InSb晶片材料性能表征與機(jī)理分析

鞏 鋒，程 鵬，吳 卿，折偉林，陳元瑞

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

直接帶隙半導(dǎo)體InSb材料，室溫禁帶寬度0.18 eV、極高的電子遷移率和小的電子有效質(zhì)量等獨(dú)特的半導(dǎo)體性質(zhì)決定了其可用于制造高性能3～5 μm中波紅外探測(cè)器。

目前InSb材料的紅外探測(cè)器已由單元、多元發(fā)展至一維線列和二維凝視焦平面陣列［1－4］。當(dāng)前，基于InSb焦平面探測(cè)器的制備工藝已相當(dāng)成熟，國(guó)外公開報(bào)導(dǎo)的InSb探測(cè)器規(guī)模已達(dá)到6000×1線列和2048×2048面陣焦平面陣列，并已廣泛地應(yīng)用于紅外追蹤、制導(dǎo)、熱成像、監(jiān)視、偵察、預(yù)警和天文觀察等軍事與民用紅外系統(tǒng)中，并取得了很好的結(jié)果。

2 晶體生長(zhǎng)及性能測(cè)試表征

InSb單晶生長(zhǎng)采用Czochralski法，提拉桿下端裝夾(211)晶向籽晶，生長(zhǎng)過程中提拉桿同時(shí)做向上提拉運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，獲得了不同直徑高性能Te摻雜N型 InSb(211)單晶［5］(如圖 1所示)。InSb(211)單晶經(jīng)定向、切割、研磨和拋光，獲得不同尺寸的InSb(111)晶片(如圖2所示)。

采用腐蝕坑密度(EPD)來表征InSb晶體的位錯(cuò)密度;用X光形貌來表征晶片的宏觀晶體均勻性和質(zhì)量;用ATE－E型X射線雙晶衍射半峰寬表征晶片材料的晶格完整性;用范德堡法對(duì)材料的電學(xué)參數(shù)進(jìn)行霍爾測(cè)試。隨機(jī)抽取3個(gè)InSb晶片，片號(hào)分別為 JHJ1:A185－101、JHJ2:A181－78和 JHJ3:A182－54。每個(gè)晶片取連續(xù)14個(gè)5mm×5mm測(cè)試區(qū)域，樣品測(cè)試點(diǎn)分布如圖3所示。

圖3 InSb晶片樣品測(cè)試點(diǎn)分布示意圖

3 結(jié)果討論及機(jī)理分析

3.1 結(jié)果討論

1)位錯(cuò)密度

由圖4可知，InSb晶片材料整體位錯(cuò)極少，3片材料均在靠近參考邊7mm范圍以內(nèi)位錯(cuò)相對(duì)稍多，但均遠(yuǎn)少于50/cm2(代表國(guó)際上最高水平的美國(guó)Galaxy、英國(guó) WT和加拿大Firebird報(bào)道的位錯(cuò)密度小于50/cm2)，可見InSb晶片材料晶格質(zhì)量極高。

2)X光形貌

圖5 InSb晶片X光形貌圖

從圖5 X光形貌圖發(fā)現(xiàn)所有晶片宏觀晶格質(zhì)量均勻性良好，襯度均勻，未見明顯突變區(qū)域。圖中上下半?yún)^(qū)顏色差異是由于晶片固定方式造成晶片變形所致，并非晶片本身晶格襯度真實(shí)的反映。

3)X射線雙晶衍射半峰寬

從圖6數(shù)據(jù)可以看出，整片材料半峰寬基本小于30arcsec，部分區(qū)域半峰寬接近個(gè)位數(shù)，材料晶格完整性好，整體質(zhì)量較高，未見區(qū)域或規(guī)律性分布。

4)電學(xué)參數(shù)

圖7 InSb晶片電學(xué)參數(shù)分布

從以上數(shù)據(jù)可以看出，整片材料電學(xué)參數(shù)分布較均勻，n型摻雜濃度在5.5～10×1014cm－3，遷移率在2.4～4.5×105cm2/V·s，只有一個(gè)點(diǎn)意外，其濃度為11.676×1014cm－3;但隨著靠近參考邊，摻雜濃度有緩慢增大趨勢(shì)。

3.2 機(jī)理分析

由測(cè)試結(jié)果可知，InSb晶片材料整體質(zhì)量較高;但在靠近參考邊區(qū)域，位錯(cuò)密度、X射線雙晶衍射半峰寬、摻雜濃度增大，晶體質(zhì)量稍低，這和(211)晶向InSb單晶生長(zhǎng)原理密切相關(guān)。

由(211)晶向InSb單晶生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)原理，徑向不同方向的生長(zhǎng)速率不同，差異較大，三個(gè)方向生長(zhǎng)速率較快，另一個(gè)方向生長(zhǎng)速率較慢，因此導(dǎo)致近似“梯形狀”晶錠截面，如圖由圖8、圖9所示。在晶體生長(zhǎng)的開始階段，由于籽晶表面晶格的不完整性導(dǎo)致隨后晶體生長(zhǎng)的位錯(cuò)遺傳性和延續(xù)性，因此在籽晶附近晶片位錯(cuò)密度較高。隨著晶體的生長(zhǎng)，在合適條件下生長(zhǎng)較快的方向，自然結(jié)晶導(dǎo)致位錯(cuò)的逐漸湮滅和閉合，位錯(cuò)密度降低;而生長(zhǎng)較慢的方向，雖然整體上位錯(cuò)也在降低，但由于生長(zhǎng)較慢在生長(zhǎng)結(jié)束時(shí)晶錠邊緣距籽晶位置仍然很近，InSb晶片的參考邊與211晶向晶錠生長(zhǎng)的籽晶位置相近或重合，因此該區(qū)域位錯(cuò)密度較高。

雖然InSb晶片在靠近參考邊區(qū)域半峰值稍增大，由位錯(cuò)密度(ρ)和X射線雙晶衍射半峰寬(Wm)之間的理論關(guān)系:ρ=/4.35b2推導(dǎo)，X射線雙晶衍射半峰寬相應(yīng)增大，但測(cè)試結(jié)果并未出現(xiàn)區(qū)域分布。X射線雙晶衍射半峰寬表征的是2μm×2μm區(qū)域內(nèi)的晶格完整性，而InSb單晶整體質(zhì)量較高，單位面積內(nèi)位錯(cuò)很少，而且不是均勻分布，這樣落在2μm×2μm區(qū)域內(nèi)的位錯(cuò)數(shù)極少，不會(huì)影響X射線雙晶衍射半峰寬，未呈現(xiàn)區(qū)域性規(guī)律分布。

InSb單晶生長(zhǎng)的N型摻雜劑為Te，在InSb熔體中的平衡分凝系數(shù)為0.6。由平衡系數(shù):k0=cS/cL，cS＜cL，Te雜質(zhì)容易留在熔體里，摻雜較困難。在晶體旋轉(zhuǎn)生長(zhǎng)過程中，生長(zhǎng)速率較慢的徑向在整個(gè)生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)生長(zhǎng)體積較小，而在相同生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)摻入的Te原子數(shù)接近，因此導(dǎo)致在生長(zhǎng)較慢的徑向摻雜濃度較高，即InSb晶片參考邊區(qū)域附件摻雜濃度較高。

4 結(jié)論

通過對(duì)2 in InSb(111)晶片材料位錯(cuò)密度、X光形貌、X射線雙晶衍射半峰寬和電學(xué)參數(shù)進(jìn)行了整片均勻性測(cè)試表征，結(jié)合InSb晶體生長(zhǎng)原理對(duì)晶片位錯(cuò)密度高、摻雜濃度的區(qū)域性分布進(jìn)行了深層機(jī)理分析，材料整體性能極佳。

［1］ Du Hongyan．PN junction in InSb by Be ion implantation［J］．Laser＆ Infrared，2012，42(2):161 －164．(in Chinese)杜紅艷．InSb中Be離子注入成結(jié)研究［J］．激光與紅外，2012，42(2):161 －164．

［2］ Wen Tao，et al．Study on reactive ion etching damage of InSb wafer［J］．Laser ＆ Infrared，2010，40(6):622 －624．(in Chinese)溫濤，等．反應(yīng)離子刻蝕InSb芯片引入的損傷研究［J］．激光與紅外，2010，40(6):622 －624．

［3］ Jia Baojun，Zhang Xinyu，Wang Xinyu．Research on the quantum efficiency of InSb photoconductivity detector［J］．Laser＆ Infrared，2009，39(7):746 －748．(in Chinese)賈寶軍，張新宇，王新宇．InSb光導(dǎo)探測(cè)器量子效率研究［J］．激光與紅外，2009，39(7):746 －748．

［4］ Wei Shuling，Ying Mingjiong．Wet etching of InSb for focal plane arrays［J］．Laser ＆ Infrared，2008，38(9):899 －901．(in Chinese)韋書領(lǐng)，應(yīng)明炯．InSb晶片濕法化學(xué)刻蝕研究［J］．激光與紅外，2008，38(9):889 －901．

［5］ Wang Zhifang，Wang Yanhua．Diameter controlling of large diameter InSb crystal［J］．Infrared，2011，32(1):27 －30．(in Chinese)王志芳，王燕華．大尺寸銻化銦晶體生長(zhǎng)等徑技術(shù)研究［J］．紅外，2011，32(1):27 －30．