GaSb襯底上InAsSb材料的電學性能研究

孫慶靈， 姚官生， 曹先存， 王　祿， 王文奇， 孫　令， 王文新， 賈海強， 陳　弘

(1.中國科學院物理研究所， 北京　100190； 2.中國空空導彈研究院， 河南 洛陽　471009)

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GaSb襯底上InAsSb材料的電學性能研究

孫慶靈1， 姚官生2， 曹先存2， 王祿1， 王文奇1， 孫令1， 王文新1， 賈海強1， 陳弘1

(1.中國科學院物理研究所， 北京100190； 2.中國空空導彈研究院， 河南 洛陽471009)

采用分子束外延(MBE)法在GaSb襯底上生長了不同組分的InAsSb外延膜。通過引入AlGaSb插層,實現對導電GaSb襯底上InAsSb材料電學性質的定性表征,并研究了生長溫度和晶格失配對InAsSb外延層電學性能的影響。測試結果表明,在較低生長溫度下獲得的樣品表面會形成缺陷,且其電學性能較差。對于一定晶格失配的樣品,提高生長溫度能獲得較好的電學性能。

InAsSb;電學性能;分子束外延

0　引　　言

InAsSb材料是一種禁帶寬度很窄的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料。 由于良好的材料特性， 其在高電子遷移率晶體管[1]、 紅外激光器[2-3]和紅外探測器[4-5]等領域有很大的應用前景。 InAsSb材料的帶隙在室溫下可覆蓋3～12 μm波長[6]， 這個波長范圍包含中波紅外和長波紅外， 所以， InAsSb材料在紅外探測波長方面有很大的可調性。

InAsSb材料具有高的電子遷移率和本底濃度。 由于其禁帶寬度較窄， 在制作紅外探測器時， 使器件具有較高的暗電流。 Maimons等[7]提出了基于InAsSb的nBn型紅外探測器， 這種結構可以降低暗電流， 提高工作溫度， 使InAsSb基nBn型紅外探測器得到廣泛關注。 然而， 高質量的外延膜是器件制作的基礎， InAsSb材料較高的本底濃度對器件暗電流有很大影響。 所以， 本實驗通過霍爾測試來研究生長條件對其電學性能的影響。

InAsSb基nBn型紅外探測器結構一般生長于GaSb襯底上， 這是因為InAsSb與GaSb晶格失配小， 在Sb含量為9%時， 兩者晶格是匹配的。 但是， 半絕緣的GaSb襯底很難制備， 這使得GaSb襯底上InAsSb外延膜的電學性能難以測試。 可以使用其他半絕緣的襯底， 例如GaAs。 但這類襯底與外延膜間的晶格失配較大， 造成的缺陷對外延膜電學性能的測試有很不利的影響。 因此， 選用與外延膜晶格失配小的GaSb襯底， 采用高Al組分的AlGaSb插層來消除p型襯底對電學性能測試的影響。

1　實　　驗

樣品的外延生長是在固態源分子束外延設備(VG Semicon V80)中進行的， 在外延生長時Ⅴ族元素以As2和Sb4分子形式噴射出來。 外延膜的生長速度為6 000 ?/h， 通過改變Sb束流獲得了不同組分的外延膜。 由于半絕緣的GaSb襯底很難制備， 本實驗采用p型GaSb襯底。 為降低襯底對InAsSb外延層的影響， 在襯底上生長了200 nm的Al0.8Ga0.2Sb插層。 InAsSb外延層的厚度為3 μm。 不同條件下生長了三個樣品， 研究生長溫度和晶格失配對其電學性能的影響， 如表1所示。

表1中， 樣品A， B的組分相同， 生長溫度不同。 樣品C的組分為9%， 與襯底晶格相匹配。 使用掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線衍射儀(XRD)對樣品表面形貌和晶體質量進行表征， 采用范德堡方法測試了室溫(300 K)和低溫(77 K)下樣品的遷移率和載流子濃度。

表1　InAsSb外延層的電學性能結果

2　結果與分析

三個樣品的掃描電子顯微鏡(SEM)照片如圖1所示。

圖1InAsSb外延層的SEM照片

可以看出， 樣品A， B的表面沒有明顯缺陷， 樣品C表面有明顯的較大的多晶缺陷。 對比三個樣品的生長條件可知， 這種表面缺陷是由于生長溫度較低引起的。 較低的生長溫度使得InAsSb生長過程中In原子表面遷移能力很弱， 很容易聚集長大， 形成多晶顆粒。

采用X射線衍射儀對樣品的晶體質量進行表征， 通過外延膜半高寬的大小可以判斷晶體的質量， 如圖2所示。 對于組分為3%的兩個樣品， 在420 ℃下生長的晶體質量比低溫下要好。 對于組分為9%的樣品， 由于其與襯底的晶格相匹配， 故晶體質量最好。

圖2樣品的X射線搖擺曲線對比

在半絕緣GaAs襯底上生長的InAsSb的電學性能已有文獻報道[8-10]。 InAsSb與GaAs有7.2%到14.5%的晶格失配度。 對于較大晶格失配的外延體系， 可通過生長過渡層或組分漸變層來生長外延膜。 外延層與襯底間的晶格失配會引起外延膜晶體質量變差， 對電學性能結果產生影響。 由于InAs0.91Sb0.09與GaSb襯底是晶格匹配的， 采用GaSb襯底可以極大地消除晶格失配的影響, 使霍爾測試能夠得到較準確的電學結果。 對比表1中樣品A和B可以看出， 同樣的組分下， 較高的生長溫度下得到的樣品的遷移率高， 載流子濃度較低。 這是因為較高的溫度有利于生長過程中In原子的表面遷移， 實現均勻生長， 從而使得樣品的晶體質量較好。

對于生長溫度不同的A， B， C三個樣品。 A， B兩個樣品組分都為3%， 均與襯底有一定的失配。 樣品C組分為9%， 與襯底晶格匹配。 樣品C的生長溫度較低， 雖然在外延生長時， 晶格相匹配的外延膜的晶體質量較好， 但從本實驗結果可以看出， 生長溫度對InAsSb的電學性能有很大影響。 即使對于晶格相匹配的InAs0.91Sb0.09， 在較低的生長溫度下， 由于In原子的遷移能力弱， 得到的外延層的質量較差， 形成的缺陷較多， 使得載流子濃度較高， 遷移率較低。 低溫生長樣品表面形成的缺陷可以通過掃描電子顯微鏡照片看出， 這種表面缺陷是由于生長溫度過低引起的。

3　結　　論

對GaSb襯底上不同生長條件下得到的InAsSb外延層進行了對比分析。 在較低生長溫度下得到的樣品表面有明顯缺陷。 霍爾測試表明， 對于相同組分的InAsSb材料， 提高生長溫度有利于電學性能的改善。 即使外延層與襯底存在晶格失配， 提高生長溫度， 也能獲得較好的電學性能。

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Research on the Electrical Property of InAsSb Films on GaSb Substrates

Sun Qingling1, Yao Guansheng2, Cao Xiancun2, Wang Lu1, Wang Wenqi1,Sun Ling1, Wang Wenxin1, Jia Haiqiang1, Chen Hong1

(1.Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190, China;2.China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

InAsSb epitaxial films are grown on GaSb substrates by Molecular Beam Epitaxy (MBE).By utilizing a AlGaSb interlayer, the qualitative characterization for the electrical property of InAsSb films on GaSb substrates is realized, and the effect of growth temperature and lattice mismatch on the electrical properties of InAsSb films are studied. Test results show that surface defects are formed on the samples with low growth temperature, and the electrical property is poor. For the lattice mismatch samples, the better electrical property can be obtained by improving growth temperature.

InAsSb; electrical property; MBE

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.03.013

2015-07-22

航空科學基金項目(20142435001)； 中國博士后科學基金項目(2014M560936)； 總裝共用技術基金項目(9140A12050414ZK33-001)

孫慶靈(1985-)， 男， 安徽阜陽人， 博士研究生， 研究方向為Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的外延生長。

TN213

A

1673-5048(2016)03-0059-03