InGaAs／InP材料的MOCVD生长研究

doi：10．3969／j．issn．1003—353x．2010．02．004 技术专栏 TechnologyColumn InGaAs／InP材料的 MOCVD生长研究 刘英斌，林琳，陈宏泰，赵润，郑晓光 (中国电子科技集团公司 第十三研究所，石家庄 050051) 摘要 ：研究 了InGaAs／InP材料 的 MOCVD生长技术和材料 的性能特征 。InP衬底 的晶向偏 角 能够明显影响外延生长模型以及外延层的面形貌，用原子力显微镜 (AFM)观察到了外延层表 面原子台阶的聚集现象 (step．bunching现象)，通过晶体表面的原子台阶密度和二维生长模型解 释 了台阶聚集现象的形成。对外延材料进行化 学腐蚀 ，通过双 晶 x射线衍射 (DCXRD)发 现异质结界面存在应力，用异质 结界 面岛状 InAs富集解释 了应 力的产生。通过严格控 制 InGaAs 材料的晶格 匹配，并优 化 MOCVD外延 生长 工艺，制备 出厚层 InGaAs外延 材料 ，获得 了低 于 1 X 10 cmI3的背景载流子浓度和 良好的晶体质量。 关键词：InGaAs；单原子层；台阶聚集；界面；金属有机物化学气相沉积 中图分类号：TN304．055 文献标识码：A 文章编号 ：1003．353X (2010)02．0113．03 Research of InGaAs／InP M aterials Grown by M OCVD Liu Yingbin，Lin Lin， Chen Hongtai，Zhao Run，Zheng Xiaoguang (The 13 Research 疵 ，CETC，Shijiazhuang 050051，China) Abstract：InGaAs／InP material growth technique and the characteristics were discussed． Ilhe surface morphology and the growth mode changing caused by InP substrate mis-orientation were analyzed．The trenches of multiple mono—layer(SO called step—bunching)on the epi—layer surface were observed by AFM measurement．Th e step-bunching was explained by the surface step intensity and the two dimension growth mode．Th e materials were chemical etched layer by layer． The etched samples were analyzed by double crystal X—ray diffraction (DCXRD)．The origination of the strain was traced and explained by the InAs islands location on the interface．The mismatch between InGaAs and InP was exactly controlled．Th e bulk InGaAs material was grown under optimized MOCVD growth conditions．Very good crystal quality and low background concentration (1×10坫cm一 )of InGaAs were achieved． Key words：InGaAs；mono-layer(ML)；step-bunching；interface；MOCVD EEACC：2520D：0520F 0 引言 与 InP晶格匹配的 InGaAs PIN探测器主要应用 在光纤通信系统。它具有结构简单、耦合效率高、 易于制作大规模阵列 、与其他器件可以进行光电集 成等优点，因此在通信系统、成像系统、光电集成 系统等方面都有重要应用。InGaAs PIN探测器材料 主要是用 MOCVD外延方法制备的，外延制备技术 和器件加工技术在 20世纪 90年代基本成熟，近年 一 些特种应用的探测器进一步促进了外延技术的发 February 2010 展：如 为 了拓展 InGaAs探 测器 的敏 感 波长 至 2．6 tsm，需要研究缓冲层外延技术以制作变晶格的 探测器；为了大面积的探测和成像[1-2]，对材料的 均匀性 、缺陷密度等提出严格要求等。 本文研究 了 InGaAs／InP异 质结材料 的 MOCVD 生长工艺和材料基本特性 ，分析解释了材料的表面 形貌、晶格应变情况，通过优化界面生长工艺获得 了性能优秀的外延材料，对不同晶向偏角衬底上的 外延生长模型以及界面 InAs岛状富集进行了简要 分析和解释。 刘英斌 等：InGaAs／InP材料的 MOCVD生长研究 1 实验 外延生长实验在 AIX2000型 MOCVD外延系统 上进行。使用的 III族原材料为三乙基镓 (TEGa)、 三 甲基铟 (TMIn)，V族原材料为砷烷 (AsH1)、磷 烷 (PH3)，n型掺杂剂为体积分数为 0．2％的 SiH4 (H2稀释 )。衬底为开盒即用的 n型掺 S InP衬底 。 外延材料用双晶 x射线衍射方法 (DCXRD) 测量失配度 和材料组分。用室温光荧光谱扫描 (PL)测量材料的发光波长。用 电化学 C— 方法测 量材料的掺杂浓度 ，并进行异质结界面的暗电流分 析。用干涉 相 衬显 微镜 (DIC)和原 子力 显 微镜 (AFM)观测材料的表面形貌。 2 结果与分析 2．1 生长模型与表面形貌：台阶聚集现象 InP衬底的晶向偏角对外延材料的表面形貌有 决定性的影响。本文使用了三种晶向偏角的衬底， 分别为 (100)晶面偏 向<110>方向0。，0．2。和 2o。 在同样 的外延条件下，使用偏晶向衬底时均用干涉 相衬显微镜观察到了波浪状起伏 的外延表面 ，而使 用 0。衬底可以获得光亮的镜面。样 品的5 m×5 m 原子力显微镜扫描图象如 图 1(a)和(b)。图 1(a) (a)O。衬底 ，RMS=0．1 nm (b)0．2。衬底 ，RMS：0．5 nm 图 1 InGaAs外延材料表面的原子力显微镜图 像 (5 ×5 m) Fig．1 AFM picture of InGaAs on the just—orientation and 0．2。 substrate 114 半导体技术第 35卷第2期 为0。衬底，图中的原子台阶高度均为0．29 nm，恰 好为 InP材 料 的一 个单 原 子层 厚 度 (nono-laye ． ML)。图 1(b)为 0．2。衬底，图中的原子 台阶高度 为多倍的单原子层厚度 ，最厚处达6 ML。图 1(b) 所示的这种原子台阶聚集产生的波浪状表面被称为 台阶聚集现象 J。 可以用 晶体 的二维 层状 生长模 型解释 “steD． bunching”现象。III—V化合物半导体的晶体生长一般 包括原子吸附、表面迁移、在合适位置生长三个基本 过程。原子的累积、生长优先发生在原子台阶处，即 从原子台阶向周围扩展。这种二维层状生长从俯视角 度观察，可以形象地称为 “step．flow”生长_34J。衬底 (或外延层)表面原子台阶密度与衬底的晶向偏角有 关，偏角越大，原子台阶越密集，台阶的宽度越小。 在特定的生长条件下，材料表面的原子台阶会聚集、 合并、抬高，就形成所谓的 “step．bunching”现象。在 图 1(a)的0。衬底上，原子台阶全部为 1个单原子层 (1 ML=0．29咖 )，外延过程是的二维 “step．flow” 生长模型；同样的外延生长条件 ，在 0．2o衬底上由于 原子台阶密度增加 ，原子台阶宽度减小，原子很快迁 移到台阶处并累积，造成台阶合并和台阶高度增加， 出现 图 1(b)的现象：台阶密度变大，高度在1 6 M坏 等。 2．2 InGaAs／InP异质结界面 用 MOCVD外 延 制 作 了 结 构 如 图 2所 示 的 InGaAs／InP外延材料 (样品 1)。双 晶 x射线分析 发现 ，InP帽层外延层的衍 射峰不能和 InP衬底重 合，即InP帽层与 InP衬底的晶格常数存在差异， 如图 3所示。为了确定产生 晶格异 常的位置 ，将 InP帽层腐蚀去除不同的厚度，制作成样品 2(InP 帽层剩余 0．1 m)和样 品 3 (InP帽层全部去除)。 从图3可以看出，随着剩余 InP外延层厚度的减 薄 ，其对应的 XRD衍射峰位置逐渐远离衬底 ，也 就是说剩余 InP帽层材料 的晶格应变量逐渐增大。 这个现象不能用外延层组分渐变解释，也无法用 XRD模拟软件拟合出实验曲线。 n型 InP帽层 n—InP O．5 Mm 非故意掺杂 InGaAs UID—InGaAs 2．5“m n 型InP缓冲层 n-InP O．5“m n型 (100)InP衬底 350 Hm 图 2 lnGaAs／InP外延材料结构示意 图 (样 品 1) Fig．2 InGaAs／InP epi-layer structure of sample 1 2010年 2月 刘英斌 等 ：InGaAs／InP材料 的 MOCVD生长研 究 6 0 善 4 喜 昌 尝 2 — 600 —400 —200 0 200 400 600 ∞．20／aresee 图 3 样 品 1#，2#和 3#的双晶衍射图 Fig．3 XRD curves of sample 1# 。2# and 3# 文献 [5]用透射电镜 (TEM)观测到，异质 结界面存在 InAs岛状富集 区域，这些高应 变的区 域引入了大量位错、缺陷，并且大大增加了界面处 的暗电流。这种 “岛状组分”界面可以解释 InP帽 层的晶格应 变现象 ：在 MOCVD外延生 长过程 中， 从 InGaAs材料转换到 InP材料时，需要中止生长以 进行元素种类 的切换。界 面中止生长 过程 中，在 InGaAs材料的表面形成 了如文献 [5]所述 的二维 局域化的 InAs或其他 中间组分 的岛，这些 岛分 布 不均，大小不同，存在较大应力。其上外延生长 InP材料时仍然为二维生长，这可以用 AFM图像证 明。较厚的 InP帽层材料将这些 岛的应力 “稀 释”。 由于 XRD测量到 的衍射峰是单个外延层总厚度 内 的平均应变量，因此 InP帽层腐蚀得越薄，测量的 晶格应变量越大 ，强度越低 。 采用 电化学 C— 设 备，通过 肖特基结 的反 向 ，． 特性测量 了 3个样 品的暗电流特性 。随着 InP 帽层的减薄，界面距离测量点越近，暗电流越大。 而对样品 3，暗电流小于 1 A (仪器 的探测极 限)。 这个 现象从 电学角度说 明了 InP／InGaAs异质结 界 面存在大量缺陷，需要进行工艺优化 。 2．3 InGaAs厚层材料的性质 InGaAs探测器要 求材 料纯度 高、晶体 完整性 好、界面缺陷少。通过优化生长温度和 V／III，可 以获得高纯度的 InGaAs外延材料。InP的热膨胀系 数为 4．6 x 10～／K，InGaAs热膨胀系数为 5．85× 10一／K，生长温度 (约 600 oC)下严格 晶格匹配的 外延材料在室温时处于正失配状态 ，(004)衍射峰 距离衬底约 80 arcsec，文献 [6]报道这 样的晶格 February 2010 常数有助于暗电流降低。经过生长工艺条件优化， 在生长温度 620℃、V／Ⅲ =60时，获得 了高品质 的 InGaAs外延材料 。电化学 c． 测量 的背景载流 子浓度n≤1 x 10 cm～，InP衬底的XRD衍射峰半 宽为20 arcsee，2 m InGaAs厚层材料的衍射半宽为 19 arcsee(图 4)；室温 PL光谱半宽为 46．1 meV (图 5)。文献 [6]中制备 的2．75 m InGaAs厚层材 料衍射半宽约 14～16 arcsee。室温 InGaAs厚层材料 的PL谱半宽主要取决于合金无序程度以及材料组 分 的微观均匀性 ，只有低温光荧光谱能显示出材料 纯度情况。 图 5 2,um InGaAs外延层 的室温 PL光谱 Fig．5 Room temperature PL spectrum of 2“m InGaAs epi—layer 3 结论 用 MOCVD外延方法制备 了 InGaAs／InP异 质结 外延材料 ，对不同晶向 InP衬底上的外延生长模型 进行了观测和分析，解释了 “step．bunching”现象。 对异质结 界面 的应力情 况进行 了分 析测试 ，指 出 InGaAs上生长 InP时 ，界面 InAs岛状富集是引起异 质结界面应力的主要原因。通过优化外延工艺条 件，获得了高纯度、良好晶体质量的 InGaAs厚层 外延材料 。 (下转第 120页) Semiconductor Technology Vo1．35 No．2 115 吕晶 等：GaAs PHEMT材料中2DEG浓度的控制与测试研究 参考文献 ： [1]江潮 ，姜炜 ，黄绮 ，等 ．高质量应变层 InGaAs／A1GaAs调 制 掺杂结构的研究[J]．半导体情报，1991，28(6)：21．25． [2]GOURLEY P L，FRITZ I F，DAWSON L R，et a1．Controversy of critical layer thickness for InGaAs／GaAs strained··layer epitaxy[J]．APL，1988，52(5)：377．379． 13 J NGUYEN L D，RADULESCU M C，FOISY M C，et a1．Influence of quantum well width on device performance of Alo ． 3Gao 7As／ Ino 25Gao 75As(on GaAs)MODFETs[J]．IEEE Trans on ED， 1989，36：833—836． [4]周文政一，林铁，商丽燕，等．双 6掺杂 Ino ． 65Gao 35As／Ino 52 Al0 。As赝型高迁移率晶体管材料子带电子特性研究 [J]．物理学报 ，2007，56(7)：4143．4147． 15 J CHEN Z，ZHENG Y K，LIU X Y，et a1．Device characteristics comparison between GaAs single and double delta-doped pseudom orphic high electron mobility transistors[J]．Chinese Journal of Semiconductors，2004，25(3)：247．251． 【6 J LEADLEY D R，FLEHEHER R，NICHOLAS R J，et a1． Intemubband r~sonallt scaUefing in GaAs-Ga1一 A1 As heterojunctions[J]．Phys Rev，1992，B(46)：12439-12447． [7] [8] [9] LEADLEY D R，NICH0LAS R J，HARRIS J J，et a1．Influence of acoustic phonons on inter-subband scattering in GaAs— GaA1As heterojunctions[J]．Semicond Sci Technol，1989，4 (10)：885．889． 殷际杰．微波技术与天线[M]．北京：电子工业出版社， 2004：138—147． LOOK D C，JOGAI B，STUTZ C E，et a1．Magneto-Hall characterization of delta—doped pseudomorphic high electronic mobility transistor structures[J]．JAP，1994，76(1)：328．331． (收稿 日期 ：2009．07．17) 作者简介 ： 吕晶(1983一 )，女 ，河 北沧 州人 ·硕士研 究 生 ，从事新型 电子材料与器件研究 ； 杨瑞曩(1957一)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为新型电 子材料与器件 。 (上接第 l15页) 参考文献： [1]莫才平，高新江，王兵．InGaAs四象限探测器[J]．半导体 光电 ，2004，25(1)：19—21． [2]韩冰，吕衍秋，吴小利，等．128×1线列InGaAs短波红外焦平 面的研究[J]．红外与毫米波学报，20o6(11)：333．337． 【3 J STANGL J，HOLY V，BAUER G．Structural properties of self- organized semiconductor nanostructures[J]．Reviews of Modem Physics，2004，76(7)：725—783． 14J NAKATA Y，UEDA O，MUTO S．Surface step arrangements and configurations during molecular beam epitaxial growth on slighfly misoriented(110)InP substrates[C]／／Proc of Seventh Int Conf on Indium Phosphide and Related Materials． Hokkaido，Japan ，1995：165 168． 15 J FORTE—POISSON M A，BRYLINSKI C，HERBEAUX C，et a1． Correlation between interfacial defects and electrical propertiesof LP：MOCVD GalnAs／InP heterostructures[C]／／／Proc of Fifth Int Conf on Indium Phosphide and Related Materials．Paris，France， 1993：131一l34． 16 J IGUCHI Y，DOGUCHI K，YANO H，et a1．Crystal quality of InGaAs epitaxial layer on 3-inch diameter VCZ／LEC InP(Fe) substrates[C]／／Pmc of Int Conf on Indium Phosphide and Related Materials．Cape Cod，MA，USA，1997：131—134． (收稿 日期 ：2009．10．13) 作者简介 ： 刘英斌 (1969一)，男 ，河北 正定 人 ，高级工 程师，从事 MOCVD外延工作，主要研究方向为 半导体光电材料的外延生长技术，目前主要开 展 GaN蓝光发光二极管 、AIGalnP红光发光二极 管、三结太阳电池等光电材料的外延生长和测 试表征等研究工作。 _ I，·，，· -，，'''，，，，'，，'，'，l，l，'，l，，，'，，I'，l，l'，''''''’I’'''' ' ''，'’’’’’，’’’'’’'’'’''’’’'，'’''''''、 ^ ¨ ； 征 稿 启 示 120 半导体技 术第 35卷 第 2期 2O10年 2月