研究In0.82Ga0.18As/InP的临界厚度

张铁民，缪国庆，孙 秋，孙书娟，傅 军，符运良

（1.海南师范大学 物理与电子工程学院，海南 海口 571158；2.中国科学院 激发态物理重点实验室，吉林 长春 130021；3.海南师范大学 图书馆，海南 海口 571158）

研究In0.82Ga0.18As/InP的临界厚度

张铁民1，缪国庆2，孙 秋3，孙书娟1，傅 军1，符运良1

（1.海南师范大学 物理与电子工程学院，海南 海口 571158；2.中国科学院 激发态物理重点实验室，吉林 长春 130021；3.海南师范大学 图书馆，海南 海口 571158）

根据Matthew-Blakeslee和People-Bean的临界厚度理论，利用牛顿迭代公式，使用计算机模拟出高In组分InxGa1-xAs临界厚度的数值解，得出理论上的In0.82Ga0.18As临界厚度.使用低压金属有机化学气相淀积（LP-MOCVD）技术，在InP（100）衬底上分别生长低于临界厚度、等于临界厚度和高于临界厚度的In0.82Ga0.18As低温层，然后在生长条件一致情况下生长In0.82Ga0.18As高温层，分析临界厚度对In0.82Ga0.18As高温层的影响.

In0.82Ga0.18As；金属有机化学气相淀积；临界厚度

在异质外延技术中，外延层的临界厚度是比较感兴趣的研究方向.关于异质外延的临界厚度的应变释放[1]、异质外延临界厚度对合金影响[2]、张应变层的临界厚度对组分影响及应变释放[3]等都已有研究.InxGa1-xAs广泛地应用在光发射[4]、场效应管[5]、热光伏器件[6]、探测器[7]、光存储电荷[8]等器件上.高In组分的InxGa1-xAs（x＞0.53）探测器在地球观测、遥感、环境监测等[9]受到越来越多的关注.高In组分的InxGa1-xAs材料的探测波长可扩展到3.5 μm，但高In组分的InxGa1-xAs与衬底InP的晶格失配度也增大，由此引起外延材料质量下降，从而导致器件性能的下降.由于Matthew-Blakeslee[10]理论公式和People-Bean[11]理论公式无法获得解析解，为了研究In0.82Ga0.18As/InP异质结构的临界厚度，对Mat⁃thew-Blakeslee和People-Bean的理论公式，采用牛顿迭代公式，使用计算机模拟出高In组分的Inx⁃Ga1-xAs/InP临界厚度的数值解.本文的工作采用低压金属有机化学气相淀积（LP-MOCVD）技术，根据理论模拟出的临界厚度，分别制备出临界厚度小于、等于、高于临界厚度的In0.82Ga0.18As低温层，为了研究方便在不同厚度的低温层上生长条件一致的In0.82Ga0.18As高温层，研究临界厚度对In0.82Ga0.18As高温层性能的影响.

1 实验

使用LP-MOCVD技术，所有样品都生长在半绝缘的InP（100）衬底上.生长In0.82Ga0.18As层使用三甲基铟（TMIn）、三甲基镓（TMGa）、在氢气中稀释成含量为10%砷烷（AsH3），经氢气纯化器处理的高纯氢气作为载气.反应室为水平式，感应耦合射频加热石墨衬托给衬底加热，热电偶位于旋转石墨衬托下面，直接探测样品的生长温度，反应室的压强保持在10 000 Pa.为了研究临界厚度对高In组分的InxGa1-xAs材料的影响，在InP（100）衬底上低温生长厚度均为10 nm、20 nm、50 nm和80 nm的In0.82Ga0.18As层，生长温度为450℃.然后在530℃生长厚度为1μm的In0.82Ga0.18As层为研究对象，分别标为样品A、B、C、D.使用D/max-RA型X射线衍射仪（XRD）测量In0.82Ga0.18As层的晶格常数，检验样品的In组分是否达到要求.使用HITACHI S4800扫描电子显微镜（SEM）观察In0.82Ga0.18As层的表面形貌，分析临界厚度对In0.82Ga0.18As高温层的影响.

2 结果与讨论

临界厚度理论公式：

Matthew-Blakeslee[10]：明确地考虑失配位错，临界厚度表达式来自外延应变力的平衡和由于失配位错的线性张力.

People-Bean[11]：也明确地考虑失配位错，但采用自由能最小化的方法，得到的值比Mat⁃thew-Blakeslee的大，但更接近实验值.

在公式（1）和公式（2）中，b为Burger矢量，a是晶格常数，υ是泊松比，α是位错线与Burger矢量之间的夹角，λ是滑动方向与层面之间的夹角，f是晶格失配度.

根据文[12]，b=4Å，υ＝0.33，cosα=cosλ=0.5，当In组分为0.82时f=0.02，InP衬底的晶格常数a=5.868 7 Å.

公式（1）迭代 10次，hc=34.656 1Å，误差δ=6.941×10-5.

公式（2）迭代 12次，hc=185.282Å，误差δ=4.215 9×10-5.

这样计算出In0.82Ga0.18As/InP的临界厚度理论值约为18.5 nm.

图1根据Matthews-Blakeslee理论和People-Bean理论对不同In组分InxGa1-xAs的临界厚度计算结果Fig.1 The critical thickness of InxGa1-xAs with different In composition as calculated from Matthews-Blakeslee and People-Bean theory

图2（A）-2（D）分别为低温生长层厚度10、20 、50和80 nm的In0.82Ga0.18As样品表面形貌.根据Mat⁃thews[10]的理论，当所生长的薄膜厚度小于临界厚度时,薄膜处于弹性应变.而所生长的薄膜厚度大于临界厚度时,薄膜处于塑性应变.在Gendry[13]的实验中，在450℃生长In0.82Ga0.18As薄膜，它的临界厚度为20.5 nm.在525℃生长In0.82Ga0.18As薄膜，它的临界厚度为11 nm.我们制备的4个样品中，样品A的低温层厚度低于临界厚度；样品B的低温层厚度约等于临界厚度；样品C的低温层厚度高于临界厚度；而样品D的低温层厚度远大于临界厚度.为了深入分析临界厚度对材料性能的影响，在各个低温层样品上面都生长了厚度为1μm、温度在530℃的高温层，并研究高温层的表面形貌.对于样品A，低温层厚度为10 nm，这个厚度小于临界厚度，薄层处于弹性应变状态.但是在此薄层上高温生长的In0.82Ga0.18As表面崎岖.

图2 样品A、B、C和D的表面形貌Fig.2 SEM surface morphology of a In0.82Ga0.18As of sample A,B,C,and D,respectively

表明低温层厚度低于临界厚度时，处于弹性应变的薄层不利于高温层释放由于外延层与衬底之间晶格失配导致的应力，不利于降低高温层的缺陷.对于样品B，低温层厚度为20 nm，这个厚度接近临界厚度，薄层处于弹性应变与塑性应变之间.在此薄层上高温生长的In0.82Ga0.18As表面变得比较平整，但出现交叉平行线和一些小坑.表明低温层厚度接近于临界厚度时，高温层内的应力能有效地释放到低温层中，高温层的质量明显得以改善.对于样品C，低温层厚度为50 nm，这个厚度大于临界厚度，此时薄层处于塑性应变状态.在此种薄层上高温生长的In0.82Ga0.18As表面的交叉平行线消失，但还有一些小坑.表明低温层厚度大于临界厚度时，塑性应变的低温层有利于高温层内的应力释放到低温层中，高温层的质量明显提高.对于样品D，低温层厚度为80 nm，这个厚度远大于临界厚度，在此种薄层上高温生长的In0.82Ga0.18As表面已非常平整，小坑的数量也明显减少.从以上样品分析表明，低温层的厚度小于临界厚度时，处于弹性应变的薄膜不利于高温层应力释放，导致外延层缺陷很多.而低温层的厚度高于临界厚度时，处于塑性应变的薄膜有利于高温层的应力释放，降低外延层的缺陷，改善外延层的质量，进而提高所制备的器件性能.

3 结论

对于异质外延半导体材料，由于外延层材料和衬底材料之间的晶格失配，获得高质量的外延材料非常困难.因此，在国内外，对异质外延技术工艺上，采取了许多研究方法，取得了丰硕的成就.制备In0.82Ga0.18As材料时,由于In0.82Ga0.18As与衬底InP的晶格失配度达到2%，因此解决晶格失配导致的外延材料缺陷非常必要.本文通过研究低温层临界厚度，利用低于临界厚度的低温层处于弹性应变，高于临界厚度的低温层处于塑性应变这个特征，并研究生长在不同特征低温层上的高温层的性能，分析临界厚度对In0.82Ga0.18As高温层的影响.并得到处于塑性应变的低温层有利于高温层的应力释放的结论.对于后续研究In0.82Ga0.18As结构材料的制备工艺非常有价值.

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Study of the Critical Thicknees of In0.82Ga0.18As/InP

ZHANG Tiemin1，MIAO Guoqing2，SUN Qiu3，SUN Shujuan1，FU Jun1，FU Yunliang1
（1.College of Physics and Electronic Engineering，HaiNan Normal University，Haikou571158，China；2.Key Laboratory of Excited State Processes，The Chinese Academy of Sciences，Changchun130021，China；3.Library of HaiNan Normal University，Haikou571158，China）

According to the theory on critical thickness of Matthew-Blakeslee and People–Bean,using Newton itera⁃tive formula,InxGa1-xAs critical thickness with high In components was simulated by computer to get the theoretically In0.82Ga0.18As critical thickness.The In0.82Ga0.18As grown on InP(100)substrates was carried out by low pressure metalor⁃ganic chemical vapor deposition(LP-MOCVD).The thickness of low temperature layer was grown below critical thick⁃ness,equal to the critical thickness,and higher than the critical thickness,respectively,then the In0.82Ga0.18As high tem⁃perature layer was grown in consistent growing conditions.The effect of critical thickness on In0.82Ga0.18As high tempera⁃ture layer was analyzed.

In0.82Ga0.18As；MOCVD；Critical thickness

O 471.1

A

1674-4942（2011）01-0044-03

2010-11-10

海南省教育厅高等学校科研基金项目（Hjkj2010-21）；国家自然科学基金重点项目（50132020）；海南省自然科学基金项目（609002）；海南师范大学学科建设基金项目（0020303020317）

黄 澜