李 震,高 達(dá),王 叢,胡雨農(nóng)

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

Si基HgCdTe薄膜材料目前正在向著更大面積以及高晶體質(zhì)量的方向發(fā)展[1]。分子束外延(MBE)Si基CdTe復(fù)合襯底材料表面粗糙度(Ra)和半峰寬(FWHM)對HgCdTe最終材料質(zhì)量影響較大。為了降低Si與HgCdTe之間達(dá)到19.3 %的晶格失配,必須在Si與HgCdTe之間生長一層CdTe緩沖層[1-3]。據(jù)報(bào)道,在Si與CdTe之間,外延一層ZnTe緩沖層,可以保證CdTe層晶向不發(fā)生偏轉(zhuǎn),降低材料密度,促進(jìn)二維生長,并減少缺陷的產(chǎn)生。因?yàn)閆nTe與CdTe的晶格結(jié)構(gòu)相同,晶格尺寸介于Si與CdTe之間,減小了Si與CdTe之間的晶格失配,有效的抑制了孿晶早期的生長,保持了ZnTe/Si的晶格取向一致。此外ZnTe還具有阻擋位錯(cuò),防止位錯(cuò)延伸到CdTe外延層中的作用[4]。

日本東京NTT電氣通迅研究所Horikoshi等人為了在較低的溫度下生長高質(zhì)量的外延片,開發(fā)了MEE技術(shù)。MEE的原理為金屬原子分別依次地由源射向襯底,保證吸附原子在生長表面上的快速遷移[5]。增強(qiáng)表面吸附原子遷移的關(guān)鍵是當(dāng)金屬原子射向襯底時(shí)其他的源擋板是關(guān)閉的,這樣就可以周期地形成穩(wěn)定的金屬表面。這種技術(shù)最先用于生長AlGaAs-GaAs單量子阱結(jié)構(gòu),之后被應(yīng)用在Si基HgCdTe材料生長中。

采用MEE技術(shù)生長ZnTe緩沖層,根據(jù)其材料體系,這種工藝有利于促進(jìn)二維層狀生長、降低缺陷的產(chǎn)生和伴隨3D島狀生長的增殖[5]。Si基襯底在高溫脫氧后向生長ZnTe溫度降溫過程中,需要向Si的表面噴一層As以飽和Si表面的懸掛鍵,形成As-Si單原子鈍化層,保證層狀生長,如圖1所示[4,6]。As鈍化后使用MEE生長ZnTe緩沖層,最后通過分子束外延在不同溫度生長多層CdTe薄膜來過濾失配位錯(cuò),獲得高質(zhì)量的CdTe復(fù)合襯底[7]。MEE外延ZnTe緩沖層的厚度控制在60個(gè)Zn和Te交替層。在外延ZnTe過程中,由于生長溫度和Zn和Te束流值等原因會(huì)造成材料質(zhì)量下降。束流值過小會(huì)造成每單層原子遷移不均勻,無法鋪滿整個(gè)Si片,產(chǎn)生空位；束流值過大導(dǎo)致表面迅速鋪滿,無空位,固定的生長時(shí)間內(nèi)多原子聚集后形成島狀缺陷,增加材料表面粗糙度。

圖1 Si表面生長ZnTe緩沖層的晶向控制技術(shù)Fig.1 Crystal orientation control technology of ZnTe buffer layer grown on Si surface

Lovergine等人[8]的研究表明,通過優(yōu)化襯底溫度、源束流值大小等生長參數(shù),可以生長表面形貌平坦的ZnTe外延層。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ),我們推測MEE過程中影響材料質(zhì)量的重要的因素為MEE生長溫度和Zn/Te比。其中Zn/Te比為保持Te束流值不變,只調(diào)整Zn束流值的大小來改變數(shù)值比；MEE生長溫度選取間隔20 ℃的溫度生長,使實(shí)驗(yàn)覆蓋更大的溫度區(qū)間,結(jié)果更具有代表性。本文針對這兩個(gè)因素設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,通過實(shí)驗(yàn)了解MEE生長溫度和Zn/Te比對復(fù)合襯底質(zhì)量的影響,根據(jù)測試結(jié)果分析如何提高材料質(zhì)量。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所使用的MBE外延系統(tǒng),在超高真空腔體內(nèi)配備了高純度的固態(tài)CdTe、Zn和Te源。使用反射式高能電子衍射儀(RHEED)實(shí)時(shí)監(jiān)測衍射條紋變化情況來確定外延薄膜的生長質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)用雙面拋定制Si(211)片。Si片在實(shí)驗(yàn)前采用改進(jìn)的RCA濕化學(xué)清洗工藝進(jìn)行清洗,減少表面微粒,去除表面的自然氧化層,并用HF進(jìn)行鈍化后在Si片表面形成一層H鈍化層。H鈍化層需在高溫環(huán)境下才能完全脫附。生長流程如下:襯底在高溫去除H鈍化層,As鈍化后,生長一薄ZnTe層,隨后再生長CdTe層,在CdTe的生長過程中,采用周期退火提升外延膜材料質(zhì)量。

3 結(jié)果與分析

下列測試結(jié)果圖中測試結(jié)果較差的數(shù)值用方塊(■)表示,測試結(jié)果最優(yōu)的一個(gè)用圓形(●)表示。材料的FWHM與薄膜厚度有一定相關(guān)性。如圖2所示[3],CdTe厚度越厚對FWHM的影響越小,而厚度過低則會(huì)導(dǎo)致FWHM過大。因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該保證在CdTe厚度相同的情況下進(jìn)行比較,但是由于復(fù)合襯底的外延工藝周期特別長,想要精確得到同樣厚度的材料幾乎沒有可能[9],所以本系列實(shí)驗(yàn)我們選取的外延片厚度都保持在一定范圍內(nèi)。MEE生長溫度、Zn/Te比等生長條件同時(shí)影響著襯底的Ra和FWHM,因此實(shí)驗(yàn)時(shí)另外一個(gè)生長條件保持不變,之后從測試結(jié)果選取相對的最優(yōu)值。

圖2 CdTe(211)/Si樣品FWHM與外延層厚度的關(guān)系Fig.2 The relationship between the FWHM of the CdTe(211)/Si sample and the thickness of the epitaxial layer

圖3 Zn/Te比實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果Fig.3 Test results of Zn/Te ratio experiment

圖4 MEE生長溫度測試結(jié)果Fig.4 MEE growth temperature test results

為了補(bǔ)充驗(yàn)證束流值對材料質(zhì)量的影響,增加了一組調(diào)整Zn源與Te源束流值大小的實(shí)驗(yàn)。按照上述最優(yōu)比值同時(shí)調(diào)整Zn和Te束流值大小進(jìn)行第三組實(shí)驗(yàn)。

Zn值對比的Ra與FWHM關(guān)系如圖5所示,從測試結(jié)果可以得出:總體來看,這一系列實(shí)驗(yàn)因?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)不足得出的結(jié)果毫無規(guī)律,不能驗(yàn)證改變束流強(qiáng)度值是否會(huì)影響材料表面質(zhì)量。但是從另一個(gè)角度看,這一實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Zn/Te比值是影響材料質(zhì)量的其中一個(gè)因素,后續(xù)可以對這一方向進(jìn)行更深的研究。

圖5 Zn與Te束流強(qiáng)度值測試結(jié)果Fig.5 Zn and Te beam intensity test results

從以上三組外延實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看,雖然樣本較少,但是對影響MEE過程中材料質(zhì)量的兩個(gè)個(gè)因素得到了驗(yàn)證,綜合對半峰寬和表面粗糙度兩個(gè)目標(biāo)值的分析,通過測試結(jié)果對比,兼容兩者的最優(yōu)值,該系列實(shí)驗(yàn)最優(yōu)的外延工藝參數(shù),如表1所示。

表1 最優(yōu)生長參數(shù)Tab.1 Optimal growth parameters

根據(jù)表1 的最優(yōu)生長參數(shù)生長了只有一薄層CdTe材料的實(shí)驗(yàn)片。外延過程同上,CdTe層設(shè)計(jì)厚度50 nm。粗糙度測試結(jié)果使用更為精細(xì)的原子力顯微鏡(AFM)進(jìn)行測試,測試區(qū)域50 μm×50 μm,Ra為0.53 nm。圖6為AFM測試結(jié)果圖,可以看到表面較為平整,粗糙度很低,證明上述得出的最優(yōu)生長參數(shù)是可以提高材料質(zhì)量的。

圖6 AFM測試結(jié)果Fig.6 AFM test results

4 結(jié) 論

對MEE過程中涉及到的影響材料質(zhì)量的MEE生長溫度和Zn/Te比進(jìn)行研究,補(bǔ)充進(jìn)行不同大小束流值實(shí)驗(yàn),并對得出的生長參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,尋找到MEE生長參數(shù)對復(fù)合襯底材料質(zhì)量的影響因素,優(yōu)化了工藝參數(shù)。將來如果需要進(jìn)一步提高材料質(zhì)量,應(yīng)該使用更加先進(jìn)的生長方法,深入尋找影響材料質(zhì)量的因素,這將在其他的文章中進(jìn)行討論。