分子束外延InSb薄膜缺陷分析

周 朋，刘 铭，邢伟荣，尚林涛，巩 锋

(华北光电技术研究所，北京100015)

1 引言

随着红外探测器技术的发展以及军事的需求，第三代红外探测器逐渐向高性能、低成本、高温工作、双多色方向发展。其中，实现高温工作是第三代红外探测器发展的一个重要分支［1］。InSb由于其优异的光电性能而成为制备高性能中波(3～5μm)探测器的首选材料之一。

使用分子束外延技术制备InSb红外探测材料是目前比较先进的方法。在分子束外延过程中，由于受衬底质量、外延温度、V/III束流比、生长速率等因素的影响，外延材料上会产生多种缺陷，这些缺陷将成为载流子的复合中心而增加器件的暗电流，严重影响探测器性能［2］。如何降低外延缺陷成为InSb基分子束外延技术开发的难点。

本文对InSb分子束外延薄膜中的各种缺陷进行归类分析，对其产生机理进行探讨，并找出外延缺陷的起因和消除方法，从而降低了InSb材料的外延缺陷，进而达到减小器件的暗电流，实现红外探测器高温工作的目的。

2 实验

InSb薄膜分子束外延生长技术研究使用的是自制的2 in InSb(100)晶片。设备为 DCA P600 MBE系统，衬底采用无铟粘接的方式固定。通过标定，加热器热偶温度比实际温度高50℃左右［3］。本文实验所涉及的温度均为热偶温度。

InSb薄膜分子束外延生长技术的具体步骤如下:InSb衬底经过常规的InSb晶片的机械化学抛光、综合清洗之后，经过改进的CP4腐蚀液处理，在表面形成一层保护的氧化层膜;然后采用干燥的氮气将衬底吹干，迅速装入MBE系统中，经进样室和缓冲室除气后，传送至生长室;随后对InSb衬底进行升温，温度升高至570～580℃去除氧化层，时间在15min以上;然后降温至生长温度进行InSb薄膜生长，不同外延片的生长条件如表1所示。整个生长过程采用在线20 keV反射式高能电子衍射仪(RHEED)监控。

表1 不同外延片的生长条件

InSb分子束外延膜的晶体质量采用X射线高分辨衍射仪(XRD)分析测试，XRD采用CuKα1特征谱线，单色器采用四个 Ge(220)晶体;采用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)并结合能谱仪(EDX)对外延膜表面缺陷进行研究;并采用聚焦离子束(FIB)轰击特定缺陷观察其截面图。

3 结果及分析

通过对各外延片缺陷的观察分析得出，InSb外延片的缺陷主要分为以下几类:

3．1 Sb 空缺

Sb空缺的宏观表现为成对出现的三角形坑，其显微图片如图1所示。图中可以看出，Sb空缺在外延片边缘更为明显，坑的数量随着远离边缘的距离减少，并且形态也发生了变化，有逐渐平缓的趋势。本实验中，Sb空缺在V/III为3的外延片上的数量远大于V/III为5的外延片。由此可知，此类缺陷是由于Sb束流不足导致的。在外延生长过程中，InSb中的Sb原子很容易挥发出来，因此，在外延过程中需要适当提高Sb束流的比例;此外，在生长空隙(如去氧化层、退火等)时也需要Sb束流保护。如果Sb束流不足，就会形成Sb空缺。由于边缘位置的束流会略小于中心位置，边缘处的缺陷数量有所增加。减少此类缺陷的方法为适当的增加V/III束流比。

图1 Sb空缺的显微照片

3．2 In 滴

此类缺陷呈液滴状，尺寸很小，一般在5μm左右，用金相显微镜很难观察到，其SEM形貌如图2所示。经能谱测试，液滴处的In含量为100%，因此可以确定该缺陷为In滴。在去氧化层的过程中，衬底温度可以达到580℃(热偶温度)左右，已经接近InSb的熔点535℃。根据In－Sb相图(如图3［4］所示)可知，如果外延时 Sb挥发以致 Sb、In比例失衡，In－Sb化合物的熔点会有所降低，使得化合物更容易融化，而液态的化合物中，Sb更易挥发，最终形成熔化的In滴悬挂于外延片下方。此类缺陷由于Sb束流不足与去氧化层温度过高共同导致，外延片的边缘位置不仅Sb束流偏小，而且温度也稍高于中心位置，因此In滴在边缘处聚集。本实验中，编号为1306的外延片上In滴最多，1302次之。通过增加V/III比或者适当降低去氧化层温度可以减少此类缺陷。

图2 In滴的SEM图

图3 Sb－In相图

3．3 In 偏析

通过对外延片表面SEM分析发现，有些缺陷有明显的核心，其SEM形貌图如图4所示。EDX显示核心位置的In含量高于正常位置，由此确定该缺陷是由In偏析造成的［5］。核心的尺寸在2～10μm之间，超过了外延层厚度(3～5μm)，故推断此类缺陷产生在外延之前，即去氧化层的过程中。其形成原因与In滴类似，由于去氧化层时温度偏高，导致Sb、In比例失衡，但In偏析程度不高，核心中的Sb原子并未完全挥发，而是形成了核心，对周围的外延原子产生影响。通过降低去氧化层的温度、增加V/III比，可以控制此类缺陷的产生。

图4 带核心的缺陷SEM图

3．4 虫洞

在金相显微镜下可以发现外延片表面有一些较深的小洞，其形貌类似于虫洞，尺寸多在10～20μm之间，但也有个别的尺寸达到200μm以上。图5为虫洞缺陷的金相显微图片和SEM形貌图。通过观察用FIB轰击虫洞后的截面SEM图片(如图6所示)可以看出，虫洞起源于衬底位置。编号为1301的衬底由于其表面质量稍差，在外延后形成了大量的虫洞，并且沿着磨抛留下的线形痕迹分布，其他外延片上也有少许虫洞，推测为衬底表面的杂质导致的。虫洞的形成原因为:衬底上存在应力中心，对四周的外延原子形成了影响，使这些原子外延过程中逐渐长成圆形。而衬底上的杂质，以及衬底在磨抛过程中产生的划痕，均可以充当应力中心。此类缺陷的消除方法是选用光滑的、无划痕和杂质的衬底。

图5 虫洞缺陷的金相显微图和SEM形貌图

图6 虫洞经过FIB后的形貌

3 ．5 晶格完整性缺陷

X射线双晶衍射半峰宽是无损评价晶体晶格质量的重要参数，通过双晶XRD衍射的半峰宽可以从侧面反应材料中的晶格完整性，其原理为:当晶体材料中有位错等缺陷时，晶体的周期性被破坏，倒易点变为不规则球，对应衍射峰为测量方向与该倒易球的截线。而点缺陷并不会导致半峰宽的展宽［6］。通过采用退火或者使用缓冲层技术，可以有效减少位错。本实验外延薄膜的X射线双晶衍射曲线如图7所示，其半峰宽在8 arcsec左右，最好值为6．44 arcsec，其值可以跟体晶材料的半峰宽(6 arcsec左右)媲美，说明其位错密度比较低。

图7 X射线双晶衍射曲线

4 结论

本文介绍了InSb分子束外延材料中存在的一些主要缺陷的特征、起因和消除方法等。通过分析发现，缺陷的来源可分为来源于衬底和来源于工艺过程两大类。其中来源于衬底的缺陷主要为衬底表面被污染、衬底上有划痕以及去氧化层过程中处理不当引起的，而来源于工艺过程的缺陷主要由生长过程中V/III比例过小以及生长温度偏高等引起。

因此，要获得高质量的InSb分子束外延薄膜，首先要选用完好的衬底，并且配备合适的衬底处理工艺，使得衬底在外延前缺陷和污染程度降到最低。其次要控制好生长条件，经过对多片外延片上的缺陷分析得出，最好的生长温度在470℃左右，超过此温度时，In偏析缺陷明显增多，而V/III比至少在3以上才能保证外延后不会出现大量的Sb空缺和In滴。经过优化后的材料缺陷(1μm以上)密度最低值降到483 cm－2。

致 谢:在此对华北光电技术研究所焦平面专业部材料中心的强宇、王彬、折伟林、沈宝玉、李达以及器件中心的杨雅茹、付伟等人所做的相关工作深表感谢!

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