壓強(qiáng)對(duì)GaSb/GaAs量子點(diǎn)形貌各向異性的影響

徐德前， 徐佳新， 莊仕偉， 李國(guó)興， 張寶林

(集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

1 引 言

Ⅲ-Ⅴ族Sb化物半導(dǎo)體由于其獨(dú)特能帶結(jié)構(gòu)、有效質(zhì)量小、電子遷移率高的特性，在超高速低功耗器件和紅外光電器件等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用[1-4]。GaSb/GaAs量子點(diǎn)(QDs)系統(tǒng)，其Ⅱ型異質(zhì)能帶結(jié)構(gòu)可有效抑制俄歇復(fù)合效應(yīng)，提高器件性能，因而引起了研究者的廣泛關(guān)注；而且GaSb量子點(diǎn)與InGaAs/GaAs量子阱結(jié)合，器件波長(zhǎng)可達(dá)1.7 μm[5]，因而在近紅外波段具有重要應(yīng)用。GaSb/GaAs量子點(diǎn)的生長(zhǎng)通常采用層-島(S-K)模式，量子點(diǎn)界面處以60°位錯(cuò)為主導(dǎo)，容易導(dǎo)致外延層中產(chǎn)生大的穿透位錯(cuò)密度[6-7]，而穿透位錯(cuò)以非輻射復(fù)合中心的形式降低器件性能。IMF生長(zhǎng)模式以90°位錯(cuò)為主導(dǎo)，與傳統(tǒng)的S-K生長(zhǎng)模式相比，應(yīng)變只在界面處釋放并且位錯(cuò)有很強(qiáng)的局域性[8]，可以實(shí)現(xiàn)密集的量子點(diǎn)疊層生長(zhǎng)，從而顯著增強(qiáng)光子吸收。同時(shí)有文獻(xiàn)表明，與S-K生長(zhǎng)模式相比，IMF模式生長(zhǎng)GaSb/GaAs界面穿透位錯(cuò)密度降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)(～5×105cm-2)[9]，生長(zhǎng)的GaSb/GaAs量子點(diǎn)穿透位錯(cuò)密度更低，有利于器件性能的改善。相關(guān)研究表明，界面失配(IMF)生長(zhǎng)模式主要由溫度和晶格失配主導(dǎo)，溫度為520 ℃時(shí)，為純凈的90°失配位錯(cuò)，溫度大于560 ℃時(shí)為60°位錯(cuò)[7,10]；襯底與外延層低應(yīng)變(<2%)時(shí)產(chǎn)生60°位錯(cuò)，中等應(yīng)變(3%～4%)產(chǎn)生90°和60°混合位錯(cuò)，大應(yīng)變(>6%)形成90°位錯(cuò)[11-12]。

通過(guò)改變生長(zhǎng)參數(shù)，GaSb/GaAs量子點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)S-K或IMF模式無(wú)應(yīng)力生長(zhǎng)[13]。采用MOCVD工藝實(shí)現(xiàn)以90°位錯(cuò)主導(dǎo)的IMF模式進(jìn)行外延生長(zhǎng)時(shí)，要求生長(zhǎng)溫度低(約520 ℃)，晶格失配大(>6%)，以及氣相Ⅴ/Ⅲ比高。對(duì)于銻化物的MOCVD生長(zhǎng)，由于Sb的飽和蒸汽壓低而具有特殊性，Ⅴ/Ⅲ比的選取相對(duì)較低(1<Ⅴ/Ⅲ<3)。由于IMF生長(zhǎng)模式為準(zhǔn)二維生長(zhǎng)模式，相比S-K三維生長(zhǎng)模式，<110>晶向的各向異性對(duì)GaSb量子點(diǎn)生長(zhǎng)的影響被放大，導(dǎo)致GaSb量子點(diǎn)沿[110]方向被拉長(zhǎng)[14]。Hiroyuki Sakaki等研究發(fā)現(xiàn)低的Ⅴ/Ⅲ比可以抑制GaSb/GaAs量子點(diǎn)的各向異性[15-16]，但與IMF生長(zhǎng)模式高Ⅴ/Ⅲ比的要求相矛盾。我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)增大源輸入流量可以在一定程度上抑制GaSb/GaAs量子點(diǎn)的各向異性，但高的生長(zhǎng)速率導(dǎo)致量子點(diǎn)的生長(zhǎng)過(guò)程難以調(diào)控，并且容易引入堆垛形貌而降低器件性能。

本文采用低壓金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(LP-MOCVD)技術(shù)制備了GaSb/GaAs量子點(diǎn)樣品，通過(guò)Sb表面處理改變表面自由能來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)二維的IMF生長(zhǎng)模式。通過(guò)不同壓強(qiáng)下樣品表面形貌的對(duì)比，研究了反應(yīng)室壓強(qiáng)對(duì)IMF模式生長(zhǎng)的GaSb/GaAs量子點(diǎn)各向異性的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

采用水平反應(yīng)室的LP-MOCVD在GaAs襯底上基于IMF生長(zhǎng)模式制備了GaSb量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，GaAs襯底為(001)偏(110)方向2°的斜切半絕緣單晶片。三甲基鎵(TMGa)為Ⅲ族源(輸入流量為4.9 μmol/min)，三乙基銻(TESb)為V族源(輸入流量為3.6 μmol/min)，載氣為H2。對(duì)應(yīng)上述IMF模式的MOCVD生長(zhǎng)條件要求，本實(shí)驗(yàn)生長(zhǎng)溫度設(shè)為500 ℃，晶格失配(7.8%)滿(mǎn)足IMF生長(zhǎng)模式要求，氣相Ⅴ/Ⅲ比為0.7，生長(zhǎng)前采用Sb表面處理方法在界面處形成Sb原子富集，進(jìn)而使生長(zhǎng)初期的Ⅴ/Ⅲ比高，有利于形成IMF生長(zhǎng)模式。反應(yīng)壓強(qiáng)分別為10，7，5，4，3 kPa，樣品依次標(biāo)記為S1、S2、S3、S4和S5。GaSb量子點(diǎn)臨界厚度約為2.5 ML(monolayer)，由于壓強(qiáng)的變化GaSb在不同壓強(qiáng)下的生長(zhǎng)速度(約為0.036～0.5 ML·s-1)發(fā)生改變。500 ℃通入Sb源(輸入流量為1.8 μmol/min)，進(jìn)行5 s的Sb表面處理，通過(guò)Sb表面處理形成富Sb(2×8)重構(gòu)表面[17-18]，在界面處誘導(dǎo)產(chǎn)生周期性90°失配位錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)二維的IMF模式的GaSb/GaAs量子點(diǎn)生長(zhǎng)。降溫時(shí)通入Sb源(輸入流量為1 μmol/min)，抑制外延GaSb材料中Sb的解吸附效應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)采用布魯克公司的原子力顯微鏡(AFM) (ICON-PT,Veeco)表征各樣品表面形貌。采用輕敲模式進(jìn)行測(cè)試，SiC探針的共振頻率約為300 kHz。

3 結(jié)果與討論

圖1 (a)不同壓強(qiáng)下制備的GaSb/GaAs量子點(diǎn)AFM形貌圖。S1：10 kPa,S2:7 kPa,S3:5 kPa,S4:4 kPa,S5:3 kPa。 (b)隨壓強(qiáng)變化的GaSb量子點(diǎn)密度和各向異性島的長(zhǎng)寬比。

Fig.1 (a) Atomic force microscopy images of GaSb/GaAs QDs formed at different reaction chamber pressure. S1： 10 kPa, S2:7 kPa, S3: 5 kPa, S4: 4 kPa, S5:3 kPa. (b) The density of GaSb quantum dots and the aspect ratio of anisotropic islands as functions of reaction chamber pressure.

圖2 GaSb各向異性島不同{111}面的生長(zhǎng)機(jī)制[18]，其中藍(lán)色面為{111}B面，紅色面為{111}A面。

Fig.2 Schematic illustration of the growth mechanism of different {111} planes on anisotropic islands of GaSb quantum dots, blue planes represent the {111}B facets and red ones are {111}A facets.

圖3 GaAs襯底(001)偏[110]方向2°時(shí)的表面臺(tái)階

Fig.3 Surface steps of GaAs(001) substrate with 2° offcut towards [110]

圖4 GaAs襯底表面富Sb的2×8表面重構(gòu)[17]

Fig.4 (2×8) reconstruction of Sb on GaAs(001) surfaces[17]

4 結(jié) 論

本文采用LP-MOCVD技術(shù)與Sb界面處理方法，基于IMF生長(zhǎng)模式制備了GaSb/GaAs量子點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(1)采用IMF生長(zhǎng)模式生長(zhǎng)的量子點(diǎn)形貌存在明顯的各向異性，量子點(diǎn)的形貌近似為長(zhǎng)方體，生長(zhǎng)模式為準(zhǔn)二維(2D)模式。(2)降低壓強(qiáng)可以有效抑制GaSb量子點(diǎn)沿<110>方向的各向異性，壓強(qiáng)為4 kPa時(shí)量子點(diǎn)密度最大，量子點(diǎn)長(zhǎng)寬比從10 kPa時(shí)的3.5降低至1。(3)反應(yīng)室壓強(qiáng)變化對(duì)量子點(diǎn)生長(zhǎng)機(jī)制有著重要影響。通過(guò)降低壓強(qiáng)，一方面增大{111}A面Ga原子的解吸附作用，可以降低沿[110]方向的生長(zhǎng)速率而抑制各向異性生長(zhǎng)；另一方面降低了吸附原子的擴(kuò)散激活能，增大擴(kuò)散長(zhǎng)度，從而抑制襯底臺(tái)階取向和表面重構(gòu)帶來(lái)的各向異性生長(zhǎng)。