銻化銦單晶材料研究進展

折偉林,趙 超,董 濤,王成剛

(中國電子科技集團公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

銻化銦(InSb)材料是一種閃鋅礦結構的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料,因其不但具有極高的電子遷移率和極小的電子質量等特殊性質,而且在77 K下有著0.23 eV的禁帶寬度,從而被廣泛應用于(3～5 μm)中波紅外探測以及霍爾元件等部件。這些部件又被應用于天文觀測、制導、氣體探測等軍事以及民用領域(如圖1所示)。該材料現仍為應用最廣泛的中波紅外探測材料[1]。

圖1 InSb材料在紅外探測領域方面的應用

隨著紅外探測器向著更小尺寸、更低重量、更低功耗、更低價格、更高質量的SWaP3方向發展,其要求更為標準化、質量更高、尺寸更大的InSb材料。本文首先介紹了國內外InSb紅外焦平面探測器對材料的需求現狀,然后并介紹了國內外InSb材料的研究進展,特別介紹了中國電子科技集團公司第十一研究所(以下簡稱中國電科11所)在InSb單晶材料方面的最新成果,最后提出未來發展趨勢。

2 InSb探測器發展現狀及對材料的需求

近幾十年InSb紅外探測器由單元、多元、線列向著焦平面陣列(Focal Plane Array,FPA)探測器發展,現在已經能夠批量化生產較小規模焦平面探測器,并研發出超大規模探測器件。例如以色列SCD公司的型號為HERCULES、Blackbird等InSb探測器均可批量化生產[2]。美國L3 Harris公司已可批量生產1024×1024(25 μm)探測器,同時研制出4096×4096(15 μm),8 k×8 k等大面陣InSb紅外探測器[3]。美國Raytheon公司研制出型號為ALLADIN的1024×1024(27 μm)以及型號為ORION以及Phoenix的2 k×2 k(25 μm),同時還完成了4 k×4 k拼接InSb探測器的研制,如圖2所示[4-7]。美國Teledyne FLIR公司可批量生產多個像元間距的640×512 InSb紅外焦平面探測器,并研制出2048×2048等規格的超大面陣InSb紅外探測器等等。國內包括中航凱邁(上海)紅外科技有限公司以及中國電科11所均研制出1280×1024 InSb紅外焦平面探測器[8],同時較小面陣規格的InSb探測器也已大規模量產。

圖2 美國Retheon公司的1 k×1 k、2 k×2 k、4 k拼接InSb探測器圖

隨著國內外較小規格探測器的大規模量產和超大規模InSb探測器的研制成功,其對標準InSb晶片以及大尺寸InSb晶片的需求越來越急迫。晶片的標準化,使得工藝線能夠使用Si、GaAs等成熟半導體的材料加工設備以及器件流片工藝設備進行標準化生產,從而能夠提高效率,降低成本。同時因為Si、GaAs工藝設備的成熟化程度高,制備出的材料、器件質量也能隨之提升。晶片質量方面例如影響探測器性能的位錯密度、載流子濃度、總厚度變化(Total Thickness Variation,TTV)等晶片關鍵指標的優劣以及一致性會很大程度上影響到生產出的探測器合格率以及一致性。材料尺寸的提升,能夠使得單片材料產出的芯片數量增加,成本降低,同時能夠滿足超大規模探測器研制的需求。

3 國內外研究進展

3.1 國外研究進展

現國外的主流InSb材料生產商有加拿大5N Plus、英國IQE、俄羅斯的Giredmet JSC、比利時的Azelis等公司,各公司在InSb材料方面的研究進展如下。

3.1.1 加拿大5N Plus集團

5N Plus公司成立于2000年,后來收購了Firebird公司。經過多年的發展,該公司已經能夠批量生產2～5 in InSb材料,并在2016年成功研制出6 in InSb晶體材料。近些年5N Plus集團在InSb材料方面的研究主要為針對低位錯密度和高電學均勻性這兩個對于FPA性能影響最大的參數進行工藝優化,同時改變了晶體生長的方向,由常用的晶向(n>1)轉變為<111>晶向,很大程度上提高了單根晶體的出片數和出片總面積,如圖3(a) 典型的偏離對稱軸生長的InSb晶體,將{111}平面置于一側。圖3(b)從圖1c中所示的大尺寸沿對稱軸方向生長{111}InSb晶體切割的直徑為6英寸的晶片。圖3(c)采用沿對稱軸方向生長的直徑為6英寸的InSb晶體。圖4所示。同時該團隊為了克服<111>晶向生長晶體的位錯增殖和因小平面效應導致的電學參數不均勻等問題,對晶體生長工藝進行了優化,獲得了EPD<5 cm-2的6 in InSb晶體[9-10]。

圖3 5N Plus制造的晶體和晶片

圖4 >6″ InSb晶體的橫截面

3.1.2 英國IQE集團

IQE集團下屬的Wafertech以及Galaxy Compound公司均為研制生產InSb單晶材料的著名公司。近些年該公司在InSb材料研究方面主要集中在兩個方面,第一個方面是提升4″～5″產品的質量和標準化,使其生長質量和工藝控制達到了與GaAs和InP等大量制備半導體相一致的水平,如表1所示,5″晶體平均EPD<5 cm-2,5″晶片p-v平整度<5 μm的通過率提升至98 %[11];第二個方面是提升InSb材料的尺寸,主要是針對6″ InSb晶體的低位錯生長和Epi-ready晶片制備工藝進行研究,獲得的6″ InSb晶體EPD<5 cm-2,6″晶片總厚度變化(Total Thickness Variation,TTV)達到<7 μm,表面粗糙度(RMS)測量值中除了邊緣第5點較大外,其他點均為<0.5nm,制備出的6 in InSb晶體橫截面如圖4所示[12]。

表1 5″ InSb與5″ GaSb、6″ GaAs、6″ InP的晶片參數對比

3.1.3 俄羅斯聯邦國家稀有金屬工業研究與發展機構

俄羅斯聯邦國家稀有金屬工業研究與發展機構(Giredmet JSC)在2021年研發出<100>晶向4 in InSb晶體同時對該晶體進行了位錯密度(EPD)以及電學參數的表征,如圖5所示。該晶體位錯密度達到≤100 cm-2,導電類型為N型,載流子濃度為(1.6～8.1)×1014cm-3,載流子遷移率為(3.0～5.4)×105cm2/(V·s)[13]。

圖5 俄羅斯Giredmet JSC 4英寸<100>晶向InSb晶體

3.2 國內研究進展

國內從事大尺寸InSb晶體材料研究的主要有中國電科11所、云南昆物新躍光電科技有限公司等。各研究機構及公司在InSb材料方面的研制進展如下所示。

3.2.1 云南昆物新躍光電科技有限公司

云南昆物新躍光電科技有限公司隸屬于夜視科技集團,夜視科技集團是由昆明物理研究所等三家單位重組成立。該公司在2007年公開報道了其研制的60 mm直徑<111>晶向InSb晶片材料以及46 mm直徑<211>晶向InSb晶片材料[14],如圖6所示。在2022年該公司通過優化原材料提純工藝,優化晶體生長溫場設計等措施,成功研制出位錯密度≤80 cm-2的4 in InSb晶體材料,如圖7所示,但是尚未有4 in InSb晶片材料的報道[15]。

圖6 云南昆物新躍光電科技有限公司46 mm、60 mm InSb材料

圖7 云南昆物新躍光電科技有限公司4 in InSb晶體

3.2.2 中國電科11所研究進展

中國電科11所隸屬于中國電子科技集團公司,從1966年開始進行InSb晶體材料的研制,至今已經積累了豐富的生產科研經驗。中國電科11所在2009年研制成功3 in InSb晶體材料[16-18],2018年研制成功4 in InSb晶片材料并實現小批量生產[19-21],2020年進一步提升了4 in InSb晶片材料的質量,2021年研制出5 in InSb晶片材料[22-23],至今中電科11所一直致力于InSb單晶材料的研究,在大尺寸、高質量、標準化、工程化等方面獲得了顯著的成果,具體進展如下。

3.2.2.1 尺寸控制

相對于小尺寸InSb晶體生長,大尺寸InSb晶體生長所需的加熱功率變大,等徑長度也明顯變長,其直徑的非線性、時變、大滯后現象更為嚴重。由于直徑變化信號對控制信號反應的滯后以及非線性效應,晶體生長時的溫場發生震蕩,導致晶體直徑出現起伏。中國電科11所通過優化晶體直徑計算方法,實現晶體直徑的實時準確測量;通過優化熱場結構,降低熱場的熱容量和熱慣性;通過在控制公式中增加溫場影響綜合因子來進一步提高控制精準度。最終獲得了2、3、4 in 的InSb晶體穩定拉制,能夠批量生產2、3、4 in InSb拋光片產品,同時在2021年完成5 in InSb晶體的拉制,如圖8～11所示。

圖8 中國電科11所2～4英寸InSb標準化晶片照片

圖9 中國電科11所2 in InSb晶片批量產品

圖10 中國電科11所4 in InSb晶片批量產品

圖11 中國電科11所5 in InSb材料

3.2.2.2 電學參數均勻性控制

銻化銦晶體電學參數均勻性分為沿晶體生長方向的軸向電學參數均勻性及垂直于晶體生長方向的徑向電學參數均勻性。因常用的摻雜元素為元素碲(Te),Te在銻化銦單晶中的分凝系數<1,所以隨著晶體生長長度的增加,Te沿晶體軸向的分布有較大差異,導致晶體軸向電學參數不均勻。低溫生長的銻化銦晶體其小平面效應更為明顯,使得晶體生長時,小平面區域和非小平面區域的Te元素摻入量不同,導致晶體徑向電學參數不均勻。針對軸向摻雜不均勻問題,調整了晶體全程的生長速度以及轉速,通過控制Te元素的有效分凝系數來降低晶體軸向的Te元素不均勻性,從而提高了晶體軸向的電學參數均勻性。針對徑向摻雜不均勻問題,通過穩定控制晶體生長固液界面,盡量控制小平面區域大小,從而提高了晶體徑向的電學參數均勻性。在液氮溫度下通過霍爾測試測得頭中尾載流子濃度分布范圍由之前的(8.5～10.5)×1014cm-3優化至(9.5～10)×1014cm-3,大大縮小了載流子濃度分布范圍,如圖12所示。圖13中的片上載流子濃度相對標準偏差由19.3%降低至3.1%。

圖12 InSb晶體頭中尾載流子濃度優化前后圖

圖13 InSb晶片載流子濃度分布圖

3.2.2.3 位錯缺陷控制

InSb材料導熱較差,在晶體生長時,晶體中心與邊緣溫差大,同時該材料臨界剪切應力小,極易因熱應力而導致位錯缺陷增殖。這種情況會隨著晶體直徑的增加而更為嚴重。中國電科11所通過“零缺陷損傷”籽晶制備技術,優化熱場結構,獲得合適的軸向徑向溫度梯度,同時降低原材料中的顆粒沾污,最終降低了晶體的位錯缺陷,位錯密度由最早的≤100 cm-2,逐漸降低至≤50 cm-2,近期進一步優化至≤5 cm-2。晶體頭中尾位錯極少且分布均勻,同時晶體間位錯密度一致性較高,如圖14、15所示。

圖14 晶體頭中尾位錯分布圖

圖15 晶體位錯密度優化前后對比

3.2.2.4 幾何、表面參數控制

InSb性質軟脆,莫氏硬度僅為4左右,且表面性質活潑,極易氧化,所以該材料加工難度較大。大尺寸的InSb晶片在研磨、拋光等加工過程中,由于面積的增加,加工速度直線下降,而且加工料在晶片的徑向分布上的差異會增大,會造成晶片不同位置的去除速率差異,從而使晶片的TTV、Warp等幾何參數變差。同時拋光工藝的不佳會導致晶片表面出現嚴重的劃痕、亮點、橘皮等缺陷。中國電科11所通過發明一種新的大尺寸InSb晶體切割、粘片方法,同時優化研磨、拋光工藝均勻性,最終提高了晶片幾何、表面參數。使用無接觸晶片檢測系統對InSb拋光晶片的幾何參數進行檢測,TTV分布范圍由之前的3～8 μm降低至2～5 μm,如圖16所示。使用原子力顯微鏡對2 in InSb拋光晶片表面粗糙度進行測量,表面粗糙度(Ra)分布范圍由之前的3～9 nm優化為0.5～1 nm,如圖17所示。5 in InSb晶片TTV達到≤10 μm,表面粗糙度≤1nm。

圖16 優化前后InSb晶片TTV分布圖

圖17 優化前后InSb晶片表面粗糙度(Ra)分布圖

3.2.2.5 器件驗證

多年來中國電科11所使用自制的InSb材料制備了單多元、線列、焦平面InSb器件,例如128×128、256×256、320×256、640×512、1280×1024等不同規格的InSb紅外焦平面探測器件,器件性能較為優異。隨著晶片材料尺寸的增加,單片晶片上可產出的芯片數量成倍數增加,以320×256(30 μm)InSb焦平面探測芯片為例,2 in晶片上可產出12個芯片,而5 in晶片可產出111個芯片,單片晶片出芯率達到將近10倍,能夠有效支撐二代InSb焦平面組件的產能增加以及成本降低,如圖18所示。制備的128×128(50 μm)、320×256(30 μm) InSb紅外探測器信號響應較優,盲元率低,如圖19所示。研制的1280×1024(25 μm)InSb焦平面探測器平均峰值探測器達到9.54×1011cm·Hz1/2·W-1,有效像元率達到99.69 %,芯片及成像如圖20所示[8]。

圖18 單片材料的出芯數量隨晶片尺寸的變化曲線

圖19 128×128(50 μm)、320×256(30 μm) InSb探測器信號響應圖

圖20 中國電科11所研制出的1280×1024(25 μm) InSb紅外焦平面探測器芯片以及成像照片

4 總結及展望

本文介紹了InSb單晶材料的國內外研制進展情況,重點介紹了中電科11所的最新進展。目前中國電科11所突破了晶體尺寸控制、位錯缺陷控制、電學參數均勻性控制,幾何、表面參數控制等晶體生長、晶片加工關鍵技術,實現了2～4 in InSb晶片的批量化生產,同時產品已經完成一代向二代高質量產品的迭代,材料位錯密度達到≤5cm-2,TTV≤5 μm,軸向徑向電學參數分布更為均勻,在這些關鍵指標方面與國外同尺寸產品水平相當。在大尺寸InSb材料研制方面,中國電科11所已經完成5 in InSb材料的研制。這都很好的支撐了一二代InSb紅外探測器生產的批量化、低成本化,同時支撐了三代大面陣、超大面陣InSb紅外焦平面探測器的研制。雖然國內在近些年已經取得了不錯的成績,但是在材料尺寸、自動化、批量化等方面與國外領先水平相比尚存在一定的差距,所以國內各廠商需要在這些方面進一步投入資金以及人才力量,盡快實現6 in 甚至更大尺寸InSb材料的研制同時進一步提高工藝線自動化改進。