分子束外延InSb薄膜缺陷分析

周 朋，劉 銘，邢偉榮，尚林濤，鞏 鋒

(華北光電技術研究所，北京100015)

1 引言

隨著紅外探測器技術的發展以及軍事的需求，第三代紅外探測器逐漸向高性能、低成本、高溫工作、雙多色方向發展。其中，實現高溫工作是第三代紅外探測器發展的一個重要分支［1］。InSb由于其優異的光電性能而成為制備高性能中波(3～5μm)探測器的首選材料之一。

使用分子束外延技術制備InSb紅外探測材料是目前比較先進的方法。在分子束外延過程中，由于受襯底質量、外延溫度、V/III束流比、生長速率等因素的影響，外延材料上會產生多種缺陷，這些缺陷將成為載流子的復合中心而增加器件的暗電流，嚴重影響探測器性能［2］。如何降低外延缺陷成為InSb基分子束外延技術開發的難點。

本文對InSb分子束外延薄膜中的各種缺陷進行歸類分析，對其產生機理進行探討，并找出外延缺陷的起因和消除方法，從而降低了InSb材料的外延缺陷，進而達到減小器件的暗電流，實現紅外探測器高溫工作的目的。

2 實驗

InSb薄膜分子束外延生長技術研究使用的是自制的2 in InSb(100)晶片。設備為 DCA P600 MBE系統，襯底采用無銦粘接的方式固定。通過標定，加熱器熱偶溫度比實際溫度高50℃左右［3］。本文實驗所涉及的溫度均為熱偶溫度。

InSb薄膜分子束外延生長技術的具體步驟如下:InSb襯底經過常規的InSb晶片的機械化學拋光、綜合清洗之后，經過改進的CP4腐蝕液處理，在表面形成一層保護的氧化層膜;然后采用干燥的氮氣將襯底吹干，迅速裝入MBE系統中，經進樣室和緩沖室除氣后，傳送至生長室;隨后對InSb襯底進行升溫，溫度升高至570～580℃去除氧化層，時間在15min以上;然后降溫至生長溫度進行InSb薄膜生長，不同外延片的生長條件如表1所示。整個生長過程采用在線20 keV反射式高能電子衍射儀(RHEED)監控。

表1 不同外延片的生長條件

InSb分子束外延膜的晶體質量采用X射線高分辨衍射儀(XRD)分析測試，XRD采用CuKα1特征譜線，單色器采用四個 Ge(220)晶體;采用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)并結合能譜儀(EDX)對外延膜表面缺陷進行研究;并采用聚焦離子束(FIB)轟擊特定缺陷觀察其截面圖。

3 結果及分析

通過對各外延片缺陷的觀察分析得出，InSb外延片的缺陷主要分為以下幾類:

3．1 Sb 空缺

Sb空缺的宏觀表現為成對出現的三角形坑，其顯微圖片如圖1所示。圖中可以看出，Sb空缺在外延片邊緣更為明顯，坑的數量隨著遠離邊緣的距離減少，并且形態也發生了變化，有逐漸平緩的趨勢。本實驗中，Sb空缺在V/III為3的外延片上的數量遠大于V/III為5的外延片。由此可知，此類缺陷是由于Sb束流不足導致的。在外延生長過程中，InSb中的Sb原子很容易揮發出來，因此，在外延過程中需要適當提高Sb束流的比例;此外，在生長空隙(如去氧化層、退火等)時也需要Sb束流保護。如果Sb束流不足，就會形成Sb空缺。由于邊緣位置的束流會略小于中心位置，邊緣處的缺陷數量有所增加。減少此類缺陷的方法為適當的增加V/III束流比。

圖1 Sb空缺的顯微照片

3．2 In 滴

此類缺陷呈液滴狀，尺寸很小，一般在5μm左右，用金相顯微鏡很難觀察到，其SEM形貌如圖2所示。經能譜測試，液滴處的In含量為100%，因此可以確定該缺陷為In滴。在去氧化層的過程中，襯底溫度可以達到580℃(熱偶溫度)左右，已經接近InSb的熔點535℃。根據In－Sb相圖(如圖3［4］所示)可知，如果外延時 Sb揮發以致 Sb、In比例失衡，In－Sb化合物的熔點會有所降低，使得化合物更容易融化，而液態的化合物中，Sb更易揮發，最終形成熔化的In滴懸掛于外延片下方。此類缺陷由于Sb束流不足與去氧化層溫度過高共同導致，外延片的邊緣位置不僅Sb束流偏小，而且溫度也稍高于中心位置，因此In滴在邊緣處聚集。本實驗中，編號為1306的外延片上In滴最多，1302次之。通過增加V/III比或者適當降低去氧化層溫度可以減少此類缺陷。

圖2 In滴的SEM圖

圖3 Sb－In相圖

3．3 In 偏析

通過對外延片表面SEM分析發現，有些缺陷有明顯的核心，其SEM形貌圖如圖4所示。EDX顯示核心位置的In含量高于正常位置，由此確定該缺陷是由In偏析造成的［5］。核心的尺寸在2～10μm之間，超過了外延層厚度(3～5μm)，故推斷此類缺陷產生在外延之前，即去氧化層的過程中。其形成原因與In滴類似，由于去氧化層時溫度偏高，導致Sb、In比例失衡，但In偏析程度不高，核心中的Sb原子并未完全揮發，而是形成了核心，對周圍的外延原子產生影響。通過降低去氧化層的溫度、增加V/III比，可以控制此類缺陷的產生。

圖4 帶核心的缺陷SEM圖

3．4 蟲洞

在金相顯微鏡下可以發現外延片表面有一些較深的小洞，其形貌類似于蟲洞，尺寸多在10～20μm之間，但也有個別的尺寸達到200μm以上。圖5為蟲洞缺陷的金相顯微圖片和SEM形貌圖。通過觀察用FIB轟擊蟲洞后的截面SEM圖片(如圖6所示)可以看出，蟲洞起源于襯底位置。編號為1301的襯底由于其表面質量稍差，在外延后形成了大量的蟲洞，并且沿著磨拋留下的線形痕跡分布，其他外延片上也有少許蟲洞，推測為襯底表面的雜質導致的。蟲洞的形成原因為:襯底上存在應力中心，對四周的外延原子形成了影響，使這些原子外延過程中逐漸長成圓形。而襯底上的雜質，以及襯底在磨拋過程中產生的劃痕，均可以充當應力中心。此類缺陷的消除方法是選用光滑的、無劃痕和雜質的襯底。

圖5 蟲洞缺陷的金相顯微圖和SEM形貌圖

圖6 蟲洞經過FIB后的形貌

3 ．5 晶格完整性缺陷

X射線雙晶衍射半峰寬是無損評價晶體晶格質量的重要參數，通過雙晶XRD衍射的半峰寬可以從側面反應材料中的晶格完整性，其原理為:當晶體材料中有位錯等缺陷時，晶體的周期性被破壞，倒易點變為不規則球，對應衍射峰為測量方向與該倒易球的截線。而點缺陷并不會導致半峰寬的展寬［6］。通過采用退火或者使用緩沖層技術，可以有效減少位錯。本實驗外延薄膜的X射線雙晶衍射曲線如圖7所示，其半峰寬在8 arcsec左右，最好值為6．44 arcsec，其值可以跟體晶材料的半峰寬(6 arcsec左右)媲美，說明其位錯密度比較低。

圖7 X射線雙晶衍射曲線

4 結論

本文介紹了InSb分子束外延材料中存在的一些主要缺陷的特征、起因和消除方法等。通過分析發現，缺陷的來源可分為來源于襯底和來源于工藝過程兩大類。其中來源于襯底的缺陷主要為襯底表面被污染、襯底上有劃痕以及去氧化層過程中處理不當引起的，而來源于工藝過程的缺陷主要由生長過程中V/III比例過小以及生長溫度偏高等引起。

因此，要獲得高質量的InSb分子束外延薄膜，首先要選用完好的襯底，并且配備合適的襯底處理工藝，使得襯底在外延前缺陷和污染程度降到最低。其次要控制好生長條件，經過對多片外延片上的缺陷分析得出，最好的生長溫度在470℃左右，超過此溫度時，In偏析缺陷明顯增多，而V/III比至少在3以上才能保證外延后不會出現大量的Sb空缺和In滴。經過優化后的材料缺陷(1μm以上)密度最低值降到483 cm－2。

致 謝:在此對華北光電技術研究所焦平面專業部材料中心的強宇、王彬、折偉林、沈寶玉、李達以及器件中心的楊雅茹、付偉等人所做的相關工作深表感謝!

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