制备大面积组分均匀的In P/In0.81G a0.19A s/In P器件结构材料

张铁民，宁亚媛，缪国庆，符运良，傅 军

（1.海南师范大学 物理与电子工程学院，海南 海口 571158；2.吉林女子学校，吉林 吉林 132108；3.中国科学院 发光学及应用国家重点实验室，吉林 长春 130033）

制备大面积组分均匀的In P/In0.81G a0.19A s/In P器件结构材料

张铁民1，宁亚媛2，缪国庆3，符运良1，傅 军1

（1.海南师范大学 物理与电子工程学院，海南 海口 571158；2.吉林女子学校，吉林 吉林 132108；3.中国科学院 发光学及应用国家重点实验室，吉林 长春 130033）

采用金属有机化学气相淀积（MOCVD）技术制备大面积组分均匀的高晶格失配InP/In0.81Ga0.19As/InP器件结构材料.器件结构为：在直径为2英寸的S掺杂的InP衬底上采用两步生长法生长厚度为2.8 μm的In0.81Ga0.19As层，作为红外探测器的吸收层，然后再生长厚度为0.8 μm的InP覆盖层.分析器件结构材料的缓冲层的作用，研究所制备的大面积材料组分均匀性问题.为制作红外探测器器件，以及研究红外探测器器件性能，做好基础工作.

铟镓砷；金属有机化学气相沉积；红外探测器

InGaAs材料及用该材料制作的光电探测器的优点有[1]：1）InGaAs材料系列可使用的生长技术多样化，且较先进，是一种比HgCdTe更容易生长的合金材料；2）具有高的灵敏度和探测率（D*）.InGaAs红外探测器可取消探测器对致冷器的要求，减少了探测器的设计、制作尺寸和制作成本，提高探测器质量，增加了可靠性[2].InGaAs红外探测器由于材料稳定性好，均匀性容易控制，材料制备技术较成熟，而且有高光吸收系数、高迁移率、低热产生速率，可望在室温工作等特点已引起人们广泛注意.近年来，对光谱在1～3 μm的红外探测器需求很大，特别是在空间图像（包括地球观测、遥感、环境监视等）和红外光谱方面的重要应用[3].为了提高InGaAs红外探测器的探测光谱范围，需要制备出高In组分的InxGa1-xAs材料.然而，目前用于制备InxGa1-xAs材料的最佳衬底材料InP，只能与In0.53Ga0.47As晶格匹配，高In组分的材料In0.81Ga0.19As材料与衬底InP材料晶格失配度约为2%，如果不能消除晶格失配的影响，将导致材料质量下降，严重影响器件的性能.采用两步生法制备高In组分的InxGa1-xAs材料[4-7]，已被证明是非常有效的技术方法，可以制备出高质量的高In组分的InxGa1-xAs材料.

本文采用低压金属有机化学气相淀积（MOCVD）技术采用两步生长法制备大面积组分均匀的高晶格失配InP/In0.81Ga0.19As/InP器件结构材料，得到表面光亮平整、材料结构层次清晰.分析缓冲层对器件结构材料的作用，使用X射线衍射仪研究器件结构材料的组分均匀性.

1 实验部分

InP/In0.81Ga0.19As/InP器件结构材料生长采用低压MOCVD技术，水平式生长室，旋转石墨转盘，高频感应加热，基座的温度由热电偶测量，生长过程中反应室压强为10000Pa.实验采用直径为2英寸的掺硫（100）InP衬底；三甲基铟（TMIn）和三甲基镓（TMGa）作为Ⅲ族源；浓度为10%的砷烷（AsH3）和浓度为10%的磷烷（PH3）作为Ⅴ族源.经过钯管纯化的氢气作为载气.首先在掺杂的InP衬底上，在450℃温度下生长100 nm厚度的In0.81Ga0.19As缓冲层，再升高温度到530℃生长厚度为2.8 μm的In0.81Ga0.19As外延层，缓冲层和外延层均作为结构材料的吸收层，最后再生长厚度为0.8 μm的InP盖层.用HITACHI S-4800扫描电子显微镜，测量样品的截面，得到吸收层和覆盖层的厚度；能量分散光谱（EDS）研究结构及元素成分.使用D/max-RA型X射线衍射仪，分析样品的组分均匀性.

2 结果与讨论

2.1 制备大面积的InP/In0.81 Ga0.19 As/InP器件结构材料

在直径为2英寸的S掺杂InP衬底上，采用两步生长法生长In0.81Ga0.19As作为结构材料的吸收层.即：第一步，450℃温度下生长100 nm厚度的In0.81Ga0.19As缓冲层；第二步，530℃生长厚度为2.8 μm的In0.81Ga0.19As外延层.两步生长技术中，缓冲层生长条件的选择是最重要的，是制备晶格失配材料最关键的技术.我们在450℃温度下生长100 nm厚度的In0.81Ga0.19As缓冲层，是经过系列实验研究的结果[3-7].分析缓冲层对材料性能的影响.首先，分析为什么要在450℃温度下生长缓冲层？众所周知，低温生长化合物半导体材料，能够限制化合反应中原子在衬底的表面迁移，降低原子向某个衬底表面位置聚集能力，限制三维岛状模式生长.低温生长有利于二维生长模式，在衬底表面生长出膜材料.但过低的生长温度不利于金属有机源热解，使材料的生长时间过长.同时，过低的生长温度，会使材料的结晶质量下降，影响材料的性能.然而，过高的生长温度，将会使原子获得较大的迁移能量，使生长模式向三维岛状发展，最后材料表面粗糙，不利于器件制作.综合考虑以上生长机制，缓冲层生长温度被确定为450℃.其次，为什么缓冲层的In组分为0.81?即In0.81Ga0.19As.已知In0.53Ga0.47As的晶格常数与InP的晶格常数相同，也就是晶格匹配，这就是为什么能在InP衬底能够制备出高质量的In0.53Ga0.47As材料.但In0.53Ga0.47As作为缓冲层与外延层In0.81Ga0.19As有约2%的失配度，不利于后续外延层的生长.而In0.81Ga0.19As作为缓冲层，能有效地把晶格失配导致的位错限制在缓冲层内，不致于蔓延到外延层中.同时，缓冲层和外延层组分一致，都作为器件的吸收层.最后，为什么缓冲层的厚度选择为100 nm左右?因为过薄的缓冲层不利于晶格失配导致的应力释放，而过厚的缓冲层将会使位错曼延到外延层内，降低材料的性能.适当的缓冲层厚度可使应力释放到缓冲层内，确保外延层有最佳的质量.图1为探测器材料结构表面的SEM照片，结构材料表面平坦、光亮.图2为探测器材料结构横截面的SEM照片，表明InGaAs材料结构层次清晰.因此选择最佳的缓冲层有助于制备出高质量大面积的器件结构材料.

把吸收层的厚度选择为2.8 μm，是考虑到红外光子探测器的探测率[8]与厚度的倒数成正比关系，要求薄的吸收层有较高的探测率.但是InGaAs材料的吸收系数[9]表明，需要较厚的吸收层才能有利于光生电子空穴对.综合考虑两方面的因素，In0.81Ga0.19As吸收层的厚度选择2.8 μm.盖层的选择，InP的能带隙Eg=1.344 eV，它的吸收截止波长λ=0.9μm，而In0.81Ga0.19As的吸收截止波长λ=2.6μm.所以这种结构材料的光谱响应范围为0.9～2.6 μm.采用InP盖层能够钝化In0.81Ga0.19As，从而减小表面的光生载流子复合，增加量子效率.InP作盖层，如果设计InP厚度小于1 μm，波长为0.8 μm的光20%到30%可以穿透InP，被In0.81Ga0.19As探测到，扩大了探测的光谱范围.

图3所示为InP/In0.81Ga0.19As/InP器件材料结构剖面的能量分散光谱，可以观测到P、In、Ga和As四种元素在InP衬底、In0.81Ga0.19As吸收层和InP盖层中的线分布.由于器结构材料中各层均含In元素，所以In的信号最强.通过研究Ga、As和P元素线分布变化，测量出材料结构中In0.81Ga0.19As吸收层厚度为2.8 μm和InP盖层的厚度为0.8 μm，符合器件材料结构设计.

图1 InP/In0.81Ga0.19As/InP器件材料结构表面扫描电镜照片Fig.1The suface SEM photograph of the InP/In0.81Ga0.19As/InP structure

图2 InP/In0.81Ga0.19As/InP器件材料结构剖面扫描电镜照片Fig.2The cross-sectional SEM photograph of the InP/In0.81Ga0.19As/InP structure

图3 InP/In0.81Ga0.19As/InP器件材料结构剖面的能量分散光谱Fig.3 EDS profile of the InP/In0.81Ga0.19As/InP structure

2.2 制备大面积组分均匀性的InP/In0.81 Ga0.19 As/InP

利用低压MOCVD技术，水平生长室，旋转石墨衬托可使In0.81Ga0.19As材料在InP衬底上保持均匀的生长.特别对于较大面积的材料，避免材料中心部分与边缘部分由于生长不均匀导致的材料性能差异.制备材料过程中，严格控制好生长条件，包括生长室的压强、生长温度，由于缓冲层和外延层的生长温度不同，还要控制好不同生长温度下的V/III比.控制好氢气的流量，使石墨衬托转速保持最佳条件.采用两步生长法制作器件结构材料的吸收层，优化了缓冲层和外延层的生长条件，制备出大面积均匀性好的In0.81Ga0.19As器件结构材料.图4为制备的直径2英寸的InP/In0.81Ga0.19As/InP器件结构材料，表面平坦、光亮.为了研究大面积材料的组分均匀性情况，在直径为2英寸的InP/In0.81Ga0.19As/InP材料上取四分之一部分选8个测试点，用X射线衍射测量其各点组分，分析材料的组分均匀性，即

取点如图5所示；各点组分测量结果见图6.测得组分最大值xmax=0.8118，组分最小值xmin=0.8045，组分均匀性Δx=±0.0037.In组分平均值为：0.8081，（0.1%＜δ＜0.6%）.测量结果表明，大面积器件结构材料组分均匀性比较好，只有边缘部分组分略有偏差，这可能由于大面积材料生长过程中，边缘部分气流不稳导致.

图4 2英寸的InP/In0.81Ga0.19As/InP器件结构材料Fig.4 Diameter of 2 inch InP/In0.81Ga0.19As/InP structures

图5 InP/In0.81Ga0.19As/InP器件结构材料组分均匀性取点示意图Fig.5 The test point schematic of compositional uniformity of InP/In0.81Ga0.19As/InP structures

图6 InP/In0.81Ga0.19As/InP结构材料各测试点的组分Fig.6 The compositional of InP/In0.81Ga0.19As/InP structures

3 结论

采用MOCVD技术制备InP/In0.81Ga0.19As/InP器件结构材料，表面平坦、光亮，结构层次清晰.分析了缓冲层组分、生长温度、厚度选取的方法，研究了器件结构材料吸收层和盖层厚度对材料性能的影响.所制备的器件结构材料大面积组分均匀性进行了研究，器件结构材料In组分均匀性Δx=±0.0037，满足设计要求.

[1]潘青.用InGaAs材料制作的2.6μm光电探测器[J].半导体光电,1999,20(2):79-82.

[2]缪国庆,殷景志,金亿鑫,等.非致冷In0.53Ga0.47As/InP红外探测器研究[J].人工晶体学报,2005,34(6):1056-1058.

[3]Hoogeveen R W M,van der A R J,Goede A P H,Ex⁃tended wavelength InGaAs infrared(1.0-2.4μm)detector arrays on SCIAMACHY for space based spectrometry of the Earth atmosphere[J].Infrared Phys Techn,2001,42(1):1-16.

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[6]Zhang T M,Miao G Q,Jin Y X,et al.Effect of buffer thickness on properties of In0.8Ga0.2As/InP with two-step growth technique[J].Journal of Alloys and Compounds,2009,472(1/2):587-590.

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责任编辑：黄 澜

The Preparation of InP/In0.81Ga0.19As/InP Structural Material with Large Area of Uniform Composition

ZHANG Tiemin1，NING Yayuan2，MIAO Guoqing3，FU Yunliang1，FU Jun1
（1.College of Physics and Electronic Engineering，Hainan Normal University，Haikou 571158，China；2.The Girls’School of Jilin，JiLin 132108，China；3.State Key Laboratory of Luminescence and Applications，Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

The InP/In0.81Ga0.19As/InP structural materical with large area of uniform composition used for infrared detec⁃tor were grown on（100）S-doped InP substrates by low temperature metal-organic chemical vapor deposition.The growth was performed using TMIn,TMGa,AsH3,and PH3 as growth precursors in a horizontal reactor.The substrates on a graphite susceptor were heated by inductively coupling RF power,their temperatures were detected by a thermocouple,and the reactor pressure was kept at 10000 Pa.The structures of detector included In0.81Ga0.19As absorption layer with the thickness of 2.8 μm and the InP cap layer with the thickness of 0.8 μm.The buffer of InP/In0.81Ga0.19As/InP structures was analyzed.The composition uniformity of InP/In0.81Ga0.19As/InP structures was studied.The result can lay a foundation for the preparation of infrared detectors and the research on their properties properties.

InGaAs；MOCVD；Infrared detector

O 471.4

A

1674-4942（2012）03-0279-04

2012-06-19

海南省自然科学基金项目（111003）；国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2012CB619200）；海南省重点科技基金项目（ZDXM201000099）