InSb分子束外延原位掺杂技术研究

刘 铭,邢伟荣,尚林涛,周 朋,程 鹏

(华北光电技术研究所,北京 100015)

·红外材料与器件·

InSb分子束外延原位掺杂技术研究

刘 铭,邢伟荣,尚林涛,周 朋,程 鹏

(华北光电技术研究所,北京 100015)

对InSb分子束外延薄膜的本征掺杂、N型掺杂以及P型掺杂进行了研究,其中分别以Be作P 型以及以Si、Te作N 型的掺杂剂。实验采用半绝缘的GaAs衬底作为InSb分子束外延用衬底,通过采用低温生长缓冲层技术降低大失配应力,获得高质量InSb外延膜。实验样品采用霍尔测试以及SIMS测试掺杂浓度和迁移率分析掺杂规律、掺杂元素偏聚和激活规律的影响因素。

分子束外延；N型掺杂；P型掺杂；本征掺杂

1 引 言

InSb材料由于其优异的光电性能,是制备中波红外探测器首选材料之一。传统的InSb红外探测器采用体晶材料n型InSb材料,通过离子注入或扩散的方法形成p+-n结,然后通过常规的探测器芯片制作成芯片,为了抑制G-R(产生-复合)复合暗电流,高性能InSb探测器要求制冷温度比较低(低于80K),对制冷机要求比较高,除此,这种结构由于载流子横向扩散的影响,往往会造成光学信号在不同像元间的串扰,影响其成像效果。

随着军事应用的需求,提高InSb红外探测器的工作温度成为未来InSb红外探测器发展的一个趋势。国外已经发展的多种结构的MBE外延型InSb探测器,基本器件结构示意图如图1 (p+-i-n+结构材料),SCD报道了他们制备的分子束外延InSb材料制备的器件的100 K的性能相当于体晶80 K性能[1-4]。

因此开发InSb分子束外延技术,是制备高温工作红外探测器的非常理想的选择之一。本文主要报道单位在InSb分子束外延薄膜原位掺杂的研究成果,由于InSb衬底是高掺,采用Hall测试方法测试将受衬底的影响而无法真实表征外延膜的掺杂情况,因此本文采用半绝缘的2 in GaAs晶圆作为外延InSb薄膜的衬底,通过Hall测试等方法来研究本征掺杂、N型和P型掺杂,达到提高掺杂工艺水平,为制备p+-i-n+结构外延型InSb材料奠定基础。

图1 pin结构InSb外延材料结构示意图

2 实 验

InSb薄膜分子束外延生长技术研究使用的是商业采购的2 in SI-GaAs(001)衬底。设备是DCA P600 MBE系统,衬底采用无铟粘接的方式固定,通过In、Sn、PbAg标定衬底温度与衬底加热器热偶读数之间的关系,经标定衬底加热器上热偶温度比实际温度高50 ℃左右[5]。

InSb薄膜分子束外延生长技术的工艺流程如下:epi-ready GaAs衬底装入MBE系统中,经进样室和缓冲室除气后,传送至生长室；随后对GaAs衬底进行升温至680 ℃去除氧化层；然后降温至生长温度670 ℃进行GaAs缓冲层生长,生长速率采用RHEED(高能电子衍射)图像强度震荡法来测试,生长速率采用0.8 ML/s(原子层/s)；随后降温至380 ℃,开Sb束流进行As/Sb互换,低温生长一层InSb薄膜；升温至460 ℃进行退火；降温至430 ℃左右进行生长常规InSb薄膜1～2 μm；生长的V/III束流比设置为7左右,整个生长过程采用RHEED进行监控。在最后生长的InSb薄膜上进行相应的N型、P型掺杂以及非故意掺杂实验,并对材料进行相应的测试分析[6]。

InSb分子束外延膜的电学性能采用Hall测试,测试条件磁场5000 G,电流1 mA,测试温度77 K；掺杂界面扩散情况采用SIMS测试；晶体质量采用在线MBE 20 keV RHEED、X射线高分辨衍射仪(XRD)分析测试；采用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对外延膜表面状态进行观察。

3 结果及其分析

3.1 非故意掺杂

p-i-n结构中i层是本征非故意掺杂层,i层作为吸收层电学性能严重影响器件性能。InSb的电学性能由空穴与电子共同决定。影响非故意掺杂的浓度和类型主要受生长系统的纯度以及外延条件中V/III束流比、生长速率等。

为了研究非故意掺杂,实验采用如下设置:实验过程中通过改变V/III束流比以及生长温度等生长条件来获得不同非故意掺杂的InSb薄膜,通过分别测试Hall浓度以及迁移率。下面选取两个不同实验条件以及其测试结果如表1所示。

表1 不同非故意掺杂条及其测试结果

实验结果表明通过优化后外延条件的GaAs基InSb薄膜可以较低n型本征浓度的外延膜；实验结果与文献报道值接近,但是浓度略有偏高以及迁移率略有偏低,造成的原因可能是大失配异质外延膜界面处包含的大量的含有非饱和键位错起了施主的作用,使得材料载流子浓度偏高,而且载流子浓度偏高,受到散射的几率增大,电子迁移率下降。因此采用GaAs作为衬底来研究InSb的本征浓度可能会带来一些失真,今后研究的重点是开发新的测试方法,例如电容-电压(C-V)以及变温Hall等方式直接测试高掺衬底外延膜的电学性能。

3.2 n型掺杂

InSb分子束外延材料的n型掺杂剂一般选用Si,Te等；Si作为III-V族材料常见的掺杂剂,对Si元素而言,若Si原子取代III族In原子则起施主杂质的作用,若取代V族Sb原子则起受主作用,因此在掺杂过程中体现两性。具体掺杂情况跟生长温度有很大的关系,文献[7]、[8]报道了高温生长Si的掺杂激活非常低,而当衬底温度降低,Si的掺杂激活急剧上升,当衬底为300 ℃时,硅掺杂水平达到8×1018cm-3。而温度上升至460 ℃以上,Si变成了P型掺杂剂。

为了研究n型掺杂,实验采用如下设置:生长温度采用优化后的430 ℃,V/III束流比采用7,在此生长温度条件下通过进行不同Si掺杂温度的掺杂实验,以及不同Te掺杂温度的掺杂实验,并对掺杂后的外延膜分别测试Hall。实验条件和测试结果如表2所示。

表2 不同n型掺杂条件测试结果

测试结果表明随Si掺杂源温度的提高掺杂浓度增加,迁移率降低,但掺杂浓度增加至1×1018cm-3左右后变化不大,但迁移率一直下降。因此要获得更高的掺杂浓度,必须降低生长温度或者更换n型掺杂剂。由于初期实验降低生长温度会降低外延膜晶体质量,因此采用更换Te作为n型掺杂剂进行掺杂,实验结果表明Te掺杂可以获得更高的掺杂浓度,但是同样掺杂浓度下Te掺杂的迁移率更高,这可能由于Si掺杂源温度较高引入的杂质造成的。因此早期高温工作InSb外延生长考虑通过Te掺杂来获得高n型掺杂浓度。

3.3 P型掺杂

Be作为III-V族分子束外延材料的常见p型掺杂剂,一般取代III族原子呈现受主作用,在GaAs和InAs外延中有着广泛的应用,掺杂浓度极限可以达到1019量级,激活率高(优化条件下接近100%)并且掺杂浓度可精确控制[9-10]。

为了研究Be掺杂的特性,实验采用如下设置:实验过程中分别研究了不同Be源温度掺杂规律以及Be掺杂元素偏聚、分凝特性。

其中研究不同Be源温度掺杂规律的实验条件采用生长温度430 ℃,V/III束流比采用7,在此生长条件下通过进行不同Be掺杂温度的掺杂实验并对掺杂后的外延膜分别测试Hall,测试结果如表3所示。

实验结果表明实验可以实现高p型掺杂浓度,随着Be源温度增加,掺杂浓度升高；迁移率偏低而且随掺杂温度变化趋势不是很明显,这可能是采用用GaAs作为衬底,大的晶格失配导致外延膜层里面存在高的位错密度和缺陷,杂质和缺陷的散射作用导致迁移率降低。

表3 不同p型掺杂条件测试结果

为了研究不同Be源温度掺杂规律以及Be掺杂元素偏聚、分凝特性时,实验选用了两个外延片(InSb基同质外延InSb,消除异质外延的影响)进行多层膜外延,其他生长条件均是优化后的,外延中仅改变生长温度分别设置为400 ℃和430 ℃；每片试验片分别生长四层掺杂层,Be源温度分别设置750 ℃,800 ℃、850 ℃、900 ℃生长的,每层厚度100nm左右；并对不同掺杂后的外延膜分别测试SIMS,测试结果如图2和图3所示。

图2 430 ℃掺杂外延膜SIMS测试

图3 400 ℃掺杂外延膜SIMS测试

从图2和图3,四层材料的界面分布较为明显,表面没有显著的偏聚的现象；但是生长温度为430 ℃的样品,第三层和第四层以及第四层和缓冲层之间的界面稍有扩散,界面比较模糊。因此验证了减低生长温度可以消除表面和界面偏聚以及分凝效应。后续将会采用进一步优化生长条件,降低Be掺杂元素的偏聚现象。

4 结论及其工作展望

通过前期的研究,已经可以获得低本征浓度的非故意掺杂InSb材料,n型和p型材料掺杂浓度从低掺杂low-1017-5×1018cm-3范围精确可控,为高温工作InSb完整材料结构的设计和生长奠定了坚实的基础。

但是采用GaAs基InSb进行本征浓度的研究受大失配异质外延缺陷的影响,测试结果与InSb同质外延实际值有一定的偏差,因此后续还需要开发高掺衬底上的外延膜的电学性能的测试方法,例如C-V以及变温Hall等方法,提高实验结果的精确度；再则采用Te进行n型掺杂,受Te分压较高的影响,调整浓度的比较困难的缺点,实验还需进一步优化,例如开发如何提高Si原子的激活率的工艺,进一步降低生长温度外延工艺开发或者采用一种分压较小的掺杂剂,如In2Te3等；最后进一步提高外延膜晶体质量是保证高质量掺杂的保证。

致 谢:对实验室同事强宇、王彬、折伟林、许秀娟等人的相关测试工作表示由衷的感谢。

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In-situ doping technology research of InSb film growth by molecular beam epitaxy

LIU Ming,XING Wei-rong,SHANG Lin-tao,ZHOU Peng,CHEN Peng

(North China Research Institute of Electro-optics,Beijing 100015,China)

In this paper,the intrinsic doping,n-type doping and p-type doping technology of the InSb film growth by molecular beam epitaxy are studied.Be is used as the p-type doping element and Te,Si are used as the n-type doping element.Semi insulating GaAs is used as the substrate of InSb layer growth by molecular beam epitaxy.Buffer layer growth under low temperature can reduce the large mismatch stress,and high quality InSb films can be obtained.The doped concentration and migration rate of the experimental samples were measured by Hall and SIMS,and the influence factors of doping rules,doping element segregation and activate rules are analyzed.

molecular beam epitaxy;n-type doping;p-type doping;intrinsic doping

刘 铭(1985-)，男，硕士，工程师，从事红外探测器材料设计以及分子束外延工艺研究。E-mail:kaka_851001@163.com

2014-09-24;

2015-05-01

1001-5078(2015)07-0817-04

TN215

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.018