GaSb衬底上InAsSb材料的电学性能研究

孙庆灵， 姚官生， 曹先存， 王　禄， 王文奇， 孙　令， 王文新， 贾海强， 陈　弘

(1.中国科学院物理研究所， 北京　100190； 2.中国空空导弹研究院， 河南 洛阳　471009)



GaSb衬底上InAsSb材料的电学性能研究

孙庆灵1， 姚官生2， 曹先存2， 王禄1， 王文奇1， 孙令1， 王文新1， 贾海强1， 陈弘1

(1.中国科学院物理研究所， 北京100190； 2.中国空空导弹研究院， 河南 洛阳471009)

采用分子束外延(MBE)法在GaSb衬底上生长了不同组分的InAsSb外延膜。通过引入AlGaSb插层,实现对导电GaSb衬底上InAsSb材料电学性质的定性表征,并研究了生长温度和晶格失配对InAsSb外延层电学性能的影响。测试结果表明,在较低生长温度下获得的样品表面会形成缺陷,且其电学性能较差。对于一定晶格失配的样品,提高生长温度能获得较好的电学性能。

InAsSb;电学性能;分子束外延

0　引　　言

InAsSb材料是一种禁带宽度很窄的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。 由于良好的材料特性， 其在高电子迁移率晶体管[1]、 红外激光器[2-3]和红外探测器[4-5]等领域有很大的应用前景。 InAsSb材料的带隙在室温下可覆盖3～12 μm波长[6]， 这个波长范围包含中波红外和长波红外， 所以， InAsSb材料在红外探测波长方面有很大的可调性。

InAsSb材料具有高的电子迁移率和本底浓度。 由于其禁带宽度较窄， 在制作红外探测器时， 使器件具有较高的暗电流。 Maimons等[7]提出了基于InAsSb的nBn型红外探测器， 这种结构可以降低暗电流， 提高工作温度， 使InAsSb基nBn型红外探测器得到广泛关注。 然而， 高质量的外延膜是器件制作的基础， InAsSb材料较高的本底浓度对器件暗电流有很大影响。 所以， 本实验通过霍尔测试来研究生长条件对其电学性能的影响。

InAsSb基nBn型红外探测器结构一般生长于GaSb衬底上， 这是因为InAsSb与GaSb晶格失配小， 在Sb含量为9%时， 两者晶格是匹配的。 但是， 半绝缘的GaSb衬底很难制备， 这使得GaSb衬底上InAsSb外延膜的电学性能难以测试。 可以使用其他半绝缘的衬底， 例如GaAs。 但这类衬底与外延膜间的晶格失配较大， 造成的缺陷对外延膜电学性能的测试有很不利的影响。 因此， 选用与外延膜晶格失配小的GaSb衬底， 采用高Al组分的AlGaSb插层来消除p型衬底对电学性能测试的影响。

1　实　　验

样品的外延生长是在固态源分子束外延设备(VG Semicon V80)中进行的， 在外延生长时Ⅴ族元素以As2和Sb4分子形式喷射出来。 外延膜的生长速度为6 000 Å/h， 通过改变Sb束流获得了不同组分的外延膜。 由于半绝缘的GaSb衬底很难制备， 本实验采用p型GaSb衬底。 为降低衬底对InAsSb外延层的影响， 在衬底上生长了200 nm的Al0.8Ga0.2Sb插层。 InAsSb外延层的厚度为3 μm。 不同条件下生长了三个样品， 研究生长温度和晶格失配对其电学性能的影响， 如表1所示。

表1中， 样品A， B的组分相同， 生长温度不同。 样品C的组分为9%， 与衬底晶格相匹配。 使用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对样品表面形貌和晶体质量进行表征， 采用范德堡方法测试了室温(300 K)和低温(77 K)下样品的迁移率和载流子浓度。

表1　InAsSb外延层的电学性能结果

2　结果与分析

三个样品的扫描电子显微镜(SEM)照片如图1所示。

图1InAsSb外延层的SEM照片

可以看出， 样品A， B的表面没有明显缺陷， 样品C表面有明显的较大的多晶缺陷。 对比三个样品的生长条件可知， 这种表面缺陷是由于生长温度较低引起的。 较低的生长温度使得InAsSb生长过程中In原子表面迁移能力很弱， 很容易聚集长大， 形成多晶颗粒。

采用X射线衍射仪对样品的晶体质量进行表征， 通过外延膜半高宽的大小可以判断晶体的质量， 如图2所示。 对于组分为3%的两个样品， 在420 ℃下生长的晶体质量比低温下要好。 对于组分为9%的样品， 由于其与衬底的晶格相匹配， 故晶体质量最好。

图2样品的X射线摇摆曲线对比

在半绝缘GaAs衬底上生长的InAsSb的电学性能已有文献报道[8-10]。 InAsSb与GaAs有7.2%到14.5%的晶格失配度。 对于较大晶格失配的外延体系， 可通过生长过渡层或组分渐变层来生长外延膜。 外延层与衬底间的晶格失配会引起外延膜晶体质量变差， 对电学性能结果产生影响。 由于InAs0.91Sb0.09与GaSb衬底是晶格匹配的， 采用GaSb衬底可以极大地消除晶格失配的影响, 使霍尔测试能够得到较准确的电学结果。 对比表1中样品A和B可以看出， 同样的组分下， 较高的生长温度下得到的样品的迁移率高， 载流子浓度较低。 这是因为较高的温度有利于生长过程中In原子的表面迁移， 实现均匀生长， 从而使得样品的晶体质量较好。

对于生长温度不同的A， B， C三个样品。 A， B两个样品组分都为3%， 均与衬底有一定的失配。 样品C组分为9%， 与衬底晶格匹配。 样品C的生长温度较低， 虽然在外延生长时， 晶格相匹配的外延膜的晶体质量较好， 但从本实验结果可以看出， 生长温度对InAsSb的电学性能有很大影响。 即使对于晶格相匹配的InAs0.91Sb0.09， 在较低的生长温度下， 由于In原子的迁移能力弱， 得到的外延层的质量较差， 形成的缺陷较多， 使得载流子浓度较高， 迁移率较低。 低温生长样品表面形成的缺陷可以通过扫描电子显微镜照片看出， 这种表面缺陷是由于生长温度过低引起的。

3　结　　论

对GaSb衬底上不同生长条件下得到的InAsSb外延层进行了对比分析。 在较低生长温度下得到的样品表面有明显缺陷。 霍尔测试表明， 对于相同组分的InAsSb材料， 提高生长温度有利于电学性能的改善。 即使外延层与衬底存在晶格失配， 提高生长温度， 也能获得较好的电学性能。

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Research on the Electrical Property of InAsSb Films on GaSb Substrates

Sun Qingling1, Yao Guansheng2, Cao Xiancun2, Wang Lu1, Wang Wenqi1,Sun Ling1, Wang Wenxin1, Jia Haiqiang1, Chen Hong1

(1.Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190, China;2.China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

InAsSb epitaxial films are grown on GaSb substrates by Molecular Beam Epitaxy (MBE).By utilizing a AlGaSb interlayer, the qualitative characterization for the electrical property of InAsSb films on GaSb substrates is realized, and the effect of growth temperature and lattice mismatch on the electrical properties of InAsSb films are studied. Test results show that surface defects are formed on the samples with low growth temperature, and the electrical property is poor. For the lattice mismatch samples, the better electrical property can be obtained by improving growth temperature.

InAsSb; electrical property; MBE

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.03.013

2015-07-22

航空科学基金项目(20142435001)； 中国博士后科学基金项目(2014M560936)； 总装共用技术基金项目(9140A12050414ZK33-001)

孙庆灵(1985-)， 男， 安徽阜阳人， 博士研究生， 研究方向为Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的外延生长。

TN213

A

1673-5048(2016)03-0059-03