低Al組分In1－xAlxSb薄膜的MBE生長(zhǎng)和優(yōu)化

尚林濤，劉 銘，邢偉榮，周 朋，沈?qū)氂?/p>

低Al組分In1－xAlxSb薄膜的MBE生長(zhǎng)和優(yōu)化

尚林濤，劉 銘，邢偉榮，周 朋，沈?qū)氂?/p>

（華北光電技術(shù)研究所，北京100015）

采用分子束外延的方法進(jìn)行了低Al組分In1－xAlxSb薄膜的生長(zhǎng)和優(yōu)化。通過(guò)在InSb（100）襯底上外延生長(zhǎng)一系列不同條件的In1－xAlxSb薄膜，分析總結(jié)了襯底的熱脫氧特征以及InAlSb薄膜低Al組分（2%左右）的控制，探討了退火和InSb緩沖層的優(yōu)化等參數(shù)對(duì)In1－xAlxSb外延薄膜表面形貌和質(zhì)量的影響。測(cè)試結(jié)果表明薄膜質(zhì)量得到極大改進(jìn)。

InSb（100）；鋁；InAlSb；薄膜生長(zhǎng)；優(yōu)化

1 引 言

InSb基材料由于其高電子遷移率和低有效質(zhì)量在高速和光電器件應(yīng)用中很有技術(shù)意義［1］。Sb基化合物半導(dǎo)體由于其在光學(xué)、電子學(xué)及結(jié)構(gòu)方面的屬性而吸引了諸多興趣。銻化物具有III－V族化合物中的最小帶隙，基于Sb基化合物半導(dǎo)體的器件已經(jīng)顯示了高的性能［2］。以色列的SCD公司在InSb基InAlSb紅外探測(cè)器的研究方面處于領(lǐng)先地位［3］，于2004年報(bào)道了InSb基InAlSb中波紅外320×256焦平面探測(cè)器，可工作于77～100 K，像元可操作性＞99.5%，95 K殘余非均勻性較準(zhǔn)＜0.03%。

InAlSb的外延生長(zhǎng)可以采用磁控濺射外延（Magnetron Sputtering Epitaxy，MSE）、分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（Metalorganic Chemical Vapour Deposition， MOCVD）等方法進(jìn)行。MBE方法具有精確的單原子層控制生長(zhǎng)能力以及原位的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)工具—反射式高能電子衍射（Reflection High Energy Electronic Diffraction，RHEED），可以生長(zhǎng)具有突變異質(zhì)界面的高質(zhì)量半導(dǎo)體外延薄膜材料，廣泛用于科研和生產(chǎn)中。InAlSb的帶隙大，阻抗高，晶格常數(shù)與InSb相近，因而可以實(shí)現(xiàn)晶格匹配的外延生長(zhǎng)。

本文論述了InSb（001）襯底上低Al組分（2%左右）InAlSb／InSb外延薄膜的MBE生長(zhǎng)和優(yōu)化。通過(guò)生長(zhǎng)一系列樣品，確定了InSb（100）襯底的脫氧特征，探索了低Al組分的控制。通過(guò)退火、緩沖層的處理等參數(shù)優(yōu)化了外延膜的缺陷。測(cè)試結(jié)果表明材料薄膜晶體質(zhì)量得到極大改進(jìn)。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在超高真空DCA-MBE P600實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行。腔室周圍配備的各種泵可使整個(gè)系統(tǒng)維持較高的真空，可達(dá)10－11Torr。MBE生長(zhǎng)室腔體上配有RHEED，可用于實(shí)時(shí)在線觀測(cè)生長(zhǎng)室中樣品的表面形貌、衍射類型和生長(zhǎng)速率等特征。襯底加熱器采用旋轉(zhuǎn)加熱的方法可以保證加熱溫度的均勻性。實(shí)驗(yàn)所用的襯底是由本所制備的InSb（100）襯底，晶向偏向（111）角2°。InSb體晶經(jīng)切割、機(jī)械拋光和化學(xué)拋光、改良的CP4處理后得到了厚度（500± 25）μm、表面平整、氧化層薄的InSb（100）外延型襯底。襯底首先在180℃下MBE快速進(jìn)樣室中加熱1 h除汽；然后移送入緩沖室中，在加熱臺(tái)上300℃下加熱除氣1 h以去除表面殘余有機(jī)物。然后，通過(guò)磁力傳送桿送入MBE生長(zhǎng)室中進(jìn)行外延生長(zhǎng)。樣品在脫氧之后，先在InSb（100）襯底上生長(zhǎng)InSb緩沖層，生長(zhǎng)溫度430℃，然后接著在相同溫度異質(zhì)外延生長(zhǎng)一定厚度的低Al組分InAlSb層。樣品生長(zhǎng)完成后，降溫至室溫，由生長(zhǎng)室經(jīng)由緩沖室送至快速進(jìn)樣室取出。采用OLYMPUSMX61光學(xué)顯微鏡對(duì)樣品表面的形貌和缺陷進(jìn)行100倍（視場(chǎng)面積1.45 cm2）和200倍（視場(chǎng)面積3.62 cm2）觀測(cè)；采用BRUKER公司的DeKtakXT臺(tái)階儀用探針?lè)▽?duì)樣品邊緣的厚度進(jìn)行測(cè)試；采用X’Pert PRO MRD型XRD來(lái)測(cè)試樣品的特征峰和計(jì)算Al組分，其采用Cu靶，發(fā)射波長(zhǎng)λKα＝1.54056?。

3 結(jié)果與討論

3.1 InSb（100）襯底的脫氧

襯底的脫氧是外延薄膜質(zhì)量的基礎(chǔ)決定性因素。在生長(zhǎng)之前對(duì)編號(hào)為T01－T09的樣品均進(jìn)行了Sb2束流保護(hù)下的熱脫氧，脫氧溫度大致為575℃，視具體情況為半個(gè)到一個(gè)小時(shí)不等。圖1列出了一些樣品脫氧完成后的RHEED圖像。

圖1 一些樣品脫氧后的RHEED圖像

逐漸將襯底從室溫加熱到熱脫氧溫度，320℃時(shí)逐漸開Sb2束流保護(hù)，RHEED斑點(diǎn)由無(wú)序散亂分布的斑點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔擅髁疗叫械乳g隔排列的條紋，背景雜散衍射點(diǎn)消失，指示出脫氧基本完成。由于實(shí)際樣品襯底氧化層的厚度不一致，脫氧溫度及脫氧時(shí)間有一定的偏差。若脫氧溫度不夠或時(shí)間較短，則不能有效地完成熱脫氧，圖1（a）所示樣品的衍射條紋中仍存在斑點(diǎn)且背景比較模糊，說(shuō)明脫氧不夠充分；若脫氧溫度過(guò)高，可能會(huì)造成樣品邊緣部分熔化、卷邊而粘在鉬托上，圖1（b）所示樣品衍射圖像邊角較暗，暗示了有物體擋住了電子槍發(fā)射電子的入射，實(shí)際上已經(jīng)發(fā)生了卷邊粘托的情況。圖1（c）和圖1（d）指示出比較好的完成了脫氧，衍射條紋及背景清晰、衍射級(jí)數(shù)較多。

3.2 In1－xAlxSb薄膜Al組分的調(diào)控

為了得到低Al組分In1－xAlxSb外延薄膜，需要對(duì)III族和V族束流進(jìn)行調(diào)控。V族Sb源頂部裂解器溫度為900℃，產(chǎn)生Sb2。源的束流大小與源溫有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，一般溫度越高，束流強(qiáng)度值也越大，但兩者并不一定成線性關(guān)系。In源的溫度在920～930℃之間調(diào)制；Al源的束流大小在980～1100℃之間調(diào)制，控制Sb源的束流強(qiáng)度是In與Al的III族源束流之和的7倍，即V／III≈7。

根據(jù)晶格衍射的布拉格方程：

及維戈定律：

通過(guò)XRD測(cè)得樣品的InSb和InAlSb特征峰角度，由式（1）和式（2）可以大致推算出Al組分。

圖2列出了通過(guò)XRD測(cè)出的不同Al源和In源溫度對(duì)應(yīng)的In1－xAlxSb樣品中Al組分的分布情況?？梢钥闯觯贗n源溫度保持在930℃時(shí)，Al組分會(huì)隨Al源溫度的升高而增大，圖中當(dāng)Al源溫度從980～1050℃變化時(shí)，Al組分會(huì)從1.69%到5%近似線性的增大；在Al源溫度保持在1010℃時(shí)，Al組分也會(huì)隨In源溫度的降低而迅速升高，圖中當(dāng)In由930℃降低到924℃時(shí)，Al組分由2.718%迅速增大到5.12%。圖中有一個(gè)重復(fù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)樣品（Al：980℃，In：930℃）的Al組分稍有偏差（1.69%和1.709%）可能是實(shí)驗(yàn)或測(cè)量誤差造成，但誤差較小，影響不大?？傮w趨勢(shì)是In1－xAlxSb外延薄膜中的Al組分隨Al源溫度的升高而近似線性增大，隨In源溫度的降低而迅速增大。圖中Al組分基本都在5%以內(nèi)，所需要的低Al組分目標(biāo)在2%左右，即可在保持In源在930℃時(shí)Al源在990℃以下。

圖2 InAlSb薄膜Al組分隨In、Al溫度的分布圖

3.3 退火對(duì)薄膜缺陷的影響

退火處理對(duì)優(yōu)化薄膜晶體表面缺陷很有意義。退火可以提高材料表面能量，增強(qiáng)外延膜表面原子的遷移率，使粗糙表面得到改善。圖3（a）樣品未經(jīng)過(guò)退火處理，表面缺陷較多，存在明顯的網(wǎng)格線、較多小坑和突起缺陷；圖3（b）圖樣品采用對(duì)InAlSb外延層退火的方法分別在生長(zhǎng)InAlSb 1個(gè)小時(shí)和生長(zhǎng)完成后各在480℃退火15分鐘。表面有略微的網(wǎng)格線和較小的凹坑?？梢?，退火可以降低樣品表面缺陷和減少表面網(wǎng)格線。

圖3 樣品表面的光學(xué)顯微圖像（200倍）

3.4 緩沖層優(yōu)化處理對(duì)外延薄膜的影響

網(wǎng)格線的存在可能源于襯底在表面處理加工時(shí)形成的一些缺陷狀況，若在后續(xù)的緩沖層生長(zhǎng)時(shí)緩沖層覆蓋的不夠厚或處理的不好，缺陷很可能進(jìn)一步遷移至頂層。因此優(yōu)化緩沖層的優(yōu)化處理可以覆蓋掉襯底中表面缺陷［4］。

對(duì)緩沖的優(yōu)化處理如下：在430℃生長(zhǎng)InSb緩沖層30 min，然后在480℃下退火10 min；然后在較高的溫度450℃下生長(zhǎng)InSb緩沖層30 min，接著在480℃下退火10 min。即先低溫成核生長(zhǎng)并退火，然后再高溫生長(zhǎng)并退火以達(dá)到優(yōu)化緩沖層的目的。最后樣品表面的RHEED圖像如圖4所示，樣品表面三個(gè)主要衍射方向條紋清晰，分別是2×，1×和4×結(jié)構(gòu)，整體呈2×4重構(gòu)。清晰的RHEED條紋反映出樣品表面平整，質(zhì)量較好。樣品表面的光學(xué)顯微結(jié)果如圖5所示，樣品表面除少許微小的凹點(diǎn)外，整體光亮如鏡，沒(méi)有網(wǎng)格狀條紋或In液滴。臺(tái)階儀測(cè)試樣品的平均總厚度為4.495μm。隨后進(jìn)行的XRD測(cè)試顯示如圖6所示，InAlSb和InSb層的特征峰明顯，非常尖銳，InAlSb層的FWHM為18.6 arcsec，InSb層的FWHM為18.1 arcsec。In-AlSb薄膜和InSb襯底的晶格失配度為0.2%。反映出薄膜晶體質(zhì)量較好，經(jīng)計(jì)算得出Al組分大致為1.69%，與期望值符合。

圖4 生長(zhǎng)完成后的樣品表面RHEED圖像

圖5 樣品表面100×和200×光學(xué)顯微圖像

圖6 InAlSb／InSb樣品的XRD特征峰

4 結(jié) 論

本文論述了InSb（001）襯底上低Al組分In-AlSb／InSb外延薄膜的MBE生長(zhǎng)和優(yōu)化。生長(zhǎng)了一系列In1－xAlxSb外延薄膜，通過(guò)對(duì)比分析確定了InSb（100）襯底的脫氧特征，通過(guò)控制In和Al源溫度探索了低Al組分（2%左右）InAlSb薄膜的生長(zhǎng)控制。發(fā)現(xiàn)退火可以改善薄膜表面缺陷，緩沖層的處理可以改善襯底缺陷使整體薄膜缺陷大幅降低，晶體質(zhì)量得到提高。后期在工藝中還需要更進(jìn)一步的優(yōu)化薄膜材料的質(zhì)量以符合紅外探測(cè)器件生產(chǎn)制造的要求。

致 謝：對(duì)華北光電技術(shù)研究所焦平面專業(yè)部的折偉林、王經(jīng)緯、王叢、高達(dá)、強(qiáng)宇和王彬等所做的相關(guān)工作表示感謝！

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MBE grow th and optim ization of low Al component In1－xAlxSb film

SHANG Lin-tao，LIU Ming，XINGWei-rong，ZHOU Peng，SHEN Bao-yu
（North China Research Institute of Electro-optics，Beijing 100015，China）

Low-aluminium In1－xAlxSb film is growth and optimized bymolecular beam epitaxialmethod.After a series of In1－xAlxSb films were grown on InSb（100）substrate under different conditions，the thermal deoxidation characterization of the substrate and the low-aluminium component control（approximate 2%）were analyzed，and the effect of process parameters such as annealing and InSb buffer layer optimization etc onmorphology and quality of the film was discussed.The test results show the quality of the film has a great improvement.

InSb（100）；Aluminium；InAlSb；film growth；optimization

TN213

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.10.010

1001-5078（2014）10-1115-04

尚林濤（1985－），男，碩士，助理工程師，主要從事紅外探測(cè)器材料分子束外延技術(shù)研究。E-mail：peacefulslt＠163.com

2014-03-26