摘要
II类超晶格红外探测器一般通过台面结实现对红外辐射的探测,而通过离子注入实现横向PN结,一方面材料外延工艺简单,同时可以利用超晶格材料横向扩散长度远高于纵向的优势改善光生载流子的输运,且易于制作高密度平面型阵列。本文利用多种材料表征技术,研究了不同能量的Si离子注入以及退火前后对InAs/GaSb II类超晶格材料性能的影响。研究通过Si离子注入,外延材料由P型变为N型,超晶格材料中产生了垂直方向的拉伸应变,晶格常数变大,且失配度随着注入能量的增大而增大,注入前失配度为-0.012%,当注入能量到200 keV时,失配度达到0.072%,超晶格部分弛豫,弛豫程度为14%,而在300 °C 60 s退火后,超晶格恢复完全应变状态,且晶格常数变小,这种张应变是退火引起的Ga-In相互扩散以及Si替位导致的晶格收缩而造成的。
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、军事、科学、医疗以及日常生活等方面得到了广泛应
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
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
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
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
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
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。
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
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,以的剂量,在室温下分别注入50 keV、100 keV和200 keV的Si离子。注入后的样品再切块进行退火实验。
使用布鲁克D8 X射线衍射仪进行HRXRD 扫描得到材料的双晶摇摆曲线,入射光束为1.54 Å Cu Kα1辐射。为了研究材料的应变和缺陷变化程度,对超晶格材料进行(1 1 5)非对称衍射面的倒易空间二维点图测
HRXRD测试结果如
, | (1) |
其中为布拉格衍射角,为最显著震荡的侧峰与衬底峰的角度




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全宽(FWHW)包含了材料的本征半峰全宽以及材料应变和材料缺陷导致的展宽,双晶半峰全宽越窄,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全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
样品编号 | 注入能量/keV | 退火温度/°C | 失配度 | FWHM(°/rlu) | |
---|---|---|---|---|---|
-1级 | +1级 | ||||
A | —— | —— | -0.012% | 0.0121 | 0.0092 |
B | 50 | —— | 0.016% | 0.0142 | 0.0151 |
C | 100 | —— | 0.039% | 0.0160 | 0.0166 |
D | 200 | —— | 0.072% | 0.0182 | 0.0191 |
E | 50 | 300 | -0.015% | 0.0125 | 0.0171 |
F | 100 | 300 | -0.039% | 0.0157 | 0.0140 |
G | 200 | 300 | -0.062% | 0.0162 | 0.0141 |
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
, | (2) |
, | (3) |
式中和是元素A和B的电负性,由上式计算得到GaSb的键能为2.05 eV,InAs的键能为2.18 eV。GaSb的键能比InAs的键能更弱,因此更容易被破坏产生应变。
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
, | (4) |
, | (5) |
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,和是外延材料的弹性系
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100 keV Si的超晶格;(c) 注入200 keV Si的超晶格;(d) 注入200 keV 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 100 keV Si; (c) Superlattice injected with 200 keV Si; (d) Superlattice annealed after implantation of 200 keV 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200 keV 的Si注入后以及退火后
Fig. 4 Photoluminescence spectra of superlattice and GaSb at 77 K:(a) Superlattice with different energy Si implantation and annealing; (b) Superlattice after 200 keV silicon implantation and annealing
样品编号 | E/eV | Intensity/a.u. | FWHM/eV |
---|---|---|---|
A | 0.233 | 886.77 | 0.019 |
B | 0.234 | 34.32 | 0.030 |
C | 0.235 | 31.36 | 0.033 |
D | 0.233 | 17.42 | 0.037 |
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10 keV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100 keV及200 keV的样品注入层已完全覆盖整个超晶格外延层,注入能量为50 keV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
注入能量(keV) | 退火温度 /°C | Carrier concentration/ | Mobility //V s |
---|---|---|---|
50 | —— | 4225 | |
300 | 3969 | ||
100 | —— | 4075 | |
300 | 3636 | ||
200 | —— | 3539 | |
300 | 3409 |
在室温下注入剂量为,注入能量分别为50 keV、100 keV和200 keV 的Si后,GaSb和InAs的HRXRD结果显示在衬底峰左侧出现了副峰,而InAs /GaSb II类超晶格的各级衍射峰都向左偏移了,垂直方向上由原来的张应变转化成压应变,晶格常数变大。我们认为是注入造成的简单点缺陷如Si间隙杂质,以及由点缺陷延伸而成的其他缺陷相互结合的结果以及激子诱导的局部晶格膨胀所引起的,且与注入能量线性相关。在Si注入超晶格退火后,晶格常数变小,垂直方向上再次变为张应变,我们认为是退火引起的Ga-In相互扩散以及Si替位而导致的晶格收缩造成的,以及可能存在具有较小晶面间距(空位)的缺陷晶胞。由于GaSb的键能较InAs更小,所以同样的注入条件GaSb受到的损伤更大,应变程度更大。当注入能量过大时,会导致超晶格产生微量的应变弛豫。注入并不会使超晶格的禁带宽度发生太大改变,但会降低PL谱发光强度,注入能量越大的发光强度越低。Si注入P型的InAs /GaSb II类超晶格后成功改型为N型,Si充当施主杂质,且载流子浓度随着注入能量的增大而增大。
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