重掺InP生长的InGaAs外延层迁移率的测量

2023年12月13日发(作者：初日照高林)

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重掺InP生长的InGaAs外延层迁移率的测量

付雪涛;刘筠;张旭;王香;管琪;裴会川;张永刚;李雪

【摘 要】通过衬底剥离技术对以重掺N型磷化铟（N ＋－InP）衬底生长的In0.53 Ga0.47 As外延层的迁移率测量方法进行了研究。首先，采用环氧树脂胶将In0.53 Ga0.47 As外延层粘贴在半绝缘蓝宝石衬底上，以盐酸溶液腐蚀掉InP衬底；之后，采用扫描电子显微镜能谱及金相显微镜对InP衬底的剥离情况及In0.53 Ga0.47 As薄膜的损伤情况进行了检测；最后采用范德堡法对粘贴在半绝缘蓝宝石衬底上的In0.53 Ga0.47 As薄膜的迁移率进行了测量。通过对比试验得出，剥离InP衬底的In0.53 Ga0.47 As薄膜的迁移率测量结果与理论值符合较好，与真值偏差在20％以内。%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%. 【期刊名称】《激光与红外》

【年(卷),期】2016(046)007

【总页数】4页(P843-846)

【关键词】铟镓砷外延层;迁移率:范德堡法

【作 者】付雪涛;刘筠;张旭;王香;管琪;裴会川;张永刚;李雪

【作者单位】工业和信息化部电子第四研究院，北京 100007;工业和信息化部电子第四研究院，北京 100007;工业和信息化部电子第四研究院，北京 100007;工业和信息化部电子第四研究院，北京 100007;工业和信息化部电子第四研究院，北京 100007;工业和信息化部电子第四研究院，北京 100007;中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050;中国科学院上海技术物理研究所，上海200083

【正文语种】中 文

【中图分类】TN213

短波红外探测技术具有穿透薄雾、阴霾等能力[1],在较高的温度下便可具有优异的探测效率以及环境适应性。因此,短波长铟镓砷红外探测器在空间遥感、天文观测以及激光制导等领域具有重要的应用潜力[2-3]。其中,尤其是与磷化铟衬底晶格高度匹配的0.53铟组分的In0.53Ga0.47As外延材料,其禁带宽度为0.74 eV(1.7

μm),目前已经在0.9 ～1.7 μm波段得到了广泛的应用,如光纤通信、夜视等[4]。迁移率是影响半导体光电探测器件响应速率的关键性能参数之一,因此,In0.53Ga0.47As外延材料迁移率的检测是一项十分重要的质量检验工作。目前的In0.53Ga0.47As焦平面探测器件结构主要为PIN型,即首先在N+-InP上生长一层本征型(非故意掺杂)In0.53Ga0.47As薄膜作为吸收层,再在吸收层上面生长一层P+-InP薄膜。对于N+-InP衬底生长的非故意掺杂In0.53Ga0.47As外延层,由于衬底电导率远高于外延层电导率,所以当采用范德堡法对其外延层载流子浓度、迁移率直接进行测量时,测试电流将主要通过N+-InP衬底传导,从而导致迁移率的测量值并非为外延层的迁移率。为了解决N+-InP衬底生长的非故意掺杂In0.53Ga0.47As外延层迁移率测量,本文介绍了一种针对InP衬底生长的In0.53Ga0.47As外延层迁移率的衬底剥离测量法,该方法可较好地实现N+-InP衬底生长的非故意掺杂In0.53Ga0.47As外延层迁移率的测量。

实验设计思路如下:首先对InP/In0.53Ga0.47As外延材料的InP衬底进行剥离；再对剥离InP衬底对外延层造成的损伤进行检验；之后采用衬底剥离测量法对重掺N型InP(N+-InP)衬底生长的In0.53Ga0.47As外延层迁移率开展测量,对比测量值与理论值的偏差,并对InP衬底生长的In0.53Ga0.47As外延层迁移率的衬底剥离测量值与真实值的偏差进行评估。具体步骤如下:

采用金属有机物化学气相沉积法在InP衬底上生长一层厚度为1μm左右的In0.53Ga0.47As外延层。将InP/In0.53Ga0.47As外延材料划成0.5 cm×0.5 cm的方片,采用连云港华海诚科电子材料有限公司的HHCK6701型环氧树脂胶(绝缘型)将方片试样的外延层面粘贴在半绝缘蓝宝石衬底的背面,在室温条件下固化试样24 h左右,直至环氧树脂胶完全固化。采用洁净蒸发皿,倒入盐酸溶液,将粘贴在蓝宝石上的试样放入其中进行腐蚀。当呈镜面状态的In0.53Ga0.47As外延层全部露出且边角区域无InP残余时,则表明InP衬底已被完全剥离,然后采用扫描电镜能谱对InP衬底是否被完全剥离进行验证。采用金相显微镜对剥离衬底前后In0.53Ga0.47As外延层的表面损伤进行观察。若呈镜面状态的In0.53Ga0.47As外延层未全部露出,而溶解气泡已停止产生,可更换新的盐酸溶液继续腐蚀。

将以N+-InP(载流子浓度为2×1018/cm3)为衬底生长的非故意掺杂In0.53Ga0.47As外延材料标记为0#,按上述选择性腐蚀方法对其衬底进行剥离,以范德堡法测量剥离衬底的外延层的迁移率,欧姆接触采用铟粒直接压在试样表面。然后对比测量值与理论值的偏差。In0.53Ga0.47As外延层的理论载流子浓度及迁移率分别为2.77×1016/cm3和6195 cm2/V·s。

由于N+-InP衬底与半绝缘InP衬底材质不同,生长的外延层迁移率不可能完全相同,所以上述半绝缘InP衬底生长的外延层的迁移率只能作为N+-InP衬底生长的外延层的迁移率理论值,但不能作为真实值(即未剥离N+-InP衬底的In0.53Ga0.47As外延层迁移率)。而现有技术又无法对生长在N+-InP衬底上的In0.53Ga0.47As外延层迁移率开展直接测量,进而无法对比剥离N+-InP衬底的In0.53Ga0.47As外延层迁移率与真实值的偏差,所以我们采用半绝缘InP衬底生长的In0.53Ga0.47As外延层进行衬底剥离前后迁移率的对比,以评价衬底剥离测量法的准确度。方法如下:将半绝缘InP衬底生长的In0.53Ga0.47As外延材料划成3块0.5 cm×0.5 cm的方片试样,分别标记为1#、2#、3#,采用范德堡法分别测量3块方片试样剥离衬底前后的迁移率,以剥离衬底前的迁移率为真实值评估衬底剥离测量值与真实值的偏差。欧姆接触采用铟粒直接压在试样表面。

图1呈现了InP衬底经盐酸腐蚀不同时间后的剥离情况。由图1(a)可以看出,2 h内盐酸可以腐蚀掉大部分InP衬底,但在In0.53Ga0.47As薄膜的边角区域还存在InP残余,这就需要采用盐酸继续对InP残余进行腐蚀,以防止后续范德堡法测量中残余的InP参与导电。经盐酸腐蚀12 h后,试样边角区域的InP残余可完全消除,见图1(b)所示。能谱测量结果也表明In0.53Ga0.47As外延层表面的InP已被HCl溶液完全腐蚀掉,如图2所示。

粘贴在蓝宝石衬底片上的In0.53Ga0.47As薄膜与低温固化胶可能存在着失配应力,当试样的InP衬底被完全腐蚀掉后,In0.53Ga0.47As薄膜受失配应力的影响,有可能产生微裂纹、鼓泡等损伤,进而改变In0.53Ga0.47As薄膜的迁移率。图3呈现出了剥离InP衬底前后In0.53Ga0.47As薄膜表面区域的50倍金相显微镜图像,通过对比可以发现,InP衬底的剥离未对外延层表面造成明显损伤。

盐酸可以溶解InP,同时不会对铟镓砷造成腐蚀[5]。因此采用范德堡法测量剥离InP衬底的In0.53Ga0.47As外延层迁移率时,将外延层厚度设置为与剥离衬底前的厚度值相同。0#、1#、2#、3#试样的迁移率测量结果如图4和表1所示。

由图4或表1可以看出,采用衬底剥离测量法测得的N+-InP衬底生长的In0.53Ga0.47As外延层(0#样品)的迁移率与理论值符合性较好,偏差小于7%。衬底剥离测量法测得的InP衬底生长的In0.53Ga0.47As外延层的迁移率与真实值偏差分别为15.4%、15.6%、12.2%,偏差小于20%。说明本文所介绍的In0.53Ga0.47As外延层迁移率的衬底剥离测量法可以较准确地反映出原始状态的InP/In0.53Ga0.47As外延材料的In0.53Ga0.47As外延层迁移率。

本文采用环氧树脂胶将InP/In0.53Ga0.47As外延材料粘帖在半绝缘蓝宝石衬底上,采用盐酸为选择性腐蚀液,将InP/In0.53Ga0.47As外延材料的InP衬底腐蚀掉后采用范德堡法对In0.53Ga0.47As外延层的迁移率进行了测量。实验结果表明,InP衬底的剥离不会对In0.53Ga0.47As外延层造成明显损伤。剥离衬底后的迁移率测量结果可较准确地反映出N+-InP生长的In0.53Ga0.47As外延层的迁移率。致

谢:本实验所采用的环氧树脂低温固化胶和蓝宝石衬底片分别由连云港华海诚科电子材料有限公司以及天通控股股份有限公司提供,在此对两家企业表示由衷的感谢！

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