劉 銘,邢偉榮,尚林濤,周 朋,程 鵬

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

·紅外材料與器件·

InSb分子束外延原位摻雜技術(shù)研究

劉 銘,邢偉榮,尚林濤,周 朋,程 鵬

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

對(duì)InSb分子束外延薄膜的本征摻雜、N型摻雜以及P型摻雜進(jìn)行了研究,其中分別以Be作P 型以及以Si、Te作N 型的摻雜劑。實(shí)驗(yàn)采用半絕緣的GaAs襯底作為InSb分子束外延用襯底,通過(guò)采用低溫生長(zhǎng)緩沖層技術(shù)降低大失配應(yīng)力,獲得高質(zhì)量InSb外延膜。實(shí)驗(yàn)樣品采用霍爾測(cè)試以及SIMS測(cè)試摻雜濃度和遷移率分析摻雜規(guī)律、摻雜元素偏聚和激活規(guī)律的影響因素。

分子束外延；N型摻雜；P型摻雜；本征摻雜

1 引 言

InSb材料由于其優(yōu)異的光電性能,是制備中波紅外探測(cè)器首選材料之一。傳統(tǒng)的InSb紅外探測(cè)器采用體晶材料n型InSb材料,通過(guò)離子注入或擴(kuò)散的方法形成p+-n結(jié),然后通過(guò)常規(guī)的探測(cè)器芯片制作成芯片,為了抑制G-R(產(chǎn)生-復(fù)合)復(fù)合暗電流,高性能InSb探測(cè)器要求制冷溫度比較低(低于80K),對(duì)制冷機(jī)要求比較高,除此,這種結(jié)構(gòu)由于載流子橫向擴(kuò)散的影響,往往會(huì)造成光學(xué)信號(hào)在不同像元間的串?dāng)_,影響其成像效果。

隨著軍事應(yīng)用的需求,提高InSb紅外探測(cè)器的工作溫度成為未來(lái)InSb紅外探測(cè)器發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。國(guó)外已經(jīng)發(fā)展的多種結(jié)構(gòu)的MBE外延型InSb探測(cè)器,基本器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 (p+-i-n+結(jié)構(gòu)材料),SCD報(bào)道了他們制備的分子束外延InSb材料制備的器件的100 K的性能相當(dāng)于體晶80 K性能[1-4]。

因此開(kāi)發(fā)InSb分子束外延技術(shù),是制備高溫工作紅外探測(cè)器的非常理想的選擇之一。本文主要報(bào)道單位在InSb分子束外延薄膜原位摻雜的研究成果,由于InSb襯底是高摻,采用Hall測(cè)試方法測(cè)試將受襯底的影響而無(wú)法真實(shí)表征外延膜的摻雜情況,因此本文采用半絕緣的2 in GaAs晶圓作為外延InSb薄膜的襯底,通過(guò)Hall測(cè)試等方法來(lái)研究本征摻雜、N型和P型摻雜,達(dá)到提高摻雜工藝水平,為制備p+-i-n+結(jié)構(gòu)外延型InSb材料奠定基礎(chǔ)。

圖1 pin結(jié)構(gòu)InSb外延材料結(jié)構(gòu)示意圖

2 實(shí) 驗(yàn)

InSb薄膜分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)研究使用的是商業(yè)采購(gòu)的2 in SI-GaAs(001)襯底。設(shè)備是DCA P600 MBE系統(tǒng),襯底采用無(wú)銦粘接的方式固定,通過(guò)In、Sn、PbAg標(biāo)定襯底溫度與襯底加熱器熱偶讀數(shù)之間的關(guān)系,經(jīng)標(biāo)定襯底加熱器上熱偶溫度比實(shí)際溫度高50 ℃左右[5]。

InSb薄膜分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)的工藝流程如下:epi-ready GaAs襯底裝入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)GaAs襯底進(jìn)行升溫至680 ℃去除氧化層；然后降溫至生長(zhǎng)溫度670 ℃進(jìn)行GaAs緩沖層生長(zhǎng),生長(zhǎng)速率采用RHEED(高能電子衍射)圖像強(qiáng)度震蕩法來(lái)測(cè)試,生長(zhǎng)速率采用0.8 ML/s(原子層/s)；隨后降溫至380 ℃,開(kāi)Sb束流進(jìn)行As/Sb互換,低溫生長(zhǎng)一層InSb薄膜；升溫至460 ℃進(jìn)行退火；降溫至430 ℃左右進(jìn)行生長(zhǎng)常規(guī)InSb薄膜1～2 μm；生長(zhǎng)的V/III束流比設(shè)置為7左右,整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程采用RHEED進(jìn)行監(jiān)控。在最后生長(zhǎng)的InSb薄膜上進(jìn)行相應(yīng)的N型、P型摻雜以及非故意摻雜實(shí)驗(yàn),并對(duì)材料進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試分析[6]。

InSb分子束外延膜的電學(xué)性能采用Hall測(cè)試,測(cè)試條件磁場(chǎng)5000 G,電流1 mA,測(cè)試溫度77 K；摻雜界面擴(kuò)散情況采用SIMS測(cè)試；晶體質(zhì)量采用在線MBE 20 keV RHEED、X射線高分辨衍射儀(XRD)分析測(cè)試；采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)外延膜表面狀態(tài)進(jìn)行觀察。

3 結(jié)果及其分析

3.1 非故意摻雜

p-i-n結(jié)構(gòu)中i層是本征非故意摻雜層,i層作為吸收層電學(xué)性能?chē)?yán)重影響器件性能。InSb的電學(xué)性能由空穴與電子共同決定。影響非故意摻雜的濃度和類(lèi)型主要受生長(zhǎng)系統(tǒng)的純度以及外延條件中V/III束流比、生長(zhǎng)速率等。

為了研究非故意摻雜,實(shí)驗(yàn)采用如下設(shè)置:實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)改變V/III束流比以及生長(zhǎng)溫度等生長(zhǎng)條件來(lái)獲得不同非故意摻雜的InSb薄膜,通過(guò)分別測(cè)試Hall濃度以及遷移率。下面選取兩個(gè)不同實(shí)驗(yàn)條件以及其測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同非故意摻雜條及其測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)優(yōu)化后外延條件的GaAs基InSb薄膜可以較低n型本征濃度的外延膜；實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道值接近,但是濃度略有偏高以及遷移率略有偏低,造成的原因可能是大失配異質(zhì)外延膜界面處包含的大量的含有非飽和鍵位錯(cuò)起了施主的作用,使得材料載流子濃度偏高,而且載流子濃度偏高,受到散射的幾率增大,電子遷移率下降。因此采用GaAs作為襯底來(lái)研究InSb的本征濃度可能會(huì)帶來(lái)一些失真,今后研究的重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)新的測(cè)試方法,例如電容-電壓(C-V)以及變溫Hall等方式直接測(cè)試高摻襯底外延膜的電學(xué)性能。

3.2 n型摻雜

InSb分子束外延材料的n型摻雜劑一般選用Si,Te等；Si作為III-V族材料常見(jiàn)的摻雜劑,對(duì)Si元素而言,若Si原子取代III族In原子則起施主雜質(zhì)的作用,若取代V族Sb原子則起受主作用,因此在摻雜過(guò)程中體現(xiàn)兩性。具體摻雜情況跟生長(zhǎng)溫度有很大的關(guān)系,文獻(xiàn)[7]、[8]報(bào)道了高溫生長(zhǎng)Si的摻雜激活非常低,而當(dāng)襯底溫度降低,Si的摻雜激活急劇上升,當(dāng)襯底為300 ℃時(shí),硅摻雜水平達(dá)到8×1018cm-3。而溫度上升至460 ℃以上,Si變成了P型摻雜劑。

為了研究n型摻雜,實(shí)驗(yàn)采用如下設(shè)置:生長(zhǎng)溫度采用優(yōu)化后的430 ℃,V/III束流比采用7,在此生長(zhǎng)溫度條件下通過(guò)進(jìn)行不同Si摻雜溫度的摻雜實(shí)驗(yàn),以及不同Te摻雜溫度的摻雜實(shí)驗(yàn),并對(duì)摻雜后的外延膜分別測(cè)試Hall。實(shí)驗(yàn)條件和測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 不同n型摻雜條件測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明隨Si摻雜源溫度的提高摻雜濃度增加,遷移率降低,但摻雜濃度增加至1×1018cm-3左右后變化不大,但遷移率一直下降。因此要獲得更高的摻雜濃度,必須降低生長(zhǎng)溫度或者更換n型摻雜劑。由于初期實(shí)驗(yàn)降低生長(zhǎng)溫度會(huì)降低外延膜晶體質(zhì)量,因此采用更換Te作為n型摻雜劑進(jìn)行摻雜,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Te摻雜可以獲得更高的摻雜濃度,但是同樣摻雜濃度下Te摻雜的遷移率更高,這可能由于Si摻雜源溫度較高引入的雜質(zhì)造成的。因此早期高溫工作InSb外延生長(zhǎng)考慮通過(guò)Te摻雜來(lái)獲得高n型摻雜濃度。

3.3 P型摻雜

Be作為III-V族分子束外延材料的常見(jiàn)p型摻雜劑,一般取代III族原子呈現(xiàn)受主作用,在GaAs和InAs外延中有著廣泛的應(yīng)用,摻雜濃度極限可以達(dá)到1019量級(jí),激活率高(優(yōu)化條件下接近100%)并且摻雜濃度可精確控制[9-10]。

為了研究Be摻雜的特性,實(shí)驗(yàn)采用如下設(shè)置:實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別研究了不同Be源溫度摻雜規(guī)律以及Be摻雜元素偏聚、分凝特性。

其中研究不同Be源溫度摻雜規(guī)律的實(shí)驗(yàn)條件采用生長(zhǎng)溫度430 ℃,V/III束流比采用7,在此生長(zhǎng)條件下通過(guò)進(jìn)行不同Be摻雜溫度的摻雜實(shí)驗(yàn)并對(duì)摻雜后的外延膜分別測(cè)試Hall,測(cè)試結(jié)果如表3所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)高p型摻雜濃度,隨著B(niǎo)e源溫度增加,摻雜濃度升高；遷移率偏低而且隨摻雜溫度變化趨勢(shì)不是很明顯,這可能是采用用GaAs作為襯底,大的晶格失配導(dǎo)致外延膜層里面存在高的位錯(cuò)密度和缺陷,雜質(zhì)和缺陷的散射作用導(dǎo)致遷移率降低。

表3 不同p型摻雜條件測(cè)試結(jié)果

為了研究不同Be源溫度摻雜規(guī)律以及Be摻雜元素偏聚、分凝特性時(shí),實(shí)驗(yàn)選用了兩個(gè)外延片(InSb基同質(zhì)外延InSb,消除異質(zhì)外延的影響)進(jìn)行多層膜外延,其他生長(zhǎng)條件均是優(yōu)化后的,外延中僅改變生長(zhǎng)溫度分別設(shè)置為400 ℃和430 ℃；每片試驗(yàn)片分別生長(zhǎng)四層摻雜層,Be源溫度分別設(shè)置750 ℃,800 ℃、850 ℃、900 ℃生長(zhǎng)的,每層厚度100nm左右；并對(duì)不同摻雜后的外延膜分別測(cè)試SIMS,測(cè)試結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 430 ℃摻雜外延膜SIMS測(cè)試

圖3 400 ℃摻雜外延膜SIMS測(cè)試

從圖2和圖3,四層材料的界面分布較為明顯,表面沒(méi)有顯著的偏聚的現(xiàn)象；但是生長(zhǎng)溫度為430 ℃的樣品,第三層和第四層以及第四層和緩沖層之間的界面稍有擴(kuò)散,界面比較模糊。因此驗(yàn)證了減低生長(zhǎng)溫度可以消除表面和界面偏聚以及分凝效應(yīng)。后續(xù)將會(huì)采用進(jìn)一步優(yōu)化生長(zhǎng)條件,降低Be摻雜元素的偏聚現(xiàn)象。

4 結(jié)論及其工作展望

通過(guò)前期的研究,已經(jīng)可以獲得低本征濃度的非故意摻雜InSb材料,n型和p型材料摻雜濃度從低摻雜low-1017-5×1018cm-3范圍精確可控,為高溫工作InSb完整材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和生長(zhǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

但是采用GaAs基InSb進(jìn)行本征濃度的研究受大失配異質(zhì)外延缺陷的影響,測(cè)試結(jié)果與InSb同質(zhì)外延實(shí)際值有一定的偏差,因此后續(xù)還需要開(kāi)發(fā)高摻襯底上的外延膜的電學(xué)性能的測(cè)試方法,例如C-V以及變溫Hall等方法,提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度；再則采用Te進(jìn)行n型摻雜,受Te分壓較高的影響,調(diào)整濃度的比較困難的缺點(diǎn),實(shí)驗(yàn)還需進(jìn)一步優(yōu)化,例如開(kāi)發(fā)如何提高Si原子的激活率的工藝,進(jìn)一步降低生長(zhǎng)溫度外延工藝開(kāi)發(fā)或者采用一種分壓較小的摻雜劑,如In2Te3等；最后進(jìn)一步提高外延膜晶體質(zhì)量是保證高質(zhì)量摻雜的保證。

致 謝:對(duì)實(shí)驗(yàn)室同事強(qiáng)宇、王彬、折偉林、許秀娟等人的相關(guān)測(cè)試工作表示由衷的感謝。

[1] O Nesher,P C Klipstein.High performance IR detectors at SCD present and future[J].Opto-Electronics Review,2006,14(1)：61-70.

[2] Tim Ashley.Higher operating temperature,high performance infrared focal plane arrays[J].SPIE,2004,5359:89-100.

[3] O Klin.Molecular beam epitaxy grown In1-xAlxSb/InSb structures for infrared detectors.J.Vac.Sci.Technol.B,2006,24(3):1607-1615.

[4] Alex Glozman.High performance InAlSb MWIR detectors operating at 100K and beyond[J].SPIE,2006,6206:62060M-1-62060M-9.

[5] ZHOU Liqing,LIU Ming,GONG Feng,et al.Study on MBE CdTe layer on 3inch silicon substrate[J].Laser & Infrared,2011,41(5):537-541.(in Chinese) 周立慶,劉銘,鞏鋒,等.3in CdTe/Si復(fù)合襯底外延技術(shù)研究[J].激光與紅外,2011,41(5):537-541.

[6] LIU Ming,CHEN Peng,et al.The research of InSb film growth by molecular beam epitaxy[J].Laser & Infrared,2013,43(11):1256-1259.(in Chinese) 劉銘,程鵬,等.InSb薄膜分子束外延技術(shù)研究[J].激光與紅外,2013,43(11):1256-1259.

[7] R Tessler.Oxide-free InSb(100)surfaces by molecular hydrogen cleaning[J].Applied Physics Letters,88:031918,2006.

[8] Andrew D Johnson.High-performance InSb/In1-xAlxSb focal plane detector arrays grown by MBE[J].SPIE,1999,3629.288-297.

[9] LI Zhanguo,LIU Guojun,et al.Studying of buffer effect on quality of InSb on GaAs substrate[J].Luminescence,2007,28(4):546-549.(in Chinese) 李占國(guó),劉國(guó)軍,等.緩沖層對(duì)InSb/GaAs薄膜質(zhì)量的影響[J].發(fā)光學(xué)報(bào),2007,28(4):546-549.

[10]SONG Fuyin,et al.Controlled p and n-type doping of homo-and heterepitaxially grown InSb[J].Infrared and laser technology,1994,5:50-55.(in Chinese) 宋福英,等.同質(zhì)及異質(zhì)外延生長(zhǎng)InSb中可控的p型和n型摻雜[J].紅外與激光技術(shù),1994,5:50-55.

In-situ doping technology research of InSb film growth by molecular beam epitaxy

LIU Ming,XING Wei-rong,SHANG Lin-tao,ZHOU Peng,CHEN Peng

(North China Research Institute of Electro-optics,Beijing 100015,China)

In this paper,the intrinsic doping,n-type doping and p-type doping technology of the InSb film growth by molecular beam epitaxy are studied.Be is used as the p-type doping element and Te,Si are used as the n-type doping element.Semi insulating GaAs is used as the substrate of InSb layer growth by molecular beam epitaxy.Buffer layer growth under low temperature can reduce the large mismatch stress,and high quality InSb films can be obtained.The doped concentration and migration rate of the experimental samples were measured by Hall and SIMS,and the influence factors of doping rules,doping element segregation and activate rules are analyzed.

molecular beam epitaxy;n-type doping;p-type doping;intrinsic doping

劉 銘(1985-)，男，碩士，工程師，從事紅外探測(cè)器材料設(shè)計(jì)以及分子束外延工藝研究。E-mail:kaka_851001@163.com

2014-09-24;

2015-05-01

1001-5078(2015)07-0817-04

TN215

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.018