n-on-p銻化銦薄膜的液相外延生長

李忠良，陳建才，葉 薇，李增壽，劉世能

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n-on-p銻化銦薄膜的液相外延生長

李忠良，陳建才，葉 薇，李增壽，劉世能

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

用水平開管液相外延技術在銻化銦襯底上用富銦銻化銦母液生長銻化銦薄膜材料，薄膜材料具有n-on-p結構，襯底為p型層，摻Ge，濃度1×1015～5×1016cm－3；薄膜為n型層，摻Te，薄膜面積20cm×25cm，厚度2～3mm，表面平整度±0.2mm，濃度1×1017～5×1018cm－3。n-on-p銻化銦薄膜材料能滿足制作的中波紅外焦平面器件要求。

n-on-p；銻化銦；液相外延

0 引言

銻化銦（InSb）是Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體，它具有窄禁帶寬度和高遷移率等特點。在300K時，禁帶寬度為0.17eV，電子遷移率約為7×104cm2×V－1×s－1；在77K時，禁帶寬度為0.23eV，電子遷移率的6×105cm2×V－1×s－1。在紅外波段有較高的靈敏度，是一種適宜制作中波紅外光電探測器、霍爾器件和磁阻元件的材料。近年來用其制備的紅外光電探測器已在紅外跟蹤系統、紅外照相機、紅外熱像儀、自動控制器、氣體分析儀和紅外測溫儀等方面廣泛應用[1-5]。

銻化銦光伏探測器通常采用在n型基片上擴散p型雜質Zn或Cd形成p-n結[6-7]。從生產的角度看這種工藝存在2個問題：一是擴散容易引起損傷，增加了漏電流；二是擴散層的厚度難以控制。要解決這2個問題，可以采用在p型基片上外延生長n型層的方法。1976年日本Koichi Kanzaki等[8]報道了用液相外延（liquid phase epitaxy, 簡稱LPE）法研制的n-on-p結構銻化銦探測器，零偏壓結阻抗達100～200kW×cm2，*(＝5mm, 1kHz)＝5×1010～1×1011cm×Hz1/2×W－1。2010年伊朗Sareminia等[9]報道了用LPE法研制的p-on-n結構銻化銦薄膜材料。2011年日本Yuki Sato等[10]用LPE法生長的銻化銦外延片研制放射探測器，用以測量a粒子。2014年埃及Farag等[11]報道了用LPE法研制的n-InSb/p-GaAs異質結材料。目前國內未見LPE法生長銻化銦（InSb）薄膜材料的報道。

用液相外延技術在p型InSb襯底上生長n型InSb薄膜層來制作p-n結。n型層采用高濃度n＋，雜質濃度在1×1017～5×1018cm－3之間，由于高濃度n型層的簡并作用，在一定波長范圍內的紅外光不被吸收，幾乎無損透過，使量子效率有所提高。利用這個原理制成的p-n結，免去了精確控制厚度的麻煩。光刻臺面后就不必為控制結深而進行腐蝕，減少了對器件的污染。由于液相外延是在基片上重新生長晶體，因此外延膜晶格結構較完整，在一定程度上還能除去基片表面上原有的缺陷。用這樣的方法做出的材料可望得到高質量和高量子效率的探測器。

本文采用水平開管液相外延技術在銻化銦襯底上用富銦銻化銦母液生長銻化銦薄膜材料。

1 薄膜生長實驗

1.1 InSb液相外延設備和爐溫分布

實驗采用水平開管結構的外延爐，爐溫進行3段控溫。中間生長部分為恒溫區，區間長350cm，最高工作溫度600℃，控溫精度±0.5℃。高純氫氣從石英管的一端流入，從另一端流出。生長石墨舟放于石英管中間生長區。石墨舟由基座、滑塊和蓋板3部分組成。石墨舟的基座上開了一個長方形的開口，長寬與襯底相匹配，深度比襯底厚度多20mm，銻化銦襯底就放于開口內。滑塊上開有一個兩面對穿的長方形槽，用以裝母液。石墨舟的設計與加工是外延生長的關鍵技術，外延生長的主要工藝在石墨舟中進行。圖1給出了InSb液相外延設備生長管和爐溫分布示意圖。

1.2 生長母液的配置和合成工藝

原材料銻和銦是高純材料（7），液相外延中使用的母液是富In銻化銦母液，根據InSb相圖配制生長用的母液，InSb相圖如圖2所示。

母液的配比與生長溫度有關，如生長溫度380℃，對應的母液質量百分比為InSb 34%和In 66%。N型雜質（Te）采用一次稀釋、二次稀釋的方法加入。

根據計算稱取的Sb和In分別放入合成母液的石墨裝置中，把石墨裝置水平放入石英管內，分別進行抽真空、通氣、升溫合成，合成溫度約600℃，合成時間大約為4h。

圖2的銻化銦相圖是對閉管而言，我們的液相外延系統是開管系統，開管外延系統的液相溫度相對比較復雜，只有經過多次的外延實驗，才可得到真實的液相溫度。

1.3 襯底的制備

襯底材料的質量，襯底的磨拋工藝和清洗工藝的選擇，在薄膜的外延生長中起著十分重要的作用。外延是在襯底表面按照襯底完全相同的晶格結構和晶向進行外延生長。如果襯底中有缺陷和雜質，在生長過程中會延伸到外延層中，如果襯底的磨拋工藝沒有徹底去除損傷，損傷層就會影響的外延層的質量。清洗也是一個重要的環節，清洗的目的主要的是清除襯底表面的磨料和有機物。但是完全清除磨料和有機物不容易，我們通過多次實驗，采用一種特殊工藝解決了襯底的清洗問題。

圖1 液相外延設備生長管和爐溫分布示意圖

圖2 InSb相圖

Fig.2 Phase diagram for InSb

銻化銦襯底以高純銻、銦和p型雜質（Ge）為原料，采用切克勞斯基法生長，銻化銦錠條經過定向、切片、化學機械拋光、位錯檢測、濃度檢測和顯微鏡檢測等工序，獲得面積20cm×25cm，位錯＜100 cm2，厚度約500mm的<111>晶向的單晶襯底。在生長前，還要對襯底片進行化學拋光，拋光液為乳酸腐蝕液，體積配比為C3H6O3:HNO3:HF＝100:10:1。

1.4 生長過程

LPE技術的原理是以低熔點的金屬（如In等）為溶劑，以待生長材料（如InSb等）和摻雜劑（如Te等）為溶質，使溶質在溶劑中呈飽和或過飽和狀態。通過降溫冷卻使石墨舟中的溶質從溶劑中析出，在單晶襯底上定向生長一層晶體結構和晶格常數與單晶襯底相似的晶體材料，使晶體結構得以延續，實現晶體的外延生長。

液相外延設備采用水平開管結構，生長過程首先把制備好的襯底放入石墨舟的襯底槽中，在母液槽中放入厚度2mm的母液。石墨舟放入生長管的恒溫區中。然后抽高真空，反應室通入高純氫。典型的溫度曲線如圖3所示。

圖3 生長的爐溫曲線

母液的溫度變化分為不同的階段。第1階段：母液升溫，母液的溫度由室溫升至液相線50℃以上，銻化銦外延采用的溫度是500℃，母液由固相向液相轉變；第2階段：母液恒溫，時間大約1.5h。這一過程是母液混合過程，由于母液的均勻度直接影響外延膜的表面形貌和組分均勻性，母液應最大限度地混合均勻；第3階段：母液降溫，降溫速率大約是0.5℃/min；第4階段：外延生長，外延生長必須適當控制過冷度，過冷度太大生長原動力大，在外延生長開始時容易出現小島，使生長的外延膜高低起伏不均勻。反之過冷度太小，缺乏原動力，不易生長。實驗中過冷度為2～3℃時讓溶液和襯底接觸，降溫生長，降溫速率大約是0.5℃/min。生長完后，使溶液迅速離開襯底，并盡快讓外延片冷卻至室溫。

2 實驗結果與討論

InSb外延薄膜的表面形貌依賴于InSb襯底的晶體質量以及襯底的磨拋、清洗、腐蝕等工藝過程。襯底中存在的缺陷，如位錯、亞晶界、孿晶都會在外延層中延伸。襯底的清洗過程中表面沾污以及生長條件是影響薄膜表面質量的重要因素。如生長條件不得當，薄膜表面會有明顯的晶界、亞晶界和孿晶。經過多次反復的試驗摸索，我們得到了較好的薄膜表面形貌的生長條件：生長溫度379℃，降溫速率0.4℃/min，過冷度1.5℃，生長時間5s。圖4是薄膜表面放大50倍表面形貌。

圖4 銻化銦外延表面形貌

從圖4中InSb外延片的表面形貌來看，外延薄膜完整，表面光亮，微觀顯微出波紋形貌，這正是液相外延生長所特有的形貌。

用傅里葉紅外光譜儀（FTIR）和臺階儀測定銻化銦薄膜材料的厚度。臺階儀對整個外延片進行掃描，可以從宏觀上看出外延片的厚度分布。用FTIR光譜儀準確測定InSb薄膜各點的厚度，我們選取9個點進行測量，大致可以看出整個薄膜表面的厚度。圖5為InSb外延層厚度測量結果。所測外延片尺寸20cm×25cm，生長條件為：母液配比：34% InSb和66% In，升溫2h，最高溫度500℃，生長溫度397℃，過冷度2℃，降溫速率0.6℃/min。

圖5 銻化銦薄膜的厚度測量

從測量結果可以看出，薄膜表面只是邊界有突起，薄膜平均厚度4mm±0.2mm，厚度均勻，而且生長的n型層薄膜厚度完全可控，可滿足器件工藝的要求。

從表面霍爾測試的結果來看，生長的薄膜為n型，濃度約為2×1018cm－3，遷移率約6000～10000cm2×V－1×s－1。用所制備的InSb薄膜樣品制作出的器件的伏安特性曲線如圖6所示。

圖6 InSb器件的伏安特性

從圖6看出，生長的InSb薄膜材料可以做出完整的pn結，0可達50 kW×cm2以上。但是-曲線的反向還不算太好，0還未達到理想的水平。這也說明，材料參數還有待進一步改進，n型層濃度偏高，遷移率偏低，在以后的實驗中將進一步改進。

從目前的報道來看，我們與伊朗、埃及、印度等國家都處于pn結材料的研制階段[9,11-14]，與日本有差距，日本已經有器件報道[8]。

3 結論

用水平開管液相外延技術，首次在國內在p型銻化銦襯底上用富In的銻化銦母液生長n型InSb薄膜，薄膜材料結構完整，具有優良的表面形貌和較好的電學性能參數，外延片可以做出具有完整的pn結的器件，薄膜材料可用于中波紅外焦平面探測器的研制。

下一步，我們將優化生長工藝，對襯底濃度、母液濃度進行調整，生長適合研制中波紅外焦平面探測器的薄膜材料，研制滿足市場需求的中波紅外焦平面探測器器件。

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Liquid Phase Epitaxy of n-on-p InSb Film

LI Zhongliang，CHEN Jiancai，YE Wei，LI Zengshou，LIU Shineng

(,650223,)

InSb film has been grown from In-rich solution in open-tube sliding-boat LPE system on InSb substrates. It has n on p structure. The substrate is Ge-doped with impurity concentration ranges from 1×1015to 5×1016cm－3, and the InSb epitaxial layer is grown upon the 20cm×25cm p- InSb substrate, which has the thickness of 2-3mm with the surface flatness and the net donor concentration ranges from 1×1017to 5×1018cm－3. The results show that epilayer can satisfy the fabrication of focus plane arrays.

n-on-p，InSb，LPE

O742，O75

A

1001-8891(2016)07-0577-04

2016-06-01；

2016-06-20.

李忠良（1960-），男，工程師，云南昆明人，主要從事銻化銦晶體的生長。

陳建才（1966-），男，研究員，云南陸良人，主要從事薄膜材料的生長。E-mail：cjc2314@163.com。