制備大面積組分均勻的In P/In0.81G a0.19A s/In P器件結(jié)構(gòu)材料

張鐵民，寧亞媛，繆國慶，符運良，傅 軍

（1.海南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，海南 ?？?571158；2.吉林女子學(xué)校，吉林 吉林 132108；3.中國科學(xué)院 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室，吉林 長春 130033）

制備大面積組分均勻的In P/In0.81G a0.19A s/In P器件結(jié)構(gòu)材料

張鐵民1，寧亞媛2，繆國慶3，符運良1，傅 軍1

（1.海南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，海南 海口 571158；2.吉林女子學(xué)校，吉林 吉林 132108；3.中國科學(xué)院 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室，吉林 長春 130033）

采用金屬有機化學(xué)氣相淀積（MOCVD）技術(shù)制備大面積組分均勻的高晶格失配InP/In0.81Ga0.19As/InP器件結(jié)構(gòu)材料.器件結(jié)構(gòu)為：在直徑為2英寸的S摻雜的InP襯底上采用兩步生長法生長厚度為2.8 μm的In0.81Ga0.19As層，作為紅外探測器的吸收層，然后再生長厚度為0.8 μm的InP覆蓋層.分析器件結(jié)構(gòu)材料的緩沖層的作用，研究所制備的大面積材料組分均勻性問題.為制作紅外探測器器件，以及研究紅外探測器器件性能，做好基礎(chǔ)工作.

銦鎵砷；金屬有機化學(xué)氣相沉積；紅外探測器

InGaAs材料及用該材料制作的光電探測器的優(yōu)點有[1]：1）InGaAs材料系列可使用的生長技術(shù)多樣化，且較先進，是一種比HgCdTe更容易生長的合金材料；2）具有高的靈敏度和探測率（D*）.InGaAs紅外探測器可取消探測器對致冷器的要求，減少了探測器的設(shè)計、制作尺寸和制作成本，提高探測器質(zhì)量，增加了可靠性[2].InGaAs紅外探測器由于材料穩(wěn)定性好，均勻性容易控制，材料制備技術(shù)較成熟，而且有高光吸收系數(shù)、高遷移率、低熱產(chǎn)生速率，可望在室溫工作等特點已引起人們廣泛注意.近年來，對光譜在1～3 μm的紅外探測器需求很大，特別是在空間圖像（包括地球觀測、遙感、環(huán)境監(jiān)視等）和紅外光譜方面的重要應(yīng)用[3].為了提高InGaAs紅外探測器的探測光譜范圍，需要制備出高In組分的InxGa1-xAs材料.然而，目前用于制備InxGa1-xAs材料的最佳襯底材料InP，只能與In0.53Ga0.47As晶格匹配，高In組分的材料In0.81Ga0.19As材料與襯底InP材料晶格失配度約為2%，如果不能消除晶格失配的影響，將導(dǎo)致材料質(zhì)量下降，嚴(yán)重影響器件的性能.采用兩步生法制備高In組分的InxGa1-xAs材料[4-7]，已被證明是非常有效的技術(shù)方法，可以制備出高質(zhì)量的高In組分的InxGa1-xAs材料.

本文采用低壓金屬有機化學(xué)氣相淀積（MOCVD）技術(shù)采用兩步生長法制備大面積組分均勻的高晶格失配InP/In0.81Ga0.19As/InP器件結(jié)構(gòu)材料，得到表面光亮平整、材料結(jié)構(gòu)層次清晰.分析緩沖層對器件結(jié)構(gòu)材料的作用，使用X射線衍射儀研究器件結(jié)構(gòu)材料的組分均勻性.

1 實驗部分

InP/In0.81Ga0.19As/InP器件結(jié)構(gòu)材料生長采用低壓MOCVD技術(shù)，水平式生長室，旋轉(zhuǎn)石墨轉(zhuǎn)盤，高頻感應(yīng)加熱，基座的溫度由熱電偶測量，生長過程中反應(yīng)室壓強為10000Pa.實驗采用直徑為2英寸的摻硫（100）InP襯底；三甲基銦（TMIn）和三甲基鎵（TMGa）作為Ⅲ族源；濃度為10%的砷烷（AsH3）和濃度為10%的磷烷（PH3）作為Ⅴ族源.經(jīng)過鈀管純化的氫氣作為載氣.首先在摻雜的InP襯底上，在450℃溫度下生長100 nm厚度的In0.81Ga0.19As緩沖層，再升高溫度到530℃生長厚度為2.8 μm的In0.81Ga0.19As外延層，緩沖層和外延層均作為結(jié)構(gòu)材料的吸收層，最后再生長厚度為0.8 μm的InP蓋層.用HITACHI S-4800掃描電子顯微鏡，測量樣品的截面，得到吸收層和覆蓋層的厚度；能量分散光譜（EDS）研究結(jié)構(gòu)及元素成分.使用D/max-RA型X射線衍射儀，分析樣品的組分均勻性.

2 結(jié)果與討論

2.1 制備大面積的InP/In0.81 Ga0.19 As/InP器件結(jié)構(gòu)材料

在直徑為2英寸的S摻雜InP襯底上，采用兩步生長法生長In0.81Ga0.19As作為結(jié)構(gòu)材料的吸收層.即：第一步，450℃溫度下生長100 nm厚度的In0.81Ga0.19As緩沖層；第二步，530℃生長厚度為2.8 μm的In0.81Ga0.19As外延層.兩步生長技術(shù)中，緩沖層生長條件的選擇是最重要的，是制備晶格失配材料最關(guān)鍵的技術(shù).我們在450℃溫度下生長100 nm厚度的In0.81Ga0.19As緩沖層，是經(jīng)過系列實驗研究的結(jié)果[3-7].分析緩沖層對材料性能的影響.首先，分析為什么要在450℃溫度下生長緩沖層？眾所周知，低溫生長化合物半導(dǎo)體材料，能夠限制化合反應(yīng)中原子在襯底的表面遷移，降低原子向某個襯底表面位置聚集能力，限制三維島狀模式生長.低溫生長有利于二維生長模式，在襯底表面生長出膜材料.但過低的生長溫度不利于金屬有機源熱解，使材料的生長時間過長.同時，過低的生長溫度，會使材料的結(jié)晶質(zhì)量下降，影響材料的性能.然而，過高的生長溫度，將會使原子獲得較大的遷移能量，使生長模式向三維島狀發(fā)展，最后材料表面粗糙，不利于器件制作.綜合考慮以上生長機制，緩沖層生長溫度被確定為450℃.其次，為什么緩沖層的In組分為0.81?即In0.81Ga0.19As.已知In0.53Ga0.47As的晶格常數(shù)與InP的晶格常數(shù)相同，也就是晶格匹配，這就是為什么能在InP襯底能夠制備出高質(zhì)量的In0.53Ga0.47As材料.但In0.53Ga0.47As作為緩沖層與外延層In0.81Ga0.19As有約2%的失配度，不利于后續(xù)外延層的生長.而In0.81Ga0.19As作為緩沖層，能有效地把晶格失配導(dǎo)致的位錯限制在緩沖層內(nèi)，不致于蔓延到外延層中.同時，緩沖層和外延層組分一致，都作為器件的吸收層.最后，為什么緩沖層的厚度選擇為100 nm左右?因為過薄的緩沖層不利于晶格失配導(dǎo)致的應(yīng)力釋放，而過厚的緩沖層將會使位錯曼延到外延層內(nèi)，降低材料的性能.適當(dāng)?shù)木彌_層厚度可使應(yīng)力釋放到緩沖層內(nèi)，確保外延層有最佳的質(zhì)量.圖1為探測器材料結(jié)構(gòu)表面的SEM照片，結(jié)構(gòu)材料表面平坦、光亮.圖2為探測器材料結(jié)構(gòu)橫截面的SEM照片，表明InGaAs材料結(jié)構(gòu)層次清晰.因此選擇最佳的緩沖層有助于制備出高質(zhì)量大面積的器件結(jié)構(gòu)材料.

把吸收層的厚度選擇為2.8 μm，是考慮到紅外光子探測器的探測率[8]與厚度的倒數(shù)成正比關(guān)系，要求薄的吸收層有較高的探測率.但是InGaAs材料的吸收系數(shù)[9]表明，需要較厚的吸收層才能有利于光生電子空穴對.綜合考慮兩方面的因素，In0.81Ga0.19As吸收層的厚度選擇2.8 μm.蓋層的選擇，InP的能帶隙Eg=1.344 eV，它的吸收截止波長λ=0.9μm，而In0.81Ga0.19As的吸收截止波長λ=2.6μm.所以這種結(jié)構(gòu)材料的光譜響應(yīng)范圍為0.9～2.6 μm.采用InP蓋層能夠鈍化In0.81Ga0.19As，從而減小表面的光生載流子復(fù)合，增加量子效率.InP作蓋層，如果設(shè)計InP厚度小于1 μm，波長為0.8 μm的光20%到30%可以穿透InP，被In0.81Ga0.19As探測到，擴大了探測的光譜范圍.

圖3所示為InP/In0.81Ga0.19As/InP器件材料結(jié)構(gòu)剖面的能量分散光譜，可以觀測到P、In、Ga和As四種元素在InP襯底、In0.81Ga0.19As吸收層和InP蓋層中的線分布.由于器結(jié)構(gòu)材料中各層均含In元素，所以In的信號最強.通過研究Ga、As和P元素線分布變化，測量出材料結(jié)構(gòu)中In0.81Ga0.19As吸收層厚度為2.8 μm和InP蓋層的厚度為0.8 μm，符合器件材料結(jié)構(gòu)設(shè)計.

圖1 InP/In0.81Ga0.19As/InP器件材料結(jié)構(gòu)表面掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1The suface SEM photograph of the InP/In0.81Ga0.19As/InP structure

圖2 InP/In0.81Ga0.19As/InP器件材料結(jié)構(gòu)剖面掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2The cross-sectional SEM photograph of the InP/In0.81Ga0.19As/InP structure

圖3 InP/In0.81Ga0.19As/InP器件材料結(jié)構(gòu)剖面的能量分散光譜Fig.3 EDS profile of the InP/In0.81Ga0.19As/InP structure

2.2 制備大面積組分均勻性的InP/In0.81 Ga0.19 As/InP

利用低壓MOCVD技術(shù)，水平生長室，旋轉(zhuǎn)石墨襯托可使In0.81Ga0.19As材料在InP襯底上保持均勻的生長.特別對于較大面積的材料，避免材料中心部分與邊緣部分由于生長不均勻?qū)е碌牟牧闲阅懿町?制備材料過程中，嚴(yán)格控制好生長條件，包括生長室的壓強、生長溫度，由于緩沖層和外延層的生長溫度不同，還要控制好不同生長溫度下的V/III比.控制好氫氣的流量，使石墨襯托轉(zhuǎn)速保持最佳條件.采用兩步生長法制作器件結(jié)構(gòu)材料的吸收層，優(yōu)化了緩沖層和外延層的生長條件，制備出大面積均勻性好的In0.81Ga0.19As器件結(jié)構(gòu)材料.圖4為制備的直徑2英寸的InP/In0.81Ga0.19As/InP器件結(jié)構(gòu)材料，表面平坦、光亮.為了研究大面積材料的組分均勻性情況，在直徑為2英寸的InP/In0.81Ga0.19As/InP材料上取四分之一部分選8個測試點，用X射線衍射測量其各點組分，分析材料的組分均勻性，即

取點如圖5所示；各點組分測量結(jié)果見圖6.測得組分最大值xmax=0.8118，組分最小值xmin=0.8045，組分均勻性Δx=±0.0037.In組分平均值為：0.8081，（0.1%＜δ＜0.6%）.測量結(jié)果表明，大面積器件結(jié)構(gòu)材料組分均勻性比較好，只有邊緣部分組分略有偏差，這可能由于大面積材料生長過程中，邊緣部分氣流不穩(wěn)導(dǎo)致.

圖4 2英寸的InP/In0.81Ga0.19As/InP器件結(jié)構(gòu)材料Fig.4 Diameter of 2 inch InP/In0.81Ga0.19As/InP structures

圖5 InP/In0.81Ga0.19As/InP器件結(jié)構(gòu)材料組分均勻性取點示意圖Fig.5 The test point schematic of compositional uniformity of InP/In0.81Ga0.19As/InP structures

圖6 InP/In0.81Ga0.19As/InP結(jié)構(gòu)材料各測試點的組分Fig.6 The compositional of InP/In0.81Ga0.19As/InP structures

3 結(jié)論

采用MOCVD技術(shù)制備InP/In0.81Ga0.19As/InP器件結(jié)構(gòu)材料，表面平坦、光亮，結(jié)構(gòu)層次清晰.分析了緩沖層組分、生長溫度、厚度選取的方法，研究了器件結(jié)構(gòu)材料吸收層和蓋層厚度對材料性能的影響.所制備的器件結(jié)構(gòu)材料大面積組分均勻性進行了研究，器件結(jié)構(gòu)材料In組分均勻性Δx=±0.0037，滿足設(shè)計要求.

[1]潘青.用InGaAs材料制作的2.6μm光電探測器[J].半導(dǎo)體光電,1999,20(2):79-82.

[2]繆國慶,殷景志,金億鑫,等.非致冷In0.53Ga0.47As/InP紅外探測器研究[J].人工晶體學(xué)報,2005,34(6):1056-1058.

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[4]Zhang T M,Miao G Q,Jin Y X,et al.Effect of In con?tent of the buffer layer on crystalline quality and electrical property of In0.82Ga0.18As/InP grown by LP-MOCVD[J].Microelectronics Journal,2007,38(3):398-400.

[5]Zhang T M,Miao G Q,Jin Y X,et al.Effect of buffer growth temperature on crystalline quality and optical prop?erty of In0.82Ga0.18As/InP grown by LP-MOCVD[J].Jour?nal of Alloys and Compounds,2008,458(1/2):363-365.

[6]Zhang T M,Miao G Q,Jin Y X,et al.Effect of buffer thickness on properties of In0.8Ga0.2As/InP with two-step growth technique[J].Journal of Alloys and Compounds,2009,472(1/2):587-590.

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責(zé)任編輯：黃 瀾

The Preparation of InP/In0.81Ga0.19As/InP Structural Material with Large Area of Uniform Composition

ZHANG Tiemin1，NING Yayuan2，MIAO Guoqing3，F(xiàn)U Yunliang1，F(xiàn)U Jun1
（1.College of Physics and Electronic Engineering，Hainan Normal University，Haikou 571158，China；2.The Girls’School of Jilin，JiLin 132108，China；3.State Key Laboratory of Luminescence and Applications，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

The InP/In0.81Ga0.19As/InP structural materical with large area of uniform composition used for infrared detec?tor were grown on（100）S-doped InP substrates by low temperature metal-organic chemical vapor deposition.The growth was performed using TMIn,TMGa,AsH3,and PH3 as growth precursors in a horizontal reactor.The substrates on a graphite susceptor were heated by inductively coupling RF power,their temperatures were detected by a thermocouple,and the reactor pressure was kept at 10000 Pa.The structures of detector included In0.81Ga0.19As absorption layer with the thickness of 2.8 μm and the InP cap layer with the thickness of 0.8 μm.The buffer of InP/In0.81Ga0.19As/InP structures was analyzed.The composition uniformity of InP/In0.81Ga0.19As/InP structures was studied.The result can lay a foundation for the preparation of infrared detectors and the research on their properties properties.

InGaAs；MOCVD；Infrared detector

O 471.4

A

1674-4942（2012）03-0279-04

2012-06-19

海南省自然科學(xué)基金項目（111003）；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）項目（2012CB619200）；海南省重點科技基金項目（ZDXM201000099）