InSb晶体的直拉法制备及其特性研究

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锑化铟(InSb)是一种具有闪锌矿结构的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料,是制备3~5μm中波红外探测器件的主要材料。随着红外探测技术的迅速发展,对于大规模、高性能红外探测器的需求日益增长,意味着其需要在高质量的InSb衬底材料上进行制备。为了获得高质量、高迁移率的InSb晶体,本文采用直拉法(CZ)制备非掺杂和掺Te InSb晶体,并对其相关特性进行了研究。主要研究内容和结果如下:1、利用COMSOL仿真软件对InSb晶体生长进行了热场模拟及优化,分别模拟了氧化锆保温、石英保温和坩埚相对加热器底不同位置条件下炉内温度分布。同时,利用热电偶对熔体和晶体周围气氛中的温度分布进行了实际测量。模拟仿真和实际测量炉内温度分布结果表明,氧化锆保温的轴向温度梯度较石英保温小,分别为6℃/cm和13℃/cm。随着坩埚与加热器距离的增大,坩埚内熔体和生长的晶体中温度逐渐降低,温度梯度逐渐增大。2、利用直拉法对InSb晶体生长条件进行了研究,分别在氧化锆保温、石英保温和坩埚相对加热器底不同位置条件下制备了晶体。通过对生长的晶体进行X射线衍射分析,发现晶体结晶质量与生长条件有关,氧化锆保温条件下制备的晶体比石英保温时结晶质量好。在氧化锆保温条件下,探究温度梯度对晶体结晶质量、位错密度和电阻率分布的影响,发现坩埚距离加热器底30 mm时,固液界面处轴向温度梯度为2℃/cm,生长出直径35 mm InSb单晶,其摇摆曲线半峰宽(FWHM)达11.95arcsec,结晶质量最佳,位错腐蚀坑最少,位错密度约500 cm-2,电阻率分布较均匀。3、利用化学机械抛光技术对InSb晶片表面质量的影响进行了研究。抛光实验结果表明,采用Si O2磨料质量分数为10%,NH3·H2O作为氧化剂,抛光时间30 min时可获得表面平坦光滑,表面粗糙度Ra为0.327 nm的抛光晶片。通过化学腐蚀方法结合X射线光电子能谱(XPS)技术对晶片表面氧化层去除进行了研究。XPS测试结果表明,当腐蚀液体积配比为HNO3:CH3COOH:HF:H2O=0.5:1:1:10,腐蚀时间120s时,腐蚀后的晶片表面氧化层较薄,使其能够满足作为红外探测器件的衬底材料。4、开展了Te的不同掺杂量对InSb晶体光学和电学特性影响的研究。霍尔测试(Hall)和傅里叶红外光谱(FTIR)测试结果表明,当掺Te浓度为6×1016cm-3,77 K时InSb:Te晶体导电类型为N型,获得最优的迁移率为6.95×10~4cm~2·V-1·s-1,吸收截止波长为7.5μm,其电学和光学特性均满足制备红外探测器件需求。
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