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长波InAsSb材料的结构特性研究

2012-09-05杜传兴高玉竹龚秀英方维政

电子与封装 2012年1期
关键词:失配外延衬底

杜传兴,高玉竹,龚秀英,方维政

(1.同济大学电子与信息工程学院,上海 201804;2.中国科学院上海技术物理研究所,上海 200083)

长波InAsSb材料的结构特性研究

杜传兴1,高玉竹1,龚秀英1,方维政2

(1.同济大学电子与信息工程学院,上海 201804;2.中国科学院上海技术物理研究所,上海 200083)

用熔体外延(ME)法在InAs衬底上生长了InAsSb外延层,用扫描电子显微镜(SEM)观察了样品的横截面,并测量出外延层的厚度达到100µm,用X-射线衍射(XRD)谱研究了InAsSb外延层的结构性质。测量结果表明,InAs /InAs0.023Sb0.977单晶具有相当完美的晶体取向结构及良好的结晶质量,这可能得益于100µm的外延层厚度基本消除了外延层与衬底之间晶格失配的影响。电子探针微分析(EPMA)测量的元素分布图像显示,Sb(锑)元素在外延层中的分布相当均匀。

InAsSb;熔体外延;结构性质;组分分布

1 引言

工作在长波红外波段(波长5µm~8µm、8µm~12µm)的红外探测器在遥感、夜视、通信、工业探伤、红外制导、红外遥感、环境监测及资源探测等方面有着广阔的应用前景。目前,在8µm~12µm波段主要使用低温工作的Ⅱ-Ⅵ族的HgCdTe(碲镉汞)探测器,但是HgCdTe晶体还存在着结构完整性差、合金组分不均匀等缺点。三元合金InAs1-xSbx在常规的Ⅲ-Ⅴ族化合物中具有最小的禁带宽度(0.1eV),因此该材料在室温下截止波长能达到8µm~12µm,并且具有高电子迁移率和良好的化学稳定性[1],因此非常适合于制作中红外探测和发光器件。研究InAsSb材料的结构特性,提高材料的晶体质量具有重要的意义。

但是由于8µm~12µm波段的InAsSb外延层与二元化合物之间没有合适的衬底材料,要得到高质量的InAsSb外延单晶相当困难。用分子束外延(MBE)[2]、低压有机化学气相淀积(LP-MOCVD)[3]和液相外延(LPE)[4]技术生长出了截止波长8µm~12µm的InAsSb外延薄膜,外延层的厚度为2µm~10µm。但是由于受到外延层与衬底之间大的晶格失配度的影响,在上述薄膜中观测到的位错密度高达107cm-2~109cm-2,室温电子迁移率<40 000 cm2/Vs,严重地影响了探测器的性能。

本文采用熔体外延(ME)法在InAs衬底上生长InAsSb外延层,外延层的厚度可以达到100µm。此厚度足以消除外延层与衬底之间的晶格失配的影响,使InAsSb外延层的位错密度降低到104cm-2量级[5],比上述InAsSb薄膜的位错密度低3个数量级以上。室温电子迁移率大于50 000cm2/Vs。XRD和SEM的测量结果表明,InAsSb外延层为单晶,并具有良好的结晶质量。EPMA测量的元素分布图像显示,外延层中的组分分布均匀性较好。

2 实验

InAsSb外延材料是在常规的液相外延系统中,用熔体外延法在InAs衬底上、在高纯氢气氛中生长的。原材料采用99.999 99%的In、Sb和非掺杂的InAs多晶,衬底是(100)取向的n型InAs单晶。样品的溶液组分是InAs0.04Sb0.96,生长温度约为590℃,降温速率为0.5℃/min,用熔体外延(ME)法生长InAsSb晶体的过程详见参考文献[6]。材料生长结束后,取出样品,用白刚玉粉把表面磨抛至镜面光滑,以用于特性测试。

用扫描电子显微镜(SEM)观察了InAs/InAsSb样品的横截面,并测量了外延层的厚度。测量了样品的X-射线衍射(XRD)谱,估算了材料的晶格常数和固体组分,并用电子探针微分析(EPMA)研究了样品中的元素分布情况。

3 结果与讨论

用扫描电子显微镜(日立S-4700),在加速电压10kV、发射电流8500nA、工作距离11.4mm、放大倍数100倍下,观察了熔体外延法生长的InAsSb样品的横截面,图1示出用SEM拍摄的一块InAs/InAsSb样品的横截面照片。由于外延层与衬底之间的大的晶格失配,导致InAsSb外延层与InAs衬底之间的交界线并不平直,如图1所示,InAsSb外延层的厚度达到100µm,这是用MBE及MOCVD技术无法得到的,此厚度足以消除外延层与衬底之间晶格失配的影响,导致从表面到厚度约60µm的外延层,结构完整、结晶质量良好。

图1 InAs/InAsSb样品的横截面照片

图2示出用X-射线粉末衍射仪(Rigaku D/MAX-2200PC,Cu barn),在电压40kV、电流40mA下测量的InAs/InAsSb样品的X-射线衍射(XRD)谱。图中清晰地显示出InAsSb外延层的(400)和(200)衍射峰,无其他晶面的晶体结构,这表明外延层为单晶,并具有相当完美的晶体取向结构。InAsSb外延层的生长方向与InAs衬底的表面方向一致,均为(100)晶向。由于用熔体外延法生长的InAsSb外延层的厚度达到100µm(见图1),因此没有观察到InAs衬底的衍射峰。外延层的(400)衍射峰的峰型尖锐,其半高宽为162弧度秒,表明InAsSb晶体具有良好的晶体结构。

图2 InAsSb样品的XRD谱

根据Bragg定律,计算出图2中InAsxSb1-x外延层的晶格常数为0.64692nm,外延层中的As摩尔组分可利用下式估算:

式中,x是外延层中的As摩尔组分,a为晶格常数。用(1)式计算出x为0.023,因此外延层的固体组分为InAs0.023Sb0.977。并且,可计算出InAs0.023Sb0.977外延层与InAs衬底之间的晶格失配度为:

其中,Δa为InAs0.023Sb0.977外延层与InAs衬底的晶格常数之差,InAs的晶格常数为aInAs=0.605 84nm。

用型号为JEOL JXA-810的电子探针微分析仪,在20kV的电压下,测量了InAs/InAsSb样品的横截面中的组分分布趋势。图3示出了测得的另一块InAsSb样品的横截面电子图像,在这块样品的外延层中用EPMA测得的As的原子百分数为7.18%。如图3所示,由于大的晶格失配,InAsSb外延层和InAs衬底之间的交界线并不平直。图4~图6分别示出了In、As和 Sb在样品横截面中的EPMA分布图像。从图4可以看出,由于在外延层和衬底中都含有In,In在样品中的分布趋势基本没有变化。从图5可以看出,在InAs衬底中As的分布明显多于InAsSb外延层,这是由于在外延层中的As的摩尔分数只有7.18%,因此相对于外延层,As富集于衬底。从图6可以看出,Sb集中分布于外延层,并且Sb在外延层中的分布是相当均匀的。在图6中,在InAs衬底中很少的白点是EPMA测试的噪音点,也就是在衬底中不存在Sb。

图3 InAs/InAsSb样品的横截面电子图像

图4 用EPMA测量的样品横截面中的In

4 结论

用熔体外延(ME)法生长了InAs/ InAsSb外延单晶,InAsSb样品的SEM横截面照片显示,外延层的厚度达到100µm,从表面到厚度约60µm的外延层的结构完整、结晶质量良好。由于外延层的厚度足以消除外延层与衬底之间晶格失配的影响,因此XRD谱表明InAsSb外延层为单晶,并具有良好的晶体质量。用EPMA测量的元素分布图像显示,在外延层中的组分分布是相当均匀的,这些特性研究为研制8µm~12µm波段的InAsSb红外探测器打下了基础。

图5 As的分布图像

图6 Sb的分布图像

[1]李晓婷,王一丁,汪韬,等. GaSb衬底上外延InAsxSb1-x材料的LP-MOCVD研究[J]. 光子学报,2005,34 (9):1363-1366.

[2]Chyi J –I, Kalem S, Kumar N S, et al. Growth of InSb and InAs1-xSbxon GaAs by molecular beam epitaxy[J].Appl. Phys. Lett., 1988, 53 (12)∶ 1092 - 1094.

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[6]Gao Y Z, Kan H, Gao F S. Improved purity of longwavelength InAsSb epilayers grown by melt epitaxy in fused silica boats[J], J Cryst Growth, 2002, 234∶ 85-90.

Studies on Structural of Long Wavelength Infrared InAsSb Materials

DU Chuan-xing1, GAO Yu-zhu1, GONG Xiu-ying1, FANG Wei-zheng2
(1.College of Electronics and Information Engineering, Tongji University,Shanghai201804,China;2.Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences,Shanghai200083,China)

The InAsSb epilayers were successfully grown on InAs substrate using melt epitaxy(ME). The cross section of an InAsSb sample was observed by SEM, and the result showed that the thickness of InAsSb epilayer reaches 100µm. The structural property of InAsSb epilayer were researched by X-ray diffraction(XRD)spectra. The results demonstrates that the InAs/InAs0.023Sb0.977epilayer have fairly perfect crystal orientation structure, and the results indicate the high quality of InAsSb epilayers. All this may benef i ted from the inf l uence of lattice mismatch between the InAsSb epilayer and the InAs substrate were almostly eliminated because of the thickness of InAsSb epilayers reaches 100µm. A fi gure of distribution tendency of compositions measured by an electroprobe microanalyzer(EPMA)observes that the distribution of Sb in InAsSb epilayer is fairly homogeneous.

InAsSb; melt epitaxy; structural property; compositions distribution tendency

TN304

A

1681-1070(2012)01-0014-03

2011-10-10

杜传兴(1989—),男,江西九江人,微电子学与固体电子学专业硕士研究生,研究方向为Ⅲ-Ⅴ族红外材料及光电探测器。

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