InSb制备工艺的研究

InSb制备工艺的研究Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体是由周期表中ⅢA和ⅤA族元素化合而成。自从1952年H.Wellker研究了它们的半导体性质以后，50多年来，由于它们独特的能带结构与性质，获得很大的发展，目前在微波与光器件等领域得到广泛的应用。In的化合物，一般都具有较大的电子迁移率，可用来做霍尔器件。InSb是研究的比较成熟的化合物半导体材料之一，它的禁带宽度仅有0.18eV，可用于红外光电器件和超低温下工作的半导体器件。由于InSb材料具有较高的室温电子迁移率和较小的禁带宽度，在电场作用下具有优异的电子输运性能，是制作3~5μm红外探测器和成像系统的重要材料。另外，InSb及其合金的光发射与一些主要气体如CO、CO2等的基本吸收线相匹配，因而也可使用InSb基发光器件和探测器件制成气体传感系统。近年来，通过在硅基上生长高性能的InSb结构，充分利用硅基材料与InSb材料的优点，实现了功能器件和电路的融合，颇具工程价值而成为纳米尺度器件发展的重要方向。InSb薄膜是一种III-VI族化合物半导体薄膜,是目前电子迁移率最高的一种薄膜半导体材料,用该薄膜制做的InSb霍尔元件是磁敏传感元件中灵敏度最高的,也是磁敏传感元件中用量最大的一种。主要用于电脑、录像机、VCD、DVD、汽车、散热风扇等产品中的无刷直流电机上。同时,半导体磁阻型传感器广泛应用于自动控制、测量等领域,如转速传感器,电流传感器,位置传感器和图像识别传感器等,而高灵敏度半导体磁阻元件是这种磁阻传感器的核心部件。因此,具有较高电子迁移率和良好的磁阻特性的InSb薄膜已成为制作半导体磁阻型传感器的关键,具有广阔的市场前景和发展潜力。目前,InSb薄膜的制备方法有真空蒸镀法(包括闪蒸法)、分子束外延法(MBE)、有机金属外延法(MOCVD)、磁控溅射法、电子束蒸镀法、离子束薄膜淀积技术等。其中真空蒸镀法是国内外运用最广泛也最具代表性的方法。利用真空镀膜技术,可以实现玻璃基片上制得电子迁移率为40000cm2/V.S的InSb薄膜；在氮气、氦气等保护性气氛下,通过对InSb薄膜的两个阶段的热处理过程可以获得电子迁移率为40000cm2/V.S的InSb薄膜,利用真空下氩气保护液相重结晶的方法对InSb薄膜进行热处理,可以使电子迁移率提高到4.47×104cm2/V.s。目前的InSb薄膜工艺技术研究解决了用In、Sb单质蒸镀工艺,在磁性和非磁性基底上替代InSb单晶蒸镀制作多晶膜的工艺技术,降低了成本,提高了成品率。工艺采用三温区法,控制两个蒸发源和基底的温度,使成膜后Sb的分子浓度较低,即处于富In状态。在热处理过程的后半部分,由于共晶点的退化,会析出In固相,因此得到InSb-In共晶体。工艺还控制结晶条件和过程,使得析出的In成为针状的排列而起到短路电极的作用,提高了灵敏度。同时采用选择性湿法刻蚀工艺,特别是InSb-Au欧姆接触膜层的选择性刻蚀工艺制作电极,工艺成品率达到70%以上。用该InSb薄膜开发的InSb霍尔元件已经大规模进行批量生产。用热蒸镀或是溅射法制备的InSb薄膜,还存在大量的In、Sb两项单质,膜的晶粒尺寸很小,且为InSb、In、Sb各相的混合物。为了提高InSb薄膜的电子迁移率,要对所制得的薄膜进行热处理。热处理的温度非常关键,过去对InSb的热处理怕重熔后InSb的再次挥发,一般选择熔点下的某一温度。目前的处理工艺是先将真空中蒸镀好的InSb薄膜表面氧化,使之表面形成一层In2O3钝化膜,用来保护InSb膜在热处理过程中不被氧化,并防止热处理过程中Sb的挥发；然后将氧化过的InSb薄膜置于管式加热炉内,在高于InSb熔点的某一温度范围内，在Ar等惰性气体保护性气氛下或是真空条件下对InSb薄膜进行熔融热处理,以便彻底改变蒸发过程中使InSb薄膜纵向分布不均匀而造成的富Sb、InSb、In多层结构,使之形成理想的InSb化合物多晶薄膜。而且通过恰当的处理时间还可以使InSb的晶粒进一步长大,提高结晶性能,提高InSb薄膜的纯度,减小晶粒效应,从而提高其电子迁移率。对InSb薄膜的表面形貌分析主要由能将微细物相放大成像的显微镜来完成。目前一些显微镜,如扫描电子显微镜(SEM)、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)场离子显微镜(FIM)等都已达到原子分辨能力,可直接观察到InSb表面原子的排列。InSb薄膜成分分析包括测定其元素组成,化学态及元素的分布。主要方法有俄歇电子能谱(AES)、X射线光电子能谱(XPS)、电子探针分析(EMA)、二次离子质谱等。分析InSb薄膜的结构大多科研机构主要采用X射线衍射的方法,对薄膜的原子排列、晶胞大小、晶体取向、结晶对称性等进行分析。InSb薄膜的制备及其性质和应用的研究,在近几年引起了人们的广泛注意和兴趣。化合物半导体薄膜在理论上是一个重要研究课题,因为它涉及到结晶学、金相学和晶体结构等一系列理论问题。同时薄膜的研究也给半导体器件的发展带来广阔的前途。在国外,InSb薄膜是从70年代初开始研究的。一些发达国家很重视该薄膜技术的研究。特别是日本,他们成功地研究了InSb薄膜并用其制成了性能价格比最高的InSb霍尔元件,因而使得日本的磁敏元件水平代表了当今的国际水平。他们生产的灵敏度最高,价格最低的InSb霍尔元件目前的国际市场中几乎占垄断地位。如日本旭化成公司1986年生产InSb薄膜霍尔元件1.7亿只,到1993年年产量达5亿只,它垄断了世界市场的60~70%的需求量。我国已引进的记录仪、计算机外部设备、录像机等生产线,由于我们没有能力每年生产与之配套的数百万只性能先进、价格低廉的磁敏元件,所以只好全部依赖进口。要改变这种现状就必须首先研制出性能好,造价低的InSb薄膜。在这种情况下,我们从“七·五”、“八·五”以来对该InSb薄膜的制备技术进行了较系统的研究,解决了制造过程中的关键技术并成功地用该薄膜制造了薄膜型InSb霍尔元件。InSb薄膜的制备及其性质和应用的研究,在近几年引起了人们的广泛注意和兴趣。化合物半导体薄膜在理论上是一个重要研究课题。在我国,台湾国立中山大学、沈阳仪器仪表工艺研究所、天津大学、浙江大学等单位对InSb薄膜的制备技术进行了比较系统和深入的研究,解决了薄膜制造过程中的关键技术,并成功的用该薄膜制造了薄膜型InSb磁阻型元件。