当V/Ⅲ束流比较小时,V族原子在生长表面的覆盖程度小,薄膜的生长速率与表面V族原子的数量息息相关。经过前期理论计算和实验验证,设计使用的V/Ⅲ族束流比为5:1~11:1。
周期及各层厚度等因素对超晶格材料中的应变分布及晶格常数会产生影响,厚度太大无法形成超晶格结构,厚度太小则控制生长过程较难,同时可能造成原子面的铺排不完整缺陷增多等。
采用法国Riber公司的Compact21T分子束外延系统生长InAs/Ga₁In,Sb薄膜,生长室的真空度控制在1×10-⁸~1×10-"Pa。MBE生长过程在反射式高能电子衍射仪、红外测温仪和离子规等监测下进行,可实时监测样品的表面形貌、衬底的表面温度、室内气压和校正源炉束流等。
铟源和镓源均是高纯固态金属,砷源和锑源分别由带阀的裂解炉提供,阀门由气动开关控制,响应时间为0.1 s。实验采用(001)晶向的GaAs为衬底,先外延生长一定厚度的GaAs层,然后再生长GaSb缓冲层,最后交替生长InAs/GaInSb。
基于前期的理论设计和异质结薄膜生长实验,本文选取的具体生长工艺参数见表1。在整个生长过程中实时监控Ⅲ族元素(镓和铟)的炉温和束流关系、V族元素(锑和砷)的阀门开放率与束流关系,结果表明束源温度或阀门开放率与束流强度呈线性关系。
双晶(DCXRD)摇摆曲线的测量采用的,是日本理学(Rigaku)的SLX21AL型X射线衍射仪辐射源为Cu Kαl射线(λ=0.15406 nm)Ge(004)作为单色器第一晶体,测量过程采用w/20联动方式(n,-m)排列扫描。
超晶格薄膜的载流子迁移率和载流子浓度等电学性能采用半导体综合测试系统测试。
结果与讨论GaAs生长完成后的RHEED衍射呈现出清晰的(4×2)再构图样,表明GaAs层表面较好,可开始进行GaSb缓冲层生长。
此时GaAs层的RHEED衍射图样迅速变暗,随着GaSb层的生长,RHEED图样逐渐变为点状最终显示出清晰的(1×3)再构衍射条纹。随后进行超晶格膜层生长,最后观察到InAs层呈现(1×2)再构条纹所示。