InAs/GaSb II类超晶格材料的Si离子注入研究
1 引言
将红外辐射探测出并将其转化为可测量信号就是红外探测技术。该技术具有隐蔽性好、不受光照条件限制、抗干扰能力强、可实现远距离和全天时工作的优点,在航天、**、科学、医疗以及日常生活等方面得到了广泛应用[1],其中核心的探测芯片就是红外焦平面阵列(FPAs)。
红外焦平面器件经历了三代的发展,当前具有大面阵、高分辨率、多波段、高集成、轻型化等特点[2],主要材料体系包括MCT、超晶格、InGaAs、量子阱等。其中,MCT和超晶格材料可覆盖2-20微米的较宽谱段,是中波、长波红外探测的优选材料[3]。
超晶格材料基于6.1 Å群家族的几种二元化合物(InAs、GaSb和AlSb),具有接近的晶格常数,晶格失配小,因此易于生长高质量的器件结构材料[4]。InAs/GaSb II类超晶格红外材料是一种量子结构材料,采用不同厚度的InAs和GaSb短周期交替生长而成,可以通过厚度的变化对能带结构实现精确调控,满足较高量子效率的同时利用能带剪裁实现低的暗电流[3,5]。
FPAs由于PN结的形成方式不同分为台面型和平面型两种结构。InAs/GaSb II类超晶格焦平面探测器主要是台面型结构,器件结构通过分子束外延(MBE)生长出来,其中PN结通过原位掺杂形成,再通过台面刻蚀形成探测器阵列[6]。
随着探测器水平的发展,FPAs像元尺寸越小,台面型结构由于刻蚀形成台面导致的占空比越低,同时台面尺寸越小,其表面漏电流将成为主导因素,影响探测性能。且超晶格材料并不完全是一种各向同性材料,由于材料能带结构的原因,超晶格横向扩散长度远远高于纵向扩散长度,因此如果通过离子注入实现横向PN结,将可以改善光生载流子的输运,在提高收集效率的同时,制作高密度的平面型阵列。此外,PN结掩埋在体内有望抑制台面结的表面漏电,减小器件钝化的困难[7]。
离子注入在形成掺杂和PN结的同时也会带来材料的损伤。针对GaSb、InAs等体材料的离子注入已经有了一些研究[4,8-10],但从文献调研看,对InAs/GaSb II类超晶格材料在离子注入和退火后特性的研究却鲜有报道。
对于超晶格材料,由于其内部有数千层复杂界面,厘清离子注入对超晶格材料结构的影响是研制平面型器件的基础。在本工作中,我们利用多种材料表征技术,研究了不同Si离子注入条件及退火对超晶格材料结构、光学性能以及电学性能的影响,并且通过与InAs和GaSb注入后材料性能的测试结果进行对比,分析了对材料性能的主要影响机理。
1 实验
由于在热力学平衡生长过程中,任何掺杂离子都倾向于取代材料中更高共价半径的原子[8],因此在材料生长过程中原位Si掺杂,在GaSb中会优先取代Sb原子形成P型,而在InAs中会优先取代In原子形成N型。但如果通过离子注入技术掺杂Si,在GaSb和InAs中导电类型均为N型[4,8,11-12]。这是由于离子注入为非平衡掺杂技术,GaSb中Ga空位的存在增强了注入Si在Ga位点上的占据。因此,注入的Si作为高效供体具有高掺杂激活,并导致GaSb材料的N型掺杂。且Si注入造成的损伤较小,所以我们选用Si离子注入弱P型InAs /GaSb II类超晶格来实现N型掺杂构造PN结。离子注入采用的样品是基于GaSb(0 0 1)衬底生长的60周期(2.55 nm InAs/ 2.1 nm GaSb)超晶格,未进行离子注入的样品标记为A。其余样品在离子注入机中,以
杂质注入后通常会占据材料晶格的间隙位置,为了研究超晶格材料中注入杂质的退火激活和修复损伤,将B、C、D分别切块取样,在氮气环境下300 °C 60 s退火,标记为E、F、G。
为了进行比对,同样的,我们将GaSb和InAs体材料切成小块,分别留下一块用以对照,其余样品在离子注入机中,以
使用布鲁克D8 X射线衍射仪进行HRXRD
2 结果与讨论
HRXRD测试结果如
其中
表 1. 超晶格样品离子注入和退火前后摇摆曲线的相关信息
Table 1. Information about rocking curves of superlattice samples before and after ion implantation and annealing
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表 2. 不同超晶格样品的光致发光谱峰值位置,发光强度以及半高宽的值
Table 2. The peak position of the photoluminescence, luminescence intensity and fullwidthathalfmaximum of different superlattice samples
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表 3. 不同能量Si注入及退火前后的超晶格薄膜电学特性
Table 3. Electrical properties of superlattice films before and after Si implantation and annealing at different energies
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图 1. 不同能量Si注入InAs、GaSb及退火的HRXRD 扫描对称衍射面(0 0 4):(a)GaSb材料中不同能量Si注入前后;(b)InAs材料中不同能量Si注入前后;(c)不同能量Si注入GaSb材料退火后;(d)Si注入InAs、GaSb以及超晶格中产生的应变程度随注入能量的变化
Fig. 1. HRXRD scan for symmetric (004) plane of different energies Si implanted InAs, GaSb and after annealing:(a)Before and after different energy Si is injected into GaSb;(b)Before and after different energy Si is injected into InAs;(c)After annealing of GaSb material implanted with different energy Si;(d)The variation of strain degree in InAs,GaSb and superlattices with Si implantation energy
衍射摇摆曲线的半峰宽(FWHW)包含了材料的本征半峰宽以及材料应变和材料缺陷导致的展宽,双晶半峰宽越窄,被测材料的晶格完整性也就越好,如
图 2. 不同能量Si注入InAs/GaSb II类超晶格及退火后的HRXRD 扫描对称衍射面(0 0 4):(a)不同能量Si注入超晶格注入前后的对比;(b)不同能量Si注入超晶格退火后与未注入超晶格对比;(c)超晶格退火前后的失配度随注入能量的变化;(d)正负一级卫星峰半峰宽随注入能量的变化
Fig. 2. HRXRD scan for symmetric (004) plane of different energies Si implanted InAs/GaSb type-II superlattice and after annealing:(a)Comparison of Si implanted into superlattice with different energies before and after implantation;(b)Comparison of superlattice implanted with Si of different energies after annealing and before implantation;(c)The degree of mismatch before and after superlattice annealing changes with the injection energy;(d)Variation of the FWHM of the positive and negative first-order satellite peak with the injected energy
而退火后的结果如
我们还对比了Si注入GaSb和InAs以及超晶格产生的应变随注入能量变化的结果,如
式中
倒易空间二维点图可用来分析材料晶体的应变、晶面效应、晶向效应以及缺陷存在的状态。对于一个理想的体晶材料,其倒易空间二维图将呈现出圆形结构。如果外延超晶格材料完全应变,外延材料倒易点L与衬底材料倒易点S的连线将是平行于(0 0 1)方向;而如果材料完全弛豫,则连线将在[1 1 5]方向上。将(1 1 5)晶面附近的倒易空间区域单独拿出来讨论,可以通过倒易空间图中 L 和 S 的具体位置关系计算出外延材料的应变程度[6]
上式中,β 是 SL 与完全应变线的夹角,φ 是 OS 与(0 0 1)方向之间的夹角,
扫描超晶格(1 1 5)晶面的倒易空间二维点图的结果如
图 3. Si 离子注入前后以及退火后的超晶格的倒易空间二维点图:(a)超晶格材料Si注入前;(b)注入100keV Si的超晶格;(c)注入200keV Si的超晶格;(d)注入200keV Si退火后的超晶格
Fig. 3. Two-dimensional point map of reciprocal space of superlattices before and after Si ion implantation and annealing:(a)Before superlattice material Si injection;(b)Superlattice injected with 100keV Si;(c)Superlattice injected with 200keV Si;(d)Superlattice annealed after implantation of 200keV Si
如
通过PL测试可以判断材料的光学质量,
图 4. 测试温度77 k时,超晶格的光致发光谱:(a)不同能量Si注入以及退火前后的SL;(b)SL中200keV 的Si注入后以及退火后
Fig. 4. Photoluminescence spectra of superlattice and GaSb at 77k:(a)Superlattice with different energy Si implantation and annealing;(b)Superlattice after 200 keV silicon implantation and annealing
二次离子质谱(SIMS)实验能够得到注入杂质在超晶格材料内的分布情况,而SRIM是一种对离子注入进行蒙特卡罗模拟的软件,它可以估计离子的分布和注入后的目标损伤。如
图 5. Si注入超晶格的注入深度和电学特性:(a)注入能量为10keV的Si的超晶格的SIMS的两次测试结果,以及SRIM仿真结果;(b)注入能量与载流子浓度和迁移率的关系
Fig. 5. Depth and electrical properties of Si implanted superlattice:(a)Two SIMS test results and SRIM simulation results of Si superlattice with injected energy of 10 keV;(b)The relationship between injected energy and carrier concentration and mobility
注入的目的就是实现掺杂,霍尔测试能得到掺杂浓度和迁移率。样品超晶格外延层本身厚度较薄,注入能量为100keV及200keV的样品注入层已完全覆盖整个超晶格外延层,注入能量为50keV的样品注入层也超过了外延层厚度的一半,注入层和未注入层具有相反的导电性类型,且注入区有远高于初始材料的掺杂浓度,在霍尔测试中起主要贡献;此外,针对两层不同导电类型材料,界面处的p-n结耗尽区通常会对这两个区域形成电隔离[25],[26],因此可以对注入区的浓度和迁移率进行直接霍尔测量。实验结果显示,在10 K的测试温度下,注入前的超晶格材料为P型,载流子浓度为
3 结论
在室温下注入剂量为
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