硅基銻化銦薄膜的制備與光電性能研究.pdf

1、InSb基化合物半導(dǎo)體材料具有較高的室溫電子遷移率,在電場作用下具有優(yōu)異的電子輸運(yùn)性能。InSb還具有較小的禁帶寬度,是制作3~5μm紅外探測器和成像系統(tǒng)的重要材料。另外,InSb及其合金的光發(fā)射與一些主要?dú)怏w如CO、CO2等的基本吸收線相匹配,因而也可使用InSb基發(fā)光器件和探測器件制成氣體傳感系統(tǒng)。近年來,通過在硅基上生長高性能的InSb結(jié)構(gòu),充分利用硅基材料與InSb材料的優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了功能器件和電路的融合,頗具工程價(jià)值而成為納米尺

2、度器件發(fā)展的重要方向。本文利用磁控濺射技術(shù)在Si襯底上生長了InSb薄膜和InSb/SiO2/SiXOI結(jié)構(gòu),綜合分析了InSb薄膜和InSb/SiO2/Si異質(zhì)結(jié)的晶體結(jié)構(gòu),并結(jié)合光學(xué)和電學(xué)性能表征,對(duì)材料的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系進(jìn)行了深入研究。論文的主要研究內(nèi)容包括:
　　首先使用真空電弧爐制備磁控濺射用的InSb靶材,采用調(diào)節(jié)靶材成分的方法來實(shí)現(xiàn)濺射InSb薄膜的正?；瘜W(xué)計(jì)量比。研究了不同濺射工藝對(duì)InSb薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響

3、。隨著濺射功率的增大,InSb薄膜由非晶態(tài)向晶態(tài)轉(zhuǎn)變,晶粒尺寸增大,結(jié)晶性變好;當(dāng)濺射壓強(qiáng)逐漸增大時(shí),晶粒尺寸逐漸變小,結(jié)晶性變差。在濺射壓強(qiáng)為0.6Pa的InSb薄膜中出現(xiàn)了富In的現(xiàn)象。
　　采用快速熱退火和常規(guī)熱退火兩種方式對(duì)沉積態(tài)InSb薄膜進(jìn)行了退火,并研究了不同退火工藝對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。采用快速熱退火工藝時(shí),隨著退火溫度的增加薄膜結(jié)晶性變好,晶粒尺寸隨之增大,(111)面的擇優(yōu)取向性隨之增強(qiáng)。InSb薄膜的透過率

4、隨溫度的升高而降低,當(dāng)退火溫度從300℃上升到500℃時(shí),InSb的光學(xué)帶隙從0.22eV紅移至0.19eV。不同溫度退火的薄膜霍爾測量結(jié)果表明,77K和300K下薄膜均為n型,薄膜的遷移率和載流子濃度隨著退火溫度的上升均有不同程度的增加。在400℃溫度下,隨著快速熱退火時(shí)間的增加薄膜晶粒尺寸增大,光學(xué)帶隙隨退火時(shí)間的增加逐漸減小。77K和300K下薄膜遷移率均隨退火時(shí)間的增加而增加,300K下薄膜的載流子濃度隨退火時(shí)間的增加先增加后減

5、小。與快速熱退火工藝相比,采用常規(guī)熱退火工藝進(jìn)行退火時(shí),隨著退火溫度的增加,在相同溫度下常規(guī)熱退火的晶粒尺寸均大于快速熱退火的晶粒尺寸。當(dāng)退火溫度從200℃上升到400℃時(shí),薄膜的光學(xué)帶隙從0.22eV紅移至0.2eV。在500℃常規(guī)熱退火的晶體質(zhì)量較差,薄膜的光學(xué)帶隙增大到0.35eV。對(duì)比兩種不同的退火方式可知,InSb薄膜經(jīng)常規(guī)熱退火后的遷移率除200℃退火的樣品外,其余皆低于經(jīng)快速熱退火處理后的樣品。在400℃溫度下,隨著常規(guī)熱

6、退火時(shí)間的增加InSb薄膜晶粒尺寸增大,薄膜的光學(xué)帶隙從0.24eV紅移移至0.2eV附近。薄膜的遷移率隨退火時(shí)間的延長先增加后減小,載流子濃度隨退火時(shí)間的延長而逐漸增大。分析了快速熱退火和常規(guī)熱退火對(duì)晶化過程的影響并計(jì)算了快速熱退火和常規(guī)熱退火的晶化激活能,分別為131.5kJ/mol和66.9kJ/mol。
　　利用磁控濺射生長了InSb/SiO2/SiXOI結(jié)構(gòu),通過透射電鏡分析可知,InSb層的厚度為35nm,退火后的薄膜

7、為多晶結(jié)構(gòu),晶粒尺寸約為13nm。采用高分辨透射技術(shù)在退火后的InSb薄膜中觀察到了[111]、[220]、[311]三種晶體取向的晶粒,與XRD譜圖中衍射峰分析的結(jié)果相一致。通過高分辨透射電鏡對(duì)InSb/SiO2/SiXOI的界面進(jìn)行分析后可知SiO2層的厚度為4nm。超薄InSb薄膜退火后受納米尺度晶粒的量子限域效應(yīng)的影響,光學(xué)帶隙與InSb晶體的能帶帶隙值(0.18eV)相比藍(lán)移了0.084eV,帶隙值為0.264eV。從I-V特