InSb薄膜分子束外延技術(shù)研究

劉 銘，程 鵬，肖 鈺，折偉林，尚林濤，鞏 鋒，周立慶

InSb薄膜分子束外延技術(shù)研究

劉 銘，程 鵬，肖 鈺，折偉林，尚林濤，鞏 鋒，周立慶

（華北光電技術(shù)研究所，北京100015）

InSb材料由于其優(yōu)異的光電性能，一直是軍事領(lǐng)域重要的紅外探測(cè)器材料。而高溫工作是InSb發(fā)展的一個(gè)重要方向，開(kāi)發(fā)分子束外延InSb材料是實(shí)現(xiàn)高溫工作的基礎(chǔ)。本文采用分子束外延工藝生長(zhǎng)獲得了高質(zhì)量的InSb薄膜，通過(guò)金相顯微鏡、X射線雙晶衍射儀、原子力顯微鏡、SEM和EDX等檢測(cè)手段對(duì)InSb外延膜進(jìn)行表面缺陷、晶體質(zhì)量表征和分析，并采用標(biāo)準(zhǔn)的InSb器件工藝制備128×128焦平面探測(cè)器芯片進(jìn)行材料的驗(yàn)證，結(jié)果表明該材料性能可以滿足制備高性能器件的要求。

InSb外延膜；分子束外延；晶體質(zhì)量；128×128

1 前 言

第三代的紅外探測(cè)器逐漸向高性能低成本方向發(fā)展，具體可以概括為：高分辨（大面陣和小像元）、先進(jìn)的讀出電路技術(shù)（數(shù)字化）、高工作溫度（＞77K）、高空間均勻性、高穩(wěn)定性、多光譜。其中實(shí)現(xiàn)高溫工作紅外探測(cè)器是第三代紅外探測(cè)器發(fā)展的一個(gè)重要分支［1］。

為了提高InSb紅外探測(cè)器的工作溫度，國(guó)外已經(jīng)發(fā)展的多種結(jié)構(gòu)的MBE外延型InSb探測(cè)器，在InSb襯底上同質(zhì)外延InSb薄膜，外延薄膜InSb型探測(cè)器器件示意圖如圖1所示，在InSb襯底上外延p＋－n－－n＋結(jié)構(gòu)材料，這樣設(shè)計(jì)（通過(guò)控制摻雜濃度和厚度），使吸收區(qū)可以達(dá)到最高量子效率和最小暗電流［2］。用外延薄膜制作的器件理論上可以使工作溫度提高幾十度［3］。SCD報(bào)道了他們制備的分子束外延InSb材料制備的器件的100K的性能相當(dāng)于體晶80K性能，如圖2所示，并于2007年建立生產(chǎn)線（PICCOLO“C”和GALI）開(kāi)始進(jìn)行批量生長(zhǎng)。在更高的工作溫度時(shí)，有源區(qū)的熱產(chǎn)生成為暗電流的主力源采用In1－xAlxSb材料制作探測(cè)器就會(huì)解決這個(gè)問(wèn)題，對(duì)于組分為1.1%以及給定溫度下，理論預(yù)計(jì)R0A值增加19倍，工作溫度可提高約30K。BAE制備的256×256元In1－xAlxSb探測(cè)器，工作溫度高達(dá)130K。隨著材料生長(zhǎng)技術(shù)的成熟，預(yù)計(jì)工作溫度還可進(jìn)一步提高［2］。

因此開(kāi)發(fā)摻鋁InSb分子束外延技術(shù)，是制備高溫工作紅外探測(cè)器的非常理想的選擇之一。本文主要報(bào)道了華北光電技術(shù)研究所在研制高溫工作摻鋁InSb分子束外延方向的初步研究進(jìn)展InSb薄膜分子束外延研究，并通過(guò)各種測(cè)試手段以及制備器件來(lái)表征材料質(zhì)量。

圖1 pin結(jié)構(gòu)InSb外延材料結(jié)構(gòu)示意圖［3］

圖2 體晶材料和外延材料NETD值對(duì)比［4］

2 實(shí) 驗(yàn)

InSb薄膜分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)研究使用的是自制2英寸InSb（100）晶片。設(shè)備是DCA P600 MBE系統(tǒng)，襯底采用無(wú)銦粘接的方式固定，通過(guò)In、Sn、PbAg標(biāo)定襯底溫度與襯底加熱器熱偶讀數(shù)之間的關(guān)系，經(jīng)標(biāo)定襯底加熱器上熱偶溫度比實(shí)際溫度高50℃左右［5］，本文涉及的溫度均為熱偶溫度。

InSb薄膜分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)的工藝流程如下：InSb襯底采用常規(guī)的InSb晶片的機(jī)械化學(xué)拋光、綜合清洗，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的CP4腐蝕液處理；然后采用干燥的氮?dú)鈱⒁r底吹干，迅速裝入MBE系統(tǒng)中，經(jīng)進(jìn)樣室和緩沖室除氣后，傳送至生長(zhǎng)室；隨后對(duì)InSb襯底進(jìn)行升溫去除氧化層；然后降溫至生長(zhǎng)溫度進(jìn)行InSb薄膜生長(zhǎng)，整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程采用RHEED（高能電子衍射儀）監(jiān)控。

InSb分子束外延膜的晶體質(zhì)量采用在線MBE 20 keV RHEED、X射線高分辨衍射儀（XRD）分析測(cè)試；采用SE（橢偏儀）測(cè)試襯底氧化層厚度；采用原子力顯微鏡（AFM）對(duì)表面粗糙度進(jìn)行測(cè)試；采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）并結(jié)合能譜儀（EDX）對(duì)外延膜表面缺陷進(jìn)行研究；通過(guò)制備像元中心距為50μm，面陣規(guī)格為128×128焦平面器件來(lái)驗(yàn)證材料性能。

3 工藝研究

3.1 襯底制備及其低溫去除氧化層技術(shù)開(kāi)發(fā)

InSb襯底的表面狀態(tài)對(duì)分子束外延InSb薄膜的晶體質(zhì)量影響非常大，外延前必須去除干凈表面氧化層。文獻(xiàn)報(bào)道有效去除表面氧化物的方法是用原子氫在低溫下轟擊InSb襯底表面［6］，但是這種方法需要在1800～2200℃的高溫下將H2裂解為H原子，或采用Astex Ax4300 ECR Plasma設(shè)備在低溫下產(chǎn)生H原子。由于受工藝手段條件所限，變通采用在放入MBE系統(tǒng)之前對(duì)InSb襯底進(jìn)行濕化學(xué)處理，以在襯底表面形成一層較薄的，解析溫度較低的氧化層。表1列舉了不同處理方法表面形貌以及去氧化層溫度，機(jī)械化學(xué)拋光后的襯底去氧化層溫度升高至525℃（InSb熔點(diǎn)），氧化層依然沒(méi)有開(kāi)始去除，同樣采用Br－甲醇處理也是如此；采用CP4處理，表面形貌呈現(xiàn)橘皮狀，不符合MBE使用要求；圖3是經(jīng)改進(jìn)CP4處理后的襯底去氧化層過(guò)程，開(kāi)始裝上襯底時(shí)，表面幾乎無(wú)條紋和衍射斑點(diǎn)；當(dāng)襯底溫度加熱到470℃時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)條紋和點(diǎn)狀衍射花樣；繼續(xù)升高溫度，當(dāng)溫度升高到500℃時(shí)，衍射花樣變成了明亮的條紋，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間以后衍射花紋不再變化，這就說(shuō)明襯底表面氧化層已經(jīng)完全去除。

表1 經(jīng)過(guò)不同的腐蝕劑處理后襯底表面狀況

圖3 去氧化層過(guò)程RHEED圖樣變化

3.2 InSb分子束外延工藝開(kāi)發(fā)

InSb分子束外延工藝最主要的影響因素為生長(zhǎng)溫度、V／III束流比等。

生長(zhǎng)溫度是影響分子束外延材料晶體質(zhì)量的最重要的因素之一，溫度影響各種元素的粘附系數(shù)、生長(zhǎng)速度、背景雜質(zhì)密度、摻雜情況、表面形貌和不同外延層之間的界面。當(dāng)襯底溫度過(guò)高時(shí)，容易造成外延膜化學(xué)配比偏離，引起In析出而形成缺陷，除此外還會(huì)影響外延膜的電學(xué)性能；當(dāng)生長(zhǎng)溫度過(guò)低時(shí)，導(dǎo)致表面層形貌變差，外延膜表面易形成Hillock缺陷（丘狀缺陷），在顯微鏡下觀察如桔皮狀［7］，因此優(yōu)化生長(zhǎng)溫度是外延工藝開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵步驟之一。有文獻(xiàn)報(bào)道［7］，當(dāng)InSb（001）向（111）B偏離2°～3°，不但可將生長(zhǎng)溫度降低，并能阻止Hillock缺陷的形成，得到形貌好的高質(zhì)量光滑的InSb外延膜。課題組通過(guò)采用選擇具有偏角的InSb（100）襯底來(lái)降低生長(zhǎng)溫度，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，得到的優(yōu)化溫度在400～450℃。

V／III族元素的束流比非常關(guān)鍵，不同的束流比對(duì)表面形貌有很大的影響。由于Sb和In原子在襯底表面的粘附系數(shù)和遷移速度不一樣，影響InSb表面的原子排布，從而影響表面原子再構(gòu)情況，最終影響外延膜形核。因此要得到高質(zhì)量的外延膜，必須要選擇一個(gè)優(yōu)化的范圍。通過(guò)RHEED來(lái)監(jiān)控不同束流比下InSb外延膜表面原子再構(gòu)情況，以及通過(guò)外延后外延膜質(zhì)量來(lái)尋找優(yōu)化束流比范圍。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，得到的優(yōu)化束流比在2～3倍左右。

經(jīng)優(yōu)化后的InSb薄膜外延過(guò)程中RHEED圖像如圖4所示，衍射條紋細(xì)而長(zhǎng)。

圖4 經(jīng)優(yōu)化后外延膜的RHEED衍射圖像

4 性能參數(shù)測(cè)試表征分析及器件驗(yàn)證

經(jīng)采用合適的襯底處理工藝、標(biāo)定的生長(zhǎng)溫度和優(yōu)化的V／III束流比，課題組獲得的4μm厚高質(zhì)量的InSb外延薄膜材料如圖5所示，表面光亮平整。

圖5 外延片光學(xué)照片

4.1 雙晶衍射半峰寬

對(duì)2 inch InSb外延片（厚度4μm左右）進(jìn)行了X射線雙晶衍射半峰寬（FWHM）測(cè)試，從衍射曲線（如圖6所示）可以看出，雙晶衍射半峰寬平均值為8arcsec左右，最好值為6.44arcsec，其值可以跟體晶材料雙晶衍射半峰寬（6arcsec左右）媲美，說(shuō)明其外延膜具有很高的晶體質(zhì)量。

圖6 X射線雙晶搖擺曲線

X射線雙晶衍射半峰寬是無(wú)損評(píng)價(jià)晶體晶格質(zhì)量的重要參數(shù)，InSb薄膜材料晶體結(jié)構(gòu)的性能很大程度上依賴(lài)于合適的生長(zhǎng)溫度，不合適的生長(zhǎng)溫度生長(zhǎng)出來(lái)的外延膜晶體質(zhì)量較差，生長(zhǎng)溫度在不合適時(shí)外延出來(lái)的外延膜雙晶半峰寬為70arcsec以上。因此優(yōu)化生長(zhǎng)溫度是獲得高質(zhì)量外延膜的關(guān)鍵技術(shù)之一。同時(shí)，V／III束流比、InSb襯底的質(zhì)量以及去氧化層情況也很大程度上影響著晶體的質(zhì)量，因此要獲得高質(zhì)量的外延材料就必須優(yōu)化這些參數(shù)。

4.2 宏觀缺陷

外延膜的宏觀缺陷起源因素較多，生長(zhǎng)溫度、V／III束流比、襯底表面質(zhì)量以及襯底去氧化層情況。目前通過(guò)優(yōu)化后將大于1μm的外延缺陷可以從3000 cm－2多降到1000 cm－2以下，如圖7所示，（a）為較差的形貌，缺陷較多，（b）為較好的形貌，缺陷較少。

通過(guò)對(duì)缺陷SEM以及EDX分析發(fā)現(xiàn)（如圖8所示），有些缺陷的中心In含量高于正常位置，因此推測(cè)可能是In的偏析起源的，原因可能是去氧化過(guò)程溫度依然有點(diǎn)偏高導(dǎo)致In析出、去氧化層過(guò)程Sb保護(hù)束流偏小導(dǎo)致Sb脫附偏多以及外延過(guò)程Sb／In束流比不是最優(yōu)值導(dǎo)致的。因此下一步工作的重點(diǎn)將從這些因素著手來(lái)進(jìn)一步降低表面宏觀缺陷。

圖7 顯微照片

圖8 缺陷SEM圖

4.3 表面粗糙度

表面粗糙度采用原子力顯微鏡（AFM）測(cè)試，測(cè)試區(qū)域10μm×10μm。從原子力顯微鏡的三維圖上可以看出，當(dāng)表面形貌比較粗糙時(shí)，基本都是呈現(xiàn)小丘狀形貌，對(duì)小丘成分進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn)小丘的主要成分均為In、Sb兩種元素，比例不盡相同，但基本均是Sb元素與In元素的原子數(shù)比略大于1，這可能是由于Sb2原子表面遷移率小，容易在表面堆積造成的，類(lèi)似的分析已有文獻(xiàn)報(bào)道［8］。外延過(guò)程中生長(zhǎng)溫度、Sb／In比以及生長(zhǎng)速率均會(huì)影響Sb2原子在表面的堆積現(xiàn)象，因此要獲得表面粗糙度小的外延膜需優(yōu)化這三個(gè)條件。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的外延膜AFM圖如下，其中獲得較好區(qū)域的粗糙度為RMS（1.1 nm）以及Ra（0.9 nm）。與國(guó)外Galaxy公司2011年報(bào)道［9］的RMS（1.04 nm）以及Ra（0.73 nm）接近。

圖9 AFM測(cè)試結(jié)果圖

4.4 器件驗(yàn)證

為了驗(yàn)證外延膜材料的綜合性能，采用制備器件并通過(guò)測(cè)試器件性能的辦法來(lái)反映材料性能是否具有實(shí)際應(yīng)用的潛能。InSb外延片經(jīng)有機(jī)溶劑清洗后，采用傳統(tǒng)擴(kuò)散的方法制備器件，器件規(guī)格為128×128，像元中心距為50μm。將制備好的器件封裝測(cè)試，積分時(shí)間為300μs，平均峰值探測(cè)率1.59×1011cmHz1／2／W。測(cè)試結(jié)果表明，外延材料可以制備出性能較好的器件，但比最好的體晶制備出來(lái)的器件性能要稍差點(diǎn)，這可能是分子束外延材料與體晶材料由于生長(zhǎng)方式不同造成材料特性上的差異，但制備器件的工藝卻采用了體晶制備的方法，因此可能性能潛能沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái)，后續(xù)還有必要開(kāi)發(fā)出適合分子束外延材料的器件工藝。

5 結(jié) 論

通過(guò)采用改進(jìn)的CP4對(duì)2 inch InSb（100）襯底進(jìn)行濕化學(xué)處理可以獲得分子束外延級(jí)使用的襯底，并在其上采用分子束外延技術(shù)生長(zhǎng)InSb外延膜，通過(guò)優(yōu)化外延工藝參數(shù)，成功獲得了光亮如鏡，高晶體質(zhì)量的InSb外延膜材料。通過(guò)對(duì)該材料的缺陷、晶體質(zhì)量、表面狀態(tài)的測(cè)試分析以及制備128×128探測(cè)器芯片驗(yàn)證，表明2 inch的InSb外延膜材料質(zhì)量已經(jīng)基本達(dá)到制備高性能器件的要求。

致 謝：對(duì)華北光電技術(shù)研究所焦平面專(zhuān)業(yè)部的常米、強(qiáng)宇、王彬、沈?qū)氂瘛x舜國(guó)以及器件中心的相關(guān)人員所做的相關(guān)工作深表感謝！

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Research of InSb film grow th by molecular beam epitaxy

LIU Ming，CHENG Peng，XIAO Yu，SHEWei-lin，SHANG Lin-tao，GONG Feng，ZHOU li-qing
（North China Research Institute of Electro-optics，Beijing 100015）

For the excellent optical and electrical properties of InSb，the InSbmaterial is one of themost important infrared detectormaterials in the field ofmilitary.High operating temperature（HOT）FPAs is an important direction for Infrared detector development，and the developmentofmolecular beam epitaxy InSbmaterial can achieve high-temperature work.High-quality InSb thin film growth by molecular beam epitaxy is presented，and the InSb epitaxial film’s crystal quality characterization and surface defects are analyzed by using optical microscopy，double-crystal X-ray diffraction，atomic forcemicroscopy，SEM and EDX.Standard 128×128 arrays InSb chip is fabricated from thismaterial，and all the results indicate the properties have reached the requirements of high-performance devices. Key words：InSb epitaxial layer；MBE；crystal Quality； 128×128

TN213

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2013.11.12

1001-5078（2013）11-1256-04

劉 銘（1985－）男，碩士，工程師，主要從事紅外探測(cè)器材料分子束外延技術(shù)研究。E-mail：kaka＿851001＠163.com

2013-04-26；

2013-05-21