折偉林,趙 超,董 濤,王成剛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

銻化銦(InSb)材料是一種閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料,因其不但具有極高的電子遷移率和極小的電子質(zhì)量等特殊性質(zhì),而且在77 K下有著0.23 eV的禁帶寬度,從而被廣泛應(yīng)用于(3～5 μm)中波紅外探測(cè)以及霍爾元件等部件。這些部件又被應(yīng)用于天文觀測(cè)、制導(dǎo)、氣體探測(cè)等軍事以及民用領(lǐng)域(如圖1所示)。該材料現(xiàn)仍為應(yīng)用最廣泛的中波紅外探測(cè)材料[1]。

圖1 InSb材料在紅外探測(cè)領(lǐng)域方面的應(yīng)用

隨著紅外探測(cè)器向著更小尺寸、更低重量、更低功耗、更低價(jià)格、更高質(zhì)量的SWaP3方向發(fā)展,其要求更為標(biāo)準(zhǔn)化、質(zhì)量更高、尺寸更大的InSb材料。本文首先介紹了國(guó)內(nèi)外InSb紅外焦平面探測(cè)器對(duì)材料的需求現(xiàn)狀,然后并介紹了國(guó)內(nèi)外InSb材料的研究進(jìn)展,特別介紹了中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中國(guó)電科11所)在InSb單晶材料方面的最新成果,最后提出未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

2 InSb探測(cè)器發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)材料的需求

近幾十年InSb紅外探測(cè)器由單元、多元、線(xiàn)列向著焦平面陣列(Focal Plane Array,FPA)探測(cè)器發(fā)展,現(xiàn)在已經(jīng)能夠批量化生產(chǎn)較小規(guī)模焦平面探測(cè)器,并研發(fā)出超大規(guī)模探測(cè)器件。例如以色列SCD公司的型號(hào)為HERCULES、Blackbird等InSb探測(cè)器均可批量化生產(chǎn)[2]。美國(guó)L3 Harris公司已可批量生產(chǎn)1024×1024(25 μm)探測(cè)器,同時(shí)研制出4096×4096(15 μm),8 k×8 k等大面陣InSb紅外探測(cè)器[3]。美國(guó)Raytheon公司研制出型號(hào)為ALLADIN的1024×1024(27 μm)以及型號(hào)為ORION以及Phoenix的2 k×2 k(25 μm),同時(shí)還完成了4 k×4 k拼接InSb探測(cè)器的研制,如圖2所示[4-7]。美國(guó)Teledyne FLIR公司可批量生產(chǎn)多個(gè)像元間距的640×512 InSb紅外焦平面探測(cè)器,并研制出2048×2048等規(guī)格的超大面陣InSb紅外探測(cè)器等等。國(guó)內(nèi)包括中航凱邁(上海)紅外科技有限公司以及中國(guó)電科11所均研制出1280×1024 InSb紅外焦平面探測(cè)器[8],同時(shí)較小面陣規(guī)格的InSb探測(cè)器也已大規(guī)模量產(chǎn)。

圖2 美國(guó)Retheon公司的1 k×1 k、2 k×2 k、4 k拼接InSb探測(cè)器圖

隨著國(guó)內(nèi)外較小規(guī)格探測(cè)器的大規(guī)模量產(chǎn)和超大規(guī)模InSb探測(cè)器的研制成功,其對(duì)標(biāo)準(zhǔn)InSb晶片以及大尺寸InSb晶片的需求越來(lái)越急迫。晶片的標(biāo)準(zhǔn)化,使得工藝線(xiàn)能夠使用Si、GaAs等成熟半導(dǎo)體的材料加工設(shè)備以及器件流片工藝設(shè)備進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),從而能夠提高效率,降低成本。同時(shí)因?yàn)镾i、GaAs工藝設(shè)備的成熟化程度高,制備出的材料、器件質(zhì)量也能隨之提升。晶片質(zhì)量方面例如影響探測(cè)器性能的位錯(cuò)密度、載流子濃度、總厚度變化(Total Thickness Variation,TTV)等晶片關(guān)鍵指標(biāo)的優(yōu)劣以及一致性會(huì)很大程度上影響到生產(chǎn)出的探測(cè)器合格率以及一致性。材料尺寸的提升,能夠使得單片材料產(chǎn)出的芯片數(shù)量增加,成本降低,同時(shí)能夠滿(mǎn)足超大規(guī)模探測(cè)器研制的需求。

3 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

3.1 國(guó)外研究進(jìn)展

現(xiàn)國(guó)外的主流InSb材料生產(chǎn)商有加拿大5N Plus、英國(guó)IQE、俄羅斯的Giredmet JSC、比利時(shí)的Azelis等公司,各公司在InSb材料方面的研究進(jìn)展如下。

3.1.1 加拿大5N Plus集團(tuán)

5N Plus公司成立于2000年,后來(lái)收購(gòu)了Firebird公司。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,該公司已經(jīng)能夠批量生產(chǎn)2～5 in InSb材料,并在2016年成功研制出6 in InSb晶體材料。近些年5N Plus集團(tuán)在InSb材料方面的研究主要為針對(duì)低位錯(cuò)密度和高電學(xué)均勻性這兩個(gè)對(duì)于FPA性能影響最大的參數(shù)進(jìn)行工藝優(yōu)化,同時(shí)改變了晶體生長(zhǎng)的方向,由常用的晶向(n>1)轉(zhuǎn)變?yōu)?111>晶向,很大程度上提高了單根晶體的出片數(shù)和出片總面積,如圖3(a) 典型的偏離對(duì)稱(chēng)軸生長(zhǎng)的InSb晶體,將{111}平面置于一側(cè)。圖3(b)從圖1c中所示的大尺寸沿對(duì)稱(chēng)軸方向生長(zhǎng){111}InSb晶體切割的直徑為6英寸的晶片。圖3(c)采用沿對(duì)稱(chēng)軸方向生長(zhǎng)的直徑為6英寸的InSb晶體。圖4所示。同時(shí)該團(tuán)隊(duì)為了克服<111>晶向生長(zhǎng)晶體的位錯(cuò)增殖和因小平面效應(yīng)導(dǎo)致的電學(xué)參數(shù)不均勻等問(wèn)題,對(duì)晶體生長(zhǎng)工藝進(jìn)行了優(yōu)化,獲得了EPD<5 cm-2的6 in InSb晶體[9-10]。

圖3 5N Plus制造的晶體和晶片

圖4 >6″ InSb晶體的橫截面

3.1.2 英國(guó)IQE集團(tuán)

IQE集團(tuán)下屬的Wafertech以及Galaxy Compound公司均為研制生產(chǎn)InSb單晶材料的著名公司。近些年該公司在InSb材料研究方面主要集中在兩個(gè)方面,第一個(gè)方面是提升4″～5″產(chǎn)品的質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)化,使其生長(zhǎng)質(zhì)量和工藝控制達(dá)到了與GaAs和InP等大量制備半導(dǎo)體相一致的水平,如表1所示,5″晶體平均EPD<5 cm-2,5″晶片p-v平整度<5 μm的通過(guò)率提升至98 %[11];第二個(gè)方面是提升InSb材料的尺寸,主要是針對(duì)6″ InSb晶體的低位錯(cuò)生長(zhǎng)和Epi-ready晶片制備工藝進(jìn)行研究,獲得的6″ InSb晶體EPD<5 cm-2,6″晶片總厚度變化(Total Thickness Variation,TTV)達(dá)到<7 μm,表面粗糙度(RMS)測(cè)量值中除了邊緣第5點(diǎn)較大外,其他點(diǎn)均為<0.5nm,制備出的6 in InSb晶體橫截面如圖4所示[12]。

表1 5″ InSb與5″ GaSb、6″ GaAs、6″ InP的晶片參數(shù)對(duì)比

3.1.3 俄羅斯聯(lián)邦國(guó)家稀有金屬工業(yè)研究與發(fā)展機(jī)構(gòu)

俄羅斯聯(lián)邦國(guó)家稀有金屬工業(yè)研究與發(fā)展機(jī)構(gòu)(Giredmet JSC)在2021年研發(fā)出<100>晶向4 in InSb晶體同時(shí)對(duì)該晶體進(jìn)行了位錯(cuò)密度(EPD)以及電學(xué)參數(shù)的表征,如圖5所示。該晶體位錯(cuò)密度達(dá)到≤100 cm-2,導(dǎo)電類(lèi)型為N型,載流子濃度為(1.6～8.1)×1014cm-3,載流子遷移率為(3.0～5.4)×105cm2/(V·s)[13]。

圖5 俄羅斯Giredmet JSC 4英寸<100>晶向InSb晶體

3.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)從事大尺寸InSb晶體材料研究的主要有中國(guó)電科11所、云南昆物新躍光電科技有限公司等。各研究機(jī)構(gòu)及公司在InSb材料方面的研制進(jìn)展如下所示。

3.2.1 云南昆物新躍光電科技有限公司

云南昆物新躍光電科技有限公司隸屬于夜視科技集團(tuán),夜視科技集團(tuán)是由昆明物理研究所等三家單位重組成立。該公司在2007年公開(kāi)報(bào)道了其研制的60 mm直徑<111>晶向InSb晶片材料以及46 mm直徑<211>晶向InSb晶片材料[14],如圖6所示。在2022年該公司通過(guò)優(yōu)化原材料提純工藝,優(yōu)化晶體生長(zhǎng)溫場(chǎng)設(shè)計(jì)等措施,成功研制出位錯(cuò)密度≤80 cm-2的4 in InSb晶體材料,如圖7所示,但是尚未有4 in InSb晶片材料的報(bào)道[15]。

圖6 云南昆物新躍光電科技有限公司46 mm、60 mm InSb材料

圖7 云南昆物新躍光電科技有限公司4 in InSb晶體

3.2.2 中國(guó)電科11所研究進(jìn)展

中國(guó)電科11所隸屬于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司,從1966年開(kāi)始進(jìn)行InSb晶體材料的研制,至今已經(jīng)積累了豐富的生產(chǎn)科研經(jīng)驗(yàn)。中國(guó)電科11所在2009年研制成功3 in InSb晶體材料[16-18],2018年研制成功4 in InSb晶片材料并實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)[19-21],2020年進(jìn)一步提升了4 in InSb晶片材料的質(zhì)量,2021年研制出5 in InSb晶片材料[22-23],至今中電科11所一直致力于InSb單晶材料的研究,在大尺寸、高質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化、工程化等方面獲得了顯著的成果,具體進(jìn)展如下。

3.2.2.1 尺寸控制

相對(duì)于小尺寸InSb晶體生長(zhǎng),大尺寸InSb晶體生長(zhǎng)所需的加熱功率變大,等徑長(zhǎng)度也明顯變長(zhǎng),其直徑的非線(xiàn)性、時(shí)變、大滯后現(xiàn)象更為嚴(yán)重。由于直徑變化信號(hào)對(duì)控制信號(hào)反應(yīng)的滯后以及非線(xiàn)性效應(yīng),晶體生長(zhǎng)時(shí)的溫場(chǎng)發(fā)生震蕩,導(dǎo)致晶體直徑出現(xiàn)起伏。中國(guó)電科11所通過(guò)優(yōu)化晶體直徑計(jì)算方法,實(shí)現(xiàn)晶體直徑的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量;通過(guò)優(yōu)化熱場(chǎng)結(jié)構(gòu),降低熱場(chǎng)的熱容量和熱慣性;通過(guò)在控制公式中增加溫場(chǎng)影響綜合因子來(lái)進(jìn)一步提高控制精準(zhǔn)度。最終獲得了2、3、4 in 的InSb晶體穩(wěn)定拉制,能夠批量生產(chǎn)2、3、4 in InSb拋光片產(chǎn)品,同時(shí)在2021年完成5 in InSb晶體的拉制,如圖8～11所示。

圖8 中國(guó)電科11所2～4英寸InSb標(biāo)準(zhǔn)化晶片照片

圖9 中國(guó)電科11所2 in InSb晶片批量產(chǎn)品

圖10 中國(guó)電科11所4 in InSb晶片批量產(chǎn)品

圖11 中國(guó)電科11所5 in InSb材料

3.2.2.2 電學(xué)參數(shù)均勻性控制

銻化銦晶體電學(xué)參數(shù)均勻性分為沿晶體生長(zhǎng)方向的軸向電學(xué)參數(shù)均勻性及垂直于晶體生長(zhǎng)方向的徑向電學(xué)參數(shù)均勻性。因常用的摻雜元素為元素碲(Te),Te在銻化銦單晶中的分凝系數(shù)<1,所以隨著晶體生長(zhǎng)長(zhǎng)度的增加,Te沿晶體軸向的分布有較大差異,導(dǎo)致晶體軸向電學(xué)參數(shù)不均勻。低溫生長(zhǎng)的銻化銦晶體其小平面效應(yīng)更為明顯,使得晶體生長(zhǎng)時(shí),小平面區(qū)域和非小平面區(qū)域的Te元素?fù)饺肓坎煌?導(dǎo)致晶體徑向電學(xué)參數(shù)不均勻。針對(duì)軸向摻雜不均勻問(wèn)題,調(diào)整了晶體全程的生長(zhǎng)速度以及轉(zhuǎn)速,通過(guò)控制Te元素的有效分凝系數(shù)來(lái)降低晶體軸向的Te元素不均勻性,從而提高了晶體軸向的電學(xué)參數(shù)均勻性。針對(duì)徑向摻雜不均勻問(wèn)題,通過(guò)穩(wěn)定控制晶體生長(zhǎng)固液界面,盡量控制小平面區(qū)域大小,從而提高了晶體徑向的電學(xué)參數(shù)均勻性。在液氮溫度下通過(guò)霍爾測(cè)試測(cè)得頭中尾載流子濃度分布范圍由之前的(8.5～10.5)×1014cm-3優(yōu)化至(9.5～10)×1014cm-3,大大縮小了載流子濃度分布范圍,如圖12所示。圖13中的片上載流子濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差由19.3%降低至3.1%。

圖12 InSb晶體頭中尾載流子濃度優(yōu)化前后圖

圖13 InSb晶片載流子濃度分布圖

3.2.2.3 位錯(cuò)缺陷控制

InSb材料導(dǎo)熱較差,在晶體生長(zhǎng)時(shí),晶體中心與邊緣溫差大,同時(shí)該材料臨界剪切應(yīng)力小,極易因熱應(yīng)力而導(dǎo)致位錯(cuò)缺陷增殖。這種情況會(huì)隨著晶體直徑的增加而更為嚴(yán)重。中國(guó)電科11所通過(guò)“零缺陷損傷”籽晶制備技術(shù),優(yōu)化熱場(chǎng)結(jié)構(gòu),獲得合適的軸向徑向溫度梯度,同時(shí)降低原材料中的顆粒沾污,最終降低了晶體的位錯(cuò)缺陷,位錯(cuò)密度由最早的≤100 cm-2,逐漸降低至≤50 cm-2,近期進(jìn)一步優(yōu)化至≤5 cm-2。晶體頭中尾位錯(cuò)極少且分布均勻,同時(shí)晶體間位錯(cuò)密度一致性較高,如圖14、15所示。

圖14 晶體頭中尾位錯(cuò)分布圖

圖15 晶體位錯(cuò)密度優(yōu)化前后對(duì)比

3.2.2.4 幾何、表面參數(shù)控制

InSb性質(zhì)軟脆,莫氏硬度僅為4左右,且表面性質(zhì)活潑,極易氧化,所以該材料加工難度較大。大尺寸的InSb晶片在研磨、拋光等加工過(guò)程中,由于面積的增加,加工速度直線(xiàn)下降,而且加工料在晶片的徑向分布上的差異會(huì)增大,會(huì)造成晶片不同位置的去除速率差異,從而使晶片的TTV、Warp等幾何參數(shù)變差。同時(shí)拋光工藝的不佳會(huì)導(dǎo)致晶片表面出現(xiàn)嚴(yán)重的劃痕、亮點(diǎn)、橘皮等缺陷。中國(guó)電科11所通過(guò)發(fā)明一種新的大尺寸InSb晶體切割、粘片方法,同時(shí)優(yōu)化研磨、拋光工藝均勻性,最終提高了晶片幾何、表面參數(shù)。使用無(wú)接觸晶片檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)InSb拋光晶片的幾何參數(shù)進(jìn)行檢測(cè),TTV分布范圍由之前的3～8 μm降低至2～5 μm,如圖16所示。使用原子力顯微鏡對(duì)2 in InSb拋光晶片表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量,表面粗糙度(Ra)分布范圍由之前的3～9 nm優(yōu)化為0.5～1 nm,如圖17所示。5 in InSb晶片TTV達(dá)到≤10 μm,表面粗糙度≤1nm。

圖16 優(yōu)化前后InSb晶片TTV分布圖

圖17 優(yōu)化前后InSb晶片表面粗糙度(Ra)分布圖

3.2.2.5 器件驗(yàn)證

多年來(lái)中國(guó)電科11所使用自制的InSb材料制備了單多元、線(xiàn)列、焦平面InSb器件,例如128×128、256×256、320×256、640×512、1280×1024等不同規(guī)格的InSb紅外焦平面探測(cè)器件,器件性能較為優(yōu)異。隨著晶片材料尺寸的增加,單片晶片上可產(chǎn)出的芯片數(shù)量成倍數(shù)增加,以320×256(30 μm)InSb焦平面探測(cè)芯片為例,2 in晶片上可產(chǎn)出12個(gè)芯片,而5 in晶片可產(chǎn)出111個(gè)芯片,單片晶片出芯率達(dá)到將近10倍,能夠有效支撐二代InSb焦平面組件的產(chǎn)能增加以及成本降低,如圖18所示。制備的128×128(50 μm)、320×256(30 μm) InSb紅外探測(cè)器信號(hào)響應(yīng)較優(yōu),盲元率低,如圖19所示。研制的1280×1024(25 μm)InSb焦平面探測(cè)器平均峰值探測(cè)器達(dá)到9.54×1011cm·Hz1/2·W-1,有效像元率達(dá)到99.69 %,芯片及成像如圖20所示[8]。

圖18 單片材料的出芯數(shù)量隨晶片尺寸的變化曲線(xiàn)

圖19 128×128(50 μm)、320×256(30 μm) InSb探測(cè)器信號(hào)響應(yīng)圖

圖20 中國(guó)電科11所研制出的1280×1024(25 μm) InSb紅外焦平面探測(cè)器芯片以及成像照片

4 總結(jié)及展望

本文介紹了InSb單晶材料的國(guó)內(nèi)外研制進(jìn)展情況,重點(diǎn)介紹了中電科11所的最新進(jìn)展。目前中國(guó)電科11所突破了晶體尺寸控制、位錯(cuò)缺陷控制、電學(xué)參數(shù)均勻性控制,幾何、表面參數(shù)控制等晶體生長(zhǎng)、晶片加工關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了2～4 in InSb晶片的批量化生產(chǎn),同時(shí)產(chǎn)品已經(jīng)完成一代向二代高質(zhì)量產(chǎn)品的迭代,材料位錯(cuò)密度達(dá)到≤5cm-2,TTV≤5 μm,軸向徑向電學(xué)參數(shù)分布更為均勻,在這些關(guān)鍵指標(biāo)方面與國(guó)外同尺寸產(chǎn)品水平相當(dāng)。在大尺寸InSb材料研制方面,中國(guó)電科11所已經(jīng)完成5 in InSb材料的研制。這都很好的支撐了一二代InSb紅外探測(cè)器生產(chǎn)的批量化、低成本化,同時(shí)支撐了三代大面陣、超大面陣InSb紅外焦平面探測(cè)器的研制。雖然國(guó)內(nèi)在近些年已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成績(jī),但是在材料尺寸、自動(dòng)化、批量化等方面與國(guó)外領(lǐng)先水平相比尚存在一定的差距,所以國(guó)內(nèi)各廠商需要在這些方面進(jìn)一步投入資金以及人才力量,盡快實(shí)現(xiàn)6 in 甚至更大尺寸InSb材料的研制同時(shí)進(jìn)一步提高工藝線(xiàn)自動(dòng)化改進(jìn)。