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面向太赫兹光电导应用的Fe掺杂InGaAs薄膜固源分子束外延生长与物性研究

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殷钰坤, 杨文龙, 侯曦宇, 师海彦, 李东海, 张梓桐, 潘东. 面向太赫兹光电导应用的Fe掺杂InGaAs薄膜固源分子束外延生长与物性研究[J]. 物理学报, 2026, 75(9): 090804. doi: 10.7498/aps.75.20260014
引用本文: 殷钰坤, 杨文龙, 侯曦宇, 师海彦, 李东海, 张梓桐, 潘东. 面向太赫兹光电导应用的Fe掺杂InGaAs薄膜固源分子束外延生长与物性研究[J]. 物理学报, 2026, 75(9): 090804. doi: 10.7498/aps.75.20260014
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Yukun YIN, Wenlong YANG, Xiyu HOU, Haiyan SHI, Donghai LI, Zitong ZHANG, Dong PAN. Solid source molecular beam epitaxy growth and physical properties of low-temperature-grown Fe-doped InGaAs films for terahertz photoconductive antennas[J]. Acta Physica Sinica, 2026, 75(9): 090804. doi: 10.7498/aps.75.20260014
Citation: Yukun YIN, Wenlong YANG, Xiyu HOU, Haiyan SHI, Donghai LI, Zitong ZHANG, Dong PAN. Solid source molecular beam epitaxy growth and physical properties of low-temperature-grown Fe-doped InGaAs films for terahertz photoconductive antennas[J]. Acta Physica Sinica, 2026, 75(9): 090804. doi: 10.7498/aps.75.20260014
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面向太赫兹光电导应用的Fe掺杂InGaAs薄膜固源分子束外延生长与物性研究

  • 1.

    中国科学院半导体研究所, 半导体芯片物理与技术全国重点实验室, 北京　100083

  • 2.

    中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京　100049

  • 3.

    华中光电技术研究所-武汉光电国家研究中心, 武汉　430223

    • 作者简介: 殷钰坤: yyk2017@semi.ac.cn .
    通讯作者: E-mail: zhang-zt18@tsinghua.org.cn.;  E-mail: pandong@semi.ac.cn.

  • 中图分类号: 61.72.uj, 68.55.ag, 81.15.Hi, 68.55.-a, 73.61.Ey

Solid source molecular beam epitaxy growth and physical properties of low-temperature-grown Fe-doped InGaAs films for terahertz photoconductive antennas

  • 1.

    State Key Laboratory of Semiconductor Physics and Chip Technologies, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China

  • 2.

    College of Materials Science and Opto-Electronic Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

  • 3.

    Huazhong Institute of Electro-Optics—Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Wuhan 430223, China

    • Corresponding authors: E-mail: zhang-zt18@tsinghua.org.cn.;  E-mail: pandong@semi.ac.cn.

  • MSC: 61.72.uj, 68.55.ag, 81.15.Hi, 68.55.-a, 73.61.Ey

  • 摘要: 针对1550 nm波段激光激励的太赫兹光电导天线对高性能光电材料的需求, 本文利用固源分子束外延低温生长了InGaAs:Fe薄膜, 研究了Fe掺杂浓度对材料微观结构与载流子输运性质的调控规律. 高分辨X射线衍射与透射电子显微镜表征结果表明, 所得InGaAs:Fe薄膜具有高晶体质量, Fe元素在InGaAs层中实现了均匀掺杂且未见明显相分离或团簇结构. 霍尔效应测试进一步揭示了Fe掺杂浓度与材料电学性能之间的演变关系. 结果显示, 在Fe掺杂浓度为6.0×1019 cm–3时, 样品展现出最优的综合电学性能, 载流子浓度可低至2.05×1013 cm–3, 电阻率可提升至381.82 Ω·cm, 载流子迁移率可达到796.89 cm2/(V·s). 此外, 利用飞秒瞬态泵浦-探测技术测得样品的载流子寿命仅为0.65 ps. 本研究为研制高信噪比、超快响应的太赫兹光电导天线提供了材料支撑.
    Abstract: To address the growing demand for high-performance photoconductive materials compatible with fiber-based 1550 nm lasers in terahertz photoconductive antennas, this study systematically investigates the growth and physical properties of low-temperature Fe-doped InGaAs (InGaAs:Fe) films fabricated by solid-source molecular beam epitaxy. A series of InGaAs:Fe films with varied Fe doping concentrations are epitaxially grown on semi-insulating InP:Fe substrates to optimize the electrical and optical characteristics required for efficient terahertz generation and detection. The experimental approach combines advanced materials characterization with electrical and ultrafast optical measurements. The Fe doping level is precisely tuned by controlling the Fe source temperature from 1090 ℃ to 1120 ℃, yielding estimated doping concentrations ranging from ~3.9×1019 cm–3 to 6.9×1019 cm–3. High-resolution X-ray diffraction and transmission electron microscopy coupled with energy-dispersive X-ray spectroscopy are employed to examine crystalline quality, microstructure, and elemental distribution. Electrical properties are evaluated using room-temperature Hall effect measurements, and carrier dynamics are probed via femtosecond transient reflectance spectroscopy. The structural analysis confirms that InGaAs:Fe films grown at Fe source temperatures up to 1114 ℃ exhibit high crystalline perfection without detectable phase separation or Fe clustering. However, at 1120 ℃, Fe-rich nanoclusters form, leading to phase separation and degraded crystal quality. High-resolution X-ray diffraction rocking curves and lattice parameter evolution further indicated that Fe incorporation influences the lattice strain through a combination of substitutional and interstitial occupancy, with optimal structural coherence observed at intermediate doping levels. Electrically, the films show a strong doping-dependent behavior. As the Fe concentration increases, the carrier concentration drops sharply from ~1016 cm–3 to ~1013 cm–3, while the resistivity rises from tens to hundreds of Ω·cm and the electron mobility improves significantly. The sample grown at an Fe source temperature of 1108 ℃ (corresponding to [Fe] ≈ 6.0×1019 cm–3) delivers the best overall performance: a low carrier concentration of 2.05×1013 cm–3, a high resistivity of 381.82 Ω·cm, and a high electron mobility of 796.89 cm2/(V·s). Moreover, this sample maintains N-type conductivity, which is essential for terahertz photoconductive antenna operation. Femtosecond pump-probe measurements revealed an ultrashort carrier lifetime of (0.65±0.01) ps, comparable to state-of-the-art materials grown by gas-source molecular beam epitaxy, confirming the suitability of solid-source molecular beam epitaxy-grown InGaAs:Fe for ultrafast photoconductive applications. In conclusion, this work demonstrates that solid-source molecular beam epitaxy is a capable and safe technique for producing high-quality Fe-doped InGaAs films with tailored electrical and transient optical properties. The optimized InGaAs:Fe film with [Fe] ≈ 6.0×1019 cm–3 simultaneously fulfills the key requirements for terahertz photoconductive antennas: high resistivity, high mobility, N-type conductivity, and sub-picosecond carrier lifetime. These results provide a reliable materials platform for the development of compact, high-sensitivity, and broadband terahertz systems operating at the telecommunications wavelength of 1550 nm.
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  • 图 1  Fe源温度为1108 ℃时样品的SIMS深度分布曲线

    Figure 1.  SIMS depth profile of the sample grown at Fe source temperature of 1108 ℃.

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    图 2  不同Fe源温度下InGaAs:Fe样品的XRD图谱

    Figure 2.  XRD patterns of InGaAs:Fe samples grown at different Fe source temperatures.

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    图 3  (a)不同Fe源温度下InGaAs:Fe样品的HRXRD图谱; (b)—(f) Fe源温度为1090, 1098, 1108, 1112, 1114 ℃时, InGaAs:Fe薄膜衍射峰的摇摆曲线

    Figure 3.  (a) HRXRD patterns of InGaAs:Fe samples grown at different Fe source temperatures; (b)–(f) rocking curves of the diffraction peaks for InGaAs:Fe thin films grown at Fe source temperatures of 1090, 1098, 1108, 1112, and 1114 ℃, respectively.

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    图 4  Fe源温度为1108 ℃时, 样品横截面的TEM图像及EDS面扫描图像　(a)样品横截面低倍TEM图像; (b) InGaAs:Fe层典型的高分辨TEM图像; (c)图(b)对应的FFT图样; (d)样品横截面HAADF-STEM图像; (e)—(i) Ga元素、As元素、Al元素、In元素及Fe元素对应的伪彩色EDS面扫描图像

    Figure 4.  Cross-sectional TEM image and EDS data of the InGaAs:Fe sample grown at an Fe source temperature of 1108 ℃; (a) Low-magnification cross-sectional TEM image of the sample; (b) typical high-resolution TEM image of the InGaAs:Fe layer; (c) FFT pattern corresponding to (b); (d) cross-sectional HAADF-STEM image of the sample; (e)–(i) false color EDS maps of the Ga, As, Al, In, and Fe elements, respectively.

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    图 5  Fe源温度为1120 ℃时, 样品横截面TEM图像及EDS面扫描图像　(a)样品横截面低倍TEM图像; (b)图(a)中蓝色区域放大图像; (c)图(b)中红色区域放大图像; (d)样品横截面HAADF-STEM图像; (e)图(d)对应的Fe元素EDS面扫描图像; (f)图(c)对应的FFT图像; (g)图(d)中蓝色区域放大图像; (h)图(g)中红色区域放大图像; (i)图(h)对应的Fe元素EDS面扫描图像

    Figure 5.  Cross-sectional TEM image and Fe element EDS data of the InGaAs:Fe sample grown at an Fe source temperature of 1120 ℃: (a) Low-magnification cross-sectional TEM image of the sample; (b) magnified TEM image of the sample recorded from the blue region in panel (a); (c) magnified TEM image of the sample recorded from the red region in panel (b); (d) cross-sectional HAADF-STEM image of the sample; (e) false color EDS mapping of the Fe corresponding to panel (d); (f) FFT pattern corresponding to panel (c); (g) magnified HAADF-STEM image of the sample recorded from the blue region in panel (d); (h) magnified HAADF-STEM image of the sample recorded from the red region in panel (g); (i) false color EDS mapping of the Fe corresponding to panel (h).

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    图 6  N型导电InGaAs:Fe样品电学性质随Fe源温度的变化　(a)电子浓度随Fe源温度的变化; (b)电阻率及电子迁移率随Fe源温度的变化

    Figure 6.  Electrical properties of n-type conductive InGaAs:Fe samples versus Fe source temperatures: (a) Electron concentration versus Fe source temperatures; (b) resistivity and electron mobility versus Fe source temperatures.

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    图 7  Fe源温度为1108 ℃时样品的飞秒瞬态反射谱

    Figure 7.  Femtosecond transient reflectivity spectrum of the sample grown at an Fe source temperature of 1108 ℃.

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    表 1  基于阿伦尼乌斯方程获得的各Fe源温度下Fe掺杂浓度估算值

    Table 1.  Estimated Fe doping concentrations of the InGaAs:Fe samples grown at different Fe source temperatures based on the Arrhenius equation.

    Fe温度/℃绝对温度/K估算掺杂浓度/cm–3
    10901363.15~3.9×1019
    10981371.15~4.7×1019
    1108(基准)1381.156.0×1019
    11121385.15~6.6×1019
    11141387.15~6.9×1019
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    表 2  不同Fe源温度下InGaAs:Fe样品室温霍尔测试结果

    Table 2.  Room-temperature Hall measurement results of InGaAs:Fe samples grown at different Fe source temperatures.

    Fe源温度
    /℃    		导电
    类型    		载流子浓度
    /cm–3    		电阻率
    /(Ω·cm)    		迁移率
    /(cm2·V–1·s–1)
    1090N8.58×101540.1818.10
    1098N6.79×1013294.89311.55
    1108N2.05×1013381.82796.89
    1112N2.38×1013345.1759.79
    1114P3.07×101431.28650.59
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-01-05
  • 刊出日期:  2026-05-05

面向太赫兹光电导应用的Fe掺杂InGaAs薄膜固源分子束外延生长与物性研究

    通讯作者: E-mail: zhang-zt18@tsinghua.org.cn.; 
    通讯作者: E-mail: pandong@semi.ac.cn.
    作者简介: 殷钰坤: yyk2017@semi.ac.cn
  • 1. 中国科学院半导体研究所, 半导体芯片物理与技术全国重点实验室, 北京　100083
  • 2. 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京　100049
  • 3. 华中光电技术研究所-武汉光电国家研究中心, 武汉　430223
  • 收稿日期:  2026-01-05

摘要: 针对1550 nm波段激光激励的太赫兹光电导天线对高性能光电材料的需求, 本文利用固源分子束外延低温生长了InGaAs:Fe薄膜, 研究了Fe掺杂浓度对材料微观结构与载流子输运性质的调控规律. 高分辨X射线衍射与透射电子显微镜表征结果表明, 所得InGaAs:Fe薄膜具有高晶体质量, Fe元素在InGaAs层中实现了均匀掺杂且未见明显相分离或团簇结构. 霍尔效应测试进一步揭示了Fe掺杂浓度与材料电学性能之间的演变关系. 结果显示, 在Fe掺杂浓度为6.0×1019 cm–3时, 样品展现出最优的综合电学性能, 载流子浓度可低至2.05×1013 cm–3, 电阻率可提升至381.82 Ω·cm, 载流子迁移率可达到796.89 cm2/(V·s). 此外, 利用飞秒瞬态泵浦-探测技术测得样品的载流子寿命仅为0.65 ps. 本研究为研制高信噪比、超快响应的太赫兹光电导天线提供了材料支撑.

English Abstract

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    1.   引　言

    • 近年来, 太赫兹时域光谱系统(terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)逐渐从传统台面式实验设备向着手持式、便携化的现场检测工具发展[1,2]. 作为该系统的核心组件[3,4], 太赫兹光电导天线(terahertz photoconductive antenna, THz-PCA)通常由半导体衬底、光电导层和金属电极3部分组成. 早期THz-PCA主要采用800 nm自由空间激光激发的GaAs基材料研制[5-7], 这使得系统高度依赖结构复杂且维护昂贵的钛蓝宝石(Ti:Sapphire)激光器. 为实现THz-TDS的小型化与商用化, 研发适配1550 nm通信波段光纤激光器驱动的THz-PCA已成为当前该领域的重要研究方向[8,9]. 针对应用于1550 nm波段的InGaAs材料体系, 受窄带隙特性的影响, 其电学参数要求与传统GaAs材料显著不同. 根据光电导天线的工作原理, 理想的光电导层材料需要同时满足3项关键电学性能: 高电阻率(102—103 Ω·cm量级)以抑制暗电流噪声并提高器件在高偏置电场下的抗击穿能力、高电子迁移率(500 cm2/(V·s)以上)以增强瞬态光电流, 以及皮秒至亚皮秒量级的超短电子寿命以实现超快响应特性[10]. 针对1550 nm波段激光激发的THz-PCA应用需求, 目前已有多种光电导层材料被研究和报道, 包括低温InGaAs(LT-InGaAs)[11,12]、过渡金属掺杂InGaAs[13-15]、无掺杂或铍掺杂InGaAs/InAlAs超晶格[16-19]等. 其中, 在半绝缘InP:Fe衬底上外延生长的Fe掺杂InGaAs(InGaAs:Fe)薄膜, 凭借其优异的综合性能, 被认为是研制高性能THz-PCA的绝佳材料[14].

      针对InGaAs:Fe薄膜的研究表明, 生长工艺的选择会显著影响材料的电学性能. 金属有机物气相外延(metal organic vapor phase epitaxy, MOVPE)在生长InGaAs:Fe薄膜时存在明显的掺杂瓶颈: 当Fe掺杂浓度超过1×1017 cm–3时, 材料会发生从N型导电向P型导电的转变[20]. 这制约了材料电学性能的进一步优化, 导致利用MOVPE生长的InGaAs:Fe薄膜材料方块电阻仅有6.2×106 Ω/sq, 基于此材料制成的THz-PCA发射器仅能实现2.5 THz带宽与50 dB最大动态范围的太赫兹脉冲辐射[13]. 相比之下, 分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE)技术凭借其可低温生长的优势, 可实现Fe掺杂浓度的显著提升. 2017年, 德国弗劳恩霍夫·海因里希·赫兹研究所利用气源分子束外延(gas source-molecular beam epitaxy, GS-MBE)低温生长的InGaAs:Fe (LT-InGaAs:Fe)薄膜在Fe掺杂浓度高达5×1020 cm–3时仍能保持N型导电. 基于该材料制备的THz-PCA发射器可实现6 THz带宽及95 dB峰值动态范围的太赫兹脉冲辐射[14]. 与MOVPE和GS-MBE相比, 固源分子束外延(solid source-molecular beam epitaxy, SS-MBE)在生长上述材料时有诸多的优势. 首先, SS-MBE在超高真空环境(≤10–10 Torr)下运行, 其背景杂质浓度远低于MOVPE和GS-MBE, 且采用高纯固体单质元素或化合物作为原材料, 能够有效降低非故意掺杂水平, 确保外延层极高的化学纯度. 其次, SS-MBE可精确控制源炉温度, 能够实现极其稳定且可重复的束流通量控制, 配合机械快门的快速切换能力能够获得原子级锐利的薄膜分界面. 此外, 相较于使用剧毒气体(AsH3, PH3)的MOVPE和GS-MBE, SS-MBE使用高纯固体源材料, 这不仅极大地降低了实验室的安全风险和生物毒性威胁, 也大幅简化了废气处理工艺, 更符合绿色科研及生产的要求. 然而, 目前国内外利用SS-MBE开展面向THz-PCA应用的LT-InGaAs:Fe薄膜研究仍十分匮乏.

      针对上述问题, 采用SS-MBE开展了一系列不同Fe掺杂浓度InGaAs:Fe薄膜的低温外延生长. 采用二次离子质谱仪(secondary ion mass spectrometry, SIMS)测量了样品Fe掺杂浓度的深度空间分布. 利用高分辨率X射线衍射仪(high-resolution X-ray diffractometer, HRXRD)与透射电子显微镜(transmission electron microscope, TEM)研究了薄膜的晶体质量、微观形貌与组分分布随Fe掺杂浓度的演变规律. 通过霍尔效应测试得到了不同Fe掺杂浓度样品的室温电学性能随Fe掺杂浓度的变化规律. 利用飞秒瞬态泵浦-探测测量技术得到了样品的飞秒瞬态反射谱, 进而获得了样品的载流子寿命. 结果表明, 当Fe掺杂浓度为6.0×1019 cm–3时, 样品具有优异的综合电学性能, 载流子浓度、电阻率、载流子迁移率以及载流子寿命分别为2.05×1013 cm–3, 381.82 Ω·cm, 796.89 cm2/(V·s)和0.65 ps. 该高质量薄膜材料的成功制备, 为后续研制高性能THz-PCA器件提供了材料支撑.

    2.   实验过程

      2.1.   样品生长

    • 本文中所有样品均采用VG-V80H SS-MBE系统在商用Fe掺杂半绝缘InP(100)衬底上外延生长. 该系统配备了高纯固态源(In, Ga, Al, As4)及Fe掺杂源. 在生长流程开始前, 衬底在依次经丙酮、无水乙醇和去离子水清洗后, 置于预室中加热至200 ℃并保持2 h, 完成衬底除气. 随后, 利用束流计精确校准In, Ga, Al及As源的束流等效压强(beam equivalent pressure, BEP), 以确定各源所需要的生长温度. 由于Fe掺杂源所用的BEP低于束流计的检测下限, 无法直接获得Fe源的BEP, 所以本文通过精确控制Fe源温度以实现不同样品的掺杂水平调控. 样品开始生长前, 加热衬底至600 ℃并保持20 min以去除表面氧化层; 期间, 当衬底升温至300 ℃时开启As源使得衬底处于As4气氛保护下防止其热分解[21]. 脱氧完成后, 将衬底降温至380 ℃. 接着, 外延生长0.7—1 μm厚的InAlAs缓冲层(生长时长1 h), 该阶段In, Al, As源的BEP分别设定为2.48×10–7, 0.62×10–7, 6.53×10–6 mbar, 对应的V/III比为21.06. 随后, 继续生长1—1.4 μm厚的LT-InGaAs:Fe薄膜(时长1.5 h), 该阶段In, Ga, As源的BEP分别设定为2.48×10–7, 1.76×10–7, 6.53×10–6 mbar, 对应的V/III比为15.40. 实验中通过将Fe源温度分别设置为1090, 1098, 1108, 1112, 1114, 1120 ℃, 制备了一系列具有不同Fe掺杂浓度的LT-InGaAs:Fe薄膜样品.

      • 2.2.   样品表征

    • 为实现Fe掺杂浓度的定量分析, 利用SIMS对Fe源温度为1108 ℃的样品进行深度剖面分析. 该SIMS测试结果一方面揭示典型样品中Fe元素的深度空间分布, 还将作为定量标定的基准, 实现对全系列样品Fe掺杂浓度的估算.

      为表征上述系列样品的晶体质量, 采用HRXRD (Bruker D8 Discover)获得了各样品的衍射图谱以及相应的摇摆曲线. 为进一步观察各样品的微观结构与元素空间分布, 使用聚焦离子束系统(focused ion beam, FIB, FEI Helios G4 CX)制备截面薄片, 并通过TEM(JEOL JEM F200, 工作电压200 kV)获得样品的高分辨图像. 同时, 结合高角环形暗场像-扫描透射电子显微镜(high-angle annular dark field-scanning transmission electron microscope, HAADF-STEM)工作模式下的能量色散谱(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS)分析, 通过面扫描分析获得截面薄片的元素空间分布信息.

      为表征上述系列样品的电学性质, 我们利用综合物性测量系统(physical property measurement system, PPMS, Quantum Design PPMS-9T)通过范德堡法在室温条件下对样品的载流子浓度与电阻率进行测试, 并由此计算得到载流子迁移率. 在此基础上, 通过飞秒瞬态泵浦-探测测量技术获得样品在1550 nm波长激光激发下的飞秒瞬态反射谱, 并利用单指数函数拟合提取了样品的载流子寿命.

    3.   实验结果与讨论

      3.1.   Fe掺杂浓度表征

    • 本文利用SIMS对样品中Fe掺杂浓度的深度分布进行了表征. 图1为Fe源温度为1108 ℃时样品的SIMS深度分布曲线. 我们以InGaAs:Fe外延层与名义不掺杂的InAlAs缓冲层之间Fe掺杂浓度骤降作为界面界定标志. 由图1可见, 从外延层表面至1.18 μm深度范围内, Fe掺杂浓度稳定维持在6.0×1019 cm–3左右, 呈现出近乎平坦的分布. 这不仅证实生长过程中Fe源通量的高度稳定性, 也反映了Fe原子在InGaAs晶格中良好的掺杂均匀性. 值得注意的是, 在名义未掺杂的InAlAs缓冲层中也观察到Fe元素信号, 在文献[14,20]中也观察到此现象, 其可能源于生长过程中的Fe原子热扩散.

      已有研究表明, 在利用MBE生长Fe掺杂GaN薄膜过程中, Fe掺杂浓度与源炉温度倒数呈指数关系. 在半对数坐标系中, 拟合直线的斜率由Fe的升华激活能Ea确定[22]. 这一变化规律在数学形式上与描述反应速率的阿伦尼乌斯方程[23]形式相同, 对应表达式为

      其中, C为掺杂浓度, A为指前系数, Ea为升华激活能, kB为玻尔兹曼常数, T为绝对温度. 利用MBE开展材料外延时, 源炉BEP与温度之间的关系同样满足阿伦尼乌斯方程. 根据该方程, 我们拟合了Fe源温度为1220—1250 ℃时的实测BEP-温度数据, 从而计算得到Fe源的升华激活能Ea为3.81 eV, 该值与物理数据手册[24]中通过蒸气压-温度关系拟合得出的升华激活能(≈3.82 eV)相吻合. 随后, 通过代入Fe源温度为1108 ℃样品的实测掺杂浓度, 即可得到Fe掺杂浓度随源温度演变的阿伦尼乌斯方程表达式为$ C={\text{e}}^{77.57}\cdot {\text{e}}^{-3.18/\left({k}_{\text{B}}T\right)} $, 其中, C为掺杂浓度, kB为玻尔兹曼常数, T为绝对温度. 基于该表达式, 我们估算了本研究中所有Fe源温度对应的掺杂浓度, 估算结果如表1所列. 由表1可见, Fe源温度从1090 ℃升高到1114 ℃, Fe的掺杂浓度由3.9×1019 cm–3提高到6.9×1019 cm–3.

      • 3.2.   XRD表征

    • 图2展示了Fe源温度分别为1090, 1098, 1108, 1112, 1114 ℃时样品的X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)图谱. 由图2可见, 所有样品的XRD图谱基线平稳, 仅InP:Fe衬底与InGaAs:Fe外延层的特征衍射峰清晰可辨, 未观察到杂质相的衍射峰, 这初步说明所制备的InGaAs:Fe薄膜样品具有良好的相纯度和单晶结构. InAlAs缓冲层的特征衍射峰在图谱中未能显现, 推测原因在于其层厚较薄, 导致衍射峰信号强度低于仪器检测下限或被邻近强峰掩盖.

      图3展示了该系列样品在InP(004)衍射峰附近的HRXRD图谱及对应摇摆曲线. 如图3(a)所示, 随着Fe掺杂浓度升高, InGaAs:Fe薄膜衍射峰相对于InP:Fe衬底衍射峰发生了偏移, 呈现出晶格常数先收缩后扩张的演变趋势. 与此同时, 由图3(b)—(f)的摇摆曲线可见, 表征晶体质量的半峰宽(full width at half maximum, FWHM)呈现出先增大后减小的变化规律. 已有研究表明, MBE低温生长环境会抑制Fe原子占据晶格替代位, 使其在晶格中以替代位和间隙位并存的形式存在[14], 而两种占位方式会通过不同的晶格畸变机制影响晶格常数. 在低浓度掺杂阶段, Fe原子主要以替代位形式存在, 取代InGaAs中的阳离子(In或Ga)点位. 由于Fe原子半径(1.17 Å)小于In(1.44 Å)和Ga(1.26 Å)原子, 这种替代掺杂会导致晶格收缩, 从而导致晶格常数的减小. 随着Fe掺杂浓度升高, Fe原子逐渐占据晶格间隙位置. 间隙原子的挤压效应会导致晶格产生膨胀应变, 使得晶格常数回升. 这一机制可合理解释实验中观测到的晶格常数先收缩后扩张的非单调变化趋势. 同理, 我们推测FWHM先增后减的非单调演变也与Fe原子占位密切相关. 在低掺杂浓度下, Fe主要通过替代位形式存在, 由于原子半径差异, 这种替代引起了局部晶格的无序与微观应变, 导致了FWHM的增加. 而当掺杂浓度继续升高, 间隙位Fe原子逐渐变多, 间隙占据引起的晶格膨胀应力与替代占据引起的收缩应力部分抵消. 这种微观应力的部分抵消减小了晶格的整体畸变程度, 从而在实验上观测到FWHM减小. 为进一步厘清Fe原子在LT-InGaAs:Fe薄膜晶格中的占位状态, 我们后续将利用X射线吸收精细结构谱(X-ray absorption fine structure, XAFS)对样品进行深入表征.

      • 3.3.   TEM与EDS表征

    • 图4展示了Fe源温度为1108 ℃时样品的TEM及EDS图像. 图4(a)为样品横截面的低倍TEM图像. 可以看出, InP:Fe衬底层、InAlAs缓冲层、InGaAs:Fe外延层之间具有清晰的界面. 图4(b), (c)分别为InGaAs:Fe外延层区域的高分辨TEM图像及其对应的快速傅里叶变换(fast fourier transform, FFT)图样. 从高分辨TEM图可以看出, InGaAs:Fe外延层中原子周期排列, 清晰的晶格条纹贯穿整个观察区域. 对应的FFT图样呈现出典型的单晶衍射斑点, 无明显的拉长或弥散现象, 直观证明了InGaAs:Fe外延层为高质量的纯闪锌矿结构. 图4(d)为InAlAs缓冲层与InGaAs:Fe外延层界面区域的HAADF-STEM图像. 图4(e)—(i)分别为该区域Ga, As, Al, In及Fe元素的EDS面扫描图像. 其中, Ga与Al元素的分布特征进一步佐证InAlAs缓冲层与InGaAs:Fe外延层之间存在明确的分界. 图4(i)中Fe元素的EDS面扫描图像说明Fe原子已成功且均匀地掺入InGaAs外延层中. 在探测精度范围内, 未见明显的Fe原子偏析或团簇现象. 此外, InAlAs缓冲层中也出现了Fe元素信号, 推测可能与外延生长过程中Fe原子扩散有关. 在此基础上, 对Fe源温度分别为1090, 1098, 1112, 1114 ℃的样品也进行了相同的TEM及EDS分析(详见补充材料 (online)). 结果表明, 在上述Fe源温度下, 所有样品均表现为高质量的单晶, 与HRXRD结果一致. 特别是, 当Fe源温度由1090 ℃升高至1114 ℃时, 样品中均未观察到明显的Fe原子偏析或团簇现象.

      为了进一步研究Fe掺杂浓度对InGaAs:Fe外延层微观结构的影响, 我们在保持其他生长参数不变的条件下, 将Fe源温度提升至1120 ℃. 在该条件下生长的样品对应的TEM及EDS面扫描图像如图5所示. 与较低Fe源温度掺杂样品不同, 从图5(a)—(c)的TEM图像可以清晰地观察到, InGaAs:Fe外延层中存在明显的相分离现象. 尺度不一的纳米级团簇随机分布在外延层中, 这些团簇的存在严重破坏了原本连续规整的晶格周期性排列. 图5(f)为图5(c)对应的FFT图样, 可以发现两套衍射斑点, 证实了InGaAs:Fe外延层中存在两种不同的晶格结构. 从样品的低倍HAADF-STEM图像(图5(d))及Fe元素EDS面扫描图像(图5(e))可发现, 这些团簇结构呈现出显著的Fe元素富集特征. 为进一步验证团簇的组分信息, 对图5(d)中的局部区域进行了高分辨表征. 图5(g)—(i)为样品局部放大的HAADF-STEM图像及Fe元素EDS面扫描图像. 结果再次证实InGaAs:Fe外延层中的团簇结构由Fe元素组成. 上述实验结果表明, 当Fe源温度为1120 ℃时, 过饱和的Fe原子在生长过程中会聚集形成直径不等的团簇结构, 导致InGaAs:Fe外延层由均匀掺杂的单相结构转变为含有析出相的多相结构. 因此, 在本文所述的生长参数下, 为了获得无Fe原子偏析的单晶样品, Fe源温度需要低于1120 ℃.

      • 3.4.   霍尔效应测试

    • 表2汇总了室温下Fe源温度分别为1090, 1098, 1108, 1112, 1114 ℃时样品的霍尔效应测试结果. 如表2所示, 样品导电类型与Fe源温度紧密相关: Fe源温度低于1112 ℃时, 材料表现为N型导电; 而当Fe源温度升高至1114 ℃时, 材料会从N型导电转变为P型导电. 为了满足THz-PCA器件对材料N型导电的要求, Fe源温度在本文所述的生长参数下, 需要低于1114 ℃.

      鉴于THz-PCA应用对材料N型导电特性的要求, 本文着重分析N型导电样品的电学性能随Fe源温度的变化规律. 图6展示了N型导电样品电子浓度、电阻率和电子迁移率随Fe源温度的变化曲线. 结果表明, 随着Fe源温度由1090 ℃升高至1108 ℃, Fe原子作为深能级受体有效补偿了背景电子[25], 使样品的电子浓度从1016 cm–3数量级迅速降至1013 cm–3数量级. 与此同时, 样品的电阻率从40.18 Ω·cm迅速提高至381.82 Ω·cm, 电子迁移率从18.10 cm2/(V·s)大幅提高至796.89 cm2/(V·s). 而当Fe源温度进一步升至1112 ℃时, 样品的3类电学参数均出现一定程度的退化. 这一演变趋势与前文HRXRD分析中晶格常数与摇摆曲线FWHM随Fe掺杂浓度的演变规律一致. 综合来看, Fe源温度为1108 ℃时的样品表现出最优的综合电学性能.

      • 3.5.   载流子寿命测试

    • 飞秒激光脉冲激发后的载流子寿命是决定THz-PCA性能的核心参数之一. 当飞秒泵浦脉冲将电子从材料价带激发至导带时, 受泡利阻塞效应影响, 材料在探测光频率处的吸收系数发生变化. 根据克拉莫斯-克勒尼关系, 吸收系数的变化将引起折射率的相应变化, 进而导致材料的反射率或透射率发生突变. 由于Fe掺杂在InGaAs中引入了高密度的深能级缺陷, 这些缺陷通过肖克利-里德-霍尔复合机制迅速捕获电子与空穴, 使得泡利阻塞状态解除, 反射率或透射率随之逐渐恢复至激发前水平. 基于这一物理过程, 利用飞秒瞬态泵浦-探测技术测量样品的瞬态反射谱或透射谱, 已成为获取InGaAs:Fe材料中超短载流子寿命的标准手段. 电子寿命τ对应飞秒泵浦光激发之后, 探测脉冲透射率或反射率降至最大值1/e所经历的时间, 其物理本质是载流子从导带被捕获至带隙中间所需要的特征时间, 在实际数据处理中, 通过单指数函数拟合衰减曲线是提取载流子寿命参数的标准方法[2,26,27]. 针对Fe掺杂InGaAs材料的动力学理论分析进一步证实, 光激发后导带载流子浓度以电子捕获时间τ表现出单指数函数衰减特征, 因此可通过对透射率或反射率进行单指数拟合来确定τ [14]. 图7给出了Fe源温度为1108 ℃时样品在1550 nm波长飞秒激光激发下的瞬态反射谱, 我们对其衰减过程进行单指数拟合. 结果显示, 提取到的载流子寿命仅为(0.65±0.01) ps, 且决定系数R2达0.996. 这表明测试数据高度符合单指数衰减规律, 验证了实验结果与理论分析的一致性. 该载流子寿命与使用GS-MBE生长出来的LT-InGaAs:Fe薄膜[14]以及与Be掺杂InGaAs/InAlAs超晶格材料[18]的载流子寿命相当, 优于无掺杂的InGaAs/InAlAs超晶格材料[28]. 上述结果表明, 使用SS-MBE制备的LT-InGaAs:Fe薄膜, 可满足THz-PCA对材料载流子寿命的要求.

    4.   结　论

    • 本文利用SS-MBE在半绝缘InP:Fe衬底上成功低温外延了一系列不同Fe掺杂浓度的InGaAs:Fe薄膜样品. HRXRD结果证实样品外延层具有良好的晶体质量. TEM与EDS结果表明, InGaAs:Fe外延层与InAlAs缓冲层之间过度陡峭、具有明确分界, 且Fe元素在InGaAs:Fe外延层中分布均匀. 霍尔效应测试表明, 精确调控Fe掺杂浓度是获得合适THz-PCA材料的关键: 过高的Fe掺杂会诱使材料向P型导电转变, 而掺杂不足则难以有效降低电子浓度、无法兼顾高电阻率与高载流子迁移率. 实验发现, Fe源温度为1108 ℃ (对应掺杂浓度为6.0×1019 cm–3)时, 样品表现出的最优的综合性能: 载流子浓度降至2.05×1013 cm–3, 电阻率达到381.82 Ω·cm, 载流子迁移率达到796.89 cm2/(V·s), 载流子寿命仅为0.65 ps, 可满足THz-PCA对于材料的要求. 后续研究拟结合XAFS深入探究Fe原子在LT-InGaAs中的占位情况, 并基于该LT-InGaAs:Fe薄膜材料开发高性能THz-PCA, 以期推动太赫兹技术的发展.

    参考文献 (28)

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