專利名稱：一種InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器及其制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體技術領域，尤其是涉及是一種在GaSb襯底上生長的3至5微米 中波段InAs/GaSb超晶格紅外探測器及其制作方法。
背景技術：
隨著科學技術的進步，各種波段適用多種用途的紅外探測器逐漸發展起來，目前 在戰略預警、戰術報警、夜視、制導、通訊、氣象、地球資源探測、工業探傷、醫學、光譜、測溫、 大氣監測等軍用和民用領域，紅外探測器都有廣泛的應用。但是當前最常用的硅摻雜探測 器、InSb、QWIP、MCT等紅外探測器，都要求在低溫下工作，需要專門的制冷設備，造價昂貴， 因而其應用受到限制。理論預測表明InAs/GaSb超晶格是唯一一種可以比HgCdTe具有更 高效率的紅外探測器材料。其優良的材料特性包括電子和空穴高的有效質量可有效的減 少隧穿電流，提高態密度；重空穴帶和輕空穴帶存在較大的能量差，能有效降低俄歇復合幾 率，提高載流子壽命等。因此InAs/GaSb超晶格材料是目前最有可能實現室溫工作的第三 代紅外探測器材料。
發明內容
( — )要解決的技術問題 本發明的目的是提供一種低暗電流、高探測率的在GaSb襯底上生長的3至5微米 中波段InAs/GaSb超晶格紅外探測器及其制作方法。
( 二 )技術方案 為達到上述目的的一個方面，本發明提供了一種InAs/GaSb超晶格紅外光電探測 器，包括 GaSb襯底1 ; 在該GaSb襯底1上制備的外延片，該外延片由下至上依次包括GaSb緩沖層2、 p 型歐姆歐姆接觸層3、 InAs/GaSb超晶格層和InAs蓋層8 ;以及 在該外延片上采用標準光刻技術及磷酸、檸檬酸溶液刻蝕露出p型歐姆歐姆接觸
層3，然后分別在p型歐姆歐姆接觸層3和InAs蓋層8上濺射合金制作的電極。 上述方案中，所述外延片是利用分子束外延方法在GaSb襯底1上制備的。 上述方案中，所述GaSb緩沖層2的厚度為300nm至500nm，所述p型歐姆歐姆接觸
層3的厚度為500nm至1000nm，所述InAs蓋層8的厚度為20nm至200nm。 上述方案中，所述外延片中的InAs/GaSb超晶格層是由交替生長的不少于300個
周期或2微米的InAs層/GaSb層組成，其中每層GaSb厚度為3nm，每層InAs厚度由探測波
長決定。 上述方案中，該探測器在外延片上進一步包括一鈍化層，該鈍化層采用Si(^材料 制作而成。 上述方案中，所述電極采用鈦鉑金合金，對于p型歐姆接觸電極該鈦鉑金合金中
3各層的厚度為Ti ( 500A ) /Pt ( 600A ) /Au (1500A )，對于n型歐姆接觸電極該鈦鉑金合 金中各層的厚度為Ti ( 500A ) /Pt ( 600A ) /Au ( 2000A )。 為達到上述目的的另一個方面，本發明還提供了一種制作InAs/GaSb超晶格紅外 光電探測器的方法，包括 將GaSb襯底放在分子束外延設備樣品架上，在53(TC脫氧，然后將GaSb襯底升至 56(TC在Sb保護下除氣3分鐘； 在520。C溫度下在GaSb襯底上生長GaSb緩沖層； 將GaSb襯底溫度降至380至420°C ，依次生長p型歐姆歐姆接觸層、InAs/GaSb超 晶格層和InAs蓋層，完成外延片的制備； 將制備好的外延片采用標準光刻技術及磷酸、檸檬酸溶液刻蝕，露出p型歐姆歐
姆接觸層，然后分別在P型歐姆歐姆接觸層和InAs蓋層上濺射合金制作的電極。 上述方案中，所述生長InAs/GaSb超晶格的步驟中，每周期快門的開關順序及時
間依次為中斷、同時開In和As、中斷、同時開In和Sb、同時開Ga和Sb。 上述方案中，所述電極采用鈦鉑金合金，對于p型歐姆接觸電極該鈦鉑金合金中
各層的厚度為Ti ( 500A ) /Pt ( 600A ) /Au (1500A )，對于n型歐姆接觸電極該鈦鉑金合
金中各層的厚度為Ti ( 500A ) /Pt ( 600A ) /Au ( 2000A )。 上述方案中，該方法在完成電極的制作步驟之后還包括 對外延片表面進行鈍化，形成一鈍化層，該鈍化層采用Si02材料制作而成。(三)有益效果 從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果 1、利用本發明，實現了利用InAs/GaSb超晶格材料制作InAs/GaSb超晶格紅外光 電探測器。 2、利用本發明，實現了分子束外延方法生長高質量InAs/GaSb超晶格材料。
3、利用本發明，實現了降低中波段紅外探測器的暗電流，提高探測器的探測率和
工作溫度。
圖1是本發明提供的InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器的結構示意圖；
圖2是本發明提供的制作InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器的方法流程圖；
圖3是本發明提供的InAs/GaSb超晶格每周期的生長過程示意圖；
圖4是經驗緊束縛方法InAs 8ML/GaSb 8ML超晶格能帶模擬結果。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。 本發明提供的InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器及其制作方法，是用分子束外延 技術在GaSb襯底上先生長出高質量的緩沖層，后制備3至5ii m探測波段的InAs/GaSb超 晶格外延片，再利用該外延片制造紅外光電導探測器。 如圖1所示，圖1是本發明提供的InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器的結構示意圖，包括 GaSb襯底1 ; 在該GaSb襯底1上制備的外延片，該外延片由下至上依次包括GaSb緩沖層2、 p 型歐姆歐姆接觸層3、 InAs/GaSb超晶格層和InAs蓋層8 ;以及 在該外延片上采用標準光刻技術及磷酸、檸檬酸溶液刻蝕露出p型歐姆歐姆接觸 層3，然后分別在p型歐姆歐姆接觸層3和InAs蓋層8上濺射合金制作的電極。
其中，所述外延片是利用分子束外延方法在GaSb襯底1上制備的。所述GaSb緩 沖層2的厚度為300nm至500nm，所述p型歐姆歐姆接觸層3的厚度為500nm至lOOOnm，所 述InAs蓋層8的厚度為20nm至200nm。所述外延片中的InAs/GaSb超晶格層是由交替生 長的不少于300個周期或2微米的InAs層/GaSb層組成，其中每層GaSb厚度為3nm，每層 InAs厚度由探測波長決定。所述電極采用鈦鉑金合金，對于p型歐姆接觸電極該鈦鉑金合 金中各層的厚度為Ti ( 500A ) /Pt ( 600A ) /Au (1500A )，對于n型歐姆接觸電極該鈦鉑
金合金中各層的厚度為Ti (500A)/Pt (600A)/Au(2000A)。 另外，該探測器在外延片上進一步包括一鈍化層，該鈍化層采用Si(^材料制作而成。 如圖2所示，圖2是本發明提供的制作InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器的方法 流程圖，該方法包括 步驟1 :將GaSb襯底放在分子束外延設備樣品架上，在53(TC脫氧，然后將GaSb襯 底升至56(TC在Sb保護下除氣3分鐘； 步驟2 :在520。C溫度下在GaSb襯底上生長GaSb緩沖層； 步驟3 :將GaSb襯底溫度降至380至42(TC，依次生長p型歐姆歐姆接觸層、InAs/ GaSb超晶格層和InAs蓋層，完成外延片的制備； 步驟4 :將制備好的外延片采用標準光刻技術及磷酸、檸檬酸溶液刻蝕，露出p型 歐姆歐姆接觸層，然后分別在P型歐姆歐姆接觸層和InAs蓋層上濺射合金制作的電極。
其中，所述生長InAs/GaSb超晶格的步驟中，每周期快門的開關順序及時間依次 為中斷、同時開In和As、中斷、同時開In和Sb、同時開Ga和Sb。 該方法在完成電極的制作步驟之后還包括對外延片表面進行鈍化，形成一鈍化 層，該鈍化層采用Si(^材料制作而成。 下面以截止探測波長在4. 8 ii m附近的InAs/GaSb紅外探測器為例，結合附圖1對 本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明. 再次參考圖l，采用分子束外延方法在GaSb襯底上(1)，利用分子束外延方法依次 制備出GaSb緩沖層(2) 、 GaSb p型歐姆歐姆接觸層(3) 、 InAs/GaSb超晶格層(5， 6， 7)、以 及InAs蓋層(8)然后在外延片上制作電極(4， 10)并對材料表面鈍化制造成光電探測器。
所說的InAs/GaSb超晶格層(5， 6， 7)由320個周期交替排列的InAs層和GaSb層 組成。每個周期中InAs層厚度為24A;每個周期中GaSb層厚度為24A;每個周期的生長方 法如圖3所示，先開中斷快門6秒，再同時開In、As快門48秒；此后關閉所有快門6秒，再 同時開In、Sb快門2秒，最后同時開Ga和Sb快門14秒。 超晶格層生長過程中InAs的生長速度為O. 168ML/s，GaSb的生長速度為O. 613ML/ s。外延片采用標準光刻技術及磷酸、檸檬酸溶液刻蝕出臺面，采用PECVD蒸鍍Si02200nm，
5最后分別制作n、p型歐姆接觸電極(4， 10)。 所述的InAs/GaSb超晶格是由交替生長的不少于300個周期或2微米的InAs層/
GaSb層組成。其中每層GaSb厚度和每層InAs厚度由探測波長決定，并可以通過經驗緊束
縛方法模擬特定InAs和GaSb厚度下的探測截止波長，電子有效質量，如圖4所示。 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳
細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡
在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保
護范圍之內。
權利要求
一種InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器，其特征在于，包括GaSb襯底(1)；在該GaSb襯底(1)上制備的外延片，該外延片由下至上依次包括GaSb緩沖層(2)、p型歐姆歐姆接觸層(3)、InAs/GaSb超晶格層和InAs蓋層(8)；以及在該外延片上采用標準光刻技術及磷酸、檸檬酸溶液刻蝕露出p型歐姆歐姆接觸層(3)，然后分別在p型歐姆歐姆接觸層(3)和InAs蓋層(8)上濺射合金制作的電極。
2. 根據權利要求l所述的InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器，其特征在于，所述外延片 是利用分子束外延方法在GaSb襯底(1)上制備的。
3. 根據權利要求1所述的InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器，其特征在于，所述GaSb 緩沖層(2)的厚度為300nm至500nm，所述p型歐姆歐姆接觸層(3)的厚度為500nm至 1000nm，所述InAs蓋層(8)的厚度為20nm至200nm。
4. 根據權利要求l所述的InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器，其特征在于，所述外延片 中的InAs/GaSb超晶格層是由交替生長的不少于300個周期或2微米的InAs層/GaSb層 組成，其中每層GaSb厚度為3nm，每層InAs厚度由探測波長決定。
5. 根據權利要求1所述的InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器，其特征在于，該探測器在 外延片上進一步包括一鈍化層，該鈍化層采用Si02材料制作而成。
6. 根據權利要求1所述的InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器，其特征在于，所述電 極采用鈦鉑金合金，對于P型歐姆接觸電極該鈦鉑金合金中各層的厚度為Ti(500A)/ Pt C600A),/Au (1500A)，對于n型歐姆接觸電極該鈦鉑金合金中各層的厚度為Ti C500人) /Pt (600A), /Au(2000A)。
7. —種制作InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器的方法，其特征在于，包括將GaSb襯底放在分子束外延設備樣品架上，在530°C脫氧，然后將GaSb襯底升至 56(TC在Sb保護下除氣3分鐘；在520。C溫度下在GaSb襯底上生長GaSb緩沖層；將GaSb襯底溫度降至380至420°C ，依次生長p型歐姆歐姆接觸層、InAs/GaSb超晶格 層和InAs蓋層，完成外延片的制備；將制備好的外延片采用標準光刻技術及磷酸、檸檬酸溶液刻蝕，露出P型歐姆歐姆接 觸層，然后分別在P型歐姆歐姆接觸層和InAs蓋層上濺射合金制作的電極。
8. 根據權利要求7所述的制作InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器的方法，其特征在于， 所述生長InAs/GaSb超晶格的步驟中，每周期快門的開關順序及時間依次為中斷、同時開 In和As、中斷、同時開In和Sb、同時開Ga和Sb。
9. 根據權利要求7所述的制作InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器的方法，其特征 在于，所述電極采用鈦鉑金合金，對于P型歐姆接觸電極該鈦鉑金合金中各層的厚度為 Ti (500A) /Pt C600人)/Au C1500A)，對于n型歐姆接觸電極該鈦鉑金合金中各層的厚度 為Ti (500A) /Pt (600A)' /Au (2000A)。
10. 根據權利要求7所述的制作InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器的方法，其特征在 于，該方法在完成電極的制作步驟之后還包括對外延片表面進行鈍化，形成一鈍化層，該鈍化層采用Si02材料制作而成。
全文摘要
本發明公開了一種InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器，包括GaSb襯底(1)；在該GaSb襯底(1)上制備的外延片，該外延片由下至上依次包括GaSb緩沖層(2)、p型歐姆歐姆接觸層(3)、InAs/GaSb超晶格層和InAs蓋層(8)；以及在該外延片上采用標準光刻技術及磷酸、檸檬酸溶液刻蝕露出p型歐姆歐姆接觸層(3)，然后分別在p型歐姆歐姆接觸層(3)和InAs蓋層(8)上濺射合金制作的電極。本發明同時公開了一種InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器的方法。利用本發明，實現了利用InAs/GaSb超晶格材料制作InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器。
文檔編號H01L31/101GK101777601SQ20101010677
公開日2010年7月14日 申請日期2010年2月3日 優先權日2010年2月3日
發明者任正偉, 周志強, 徐應強, 湯寶, 牛智川, 王國偉 申請人:中國科學院半導體研究所