重摻InP生長的InGaAs外延層遷移率的測量

2023年12月13日發(作者：初日照高林)

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重摻InP生長的InGaAs外延層遷移率的測量

付雪濤;劉筠;張旭;王香;管琪;裴會川;張永剛;李雪

【摘 要】通過襯底剝離技術對以重摻N型磷化銦（N ＋－InP）襯底生長的In0.53 Ga0.47 As外延層的遷移率測量方法進行了研究。首先，采用環氧樹脂膠將In0.53 Ga0.47 As外延層粘貼在半絕緣藍寶石襯底上，以鹽酸溶液腐蝕掉InP襯底；之后，采用掃描電子顯微鏡能譜及金相顯微鏡對InP襯底的剝離情況及In0.53 Ga0.47 As薄膜的損傷情況進行了檢測；最后采用范德堡法對粘貼在半絕緣藍寶石襯底上的In0.53 Ga0.47 As薄膜的遷移率進行了測量。通過對比試驗得出，剝離InP襯底的In0.53 Ga0.47 As薄膜的遷移率測量結果與理論值符合較好，與真值偏差在20％以內。%The measure method for the mobility of In0.53

Ga0.47 As epitaxial layer grown on heavy doping N +-InP sub-strate is

studied by substrate stripping y,the In0.53 Ga0.47 As

epitaxial layer was pasted on mi-insu-lating sapphire substrate by epoxy

glue,and the InP substrate was eroded by hydrochloric acid;then,the

stripping ex-tent of InP and the damage of In0.53 Ga0.47 As film were

tested by scanning electron microscope-EDS and metalloscope;finally,the

mobility of the In0.53 Ga0.47 As epitaxial layer on the mi-insulating

sapphire substrate was measured by Van Der Pauw results of

contrast tests show that the mobility measurement results of the In0.53

Ga0.47 As film agree well with the theory value after stripping the InP

substrate,and the deviation between true value and meas-ured value is less

than 20%. 【期刊名稱】《激光與紅外》

【年(卷),期】2016(046)007

【總頁數】4頁(P843-846)

【關鍵詞】銦鎵砷外延層;遷移率:范德堡法

【作 者】付雪濤;劉筠;張旭;王香;管琪;裴會川;張永剛;李雪

【作者單位】工業和信息化部電子第四研究院，北京 100007;工業和信息化部電子第四研究院，北京 100007;工業和信息化部電子第四研究院，北京 100007;工業和信息化部電子第四研究院，北京 100007;工業和信息化部電子第四研究院，北京 100007;工業和信息化部電子第四研究院，北京 100007;中國科學院上海微系統與信息技術研究所，上海200050;中國科學院上海技術物理研究所，上海200083

【正文語種】中 文

【中圖分類】TN213

短波紅外探測技術具有穿透薄霧、陰霾等能力[1],在較高的溫度下便可具有優異的探測效率以及環境適應性。因此,短波長銦鎵砷紅外探測器在空間遙感、天文觀測以及激光制導等領域具有重要的應用潛力[2-3]。其中,尤其是與磷化銦襯底晶格高度匹配的0.53銦組分的In0.53Ga0.47As外延材料,其禁帶寬度為0.74 eV(1.7

μm),目前已經在0.9 ～1.7 μm波段得到了廣泛的應用,如光纖通信、夜視等[4]。遷移率是影響半導體光電探測器件響應速率的關鍵性能參數之一,因此,In0.53Ga0.47As外延材料遷移率的檢測是一項十分重要的質量檢驗工作。目前的In0.53Ga0.47As焦平面探測器件結構主要為PIN型,即首先在N+-InP上生長一層本征型(非故意摻雜)In0.53Ga0.47As薄膜作為吸收層,再在吸收層上面生長一層P+-InP薄膜。對于N+-InP襯底生長的非故意摻雜In0.53Ga0.47As外延層,由于襯底電導率遠高于外延層電導率,所以當采用范德堡法對其外延層載流子濃度、遷移率直接進行測量時,測試電流將主要通過N+-InP襯底傳導,從而導致遷移率的測量值并非為外延層的遷移率。為了解決N+-InP襯底生長的非故意摻雜In0.53Ga0.47As外延層遷移率測量,本文介紹了一種針對InP襯底生長的In0.53Ga0.47As外延層遷移率的襯底剝離測量法,該方法可較好地實現N+-InP襯底生長的非故意摻雜In0.53Ga0.47As外延層遷移率的測量。

實驗設計思路如下:首先對InP/In0.53Ga0.47As外延材料的InP襯底進行剝離；再對剝離InP襯底對外延層造成的損傷進行檢驗；之后采用襯底剝離測量法對重摻N型InP(N+-InP)襯底生長的In0.53Ga0.47As外延層遷移率開展測量,對比測量值與理論值的偏差,并對InP襯底生長的In0.53Ga0.47As外延層遷移率的襯底剝離測量值與真實值的偏差進行評估。具體步驟如下:

采用金屬有機物化學氣相沉積法在InP襯底上生長一層厚度為1μm左右的In0.53Ga0.47As外延層。將InP/In0.53Ga0.47As外延材料劃成0.5 cm×0.5 cm的方片,采用連云港華海誠科電子材料有限公司的HHCK6701型環氧樹脂膠(絕緣型)將方片試樣的外延層面粘貼在半絕緣藍寶石襯底的背面,在室溫條件下固化試樣24 h左右,直至環氧樹脂膠完全固化。采用潔凈蒸發皿,倒入鹽酸溶液,將粘貼在藍寶石上的試樣放入其中進行腐蝕。當呈鏡面狀態的In0.53Ga0.47As外延層全部露出且邊角區域無InP殘余時,則表明InP襯底已被完全剝離,然后采用掃描電鏡能譜對InP襯底是否被完全剝離進行驗證。采用金相顯微鏡對剝離襯底前后In0.53Ga0.47As外延層的表面損傷進行觀察。若呈鏡面狀態的In0.53Ga0.47As外延層未全部露出,而溶解氣泡已停止產生,可更換新的鹽酸溶液繼續腐蝕。

將以N+-InP(載流子濃度為2×1018/cm3)為襯底生長的非故意摻雜In0.53Ga0.47As外延材料標記為0#,按上述選擇性腐蝕方法對其襯底進行剝離,以范德堡法測量剝離襯底的外延層的遷移率,歐姆接觸采用銦粒直接壓在試樣表面。然后對比測量值與理論值的偏差。In0.53Ga0.47As外延層的理論載流子濃度及遷移率分別為2.77×1016/cm3和6195 cm2/V·s。

由于N+-InP襯底與半絕緣InP襯底材質不同,生長的外延層遷移率不可能完全相同,所以上述半絕緣InP襯底生長的外延層的遷移率只能作為N+-InP襯底生長的外延層的遷移率理論值,但不能作為真實值(即未剝離N+-InP襯底的In0.53Ga0.47As外延層遷移率)。而現有技術又無法對生長在N+-InP襯底上的In0.53Ga0.47As外延層遷移率開展直接測量,進而無法對比剝離N+-InP襯底的In0.53Ga0.47As外延層遷移率與真實值的偏差,所以我們采用半絕緣InP襯底生長的In0.53Ga0.47As外延層進行襯底剝離前后遷移率的對比,以評價襯底剝離測量法的準確度。方法如下:將半絕緣InP襯底生長的In0.53Ga0.47As外延材料劃成3塊0.5 cm×0.5 cm的方片試樣,分別標記為1#、2#、3#,采用范德堡法分別測量3塊方片試樣剝離襯底前后的遷移率,以剝離襯底前的遷移率為真實值評估襯底剝離測量值與真實值的偏差。歐姆接觸采用銦粒直接壓在試樣表面。

圖1呈現了InP襯底經鹽酸腐蝕不同時間后的剝離情況。由圖1(a)可以看出,2 h內鹽酸可以腐蝕掉大部分InP襯底,但在In0.53Ga0.47As薄膜的邊角區域還存在InP殘余,這就需要采用鹽酸繼續對InP殘余進行腐蝕,以防止后續范德堡法測量中殘余的InP參與導電。經鹽酸腐蝕12 h后,試樣邊角區域的InP殘余可完全消除,見圖1(b)所示。能譜測量結果也表明In0.53Ga0.47As外延層表面的InP已被HCl溶液完全腐蝕掉,如圖2所示。

粘貼在藍寶石襯底片上的In0.53Ga0.47As薄膜與低溫固化膠可能存在著失配應力,當試樣的InP襯底被完全腐蝕掉后,In0.53Ga0.47As薄膜受失配應力的影響,有可能產生微裂紋、鼓泡等損傷,進而改變In0.53Ga0.47As薄膜的遷移率。圖3呈現出了剝離InP襯底前后In0.53Ga0.47As薄膜表面區域的50倍金相顯微鏡圖像,通過對比可以發現,InP襯底的剝離未對外延層表面造成明顯損傷。

鹽酸可以溶解InP,同時不會對銦鎵砷造成腐蝕[5]。因此采用范德堡法測量剝離InP襯底的In0.53Ga0.47As外延層遷移率時,將外延層厚度設置為與剝離襯底前的厚度值相同。0#、1#、2#、3#試樣的遷移率測量結果如圖4和表1所示。

由圖4或表1可以看出,采用襯底剝離測量法測得的N+-InP襯底生長的In0.53Ga0.47As外延層(0#樣品)的遷移率與理論值符合性較好,偏差小于7%。襯底剝離測量法測得的InP襯底生長的In0.53Ga0.47As外延層的遷移率與真實值偏差分別為15.4%、15.6%、12.2%,偏差小于20%。說明本文所介紹的In0.53Ga0.47As外延層遷移率的襯底剝離測量法可以較準確地反映出原始狀態的InP/In0.53Ga0.47As外延材料的In0.53Ga0.47As外延層遷移率。

本文采用環氧樹脂膠將InP/In0.53Ga0.47As外延材料粘帖在半絕緣藍寶石襯底上,采用鹽酸為選擇性腐蝕液,將InP/In0.53Ga0.47As外延材料的InP襯底腐蝕掉后采用范德堡法對In0.53Ga0.47As外延層的遷移率進行了測量。實驗結果表明,InP襯底的剝離不會對In0.53Ga0.47As外延層造成明顯損傷。剝離襯底后的遷移率測量結果可較準確地反映出N+-InP生長的In0.53Ga0.47As外延層的遷移率。致

謝:本實驗所采用的環氧樹脂低溫固化膠和藍寶石襯底片分別由連云港華海誠科電子材料有限公司以及天通控股股份有限公司提供,在此對兩家企業表示由衷的感謝！

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