MEE生長參數對復合襯底材料質量的影響

李 震,高 達,王 叢,胡雨農

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

Si基HgCdTe薄膜材料目前正在向著更大面積以及高晶體質量的方向發展[1]。分子束外延(MBE)Si基CdTe復合襯底材料表面粗糙度(Ra)和半峰寬(FWHM)對HgCdTe最終材料質量影響較大。為了降低Si與HgCdTe之間達到19.3 %的晶格失配,必須在Si與HgCdTe之間生長一層CdTe緩沖層[1-3]。據報道,在Si與CdTe之間,外延一層ZnTe緩沖層,可以保證CdTe層晶向不發生偏轉,降低材料密度,促進二維生長,并減少缺陷的產生。因為ZnTe與CdTe的晶格結構相同,晶格尺寸介于Si與CdTe之間,減小了Si與CdTe之間的晶格失配,有效的抑制了孿晶早期的生長,保持了ZnTe/Si的晶格取向一致。此外ZnTe還具有阻擋位錯,防止位錯延伸到CdTe外延層中的作用[4]。

日本東京NTT電氣通迅研究所Horikoshi等人為了在較低的溫度下生長高質量的外延片,開發了MEE技術。MEE的原理為金屬原子分別依次地由源射向襯底,保證吸附原子在生長表面上的快速遷移[5]。增強表面吸附原子遷移的關鍵是當金屬原子射向襯底時其他的源擋板是關閉的,這樣就可以周期地形成穩定的金屬表面。這種技術最先用于生長AlGaAs-GaAs單量子阱結構,之后被應用在Si基HgCdTe材料生長中。

采用MEE技術生長ZnTe緩沖層,根據其材料體系,這種工藝有利于促進二維層狀生長、降低缺陷的產生和伴隨3D島狀生長的增殖[5]。Si基襯底在高溫脫氧后向生長ZnTe溫度降溫過程中,需要向Si的表面噴一層As以飽和Si表面的懸掛鍵,形成As-Si單原子鈍化層,保證層狀生長,如圖1所示[4,6]。As鈍化后使用MEE生長ZnTe緩沖層,最后通過分子束外延在不同溫度生長多層CdTe薄膜來過濾失配位錯,獲得高質量的CdTe復合襯底[7]。MEE外延ZnTe緩沖層的厚度控制在60個Zn和Te交替層。在外延ZnTe過程中,由于生長溫度和Zn和Te束流值等原因會造成材料質量下降。束流值過小會造成每單層原子遷移不均勻,無法鋪滿整個Si片,產生空位；束流值過大導致表面迅速鋪滿,無空位,固定的生長時間內多原子聚集后形成島狀缺陷,增加材料表面粗糙度。

圖1 Si表面生長ZnTe緩沖層的晶向控制技術Fig.1 Crystal orientation control technology of ZnTe buffer layer grown on Si surface

Lovergine等人[8]的研究表明,通過優化襯底溫度、源束流值大小等生長參數,可以生長表面形貌平坦的ZnTe外延層。根據前期實驗的基礎,我們推測MEE過程中影響材料質量的重要的因素為MEE生長溫度和Zn/Te比。其中Zn/Te比為保持Te束流值不變,只調整Zn束流值的大小來改變數值比；MEE生長溫度選取間隔20 ℃的溫度生長,使實驗覆蓋更大的溫度區間,結果更具有代表性。本文針對這兩個因素設計實驗進行驗證,通過實驗了解MEE生長溫度和Zn/Te比對復合襯底質量的影響,根據測試結果分析如何提高材料質量。

2 實 驗

實驗所使用的MBE外延系統,在超高真空腔體內配備了高純度的固態CdTe、Zn和Te源。使用反射式高能電子衍射儀(RHEED)實時監測衍射條紋變化情況來確定外延薄膜的生長質量。實驗用雙面拋定制Si(211)片。Si片在實驗前采用改進的RCA濕化學清洗工藝進行清洗,減少表面微粒,去除表面的自然氧化層,并用HF進行鈍化后在Si片表面形成一層H鈍化層。H鈍化層需在高溫環境下才能完全脫附。生長流程如下:襯底在高溫去除H鈍化層,As鈍化后,生長一薄ZnTe層,隨后再生長CdTe層,在CdTe的生長過程中,采用周期退火提升外延膜材料質量。

3 結果與分析

下列測試結果圖中測試結果較差的數值用方塊(■)表示,測試結果最優的一個用圓形(●)表示。材料的FWHM與薄膜厚度有一定相關性。如圖2所示[3],CdTe厚度越厚對FWHM的影響越小,而厚度過低則會導致FWHM過大。因此實驗結果應該保證在CdTe厚度相同的情況下進行比較,但是由于復合襯底的外延工藝周期特別長,想要精確得到同樣厚度的材料幾乎沒有可能[9],所以本系列實驗我們選取的外延片厚度都保持在一定范圍內。MEE生長溫度、Zn/Te比等生長條件同時影響著襯底的Ra和FWHM,因此實驗時另外一個生長條件保持不變,之后從測試結果選取相對的最優值。

圖2 CdTe(211)/Si樣品FWHM與外延層厚度的關系Fig.2 The relationship between the FWHM of the CdTe(211)/Si sample and the thickness of the epitaxial layer

圖3 Zn/Te比實驗測試結果Fig.3 Test results of Zn/Te ratio experiment

圖4 MEE生長溫度測試結果Fig.4 MEE growth temperature test results

為了補充驗證束流值對材料質量的影響,增加了一組調整Zn源與Te源束流值大小的實驗。按照上述最優比值同時調整Zn和Te束流值大小進行第三組實驗。

Zn值對比的Ra與FWHM關系如圖5所示,從測試結果可以得出:總體來看,這一系列實驗因實驗數據不足得出的結果毫無規律,不能驗證改變束流強度值是否會影響材料表面質量。但是從另一個角度看,這一實驗驗證了Zn/Te比值是影響材料質量的其中一個因素,后續可以對這一方向進行更深的研究。

圖5 Zn與Te束流強度值測試結果Fig.5 Zn and Te beam intensity test results

從以上三組外延實驗的結果來看,雖然樣本較少,但是對影響MEE過程中材料質量的兩個個因素得到了驗證,綜合對半峰寬和表面粗糙度兩個目標值的分析,通過測試結果對比,兼容兩者的最優值,該系列實驗最優的外延工藝參數,如表1所示。

表1 最優生長參數Tab.1 Optimal growth parameters

根據表1 的最優生長參數生長了只有一薄層CdTe材料的實驗片。外延過程同上,CdTe層設計厚度50 nm。粗糙度測試結果使用更為精細的原子力顯微鏡(AFM)進行測試,測試區域50 μm×50 μm,Ra為0.53 nm。圖6為AFM測試結果圖,可以看到表面較為平整,粗糙度很低,證明上述得出的最優生長參數是可以提高材料質量的。

圖6 AFM測試結果Fig.6 AFM test results

4 結 論

對MEE過程中涉及到的影響材料質量的MEE生長溫度和Zn/Te比進行研究,補充進行不同大小束流值實驗,并對得出的生長參數進行驗證,尋找到MEE生長參數對復合襯底材料質量的影響因素,優化了工藝參數。將來如果需要進一步提高材料質量,應該使用更加先進的生長方法,深入尋找影響材料質量的因素,這將在其他的文章中進行討論。