InAs/GaSb II類超晶格材料界面特性的表征分析

任 洋，覃 鋼，李俊斌，楊 晉，李艷輝，楊春章，孔金丞

〈材料與器件〉

InAs/GaSb II類超晶格材料界面特性的表征分析

任 洋，覃 鋼，李俊斌，楊 晉，李艷輝，楊春章，孔金丞

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

本文系統(tǒng)地介紹了國內(nèi)外研究機構(gòu)對超晶格界面進行研究時采用的測試分析手段。其中，通過拉曼光譜、高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、掃描隧道顯微鏡（STM）、二次離子質(zhì)譜（SIMS）、X射線光電子能譜（XPS）等測試方法可以對InAs/GaSb II類超晶格材料界面類型、界面粗糙度、陡峭性等特性進行測試分析，從而評估超晶格界面質(zhì)量。光致發(fā)光譜（PL譜）、高分辨率X射線衍射（HRXRD）、霍爾測試、吸收光譜等測試方法則可以研究超晶格界面質(zhì)量對超晶格材料能帶、晶體質(zhì)量、光學(xué)性質(zhì)的影響。

InAs/GaSb II類超晶格；InSb-like界面；GaAs-like界面；陡峭性

0 引言

二元材料InAs和GaSb交替生長的InAs/GaSb超晶格（superlattice, SL）體系，由于其特殊的II型離隙型能帶排列[1-3]，具有能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活（有效帶隙可以從0到250meV連續(xù)可調(diào)，實現(xiàn)探測波長3～30mm范圍的變化）、有效抑制俄歇復(fù)合、量子效率高等優(yōu)點，使得其在紅外探測領(lǐng)域得到廣泛的關(guān)注，成為國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)的研究焦點[4-7]。因為其具有與碲鎘汞材料相當(dāng)?shù)墓怆娦阅埽c碲鎘汞材料一起成為第三代紅外探測器的首選材料[8]。

由于InAs/GaSb超晶格材料中InAs的晶格常數(shù)比GaSb的小0.6%，且高質(zhì)量的超晶格結(jié)構(gòu)生長在GaSb襯底上，所以在每個周期中需插入適當(dāng)?shù)慕缑鎸樱╥nterfaces，IFs）以實現(xiàn)應(yīng)力補償，這意味著在每一個超晶格探測結(jié)構(gòu)中將存在大量的界面層，從而界面結(jié)構(gòu)與其質(zhì)量將會對外延的整個超晶格材料的質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響。因為InAs和GaSb的III、V族原子均不相同，所以InAs/GaSb超晶格界面會形成兩種不同的界面類型：GaAs界面和InSb界面。而實際材料生長時界面不可能是完全的GaAs或InSb界面，所以這兩種界面通常被稱為GaAs-like界面和InSb-like界面。這兩種不同的界面類型，不論是對超晶格的材料質(zhì)量還是器件性能的影響都是不同的。一般認(rèn)為，InSb-like界面類型要優(yōu)于GaAs-like界面，使用GaAs-like界面的超晶格，界面更為粗糙，而界面粗糙度會引入缺陷態(tài)能級，導(dǎo)致相應(yīng)超晶格材料光學(xué)質(zhì)量下降[9-11]。

為了實現(xiàn)高性能紅外探測器，必須制備出高質(zhì)量的InAs/GaSb超晶格材料，而獲得高質(zhì)量的超晶格材料的關(guān)鍵在于獲得平整陡峭的界面以及選擇合適的界面平衡超晶格和襯底的應(yīng)變。為此，通過各種測試分析手段對超晶格界面質(zhì)量的表征，研究超晶格界面對超晶格材料晶體質(zhì)量、能帶結(jié)構(gòu)、光電性質(zhì)的影響就成了從事二類超晶格材料生長研究人員最關(guān)心的問題[12]。

本文詳細介紹了國內(nèi)外研究機構(gòu)利用光致熒光光譜（photoluminescence spectroscopy，PL譜）、高分辨X射線衍射儀（high-resolution X-ray diffraction，HRXRD）、拉曼光譜、二次離子質(zhì)譜（secondary ion mass spectrometry，SIMS）、高分辨透射電子顯微鏡（high-resolution transmission electron microscopy，HRTEM）、掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscope，STM）、X射線光電子能譜（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）、霍爾測試及吸收光譜等測試表征技術(shù)對超晶格界面特性的研究，討論了InAs/GaSb超晶格材料的界面類型的判定、界面陡峭性及粗糙度的測試分析手段，分析了界面質(zhì)量對超晶格材料能帶結(jié)構(gòu)、晶體質(zhì)量及光學(xué)性質(zhì)影響的研究結(jié)果，粗略地說明了獲得高質(zhì)量的具有陡峭界面的超晶格材料的特征及性質(zhì)。

1 界面特性的表征分析

1.1 界面類型的判定及陡峭性（粗糙度）的表征分析

由于GaSb襯底上的InAs/GaSb超晶格處于拉伸應(yīng)變，在SL層中引入界面層，從而實現(xiàn)應(yīng)變補償。超晶格材料所采用的不同類型界面，對超晶格的材料質(zhì)量和器件性能的影響都是不同的。InAs/GaSb超晶格的光電導(dǎo)數(shù)據(jù)表明InSb比GaAs界面具有在更低能量下的吸收邊緣。B. R. Bonnet和P. M. Thibado等人[13-14]報道稱采用InSb界面比采用GaAs界面的超晶格質(zhì)量更好，同時也允許厚結(jié)構(gòu)的超晶格材料生長，其總有源區(qū)厚度能達到幾微米，以獲得高光學(xué)吸收效率[15]。

據(jù)相關(guān)研究機構(gòu)報道，對超晶格材料界面類型的判定及界面陡峭性、粗糙度的表征分析方法主要有拉曼光譜、HRTEM、STM、SIMS和XPS等測試技術(shù)。

拉曼光譜中，通過分析光譜中光學(xué)聲子振動模式來確定界面類型。因不同的界面類型（InSb或GaAs）具有相異的光學(xué)聲子振動模式，從超晶格材料的拉曼光譜中可以通過直觀地觀測峰位的不同位置來進行界面類型判定[16]。拉曼光譜可以顯示出良好分辨的InSb-like或GaAs-like界面模式，具體取決于所生長超晶格材料界面的預(yù)期類型，如圖1[16]所示。

圖1 在(0 0 1) GaAs上生長的InAs或GaSb緩沖層具有InSb或GaAs IF的InAs/GaSb SL的室溫拉曼光譜[16]

通過橫截面高分辨透射電子顯微鏡可以精確確定界面類型及特征。通過測量晶格條紋距離，可以清楚地觀察到界面構(gòu)造In-Sb或Ga-As之間的差異，另外，基于鍵長的明顯差異進行分析也可以確定界面的類型。如圖2 HRTEM所示，除了可以清晰地分辨出在InAs和GaSb層之間插入的界面層（界面類型和厚度）的明確存在之外，也顯示出超晶格的橫向均勻性，整個超晶格結(jié)構(gòu)具有平滑和陡峭的界面[17]。

文獻[18]中通過對HRTEM圖3分析表明：①GaAs-like的界面比InSb-like的界面更粗糙。②在InAs緩沖層上生長的InAs/GaSb SL的界面粗糙度大于在GaSb緩沖層上生長的相同SL的界面粗糙度。作者認(rèn)為界面粗糙度的這種差異可能是由于處于壓縮應(yīng)變狀態(tài)下材料界面粗糙度會大于處于拉伸應(yīng)變狀態(tài)下的界面狀態(tài)。③在GaSb襯底上生長的GaAs和InSb鍵合的InAs/GaSb SL界面區(qū)域存在局部陡峭，提出界面粗糙化的主要機制是成島化的趨勢。

圖2 在GaSb (0 0 1)上生長的InAs/GaSb超晶格的HRTEM圖像：(a) 沿著[1 1 0]區(qū)軸向的InAs/InSb/GaSb SL的橫截面HRTEM圖像；(b) SL的(0 0 2)晶格條紋圖像[17]

圖3 GaSb (0 0 1)或GaAs (0 0 1)襯底上生長的GaSb緩沖層上的InAs/GaSb SL樣品的HRTEM圖像

因與InAs/GaSb外延相關(guān)的同價雜質(zhì)表現(xiàn)出獨特的特征，通過掃描隧道顯微鏡圖可以清晰精確地分辨出界面互混，表面和體內(nèi)As與Sb原子的交換反應(yīng)，V族元素的摻入情況等[19-20]。圖4(a)是不同As浸潤時間情況下的InAs/GaSb超晶格界面STM測試結(jié)果，從下到上As2浸潤時間依次增加。下圖是沒有As2浸潤情況，界面呈現(xiàn)為InAs-like；中圖為4s浸潤時間下，界面為GaAs-like；而上圖為15s浸潤時間下，GaAs-like界面變厚，并且與InAs混在一起。結(jié)果表明將GaSb層暴露于As-soak下會導(dǎo)致界面質(zhì)量變差，不利于InAs/GaSb超晶格材料的晶體質(zhì)量。圖4(b)的STM結(jié)果中，GaSb層中隨機分布的黑點是As摻入GaSb的結(jié)果，InAs層中類似的白點是從GaSb界面偏析進入InAs的Sb原子，作者通過統(tǒng)計得出大約有3%的Sb進入到InAs層中。

通過二次離子質(zhì)譜剖析V族元素在外延層中的深度分布來判定界面的粗糙度。在InAs-on-GaSb界面，來自下層GaSb的Sb可以摻入到InAs層中。但是與表面Sb相比，InAs層內(nèi)Sb的存在量可以忽略不計[21-22]（圖5所示）。通過SIMS分析表明InAs-on-GaSb界面存在Sb的偏析效應(yīng)和In的偏析效應(yīng)，GaSb-on-InAs界面不存在As的偏析情況，Sb-for-As交換在熱力學(xué)上不如As-for-Sb交換有利。

圖4 InAs/GaSb超晶格樣品的XSTM圖像：(a) InAs/GaSb超晶格樣品在(110)橫截面的InAs-on-GaSb和GaSb-on-InAs界面的陰離子亞晶格的原子分辨率STM圖像[19]；(b) Pb (As)= 5.3×10－6 Torr下生長的InAs/GaSb超晶格的XSTM（cross-sectional scanning tunneling microscopy）圖像[20]

圖5 GaSb層上生長的InAs層的SIMS測試：(a) GaSb層上生長的InAs層的SIMS深度剖面[21]；(b) 通過SIMS測量在不同襯底溫度下生長的兩個InAs on GaSb界面的Sb分布[22]

通過對多個InAs/GaSb超晶格樣品（相同的生長條件）的界面進行多次X射線光電子能譜測量，利用V族元素與III族元素的峰強度比值的范圍可以確定界面的互混情況及陡峭性。圖6和表1是文獻[22]的研究結(jié)果，其中InAs/GaSb異質(zhì)結(jié)構(gòu)元素峰強度比的范圍遠大于GaSb/InAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)。GaSb/InAs樣品范圍較小的峰強度比意味著界面組分變化很小，具有陡峭的界面。而InAs/GaSb樣品峰強度比的范圍較大，表明界面組分變化較大，說明其具有擴展的界面。另外，作者為了確定界面形成的過程中是否存在As對Sb的替換過程，通過XPS對As暴露下的GaSb表面進行了研究。圖7[22]中上圖(a)顯示As 3d與Ga 3d峰強度比隨著As-soak時間的增加有一個明顯的上升過程。另外，圖7中下圖(b)隨著As-soak時間的增加，Sb 4d對Ga 3d的峰強度比下降。這些證據(jù)都證實了As暴露過程中As-for-Sb交換反應(yīng)的存在。在一定的逃逸深度范圍下，對As 3d與Ga 3d峰強度比進行分析，表明不僅在表面存在As-for-Sb反應(yīng)，在GaSb體內(nèi)同樣存在交換反應(yīng)。

圖6 GaSb/InAs和InAs/GaSb異質(zhì)結(jié)構(gòu)的代表性的XPS[22]

1.2 界面對超晶格能帶的影響表征分析

M. S. Daly等人研究發(fā)現(xiàn)，采用InSb-like界面的超晶格材料的能帶交疊要比采用GaAs-like界面的大30±10 meV，但GaAs-like界面會降低超晶格微帶中電子與空穴的波函數(shù)交疊程度，其超晶格帶隙g相對較大，不利于保證材料的光吸收[23-25]。在超晶格中，InSb的價帶頂位于GaSb價帶頂之上，這使得空穴有趨向于InSb層聚集的特性，同時InSb層的插入拓寬了空穴勢阱的寬度，導(dǎo)致超晶格的空穴微帶上移，因此隨著InSb界面厚度的增加，其超晶格材料對應(yīng)的探測波長逐漸增加。GaAs界面對超晶格材料對應(yīng)的探測波長的影響分析也類似。

表1 GaSb/InAs和InAs/GaSb界面的同一側(cè)上的元素之間的XPS峰強度比率[22]

Note: The notationg:s specifiesgrowths andXPS scans used to obtain a given set of values

圖7 GaSb表面的As2暴露的XPS峰強度比[22]

對于界面對超晶格能帶的影響，B. R. Bennnett[26]和D. H. Chow[27]等人分別利用測量光電導(dǎo)和不同溫度下載流子濃度的方法，分析計算了InAs/GaInSb超晶格材料的禁帶寬度，其結(jié)果表明具有GaAs-like界面的超晶格的禁帶寬度較InSb-like界面的要高20～50meV[28]。更直觀的測試表征技術(shù)為PL譜和XPS。

因外延超晶格材料的界面類型（InSb-like或GaAs-like界面）及厚度等參數(shù)的不同，光致熒光光譜（PL譜）峰位會隨之發(fā)生位移。如圖8[29]，隨著InSb界面厚度的增加，超晶格PL譜的峰位逐漸紅移。而圖9[30]則是隨著GaAs界面厚度增加，PL譜峰位逐漸藍移。與上述分析相一致。

圖8 T＝80K，10MLs-InAs / nInSb ML-InSb / 10MLs-GaSb SLs的PL譜[29]

圖9 TPL＝10K，在InAs-on-GaSb界面為GaAs-like界面的超晶格材料的PL譜[30]

據(jù)文獻[21]報道，（Ga，In）Sb上的InAs的能帶偏移也可由XPS確定。通過將實驗得到的價帶態(tài)密度（valence-band density of states，VBDOS）擬合到實驗上擴展的理論VBDOS，獲得了InAs和GaSb體材料的In 4d和Ga 3d電子態(tài)到價帶頂?shù)慕Y(jié)合能差。利用高斯-洛倫茲函數(shù)擬合XPS峰值確定了InAs/GaSb結(jié)構(gòu)中In 4d和Ga 3d核心電子態(tài)之間的能量差，得到能帶偏移為0.62±0.1eV。

界面類型對價帶偏移的影響現(xiàn)在還沒有具體結(jié)論。Meyer等研究人員[31]的實驗結(jié)果表明GaAs型界面的價帶偏移較InSb型界面高14±5meV。而通過對XPS測試結(jié)果分析，Wang等研究人員[22,32]認(rèn)為價帶偏移不受界面組分的影響，而與生長次序有關(guān)，即在GaSb上生長InAs形成的價帶偏移較在InAs上生長GaSb要高。相關(guān)文獻報道的造成這種實驗結(jié)果差異的主要原因可能是材料的生長方式和應(yīng)變狀態(tài)造成的[28]。

1.3 界面對超晶格材料晶體質(zhì)量、光學(xué)性質(zhì)的影響

根據(jù)上述界面特性會對超晶格材料的晶體質(zhì)量和光學(xué)性質(zhì)造成影響，相應(yīng)地對超晶格材料的測試表征方法有HRXRD、霍爾測試及吸收光譜。具體分析如下：

通過高分辨率X射線衍射失配度的計算來判定應(yīng)力補償效果，也可通過觀察圍繞衛(wèi)星峰0級的Pendell Kosung fringes，表明高的超晶格晶體質(zhì)量，Pendell Kosung fringes的情況可以評定InSb界面的（臨界）厚度[33]，超晶格衛(wèi)星峰的相對強度也會受到As/Sb交換反應(yīng)的影響。

霍爾測試結(jié)果參數(shù)中平面載流子遷移率是量化超晶格層質(zhì)量和IF粗糙度散射（IRS）程度的有用工具。如表2所示，不同IF類型時，載流子濃度和遷移率的變化，證明了IF質(zhì)量對IF快門序列的敏感性[34]。

室溫（room temperature，RT）吸收系數(shù)（吸收光譜）是從樣品的透射光譜與去除外延層之后襯底的透射光譜之間的比較推導(dǎo)出的。引入界面層的超晶格材料完成結(jié)構(gòu)特征研究之后，通過分析吸收光譜中多種高能躍遷參與的特征來表征證明高質(zhì)量的超晶格材料光學(xué)性質(zhì)。

有意引入InSb界面層的超晶格材料除了由于基態(tài)電子（C1）和重空穴（VH1）微帶之間的吸收導(dǎo)致的C1-VH1躍遷外，從吸收光譜中也能夠獲得其他幾種高能躍遷的參與，如圖10所示。根據(jù)對InAs/GaSb超晶格的精確計算，作者提出幾種高能躍遷可能是C1-VL1躍遷（約300 meV）和C1-VH2躍遷（約430 meV），從而將最低電子微帶C1與激發(fā)空穴子帶相關(guān)聯(lián)（分別為第一輕空穴VL1和第二重空穴VH2子帶）[17,23,35]。

表2 (InAs + IF)/(GaSb + IF) SLs插入InSb-like或/和GaAs-like界面的數(shù)據(jù)匯總[34]

Note: Thes,s, andrepresent the 10 K resistivity, hole density, and in-plane hole mobility

圖10 InAs/InSb/GaSb（10/1/10 MLs）超晶格的RT吸收光譜[17]

2 總結(jié)

對于InAs/GaSb超晶格來說，界面控制極為重要。為了對超晶格界面詳細研究，反饋外延生長工藝，對界面質(zhì)量進行測試表征分析就顯得非常重要。本文詳細介紹了拉曼光譜、SIMS、HRTEM、STM、XPS、PL譜、HRXRD、霍爾測試、吸收光譜等測試表征方法對InAs/GaSb超晶格界面特性的研究，如界面類型的判定、界面陡峭性、粗糙度及界面反應(yīng)（如界面互混、As/Sb交換反應(yīng)等）等，分析了界面質(zhì)量對超晶格材料能帶結(jié)構(gòu)、晶體質(zhì)量、光學(xué)性質(zhì)的影響。

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Characterization and Analysis of Interface Characteristics of InAs/GaSb Type-II Superlattice Materials

REN Yang，QIN Gang，LI Junbin，YANG Jin，LI Yanhui，YANG Chunzhang，KONG Jincheng

(,650223,)

This article systematically introduces the testing and analysis methods used by domestic and foreign research institutions to study the superlattice interface. To evaluate the quality of the superlattice interface, the InAs/GaSb type-II superlattice interface type, interface roughness, abruptness, and other characteristics can be tested and analyzed using Raman spectroscopy, high-resolution transmission electron microscopy, a scanning tunneling microscope, secondary ion mass spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy. Photoluminescence spectroscopy, high-resolution X-ray diffraction, Hall measurements, and absorption spectroscopy can be used to study the effect of the superlattice interface quality on the energy band, crystal quality, and optical properties of superlattice materials.

InAs/GaSb type-II superlattice, InSb-like interface, GaAs-like interface, abruptness

TN215，TN304

A

1001-8891(2022)02-0115-08

2020-10-19；

2022-01-19.

任洋（1990-），女，河北保定人，碩士，工程師，主要從事紅外光電材料與器件方面的研究工作。E-mail：1195947744@qq.com。

孔金丞（1979-），男，云南南華人，研究員，博士，主要從事紅外探測器材料與器件技術(shù)研究。E-mail：kongjincheng@163.com。