不同Te 摻雜量對InSb 晶體性能的影響

馬 林 ,楊瑞霞 ,于 凱 ,王 健 ,劉莎莎

(1.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,天津 300401;2.中國電子科技集團公司第四十六研究所,天津 300220;3.新型半導(dǎo)體晶體材料技術(shù)重點實驗室,天津 300220)

銻化銦(InSb)是一種具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)的III-V 族化合物半導(dǎo)體材料,具有禁帶寬度窄、電子有效質(zhì)量小和電子遷移率高等特點[1]。InSb 在3～5 μm 中波波段具有高量子效率,常用于制備該波段高性能的紅外探測器件[2-3],而且還可以利用其霍耳和磁阻等效應(yīng)制備相應(yīng)的霍爾器件[4]和磁阻器件[5]。與HgCdTe(MCT)材料制備的中紅外探測器[6-7]相比,利用InSb單晶制備的紅外探測器具有成本低、穩(wěn)定性好和工藝技術(shù)成熟等優(yōu)勢[8]。

高性能的InSb 基器件依賴于高質(zhì)量InSb 晶體的制備。InSb 基紅外探測器工作原理是基于紅外吸收產(chǎn)生光生載流子[9],由于InSb 材料室溫時禁帶寬度比較小(Eg=0.17 eV),受熱激發(fā)影響比較大,為了減小本征激發(fā)對探測器性能的影響,通過降溫減小本征激發(fā)載流子濃度,從而抑制本征噪聲對器件性能的影響。黃水安等[10]根據(jù)InSb 材料的禁帶寬度和本征載流子濃度,計算出由InSb 材料制備的紅外探測器在77～130 K 之間能正常工作,為確保其穩(wěn)定性,一般在77 K 下工作。

InSb 材料特性與摻雜情況有密切聯(lián)系,摻雜元素不僅能改變其導(dǎo)電特性,也能對其光學(xué)特性產(chǎn)生影響。由于InSb 原料含有微量Zn、Cd 等受主雜質(zhì)會導(dǎo)致制備的InSb 晶體通常在77 K 時呈現(xiàn)P 型特性,其遷移率低不能夠滿足紅外器件的需求[11],InSb 材料電子遷移率大于空穴遷移率,由此決定了其多子應(yīng)為電子,即導(dǎo)電類型需為N 型。為此,科研人員開展了摻雜元素對InSb 晶體性能影響的研究。Gadkari 等[12]采用垂直定向凝固(VDS)法生長了非摻P 型InSb 晶體和摻Te 濃度為6×1017cm-3N 型InSb 晶體。300 K 時非摻樣品霍爾遷移率為5.5×104cm2·V-1·s-1,摻雜樣品霍爾遷移率為2.6×104cm2·V-1·s-1。張興旺等[13]采用垂直布里奇曼(VB)法制備了InAsSb 半導(dǎo)體合金。研究結(jié)果表明,摻As 后InSb 電子遷移率從3.7×104cm2·V-1·s-1降低至1.08×104cm2·V-1·s-1,減小了InSb 光學(xué)帶隙,對應(yīng)吸收截止波長約為9.2 μm。

基于以上原因,為了獲得高質(zhì)量、高遷移率特性的InSb 晶體,需使其在77 K 時表現(xiàn)出N 型導(dǎo)電。本文采用Te 元素?fù)诫s來改變InSb 晶體的導(dǎo)電類型,實現(xiàn)對其電學(xué)和光學(xué)性能的調(diào)控。Te 原子與晶格原子Sb的大小相接近,價電子殼層結(jié)構(gòu)也比較接近,Te 原子作為替位式摻雜在晶體中替代Sb 的位置,起施主作用。本文利用直拉法生長制備不同Te 摻雜量的InSb∶Te 晶體,并針對不同Te 摻雜量對InSb 晶體的結(jié)晶質(zhì)量、光學(xué)及電學(xué)特性的影響進行了研究。

1 實驗

1.1 晶體生長

以[211]晶向的高質(zhì)量、低位錯的InSb 籽晶和高純(6N)InSb 多晶棒為原料,采用直拉法(Cz)生長InSb 晶體。InSb 晶體生長結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示,固液界面中心處軸向(z)溫度分布曲線如圖2 所示。所用的非摻雜樣品為直接使用多晶棒生長的InSb 單晶。摻雜樣品是在InSb 原料中加入單質(zhì)Te 粉末,原料中Te的摻雜濃度(每立方厘米中摻雜的Te 原子在InSb 晶體中的數(shù)量)依次約為6×1016,6×1017,6×1018和6×1019cm-3,共計四組摻雜實驗。根據(jù)公式(1)計算可以得到原料中的摻雜濃度所需Te 的摻雜質(zhì)量m。

圖1 InSb 晶體生長結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of InSb crystal growth structure

圖2 固液界面中心處軸向溫度分布Fig.2 Axial temperature distribution at the center of solid-liquid interface

式中:N是晶體中的摻雜濃度;WInSb是InSb 原料質(zhì)量;ρInSb是InSb 的密度;NA是阿伏伽德羅常數(shù)(6.02×1023);K是Te 元素在InSb 中的分凝系數(shù);MTe是Te元素的分子量。先將InSb 多晶料放入配制的CP4 溶液(HNO3、CH3COOH 和HF 溶夜的體積比為5∶3∶3)中腐蝕2 s,以去除表面的銦銻氧化物,然后用去離子水沖洗表面殘留的溶液。生長氣氛為Ar 和H2(體積比為9∶1)混合氣體,晶體生長時爐膛內(nèi)壓力為1 個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1.01325×105Pa)。籽晶桿的轉(zhuǎn)速控制在10 r/min,坩堝的轉(zhuǎn)速控制在5 r/min,籽晶桿的拉速控制在8 mm/h,不斷提拉籽晶桿,以實現(xiàn)晶體的連續(xù)生長。晶體的整個生長過程中溫度的調(diào)整由InSb 自動升降溫程序控制。

1.2 樣品制備及測試

將制備的InSb 晶體經(jīng)過線切割、研磨、化學(xué)機械拋光和超聲波清洗等步驟,得到尺寸為7 mm×7 mm×0.8 mm 的InSb 拋光晶片。將非摻雜樣品編號為#1,摻雜樣品濃度從低至高依次編號為#2、#3、#4 和#5,如圖3 所示。采用德國布魯克公司生產(chǎn)的VERTEX70傅里葉變換紅外光譜儀對樣品在2.5～25 μm 波段內(nèi)的紅外光學(xué)性能進行測試分析。利用法國LabRam HR800 型拉曼光譜儀對樣品片進行拉曼光譜測試。通過霍爾測試儀測量樣品在室溫和77 K 下的電學(xué)參數(shù),包括載流子濃度、電阻率、遷移率和導(dǎo)電類型等。使用德國布魯克Delta-X 多功能X 射線衍射儀對樣品進行X 射線衍射(XRD)搖擺曲線半峰寬測量。

圖3 不同Te 摻雜濃度的InSb 拋光晶片。(a) 非摻雜;(b) 6×1016 cm-3;(c) 6×1017 cm-3;(d) 6×1018 cm-3;(e) 6×1019 cm-3Fig.3 InSb polished wafer with different Te doping concentrations(a)Undoped;(b) 6×1016 cm-3;(c) 6×1017 cm-3;(d) 6×1018 cm-3;(e) 6×1019 cm-3

2 結(jié)果與討論

2.1 電學(xué)性能分析

利用霍爾測試可以獲得不同Te 摻雜量樣品的導(dǎo)電類型、電阻率、載流子濃度和遷移率。77 K 和室溫時不同Te 摻雜量的InSb 晶片霍爾測量結(jié)果分別如表1和表2 所示。由表1 可知,非摻雜樣品在77 K 時導(dǎo)電類型為P 型,Te 摻雜濃度在1016～1019cm-3范圍制備的樣品導(dǎo)電類型均為N 型。由表2 可知,非摻雜樣品和Te 摻雜濃度在1016～1019cm-3范圍制備的樣品在室溫時導(dǎo)電類型均為N 型。這與Gadkari 等[14]的研究結(jié)果一致,非摻雜樣品的霍爾系數(shù)在低溫(50～150 K)范圍內(nèi)為正,導(dǎo)電類型為P 型;在室溫時霍爾系數(shù)為負(fù),導(dǎo)電類型為N 型。Te 摻雜濃度為1017cm-3的N 型InSb樣品,霍爾系數(shù)為負(fù),在20～300 K 溫度范圍內(nèi)霍爾系數(shù)符號保持不變。研究表明,77 K 時樣品摻雜Te后導(dǎo)電類型為N 型。隨著Te 摻雜濃度從1016cm-3增加至1019cm-3,77 K 時載流子濃度從1015量級遞增至1019量級,電阻率從10-1量級遞減至10-4量級。Te 摻雜濃度為1016～1018cm-3時,InSb 禁帶寬度窄,室溫下雜質(zhì)幾乎全部電離,載流子濃度近似等于雜質(zhì)濃度,而遷移率隨雜質(zhì)的變化不大。因而,電阻率與雜質(zhì)濃度成反比關(guān)系,雜質(zhì)濃度越高,電阻率越小,電導(dǎo)率越高。77 K 時InSb 本征載流子濃度為1.13×109cm-3,可以看出摻雜樣品載流子濃度遠大于本征載流子濃度,所以在77 K 時不受本征載流子的影響。在77 K 時,摻雜N 型樣品#2、#3 和#4 的遷移率比非摻雜P 型樣品#1 高一個數(shù)量級,因此InSb 材料電子遷移率大于空穴遷移率。隨著Te 摻雜量的增加,室溫時遷移率逐漸減小,在非摻N 型InSb 樣品中,晶格振動散射起主要作用,而對于摻雜N 型InSb 樣品,還應(yīng)考慮電離雜質(zhì)散射的影響。電離雜質(zhì)散射和晶格振動散射降低了晶體中電子的遷移率[15]。

表1 77 K 下霍爾測試數(shù)據(jù)Tab.1 Hall test data at 77 K

表2 室溫下霍爾測試數(shù)據(jù)Tab.2 Hall test data at room temperature

2.2 紅外光學(xué)性能分析

利用傅里葉變換紅外光譜儀測量了不同Te 摻雜量樣品的紅外透過率。圖4 為InSb 晶片的紅外透過率圖譜。由圖4 可知,與非摻雜InSb 樣品相比,Te 摻雜樣品的透過率降低,且隨著Te 摻雜量的增加,透過率呈逐漸減小的趨勢。當(dāng)摻雜濃度為1019cm-3時,樣品幾乎無透過,達到測試儀器上限。影響中紅外區(qū)域紅外透過率的因素主要有雜質(zhì)吸收、沉淀相或夾雜吸收、自由載流子吸收和晶片表面散射[16]。摻雜N 型InSb的紅外吸收主要是自由載流子吸收。當(dāng)摻雜濃度達到1017cm-3后,樣品#3 和#4 存在明顯的帶尾態(tài)吸收,造成帶尾吸收的原因可能由淺雜質(zhì)能級與導(dǎo)帶簡并、荷電雜質(zhì)中心電場影響、陽離子團聚效應(yīng)、晶格畸變勢以及深中心的內(nèi)電場等因素造成[17]。根據(jù)Tauc 關(guān)系式,吸收系數(shù)α與帶隙能量Eg的關(guān)系可用公式(2)表示:

圖4 InSb 晶片紅外透過率圖譜Fig.4 Infrared transmittance spectrum of InSb wafer

式中:hv是入射光子能量;Eg是室溫時InSb 的光學(xué)帶隙;A是常數(shù);InSb 屬于直接帶隙半導(dǎo)體,m取1/2。通過上述關(guān)系式得到InSb 的(αhν)2-hν關(guān)系曲線如圖5 所示。對圖5 曲線進行直線擬合,通過直線與橫軸的截距得到非摻雜和摻Te 濃度依次約為6×1016,6×1017,6×1018和6×1019cm-3樣品的帶隙,分別為0.16,0.165,0.173 和0.186 eV。由圖5 可知,Te 摻雜引起InSb 帶隙展寬,且隨著Te 摻雜量的增加,帶隙展寬的越多。同時,InSb 的吸收截止邊隨著Te 摻雜量的增加向短波方向移動。非摻雜的InSb 樣品與文獻[18]相比帶隙較窄,通過摻雜可以獲得與文獻相接近的值。通過以上數(shù)據(jù)分析,除了樣品#5,其余摻Te 樣品的帶隙對應(yīng)的截止波長均可以滿足3～5 μm 紅外探測器需求。

圖5 (αhν)2與hν 關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves of (αhν)2 and hν

2.3 拉曼光譜和XRD 搖擺曲線分析

利用拉曼散射光譜研究了不同Te 摻雜量對InSb晶體結(jié)構(gòu)特性的影響。拉曼散射光譜的激發(fā)波長是514 nm。不同Te 摻雜量樣品的拉曼光譜如圖6 所示。因為InSb 屬于極化晶體,其閃鋅礦結(jié)構(gòu)沒有反演對稱性,所以形成雙簡并的縱向光學(xué)聲子LO 模和橫向光學(xué)聲子TO 模。在InSb 標(biāo)準(zhǔn)樣品的拉曼光譜中,橫向光學(xué)TO 聲子散射峰和LO 聲子散射峰位移分別在178 cm-1和189 cm-1,TO 聲子散射峰遠強于LO 聲子散射峰[19]。表3 為拉曼峰的位移和峰面積比。由表3 可知,InSb 兩個主峰沒有明顯的偏移,還有一個弱散射峰在380 cm-1處出現(xiàn),這可能是由于雙聲子散射造成的[20]。由圖6 可知,與非摻雜InSb 樣品相比,Te 摻雜樣品拉曼峰的強度發(fā)生了變化,且隨著Te 摻雜量增加,縱向光學(xué)LO 模的強度在增強。TO 和LO 模的峰面積比被用于衡量InSb 材料的結(jié)晶質(zhì)量[21]。表3 列出了由洛倫茲擬合所得的TO 和LO 模的峰面積比ATO/ALO,可以看出隨著Te 摻雜量增加,TO 和LO 模的峰面積比在降低。#1、#2 和#3 樣品的峰面積比較高,且峰型尖銳,表明晶體結(jié)晶質(zhì)量較佳;#4 和#5 樣品峰面積比較低,表明晶體結(jié)晶質(zhì)量較差。

表3 拉曼峰的位移和峰面積比Tab.3 Displacement and peak area ratio of Raman peak

圖6 不同Te 摻雜量的InSb 晶片的拉曼光譜Fig.6 Raman spectra of InSb wafers with different Te doping contents

X 射線衍射(XRD)儀所測量的搖擺曲線半峰寬可以用來衡量晶體的結(jié)晶質(zhì)量。不同Te 摻雜量樣品的XRD 搖擺曲線如圖7 所示,非摻雜和Te 摻雜濃度依次約為6×1016,6×1017,6×1018和6×1019cm-3樣品的搖擺曲線半峰寬分別為0.46°,0.51°,0.53°,1.04°和1.36°。由圖7 可知,XRD 搖擺曲線圖譜中峰的位置沒有明顯偏移,半峰寬的值隨著Te 摻雜量的增加而增大。#1、#2 和#3 樣品的半峰寬值較小,且峰型對稱,表明晶體結(jié)晶質(zhì)量較好。但#4 和#5 樣品半峰寬值相對較大,且峰型非對稱,晶體呈現(xiàn)多晶化,晶體結(jié)晶質(zhì)量較差,與拉曼測試結(jié)果相吻合。

圖7 不同Te 摻雜量的InSb 晶片的XRD 搖擺曲線Fig.7 XRD rocking curves of InSb wafers with different Te doping contents

3 結(jié)論

采用直拉法(Cz)制備了不同Te 摻雜量的InSb 晶體,并對晶體的結(jié)晶質(zhì)量、光學(xué)特性及電學(xué)特性進行了表征,主要結(jié)論如下:

(1)Te 摻雜濃度從1016cm-3遞增至1019cm-3,未造成InSb 晶體拉曼峰位的偏移,TO 和LO 模的峰面積比在減小,半峰寬逐漸增加。當(dāng)Te 摻雜濃度為1018cm-3及以上,半峰寬峰型呈非對稱,晶體的結(jié)晶質(zhì)量受到顯著影響。

(2)Te 摻雜濃度在1016～1019cm-3范圍時,InSb 晶體透過率逐漸減小,帶隙展寬,吸收截止波長隨著Te摻雜量的增加向短波方向移動。除了Te 摻雜濃度為1019cm-3樣品外,其余摻雜樣品的吸收截止波長均滿足3～5 μm 紅外探測器需求。

(3)通過Te 摻雜可以實現(xiàn)InSb 晶體導(dǎo)電類型的轉(zhuǎn)變,與非摻雜P 型InSb 晶體相比,77 K 時摻Te 的InSb 晶體導(dǎo)電類型為N 型,且電阻率顯著降低,遷移率升高。當(dāng)Te 摻雜濃度控制在6×1016cm-3時,InSb晶體半峰寬為0.51°,遷移率為6.95×104cm2·V-1·s-1,吸收截止波長為7.5 μm,具有較高的結(jié)晶質(zhì)量,其電學(xué)和光學(xué)特性均滿足紅外探測器件需求。