壓強對GaSb/GaAs量子點形貌各向異性的影響

徐德前， 徐佳新， 莊仕偉， 李國興， 張寶林

(集成光電子學國家重點實驗室 吉林大學電子科學與工程學院， 吉林 長春 130012)

1 引 言

Ⅲ-Ⅴ族Sb化物半導體由于其獨特能帶結構、有效質量小、電子遷移率高的特性，在超高速低功耗器件和紅外光電器件等領域有著重要應用[1-4]。GaSb/GaAs量子點(QDs)系統，其Ⅱ型異質能帶結構可有效抑制俄歇復合效應，提高器件性能，因而引起了研究者的廣泛關注；而且GaSb量子點與InGaAs/GaAs量子阱結合，器件波長可達1.7 μm[5]，因而在近紅外波段具有重要應用。GaSb/GaAs量子點的生長通常采用層-島(S-K)模式，量子點界面處以60°位錯為主導，容易導致外延層中產生大的穿透位錯密度[6-7]，而穿透位錯以非輻射復合中心的形式降低器件性能。IMF生長模式以90°位錯為主導，與傳統的S-K生長模式相比，應變只在界面處釋放并且位錯有很強的局域性[8]，可以實現密集的量子點疊層生長，從而顯著增強光子吸收。同時有文獻表明，與S-K生長模式相比，IMF模式生長GaSb/GaAs界面穿透位錯密度降低了兩個數量級(～5×105cm-2)[9]，生長的GaSb/GaAs量子點穿透位錯密度更低，有利于器件性能的改善。相關研究表明，界面失配(IMF)生長模式主要由溫度和晶格失配主導，溫度為520 ℃時，為純凈的90°失配位錯，溫度大于560 ℃時為60°位錯[7,10]；襯底與外延層低應變(<2%)時產生60°位錯，中等應變(3%～4%)產生90°和60°混合位錯，大應變(>6%)形成90°位錯[11-12]。

通過改變生長參數，GaSb/GaAs量子點可以實現S-K或IMF模式無應力生長[13]。采用MOCVD工藝實現以90°位錯主導的IMF模式進行外延生長時，要求生長溫度低(約520 ℃)，晶格失配大(>6%)，以及氣相Ⅴ/Ⅲ比高。對于銻化物的MOCVD生長，由于Sb的飽和蒸汽壓低而具有特殊性，Ⅴ/Ⅲ比的選取相對較低(1<Ⅴ/Ⅲ<3)。由于IMF生長模式為準二維生長模式，相比S-K三維生長模式，<110>晶向的各向異性對GaSb量子點生長的影響被放大，導致GaSb量子點沿[110]方向被拉長[14]。Hiroyuki Sakaki等研究發現低的Ⅴ/Ⅲ比可以抑制GaSb/GaAs量子點的各向異性[15-16]，但與IMF生長模式高Ⅴ/Ⅲ比的要求相矛盾。我們通過實驗也發現增大源輸入流量可以在一定程度上抑制GaSb/GaAs量子點的各向異性，但高的生長速率導致量子點的生長過程難以調控，并且容易引入堆垛形貌而降低器件性能。

本文采用低壓金屬有機物化學氣相沉積(LP-MOCVD)技術制備了GaSb/GaAs量子點樣品，通過Sb表面處理改變表面自由能來實現準二維的IMF生長模式。通過不同壓強下樣品表面形貌的對比，研究了反應室壓強對IMF模式生長的GaSb/GaAs量子點各向異性的影響。

2 實 驗

采用水平反應室的LP-MOCVD在GaAs襯底上基于IMF生長模式制備了GaSb量子點結構，GaAs襯底為(001)偏(110)方向2°的斜切半絕緣單晶片。三甲基鎵(TMGa)為Ⅲ族源(輸入流量為4.9 μmol/min)，三乙基銻(TESb)為V族源(輸入流量為3.6 μmol/min)，載氣為H2。對應上述IMF模式的MOCVD生長條件要求，本實驗生長溫度設為500 ℃，晶格失配(7.8%)滿足IMF生長模式要求，氣相Ⅴ/Ⅲ比為0.7，生長前采用Sb表面處理方法在界面處形成Sb原子富集，進而使生長初期的Ⅴ/Ⅲ比高，有利于形成IMF生長模式。反應壓強分別為10，7，5，4，3 kPa，樣品依次標記為S1、S2、S3、S4和S5。GaSb量子點臨界厚度約為2.5 ML(monolayer)，由于壓強的變化GaSb在不同壓強下的生長速度(約為0.036～0.5 ML·s-1)發生改變。500 ℃通入Sb源(輸入流量為1.8 μmol/min)，進行5 s的Sb表面處理，通過Sb表面處理形成富Sb(2×8)重構表面[17-18]，在界面處誘導產生周期性90°失配位錯，實現準二維的IMF模式的GaSb/GaAs量子點生長。降溫時通入Sb源(輸入流量為1 μmol/min)，抑制外延GaSb材料中Sb的解吸附效應。

實驗采用布魯克公司的原子力顯微鏡(AFM) (ICON-PT,Veeco)表征各樣品表面形貌。采用輕敲模式進行測試，SiC探針的共振頻率約為300 kHz。

3 結果與討論

圖1 (a)不同壓強下制備的GaSb/GaAs量子點AFM形貌圖。S1：10 kPa,S2:7 kPa,S3:5 kPa,S4:4 kPa,S5:3 kPa。 (b)隨壓強變化的GaSb量子點密度和各向異性島的長寬比。

Fig.1 (a) Atomic force microscopy images of GaSb/GaAs QDs formed at different reaction chamber pressure. S1： 10 kPa, S2:7 kPa, S3: 5 kPa, S4: 4 kPa, S5:3 kPa. (b) The density of GaSb quantum dots and the aspect ratio of anisotropic islands as functions of reaction chamber pressure.

圖2 GaSb各向異性島不同{111}面的生長機制[18]，其中藍色面為{111}B面，紅色面為{111}A面。

Fig.2 Schematic illustration of the growth mechanism of different {111} planes on anisotropic islands of GaSb quantum dots, blue planes represent the {111}B facets and red ones are {111}A facets.

圖3 GaAs襯底(001)偏[110]方向2°時的表面臺階

Fig.3 Surface steps of GaAs(001) substrate with 2° offcut towards [110]

圖4 GaAs襯底表面富Sb的2×8表面重構[17]

Fig.4 (2×8) reconstruction of Sb on GaAs(001) surfaces[17]

4 結 論

本文采用LP-MOCVD技術與Sb界面處理方法，基于IMF生長模式制備了GaSb/GaAs量子點。實驗結果表明：(1)采用IMF生長模式生長的量子點形貌存在明顯的各向異性，量子點的形貌近似為長方體，生長模式為準二維(2D)模式。(2)降低壓強可以有效抑制GaSb量子點沿<110>方向的各向異性，壓強為4 kPa時量子點密度最大，量子點長寬比從10 kPa時的3.5降低至1。(3)反應室壓強變化對量子點生長機制有著重要影響。通過降低壓強，一方面增大{111}A面Ga原子的解吸附作用，可以降低沿[110]方向的生長速率而抑制各向異性生長；另一方面降低了吸附原子的擴散激活能，增大擴散長度，從而抑制襯底臺階取向和表面重構帶來的各向異性生長。