稀有金属 2004,(03),569-571 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.03.032

GSMBE InGaP/GaAs材料大面积均匀性研究

李华 李存才 胡建 唐雄心 齐鸣

中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室 上海200050 ,上海200050 ,上海200050 ,上海200050 ,上海200050 ,上海200050

摘 要：

报道了气态源分子束外延 (GSMBE) 技术生长的Φ5 0mm , Φ75mmInGaP/GaAs材料的晶体完整性 , 组分均匀性和表面缺陷密度。用PhilipsX Pert′s四晶衍射仪沿Φ5 0mm , Φ75mmInGaP/GaAs样品的x轴和y轴以 5mm间隔测量ω/2θ双晶摇摆曲线 , 获得沿x轴和y轴方向的晶格失配度分布和组分涨落分布。结果表明 , 用GSMBE生长的Φ5 0mm和Φ75mmIn0 .4 9Ga0 .51 P与GaAs衬底的失配度分别为 1× 10 - 4和 1× 10 - 5, 组分波动Φ5 0mm沿x轴和y轴分别为± 0 .1%和± 0 .2 % , Φ75mm <± 1%。表面缺陷密度在 1× 10～ 1× 10 2 cm- 2 。

关键词：

InGaP;均匀性;气态源分子束外延;X射线双晶衍射;InGaP/GaAs;

中图分类号： TN304

收稿日期：2003-08-08

基金：中国科学院重大基础项目和 973项目 (KY 95 1 B1 70 6, G2 0 0 0 0 683 0 4;

Uniformity in GSMBE Grown InGaP/GaAs Structures

Abstract：

The uniformity of Φ50 mm and Φ75 mm InGaP/GaAs grown by gas source molecular beam epitaxy was investigated. The lattice mismatch of 1×10^-4 to 1×10^-5 and the uniformity of gallium constituent better than 0.1% for Φ50 mm and 1.0% for (Φ75 mm) of InGaP/GaAs were achieved by an optimized gas source molecular beam epitaxy growth parameters. The surface dislocation density of few tens to 1×10² cm^-2 were obtained by using standard effusion cell for Ga and In.

Keyword：

uniformities; GSMBE; X-ray diffraction InGaP/GaAs;

Received： 2003-08-08

InP 基含磷Ⅲ-Ⅴ族化合物是毫米波、 亚毫米波器件与电路、 光电器件、 太阳电池的首选材料 ^[1,2] 。 InGaP 是Ⅲ-Ⅴ族化合物中价带不连续性最大的材料, 具有许多独特的优越性而倍受重视: (1) InGaP/GaAs的ΔE_v～0.4 eV, 比AlGaAs/GaAs大286 meV; (2) InGaP/GaAs具有高的选择腐蚀比, GaAs比对InGaP的选择腐蚀比大于200, 使器件工艺变得易于操作和控制从而大大提高了器件的重复性和成品率; (3) 不含Al, 不存在DX中心, 从而提高了器件的可靠性: (4) 采用GaAs 做衬底, 启用了GaAs具有大尺寸、 较 InP 衬底便宜且器件工艺成熟的优点。 由此 InGaP/GaAs体系兼备了InP基磷化物和GaAs基化合物的优点, 是研发新材料和产业化的理想材料体系。 但是InGaP/GaAs体系由于 (1) 存在两种V 族组元, As和P, 因而必需解决P/As界面原子混溶的控制, 抑制由于As, P混溶形成InGaPAs 或 GaAsP; (2) 由于InGaP存在有序无序问题, 如不采取特殊措施则会导致组份和厚度的波动。 材料的纯度、 完整性、 重复性是材料的关键, 而材料的均匀性是材料可靠性的关键。 本文报道了用GSMBE生长的InGaP大面积均匀性的研究结果。

1 实验方法

采用V80H GSMBE系统生长InGaP和GaAs外延材料。 GSMBE系统的本底真空度为1.3×10^-9 Pa。 衬底用半绝缘 (001) GaAs, 装在无铟衬底Mo托上; Ⅲ族元素Ga, In为 7 N, 装於PBN坩埚中, 用在线束流测量仪测量Ga, In的离子流以控制Ga/In比例; V族束源采用砷烷 (6 N AsH₃) 和磷烷 (5.8N PH₃) , 通过裂解炉在1000 ℃裂解为As₂, 用四极质谱仪监控裂解率。 生长前GaAs衬底在AsH₃裂解砷保护下解吸脱去表面的氧化物, 用反射高能电子衍射仪 (RHEED) 在线监控表面氧化物脱附和表面再构, 当脱附后衬底温度降至470 ℃生长InGaP, 生长时生长室的真空度为4×10^-3 Pa。

外延层的完整性与组份的高分辨X射线测量是在Philips X′ Pert MRD 四晶衍射仪上进行的, 而表面缺陷密度则用Olympus光学显微镜测观测。

2 结果与讨论

高分辨X射线衍射被认为是表征晶体质量的最有效的方法, 它具有快速准确和非破坏性的无以比拟的优点。 X射线摇摆曲线是化合物半导体中用得最多的结构特性表征方法。 它可获得外延层组份、 晶格常数、 失配度、 全衍射峰全高半宽、 应变、 弛豫以及厚度精确测量等信息。 在X射线双晶衍射中必须通过外延层与衬底衍射峰位置之间的差异来确定外延层晶格对衬底的失配度从而确定外延层的晶格常数。 为此, 必须同时记录下外延层和衬底两个衍射峰, 才能反映外延层的质量。 我们采用开口探测器做ω/2θ扫描测量摇摆曲线。 由于探测器的接收角有0.5°, 足够接收外个延层的衍射峰的全部范围, 此外, 探测器的运动连同样品的转动可以同时收录外延层和衬底两个衍射峰。 由Bragg公式进行计算:

X射线的基本原理是Bragg公式:

2d sinθ= nλ

其中d是发生衍射的晶面间距, θ是Bragg角, λ是射线的波长。 对立方系结构其晶面间距的计算公式

g²=1/d²=h²+k²+l²/d²

上式中, h, k, l为晶面Miller指数。 对一般Ⅲ-Ⅴ族化合物绝大多数为面心点阵, 只有在hkl为全奇或全偶的情况下才会出现衍射斑点。 对 (001) 衬底, 凡在平行于该表面的晶面上发生的衍射称为对称衍射, 而在不平行于该表面的晶面上发生的衍射称为非对称衍射。 对 (001) GaAs衬底, (004) 是对称衍射, 而 (111) 为非对称衍射。 传统的X射线衍射学者把X射线的入射角叫做θ, 而现代的X射线衍射学者把X射线的入射角叫做ω。 入射光与出射光之间的夹角为2θ。 不论对于对称衍射还是非对称衍射, 入射光与出射光之间的夹角恒为2θ_B, 但入射角ω不一定等于2θ_B 的一半。

对单层外延层, 外延层和衬底之间的失配度可直接由Bragg公式对两边同时取微分得到:

Δd/d=-ctgθ_B·Δθ

上式Δd/d为外延层对衬底的失配度。 在高分辨X射线衍射中, 外延层的Bragg峰的全高半宽 (FWHM) 通常被作为外延层晶格完整性的一个定性表征。

用Philips X-Pert′s 四晶衍射仪沿Φ50 mm, Φ75 mm InGaP/GaAs样品的x轴和y轴以5 mm间隔测量ω/2θ双晶摇摆曲线, 获得沿x轴和y轴方向的晶格失配度分布和组分涨落分布示于表1, 2和图1, 2。 由表和图所示结果可见, 用GSMBE生长的Φ50 mm和Φ75 mm In_0.49Ga_0.51P与GaAs衬底的失配度分别为1×10^-4和1×10^-5, 组分波动Φ50 mm沿x轴和y轴分别为±0.1%和±0.2%, Φ75 mm <±1%。 用光学显微镜测得其表面缺陷密度在1×10～1×10² cm^-2。

表1 Φ50 mm InGaP/GaAs材料失配度

Table 1 Lattice mismatch of InGaP/GaAs in Φ50 mm

位置	X/mm	0	0	0	0	0	0	0	0	0
	Y/mm	20	15	10	5	0	-5	-10	-15	-20
	Δa/a	2.70×10-4	2.38×10-4	2.19×10-4	2.11×10-4	2.07×10-4	2.08×10-4	2.15×10-4	2.26×10-4	2.48×10-4
位置	X/mm	20	15	10	5	0	-5	-10	-15	-20
	Y/mm	0	0	0	0	0	0	0	0	0
	Δa/a	2.40×10-4	2.22×10-4	2.13×10-4	2.07×10-4	2.07×10-4	2.13×10-4	2.25×10-4	2.45×10-4	2.43×10-4

表2 Φ75 mm InGaP/GaAs材料失配度

Table 2 Lattice mismatch of InGaP/GaAs in Φ75 mm

位置	X/mm	0	0	0	0	0	0	0
	Y/mm	30	25	20	15	10	5	0
	Δa/a	2.00×10-4	7.70×10-5	5.70×10-5	5.30×10-5	0.00	2.10×10-5	4.80×10-5
位置	X/mm	0	0	0	0	0	0
	Y/mm	-5	-10	-15	-20	-25	-30
	Δa/a	5.50×10-5	7.70×10-5	8.40×10-5	1.35×10-4	2.40×10-4	3.97×10-4
位置	X/mm	30	25	20	15	10	5	0
	Y/mm	0	0	0	0	0	0	0
	Δa/a	2.29×10-4	1.20×10-4	7.60×10-5	6.90×10-5	5.40×10-5	5.40×10-5	4.80×10-5
位置	X/mm	-5	-10	-15	-20	-25	-30
	Y/mm	0	0	0	0	0	0
	Δa/a	5.70×10-5	7.20×10-5	7.50×10-5	1.15×10-4	2.36×10-4	4.18×10-4

3 结 论

用GSMBE技术生长了Φ50 mm和Φ75 mm InGaP/GaAs材料, 获得了大面积均匀和低表面缺陷密度的优质材料, 用该材料研制出优质HBT, PHEMT器件与电路。

参考文献

[1] 　LiAiZhen, ChenJianxin, ChenYiqiao, etal.　GSMBEgrownofInGaAs/ (In) GaAsmodulationdopedheterostructureanditsapplicationstoHEMTandHHMT [J].CrystalGrowth, 2001, 227/228:357.

[2] 　LiAizhen, ChenYiQiao, ChenJianxin, etal.　High performanceenhancement modepseudomorphicInGaP/InGaAs/GaAsHEMTstruc turesbygassourcemolecularbeamepitaxy[J].J .CrystalGrowth, 2003, 251:816.