简介概要

Zn掺杂InSb薄膜的电特性

来源期刊：稀有金属2017年第9期

论文作者：李英哲吴勇姜勇汪庭文王鑫韩明日

文章页码：1012 - 1018

关键词：InSb薄膜;Zn掺杂;磁阻效应;区熔再结晶;电子迁移率;

摘要：研究了Zn掺杂InSb蒸镀薄膜杂质浓度和热处理条件对其电性能的影响。InSb薄膜采用三温度法在云母基片上制备,利用蒸镀Zn扩散后进行区熔再结晶的方法掺杂Zn杂质。在进行区熔再结晶时为了防止InSb分解和Sb的蒸发,用磁控溅射方法在InSb薄膜上生长厚度为300 nm的Si O2。测试结果表明最好的热处理条件为Ar气氛温度200℃、熔融区的移动速度1×10-5m·s^-1和熔融区通过数3。Zn成为受主,室温下测量Zn掺杂浓度为1.47×1022m-3的InSb薄膜的电子迁移率为5.65 m2·V-1·s^-1。Zn的掺杂浓度大于1.47×1022m-3时电子迁移率急剧减少,最大的霍尔常数为385 cm3·C-1。在1.5 T磁场下Zn掺杂浓度为3.16×1022m-3时,InSb薄膜电阻率的相对变化达到最大值为3.63,是未掺杂薄膜的2.46倍。

网络首发时间: 2016-09-28 09:52

稀有金属 2017,41(09),1012-1018 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy15110902

Zn掺杂InSb薄膜的电特性

李英哲吴勇姜勇汪庭文李武哲韩明日

北京科技大学材料科学与工程学院

金策工业综合大学电子工程系

摘要：

研究了Zn掺杂InSb蒸镀薄膜杂质浓度和热处理条件对其电性能的影响。InSb薄膜采用三温度法在云母基片上制备, 利用蒸镀Zn扩散后进行区熔再结晶的方法掺杂Zn杂质。在进行区熔再结晶时为了防止InSb分解和Sb的蒸发, 用磁控溅射方法在InSb薄膜上生长厚度为300 nm的Si O2。测试结果表明最好的热处理条件为Ar气氛温度200℃、熔融区的移动速度1×10-5m·s^-1和熔融区通过数3。Zn成为受主, 室温下测量Zn掺杂浓度为1.47×1022m-3的InSb薄膜的电子迁移率为5.65 m2·V-1·s^-1。Zn的掺杂浓度大于1.47×1022m-3时电子迁移率急剧减少, 最大的霍尔常数为385 cm3·C-1。在1.5 T磁场下Zn掺杂浓度为3.16×1022m-3时, InSb薄膜电阻率的相对变化达到最大值为3.63, 是未掺杂薄膜的2.46倍。

关键词：

InSb薄膜;Zn掺杂;磁阻效应;区熔再结晶;电子迁移率;

中图分类号： TN304

作者简介：李英哲 (1973-) , 男, 朝鲜人, 博士, 研究方向:化合物半导体;E-mail:ryc3052545@163.com;;吴勇, 讲师;电话:010-62334575;E-mail:phywyong@ustb.edu.cn;

收稿日期：2015-11-09

基金：国家自然科学基金青年科学基金项目 (51501007);国家科技部重大研究计划 (纳米专项) 项目 (2012CB932702) 资助;

Electrical Characteristic of Zn Doped InSb Thin Film

Li Yingzhe Wu Yong Jiang Yong Wang Tingwen Li Wuzhe Han Mingri

School of Materials Science & Engineering, University of Science and Technology Beijing

Electronic Engineering Faculty, Kim Chaek University of Technology

Abstract：

The effect of Zn dopant concentration and various heat treatment conditions on the electrical characteristic of InSb evaporated thin film doped with zinc was studied. InSb thin film was deposited on the mica substrate by 3-temperature method and Zn was doped by evaporation, diffusion and zone melting recrystallization. Si O2 of thickness of 300 nm was deposited on the InSb thin film by magnetic sputtering to prevent the decomposition of InSb and re-evaporation of Sb during recrystallization. The fact that Ar atmosphere temperature of 200 ℃, the moving speed of molten zone of 1 × 10-5m·s^-1and the number of pass of molten zone of 3 were the optimum heat treatment conditions was clear from the measurement results. Zn was an acceptor. The electron mobility of InSb thin film, Zn dopant concentration of which was 1. 47 × 1022m-3, measured at room temperature was 5. 65 m²·V^-1·s^-1. If the Zn concentration was larger than 1. 47 × 1022cm^-3, the electron mobility rapidly decreased and the greatest Hall coefficient was 385 cm³·C^-1. Under the magnetic field of 1. 5 T, the maximum relative variation of resistivity of InSb thin film with Zn dopant concentration of 3. 16 × 1022m^-3 was 3. 63 and this value was 2. 46 times that of non-doped thin film.

Keyword：

InSb thin film; Zn doping; magnetic resistance effect; zone melting recrystallization; electron mobility;

Received： 2015-11-09

在元素半导体和化合物半导体中, In Sb的电子迁移率最高, In Sb薄膜的制备和性质的研究, 引起了人们的广泛注意和兴趣。In Sb薄膜的霍尔元件和磁阻元件由于灵敏度和可靠性高而广泛使用。一般来说In Sb薄膜的制备方法有真空蒸镀法、磁控溅射法、分子束外延法、金属有机化学气相沉淀法、电子束蒸镀法、离子束薄膜沉积法等^{[1,2,3,4,5,6,7,8]}。其中真空蒸镀法是最广泛、最有代表性的方法。为了提高In Sb薄膜磁阻元件的电性能, 需要实现化学计量比和提高薄膜的结晶性。用真空蒸度或磁控溅射方法制备的半导体薄膜的组成比率是通过薄膜制作过程决定, 它的结晶性可以通过热处理过程改善。

In Sb是窄带化合物半导体, 因而在室温下出现本征导电, 电子和空穴一起参加导电。室温下电子空穴两体载流子共存时霍尔常数和磁场有对应关系^[9]。

未掺杂的In Sb单晶电子迁移率比空穴大100倍左右, 在室温下它为n型导电。为了提高In Sb薄膜的性能, 人们将各种杂质引入到本征In Sb中, 通过改变它的导电类型和载流子的浓度, 可以有效地提高In Sb薄膜的电学性能^{[10,11,12,13,14,15]}。根据掺杂元素的不同, 可分为施主和受主掺杂。主要的施主元素是Se和Te, 它们掺入In Sb中, 将Sb取代^[16,17]。主要受主元素是Zn和Cd, 这些元素在In Sb中将In替换, 受主为Zn的离子化能很小^[17,18]。如果把施主元素掺入到In Sb中, 导电电子变多, 可以提高温度特性, 但薄膜的电阻率会变小。所以为了得到一定的电阻, 半导体芯片的尺寸相应地会变大。如果把受主元素掺入到In Sb中而控制它的浓度, 使得薄膜的电阻率变大, 可以把一定初始电阻元件的尺寸变小而提高它的电特性。

采用三温度法在云母基片上制备In Sb薄膜, 利用蒸镀Zn扩散后进行区熔再结晶的方法掺杂Zn杂质。研究了Zn掺杂In Sb蒸镀薄膜杂质浓度和热处理条件对其电性能的影响。

1 实验

1.1 In Sb薄膜的制备

利用单质铟和锑蒸镀In Sb薄膜的制备方法基本上有3种:同时蒸镀法, 闪蒸法和三温度法等。同时蒸镀法即把铟和锑分别放在两个蒸发舟然后同时进行蒸发。这种方法, 沿着蒸发源的方向一边铟过剩, 另一边锑过剩。这种方法的优点为薄膜制备过程很简单, 缺点为薄膜的均匀性和结晶性不好。闪蒸法是把铟和锑一粒一粒地放入高温蒸发源中, 使之一瞬间完全蒸发。这样虽然可获得与体相In Sb材料成分相同的薄膜, 但是这种薄膜是铟和锑不均匀地混合的多层膜, 结果很难得到预定化学计量比的In Sb薄膜。三温度法为把铟和锑放在不一样的蒸发源中控制两个蒸发源的温度和基片的温度 (一共3个温度) 获得薄膜的方法。这时蒸发源的温度决定铟和锑的蒸发速率。在这种方法上控制好两个蒸发源和基片的温度, 可以得到薄膜的化学计量比, 提高它的结晶性, 这样就能在基片上获得良好的In Sb薄膜。这种方法的缺点是正确地控制基片及两个蒸发源的温度和实现可重复性很难。为了获得良好的In Sb薄膜, 我们选定了三温度法。采用白云母 (组成:K₂O·3Al₂O₃·6Si O₂, 密度2700~2800 kg·m^-3, 电阻率:1×10¹²~1×10¹³Ωm) 作为基片, 在镀膜前按常规半导体工艺清洗。为了提高In Sb和基片之间的粘附力先在云母基片上用热蒸法形成厚度100 nm的Ca F₂薄膜, 然后将纯度为99.999%的In, Sb装入两个热蒸发源钼舟中, 在低于1×10^-3Pa的真空度下进行热蒸发30 min。此时将两个钼舟的温度设定为使得In, Sb的达到基片的速率比为1∶1的温度, 基片温度维持为430℃, 得到的In Sb薄膜厚度为3μm。In Sb蒸发结束后, 把锌蒸发到In Sb薄膜上, 在400℃温度下扩散40 min。从而得到Zn掺杂的In Sb薄膜。

1.2 In Sb薄膜热处理

用热蒸发方法制备的In Sb薄膜是多晶薄膜, 还存在多余的In, Sb两种单质。得到的In Sb薄膜是In, Sb, In Sb的混合物, Zn的分布也不均匀。为了获得Zn均匀分布且结晶性好的In Sb薄膜, 必须进行热处理。热处理可以分为两种:退火 (熔点以下的热处理) 和再结晶化 (熔点以上的热处理或者熔融热处理) ^{[19,20,21,22,23]}。熔点以下的热处理有保持蒸镀膜的组成在热处理前和后几乎不变的优点, 但是热处理时间长且对薄膜电性能的改善没有很大的影响。熔点以上的热处理先把In Sb薄膜加热到熔点以上的温度然后冷却, 可以显著地改善它的电性能, 因此选择了再结晶化的热处理方法。In Sb的熔点是525℃, 但是在450℃以上的温度下它容易分解, Sb的饱和蒸汽压非常高, 因而Sb易发生再蒸发。为了防止热处理过程中Sb的挥发, 在In Sb薄膜上制备保护薄膜。保护膜有两种:In₂O₃和Si O₂。In₂O₃保护膜的制作方法简单, 但缺点是热处理后表面上有起伏;所以我们把Si O₂作为保护膜, 进行熔融热处理即所谓的区熔再结晶, 处理方法如下:先用磁控溅射方法在In Sb薄膜上生长厚度为300 nm的Si O₂, 然后用加热线对薄膜进行加热。区熔再结晶设备的加热线的直径为0.7 mm, 从加热线到薄膜的距离为1 mm, 气氛为氩气, 气氛温度范围为150~300℃, 样品的大小为10 mm×10 mm。本文主要研究了气氛温度、熔融区的移动速度和通过数与薄膜的电性能之间的关系。

1.3 测量

In Sb薄膜的表面形貌像的观察是用扫描电子显微镜 (SEM) JEOL, JSM-6610进行的。薄膜的电子迁移率、霍尔常数和磁电阻能用Keithley6220, 2182A, 电磁铁组成的测试电路进行测量。Zn掺杂浓度用石墨炉原子吸收光谱法进行测量。仪器是Z-5000型偏振塞曼原子吸收分光光度计、锌空心阴极灯 (日本, 日立公司) 和热解涂层石墨管 (日本, 日立公司) 。

2 结果与讨论

2.1 气氛温度及熔融区的移动速度与In Sb薄膜电子迁移率的关系

图1是气氛温度为150, 200, 250, 300℃时熔融区的各种移动速度和In Sb薄膜的电子迁移率之间关系。此时Zn的掺杂浓度为2×10²²m^-3。

Ar气氛温度200℃、熔融区的移动速度为1×10^-5m·s^-1时电子迁移率最大, 如图1所示。热处理后In Sb薄膜的晶粒尺寸比热处理之前增大了。熔融区的移动速度v=5×10^-6m·s^-1时, 薄膜的电特性较好, 但是薄膜的一部分被破坏了, 速度比该值小时, 薄膜的中心甚至会产生空洞。这是因为移动速度太慢使得薄膜熔融区的温度长时间停留在熔点以上, In Sb薄膜分解, 锑的蒸汽压越来越高, Si O₂保护膜再也不能阻止锑的蒸发过程, 锑最终通过薄膜的中心部分再蒸发而产生空洞。熔融区的移动速度v= (10~20) ×10^-6m·s^-1时, In Sb薄膜的表面均匀而平坦。熔融区的移动速度v= (50~100) ·10^-6m·s^-1时, In Sb薄膜表面产生了比较有序的树枝状。熔融区的移动速度v=200·10^-6m·s^-1时, In Sb薄膜表面产生了无序的树枝状。这意味着熔融区的移动速度太高时没有表现区熔再结晶的特征。Ar气氛温度比200℃低或者高时, 薄膜的电子迁移率比气氛温度为200℃时的值变小了。这是因为气氛温度也影响到In Sb固体相的温度梯度。气氛温度和熔融区的移动速度决定In Sb薄膜的结晶化速度, 结晶化速度是决定薄膜的结晶性的重要因素。还有从这个实验结果可以知道熔融区移动速度对结晶化速度的影响比气氛温度更大。

图1 Ar气氛温度和熔融区移动速度对In Sb薄膜电子迁移率的影响Fig.1 Effect of various Ar atmosphere temperatures and mov-ing speed of molten zone on electron mobility of In Sb thin film

(1) 150℃; (2) 200℃; (3) 250℃; (4) 300℃

2.2 熔融区通过数与薄膜的电性能之间关系

图2为熔融区的通过数与In Sb薄膜的电子迁移率、霍尔常数和电阻率之间关系。初始Zn掺杂薄膜的熔融区通过数越多, 电子迁移率和霍尔常数越大, 但通过数比N_Z=3大时, 此值先饱和, 然后缓慢减小, 如图2所示。此外, 通过数过多时, 薄膜和基片之间的粘附力变弱, 薄膜容易脱落。这是因为通过数开始越多, 薄膜的结晶性越好;当通过数比一定的值大时, In Sb薄膜发生分解并且再蒸发的Sb越来越多, Si O₂保护膜不能防止Sb的再蒸发, In Sb薄膜的组成偏离化学计量比。这种现象在未掺杂In Sb薄膜中也发生。

在Zn掺杂In Sb薄膜通过数越多, In Sb薄膜的电阻率越大。这是因为通过数N_Z<3时, 通过数越多, Zn的浓度越均匀, 当N_Z>3时, 薄膜的组成从化学计量比发生偏置, 载流子的迁移率越来越小。

2.3 样品内部的位置和电性能之间关系

熔融区通过三次时, 在In Sb薄膜样品从原位 (熔融区开始通过的位置) 的距离和电性能之间关系如下 (图3) 。

电子迁移率在样品的前端和后端显著地变小。这是因为Zn的有效分配系数 , 在样品的前端Zn浓度变高, 在样品的后端其他杂质 (基本上n型杂质) 存在。即因为在样品的前端和后端杂质的浓度大而发生电离杂质散射导致电子迁移率变小。

图2 熔融区的通过数和In Sb薄膜的电特性之间关系Fig.2 Relationship between number of pass of molten zone and characteristic of In Sb thin film

(a) Dependence of electron mobility of In Sb thin films on number of pass of molten zone; (b) Dependence of Hall coefficient of In Sb thin films on number of pass of molten zone; (c) Dependence of resistivity of In Sb thin films on number of pass of molten zone

图3 In Sb样品的内部位置和电性能之间的关系Fig.3 Relationship between internal position of In Sb sample and characteristic of one

(a) Variation of electron mobility with internal position of In Sb thin films; (b) Variation of Hall coefficient with internal position of In Sb thin films; (c) Variation of resistivity with internal position of In Sb thin films

在样品的前端Zn浓度大于2×10²²m^-3, 在样品的后端电子的浓度大;导致霍尔常数变小。最大的霍尔常数为385 cm³·C^-1。

电阻率在样品的前端因电子迁移率小以及电子浓度小而变大, 在后端因载流子的浓度大而变小。电性能优越而均匀的部分为整个样品的75%。

图4为制作的In Sb薄膜的SEM表面形貌像。

如图4所示, In Sb蒸镀膜是很小的颗粒构成的多晶薄膜。热处理后In Sb薄膜的表面变成光滑, 晶粒尺寸比热处理之前增大了。熔融区移动速度太小时, 薄膜破坏了。实验表明, 热处理过程中Ar气氛温度、熔融区移动速度和熔融区的通过数是提高In Sb薄膜的热处理效果的关键因数。Ar气氛温度200℃、熔融区的移动速度1×10^-5m·s^-1、熔融区通过数3时Zn掺杂In Sb薄膜的电性能最好。

图4 各种In Sb薄膜的SEM表面形貌像Fig.4 SEM image of In Sb thin films

(a) SEM image of In Sb thin film before heat treatment; (b) SEM image of In Sb thin film after heat treatment (Ar atmosphere temperature 200℃, v=10^-5m·s^-1, N_z=3) ; (c) SEM image of In Sb thin film after heat treatment (Ar atmosphere temperature 150℃, v=5×10^-6m·s^-1, N_z=2)

2.4 In Sb薄膜厚度与电子迁移率之间关系

热处理后In Sb薄膜厚度与电子迁移率之间关系如下 (图5) 。

如图5所示, In Sb薄膜的厚度小于3μm时, 随着厚度变小, 薄膜的迁移率急剧减少。薄膜厚度达到3μm并继续增加时, 迁移率达到最大值并饱和。这是因为薄膜厚度小时, 薄膜的连续性差, 甚至产生岛状结构。同时电子受到表面散射的影响, 即电子在运动过程中, 常与表面碰撞, 因此平均自由程变小。结果电子迁移率变小。薄膜厚度达到临界值以上时, 形成均匀连续的薄膜, 电子与表面碰撞的几率减少, 电子的平均自由程变长, 因此电子迁移率增加并不再随薄膜厚度变小。

2.5 掺杂浓度和电特性之间关系

Zn的掺杂浓度和In Sb薄膜的电子迁移率之间的关系如图6。

如图6所示, Zn浓度为1.47×10²²m^-3时电子迁移率为5.65 m²·V^-1·s^-1, Zn浓度小于1.47×10²²m^-3时随着Zn浓度变大电子迁移率缓慢减少, 但Zn浓度比1.47×10²²m^-3大时电子迁移率急剧减少。这是因为室温下本征In Sb的晶格振动散射比电离杂质散射更占优势, 杂质浓度小时电离杂质散射对电子迁移率的影响不太大。但是随着杂质浓度的增加, 电离杂质散射越来越显著, 杂质浓度大于1.47×10²²m^-3时电离杂质散射更占优势。

图5 In Sb薄膜厚度和电子迁移率之间的关系Fig.5 Relationship between thickness and electron mobility of In Sb thin film

图6 Zn掺杂浓度和In Sb薄膜的电子迁移率之间的关系Fig.6 Relationship between Zn doping concentration and elec-tron mobility of In Sb thin film

在0.1, 0.5, 1.0和1.5 T磁场下Zn掺杂浓度与In Sb薄膜电阻率的相对变化之间的关系如图7。

如图7所示, 随着Zn浓度的增大, 薄膜电阻率的相对变化先变大, 达到峰值后再变小。这是因为Zn浓度小时电离杂质散射对电子迁移率的影响不太大, 这时Zn浓度越大孔穴浓度越大, 电子和空穴产生的霍尔电场衰减, 载流子的移动路径变长, 结果薄膜电阻率的相对变化变大。Zn浓度大于2×10²²m^-3时, 空穴浓度比电子浓度更大, 被电离杂质散射电子迁移率变小, 最终电阻率的相对变化变小。Zn掺杂浓度小时, In Sb薄膜的电阻率的相对变化跟磁感应强度的平方成正比。这是因为Zn掺杂浓度小时电子浓度和空穴浓度差不多而电子迁移率比空穴迁移率更大, 因此In Sb薄膜为n型导电性, 在磁场下电子对磁阻的贡献比空穴大。因此跟一种载流子半导体的情况一样, In Sb薄膜的电子在磁场下受到洛伦兹力进行明显的弧线运动, 电阻率的相对变化跟磁感应强度的平方成正比。Zn掺杂浓度大时, Zn掺杂浓度越大, 空穴浓度越大而电子浓度越小, 电子迁移率越小, 虽然空穴的迁移率比电子小, 但是空穴的数量比电子更多, 电子和空穴产生的霍尔电场衰减, 因此电子和空穴沿与电场倾斜的方向移动。这时电子的迁移率很小, 电子和空穴的弧形移动不太明显, 结果电阻率的相对变化不再跟磁感应强度的平方成正比。Zn掺杂浓度很大时, 电子和空穴的迁移率很小, 磁阻效应不太显著。

掺杂浓度为3.16×10²²m^-3, 磁感应强度为1.5 T的条件下电阻率的最大相对变化为3.63, 是未掺杂In Sb薄膜的2.46倍, 如图7所示。当Zn浓度为1×10²⁴m^-3, In Sb完全退化。