InSb晶片材料性能表征与机理分析

巩 锋，程 鹏，吴 卿，折伟林，陈元瑞

(华北光电技术研究所，北京100015)

1 引言

直接带隙半导体InSb材料，室温禁带宽度0.18 eV、极高的电子迁移率和小的电子有效质量等独特的半导体性质决定了其可用于制造高性能3～5 μm中波红外探测器。

目前InSb材料的红外探测器已由单元、多元发展至一维线列和二维凝视焦平面阵列［1－4］。当前，基于InSb焦平面探测器的制备工艺已相当成熟，国外公开报导的InSb探测器规模已达到6000×1线列和2048×2048面阵焦平面阵列，并已广泛地应用于红外追踪、制导、热成像、监视、侦察、预警和天文观察等军事与民用红外系统中，并取得了很好的结果。

2 晶体生长及性能测试表征

InSb单晶生长采用Czochralski法，提拉杆下端装夹(211)晶向籽晶，生长过程中提拉杆同时做向上提拉运动和旋转运动，获得了不同直径高性能Te掺杂N型 InSb(211)单晶［5］(如图 1所示)。InSb(211)单晶经定向、切割、研磨和抛光，获得不同尺寸的InSb(111)晶片(如图2所示)。

采用腐蚀坑密度(EPD)来表征InSb晶体的位错密度;用X光形貌来表征晶片的宏观晶体均匀性和质量;用ATE－E型X射线双晶衍射半峰宽表征晶片材料的晶格完整性;用范德堡法对材料的电学参数进行霍尔测试。随机抽取3个InSb晶片，片号分别为 JHJ1:A185－101、JHJ2:A181－78和 JHJ3:A182－54。每个晶片取连续14个5mm×5mm测试区域，样品测试点分布如图3所示。

图3 InSb晶片样品测试点分布示意图

3 结果讨论及机理分析

3.1 结果讨论

1)位错密度

由图4可知，InSb晶片材料整体位错极少，3片材料均在靠近参考边7mm范围以内位错相对稍多，但均远少于50/cm2(代表国际上最高水平的美国Galaxy、英国 WT和加拿大Firebird报道的位错密度小于50/cm2)，可见InSb晶片材料晶格质量极高。

2)X光形貌

图5 InSb晶片X光形貌图

从图5 X光形貌图发现所有晶片宏观晶格质量均匀性良好，衬度均匀，未见明显突变区域。图中上下半区颜色差异是由于晶片固定方式造成晶片变形所致，并非晶片本身晶格衬度真实的反映。

3)X射线双晶衍射半峰宽

从图6数据可以看出，整片材料半峰宽基本小于30arcsec，部分区域半峰宽接近个位数，材料晶格完整性好，整体质量较高，未见区域或规律性分布。

4)电学参数

图7 InSb晶片电学参数分布

从以上数据可以看出，整片材料电学参数分布较均匀，n型掺杂浓度在5.5～10×1014cm－3，迁移率在2.4～4.5×105cm2/V·s，只有一个点意外，其浓度为11.676×1014cm－3;但随着靠近参考边，掺杂浓度有缓慢增大趋势。

3.2 机理分析

由测试结果可知，InSb晶片材料整体质量较高;但在靠近参考边区域，位错密度、X射线双晶衍射半峰宽、掺杂浓度增大，晶体质量稍低，这和(211)晶向InSb单晶生长原理密切相关。

由(211)晶向InSb单晶生长动力学原理，径向不同方向的生长速率不同，差异较大，三个方向生长速率较快，另一个方向生长速率较慢，因此导致近似“梯形状”晶锭截面，如图由图8、图9所示。在晶体生长的开始阶段，由于籽晶表面晶格的不完整性导致随后晶体生长的位错遗传性和延续性，因此在籽晶附近晶片位错密度较高。随着晶体的生长，在合适条件下生长较快的方向，自然结晶导致位错的逐渐湮灭和闭合，位错密度降低;而生长较慢的方向，虽然整体上位错也在降低，但由于生长较慢在生长结束时晶锭边缘距籽晶位置仍然很近，InSb晶片的参考边与211晶向晶锭生长的籽晶位置相近或重合，因此该区域位错密度较高。

虽然InSb晶片在靠近参考边区域半峰值稍增大，由位错密度(ρ)和X射线双晶衍射半峰宽(Wm)之间的理论关系:ρ=/4.35b2推导，X射线双晶衍射半峰宽相应增大，但测试结果并未出现区域分布。X射线双晶衍射半峰宽表征的是2μm×2μm区域内的晶格完整性，而InSb单晶整体质量较高，单位面积内位错很少，而且不是均匀分布，这样落在2μm×2μm区域内的位错数极少，不会影响X射线双晶衍射半峰宽，未呈现区域性规律分布。

InSb单晶生长的N型掺杂剂为Te，在InSb熔体中的平衡分凝系数为0.6。由平衡系数:k0=cS/cL，cS＜cL，Te杂质容易留在熔体里，掺杂较困难。在晶体旋转生长过程中，生长速率较慢的径向在整个生长时间内生长体积较小，而在相同生长时间内掺入的Te原子数接近，因此导致在生长较慢的径向掺杂浓度较高，即InSb晶片参考边区域附件掺杂浓度较高。

4 结论

通过对2 in InSb(111)晶片材料位错密度、X光形貌、X射线双晶衍射半峰宽和电学参数进行了整片均匀性测试表征，结合InSb晶体生长原理对晶片位错密度高、掺杂浓度的区域性分布进行了深层机理分析，材料整体性能极佳。

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