x值和半峰寬等重要數(shù)據(jù),得到超晶格膜和異質(zhì)結(jié)膜的不同成膜厚度。結(jié)果表明,在該工藝參數(shù)下獲得的超晶格薄膜衛(wèi)星峰級數(shù)較多,半峰寬較窄,晶體質(zhì)量和結(jié)構(gòu)完整性很好?；魻枩y試表明薄膜為電子占優(yōu)的半導體材料,超晶格薄膜的載流子濃度和載流子遷移率主要是受電子雜質(zhì)效應和缺陷中心散射作用的影響。隨著溫度的升高,材料的載流子濃度和遷移率均上升。文中制備的樣品在300 K下的遷移率保持在一個較高的水平,電學性能較好,有望實現(xiàn)器件在非制冷情況下工作。

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陳道明(1988-),男,四川瀘州人,工程師,2012年于哈爾濱工業(yè)大學獲得碩士學位,主要從事材料表面工程和薄膜技術(shù)等方面的研究。

E-mail:chendaominght@126.com

Structure and Electrical Properties of InAs/GaInSb Superlattice Film

CHEN Dao-ming1,2*,GUO Feng-yun2,ZHANG Xin-jian1,BAI Gui-yuan1,ZHAO Lian-cheng2
(1.Institute of Materials,China Academy of Engineering Physics,Jiangyou 621907,China; 2.School of Materials Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China) *Corresponding Author,E-mail:chendaominght@126.com

InAs/GaInSb superlattice material was grown on(001)GaAs substrates by molecular beam epitaxy(MBE),adjusting the growth temperature andⅤ/Ⅲbeam ratio.The results show that the growth temperature is in the range of 385℃and 395℃,theⅤ/Ⅲbeam ratio is from 5.7∶1 to 8.7∶1.RHEED situ observations to the GaAs layer(4×2),GaSb layer(1×3)and InAs layer (1×2)show clarity reconstructed diffraction fringes,the quality of superlattice structure is better,and with increasing temperature,the carrier concentration and mobility of the material are increased.

InAs/GaInSb;superlattice film;molecular beam epitaxy

O484.4

:ADOI:10.3788/fgxb20153611.1252

1000-7032(2015)11-1252-06

2015-07-13;

:2015-09-18