压强对GaSb/GaAs量子点形貌各向异性的影响

徐德前， 徐佳新， 庄仕伟， 李国兴， 张宝林

(集成光电子学国家重点实验室 吉林大学电子科学与工程学院， 吉林 长春 130012)

1 引 言

Ⅲ-Ⅴ族Sb化物半导体由于其独特能带结构、有效质量小、电子迁移率高的特性，在超高速低功耗器件和红外光电器件等领域有着重要应用[1-4]。GaSb/GaAs量子点(QDs)系统，其Ⅱ型异质能带结构可有效抑制俄歇复合效应，提高器件性能，因而引起了研究者的广泛关注；而且GaSb量子点与InGaAs/GaAs量子阱结合，器件波长可达1.7 μm[5]，因而在近红外波段具有重要应用。GaSb/GaAs量子点的生长通常采用层-岛(S-K)模式，量子点界面处以60°位错为主导，容易导致外延层中产生大的穿透位错密度[6-7]，而穿透位错以非辐射复合中心的形式降低器件性能。IMF生长模式以90°位错为主导，与传统的S-K生长模式相比，应变只在界面处释放并且位错有很强的局域性[8]，可以实现密集的量子点叠层生长，从而显著增强光子吸收。同时有文献表明，与S-K生长模式相比，IMF模式生长GaSb/GaAs界面穿透位错密度降低了两个数量级(～5×105cm-2)[9]，生长的GaSb/GaAs量子点穿透位错密度更低，有利于器件性能的改善。相关研究表明，界面失配(IMF)生长模式主要由温度和晶格失配主导，温度为520 ℃时，为纯净的90°失配位错，温度大于560 ℃时为60°位错[7,10]；衬底与外延层低应变(<2%)时产生60°位错，中等应变(3%～4%)产生90°和60°混合位错，大应变(>6%)形成90°位错[11-12]。

通过改变生长参数，GaSb/GaAs量子点可以实现S-K或IMF模式无应力生长[13]。采用MOCVD工艺实现以90°位错主导的IMF模式进行外延生长时，要求生长温度低(约520 ℃)，晶格失配大(>6%)，以及气相Ⅴ/Ⅲ比高。对于锑化物的MOCVD生长，由于Sb的饱和蒸汽压低而具有特殊性，Ⅴ/Ⅲ比的选取相对较低(1<Ⅴ/Ⅲ<3)。由于IMF生长模式为准二维生长模式，相比S-K三维生长模式，<110>晶向的各向异性对GaSb量子点生长的影响被放大，导致GaSb量子点沿[110]方向被拉长[14]。Hiroyuki Sakaki等研究发现低的Ⅴ/Ⅲ比可以抑制GaSb/GaAs量子点的各向异性[15-16]，但与IMF生长模式高Ⅴ/Ⅲ比的要求相矛盾。我们通过实验也发现增大源输入流量可以在一定程度上抑制GaSb/GaAs量子点的各向异性，但高的生长速率导致量子点的生长过程难以调控，并且容易引入堆垛形貌而降低器件性能。

本文采用低压金属有机物化学气相沉积(LP-MOCVD)技术制备了GaSb/GaAs量子点样品，通过Sb表面处理改变表面自由能来实现准二维的IMF生长模式。通过不同压强下样品表面形貌的对比，研究了反应室压强对IMF模式生长的GaSb/GaAs量子点各向异性的影响。

2 实 验

采用水平反应室的LP-MOCVD在GaAs衬底上基于IMF生长模式制备了GaSb量子点结构，GaAs衬底为(001)偏(110)方向2°的斜切半绝缘单晶片。三甲基镓(TMGa)为Ⅲ族源(输入流量为4.9 μmol/min)，三乙基锑(TESb)为V族源(输入流量为3.6 μmol/min)，载气为H2。对应上述IMF模式的MOCVD生长条件要求，本实验生长温度设为500 ℃，晶格失配(7.8%)满足IMF生长模式要求，气相Ⅴ/Ⅲ比为0.7，生长前采用Sb表面处理方法在界面处形成Sb原子富集，进而使生长初期的Ⅴ/Ⅲ比高，有利于形成IMF生长模式。反应压强分别为10，7，5，4，3 kPa，样品依次标记为S1、S2、S3、S4和S5。GaSb量子点临界厚度约为2.5 ML(monolayer)，由于压强的变化GaSb在不同压强下的生长速度(约为0.036～0.5 ML·s-1)发生改变。500 ℃通入Sb源(输入流量为1.8 μmol/min)，进行5 s的Sb表面处理，通过Sb表面处理形成富Sb(2×8)重构表面[17-18]，在界面处诱导产生周期性90°失配位错，实现准二维的IMF模式的GaSb/GaAs量子点生长。降温时通入Sb源(输入流量为1 μmol/min)，抑制外延GaSb材料中Sb的解吸附效应。

实验采用布鲁克公司的原子力显微镜(AFM) (ICON-PT,Veeco)表征各样品表面形貌。采用轻敲模式进行测试，SiC探针的共振频率约为300 kHz。

3 结果与讨论

图1 (a)不同压强下制备的GaSb/GaAs量子点AFM形貌图。S1：10 kPa,S2:7 kPa,S3:5 kPa,S4:4 kPa,S5:3 kPa。 (b)随压强变化的GaSb量子点密度和各向异性岛的长宽比。

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.

图2 GaSb各向异性岛不同{111}面的生长机制[18]，其中蓝色面为{111}B面，红色面为{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.

图3 GaAs衬底(001)偏[110]方向2°时的表面台阶

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

图4 GaAs衬底表面富Sb的2×8表面重构[17]

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

4 结 论

本文采用LP-MOCVD技术与Sb界面处理方法，基于IMF生长模式制备了GaSb/GaAs量子点。实验结果表明：(1)采用IMF生长模式生长的量子点形貌存在明显的各向异性，量子点的形貌近似为长方体，生长模式为准二维(2D)模式。(2)降低压强可以有效抑制GaSb量子点沿<110>方向的各向异性，压强为4 kPa时量子点密度最大，量子点长宽比从10 kPa时的3.5降低至1。(3)反应室压强变化对量子点生长机制有着重要影响。通过降低压强，一方面增大{111}A面Ga原子的解吸附作用，可以降低沿[110]方向的生长速率而抑制各向异性生长；另一方面降低了吸附原子的扩散激活能，增大扩散长度，从而抑制衬底台阶取向和表面重构带来的各向异性生长。