專利名稱：甚長波InAs/GaSb二類超晶格紅外探測器材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及半導體紅外探測技術領域，尤其是涉及一種甚長波波段(12 20微米)InAs/feSb 二類超晶格紅外探測器材料的制備方法。
背景技術：
波段為12 20微米的甚長波紅外探測器在戰略預警、大氣溫度及相對濕度輪廓探測、大氣少量元素分布及空間探測方面具有重要的應用。傳統的碲鎘汞探測器有優異的探測性能，但隨著波長的增加，其材料難度急劇增加，在甚長波段遇到極大挑戰。量子阱紅外探測器較易實現甚長波段的探測，但其量子效率較低，器件的性能受到一定的限制。而二類超晶格是一理想的甚長波探測材料，其優勢主要有材料均勻性好，漏電流低，俄歇復合受到極大抑制，載流子壽命長，工作溫度高等，而且feiSb襯底相比碲鎘汞所用的碲鋅鉻襯底便宜且面積大。這使其在甚長波段波段有著顯著的優勢。但是，甚長波InAs/feSb 二類超晶格紅外探測器材料的制備非常困難，這是因為吸收截止波長在甚長波波段的超晶格材料，其一個周期中的InAs厚度一般需要達到5nm左右，而InAs和襯底材料feiSb之間存在0. 6%的晶格失配。這就需要引入更多的hSb材料來平衡應力，而hSb和(iaSb之間存在7%的晶格失配，大量hSb的引入很容易造成界面質量的惡化，從而影響材料質量。針對以上難題，本發明提供了一種通過精確控制的“直接MSb生長”，“Sb浸泡”和 “生長中斷”相結合的方法，實現了高質量的甚長波InAs/feSb 二類超晶格材料制備。
發明內容
(一)要解決的技術問題有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種甚長波InAs/feSb 二類超晶格紅外探測器材料的制備方法，以實現高質量的甚長波InAs/feSb 二類超晶格材料的制備。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種制備甚長波InAs/feSb 二類超晶格紅外探測器材料的方法，該方法是在半絕緣feiSb襯底上依次生長P型摻雜的feiSb緩沖層、P型摻雜的中波InAs/feSb 二類超晶格層、非摻雜的甚長波InAs/feSb 二類超晶格層、N型摻雜的中波InAs/feiSb 二類超晶格層以及N型摻雜的InAs上接觸層，得到甚長波InAs/feiSb 二類超晶格紅外探測器材料。上述方案中，所述在半絕緣feiSb襯底上依次生長P型摻雜的feiSb緩沖層、P型摻雜的中波InAs/feSb 二類超晶格層、非摻雜的甚長波InAs/feSb 二類超晶格層、N型摻雜的中波InAs/feSb 二類超晶格層以及N型摻雜的InAs上接觸層，是使用分子束外延方法實現的。上述方案中，所述P型摻雜的中波InAs/feSb 二類超晶格層和所述N型摻雜的中波InAs/feSb 二類超晶格層均是采用吸收截止波長為5微米的中波超晶格結構，且二者的厚度都是500nm。上述方案中，所述非摻雜的甚長波InAs/feSb 二類超晶格層是由300周期吸收截止波長為14. 5微米的超晶格周期組成的，總厚度為2. 5微米。所述非摻雜的甚長波InAs/ GaSb 二類超晶格層的超晶格周期中，兩個界面都為hSb界面，且是通過“直接hSb生長”， “Sb浸泡”和“生長中斷”實現的。所述通過“直接MSb生長”，“Sb浸泡”和“生長中斷”生長一個超晶格周期的過程如下打開(ia、Sb源，生成11個(iaSb原子層；關閉( 源，打開h 源0.8秒，生成hSb界面層；關閉化源，保持Sb源打開2秒，使表面穩定；關閉所有源1秒， 使環境中的Sb元素散去；打開^uAs源，生成16個InAs原子層；關閉所有源1秒，使環境中的As散去；打開Sb源浸泡表面3秒，形成一定MSb界面，同時穩定Sb源；以及打開h 源2秒，形成hSb界面。并且，所述超晶格周期均在380°C生長。上述方案中，所述P型摻雜的feiSb緩沖層的厚度是1微米，所述N型摻雜的InAs 上接觸層的厚度是20nm。(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，由于ρ區和η區使用了中波InAs/feSb 二類超晶格結構，相當于在導帶和價帶分別增添了勢壘，所以減小了暗電流。2.利用本發明，由于使用了兩側hSb的界面設計，一方面避免了單側hSb層過厚而出現的界面質量惡化現象，另一方面實驗證實，兩側^Sb的界面設計具有更好的光學性質。3.利用本發明，由于在界面設計中增加了精心設計的“Sb-soak”和“生長中斷”， 所以超晶格材料質量進一步得到提高。
為了進一步說明本發明的技術內容，以下結合說明書附圖對本發明作詳細的描述，其中圖1是依照本發明實施例的制備甚長波InAs/feSb 二類超晶格紅外探測器材料的方法流程圖；圖2是依照本發明實施例的甚長波InAs/feSb 二類超晶格每個周期生長快門控制圖；圖3是依照本發明實施例的甚長波InAs/feSb 二類超晶格紅外探測器材料的X射線衍射圖；圖4是依照本發明實施例的甚長波InAs/feSb 二類超晶格紅外探測器的結構示意圖；圖5是利用本發明實施例制備的甚長波InAs/feSb 二類超晶格紅外探測器單管器件進行光電流譜和量子效率測試的結果示意圖。
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。
如圖1所示，圖1是依照本發明實施例的制備甚長波InAs/feSb 二類超晶格紅外探測器材料的方法流程圖，該方法是使用分子束外延方法及設備，在半絕緣feSb襯底上依次生長P型摻雜的feiSb緩沖層、P型摻雜的中波InAs/feSb 二類超晶格層、非摻雜的甚長波 InAs/GaSb 二類超晶格層、N型摻雜的中波InAs/feiSb 二類超晶格層以及N型摻雜的InAs 上接觸層，得到甚長波InAs/feSb 二類超晶格紅外探測器材料。其中，所述P型摻雜的中波hAs/feiSb 二類超晶格層和所述N型摻雜的中波InAs/ GaSb 二類超晶格層均是采用吸收截止波長為5微米的中波超晶格結構，且二者的厚度都是 500nm。所述P型摻雜的feiSb緩沖層的厚度是1微米，所述N型摻雜的InAs上接觸層的厚度是20nm。所述非摻雜的甚長波InAs/feSb 二類超晶格層是由300周期吸收截止波長為14. 5 微米的超晶格周期組成的，總厚度為2. 5微米。所述非摻雜的甚長波InAs/feSb 二類超晶格層的超晶格周期中，兩個界面都為MSb界面，且是通過“直接hSb生長”，“Sb浸泡”和 “生長中斷”實現的。并且，所述超晶格周期均在380°C生長。基于圖1所示的方法，圖2示出了依照本發明實施例的甚長波InAs/feSb 二類超晶格每個周期生長快門控制圖，所述通過“直接MSb生長”，“Sb浸泡”和“生長中斷”生長一個超晶格周期的過程，即該甚長波InAs/feiSb 二類超晶格一個周期的MBE生長的快門順序，具體如下步驟1 打開Ga、Sb源，生成11個feiSb原子層；步驟2 關閉( 源，打開h源0. 8秒，生成界面層；步驟3 關閉h源，保持Sb源打開2秒，使表面穩定；步驟4 關閉所有源1秒，使環境中的Sb元素散去；步驟5 打開In、As源，生成16個MAs原子層；步驟6 關閉所有源1秒，使環境中的As散去；步驟7 打開Sb源浸泡表面2秒，形成一定MSb界面，同時穩定Sb源；步驟8 打開h源1秒，形成hSb界面。如圖3所示，圖3是依照本發明實施例制備的甚長波InAs/feSb 二類超晶格紅外探測器材料樣品的X射線雙晶衍射圖，衛星峰半寬僅21arcsec，展示了出色的材料質量。對于本發明制備的甚長波InAs/feSb 二類超晶格紅外探測器材料，使用傳統半導體工藝將該甚長波InAs/feSb 二類超晶格紅外探測器材料加工為單管器件，該傳統半導體工藝具體包括利用標準半導體工藝流程制作單管探測器臺面結構；在臺面表面濺射金屬，并腐蝕出電極；用金絲引出，完成器件制作。圖4示出了依照本發明實施例的甚長波 InAs/GaSb 二類超晶格紅外探測器的結構示意圖。如圖5所示，圖5示出了利用上述甚長波InAs/feSb 二類超晶格紅外探測器單管器件進行光電流譜和量子效率測試的結果示意圖。上述單管器件截止波長14. 5微米，實現了甚長波波段紅外光的探測。峰值量子效率50%，截止波長量子效率15%。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
1.一種制備甚長波InAs/feiSb 二類超晶格紅外探測器材料的方法，其特征在于，該方法是在半絕緣feiSb襯底上依次生長P型摻雜的feiSb緩沖層、P型摻雜的中波InAs/feiSb 二類超晶格層、非摻雜的甚長波InAs/feSb 二類超晶格層、N型摻雜的中波InAs/feSb 二類超晶格層以及N型摻雜的InAs上接觸層，得到甚長波InAs/feSb 二類超晶格紅外探測器材料。
2.根據權利要求1所述的制備甚長波InAs/feSb二類超晶格紅外探測器材料的方法， 其特征在于，所述在半絕緣feSb襯底上依次生長P型摻雜的feiSb緩沖層、P型摻雜的中波 InAs/feiSb 二類超晶格層、非摻雜的甚長波InAs/feiSb 二類超晶格層、N型摻雜的中波InAs/ GaSb 二類超晶格層以及N型摻雜的InAs上接觸層，是使用分子束外延方法實現的。
3.根據權利要求1所述的制備甚長波InAs/feSb二類超晶格紅外探測器材料的方法， 其特征在于，所述P型摻雜的中波InAs/feSb 二類超晶格層和所述N型摻雜的中波InAs/ GaSb 二類超晶格層均是采用吸收截止波長為5微米的中波超晶格結構，且二者的厚度都是 500nmo
4.根據權利要求1所述的制備甚長波InAs/feSb二類超晶格紅外探測器材料的方法， 其特征在于，所述非摻雜的甚長波InAs/feSb 二類超晶格層是由300周期吸收截止波長為 14. 5微米的超晶格周期組成的，總厚度為2. 5微米。
5.根據權利要求4所述的制備甚長波InAs/feSb二類超晶格紅外探測器材料的方法， 其特征在于，所述非摻雜的甚長波InAs/feSb 二類超晶格層的超晶格周期中，兩個界面都為hSb界面，且是通過“直接hSb生長”，“Sb浸泡”和“生長中斷”實現的。
6.根據權利要求5所述的制備甚長波InAs/feSb二類超晶格紅外探測器材料的方法， 其特征在于，所述通過“直接MSb生長”，“Sb浸泡”和“生長中斷”生長一個超晶格周期的過程如下打開Ga、釙源，生成11個( 原子層； 關閉( 源，打開h源0. 8秒，生成hSb界面層； 關閉h源，保持Sb源打開2秒，使表面穩定； 關閉所有源1秒，使環境中的Sb元素散去； 打開In、As源，生成16個InAs原子層； 關閉所有源1秒，使環境中的As散去；打開Sb源浸泡表面3秒，形成一定MSb界面，同時穩定Sb源；以及打開h源2秒，形成^1 界面。
7.根據權利要求6所述的制備甚長波InAs/feSb二類超晶格紅外探測器材料的方法， 其特征在于，所述超晶格周期均在380°C生長。
8.根據權利要求1所述的制備甚長波InAs/feSb二類超晶格紅外探測器材料的方法， 其特征在于，所述P型摻雜的feSb緩沖層的厚度是1微米，所述N型摻雜的InAs上接觸層的厚度是20nm。
全文摘要
本發明公開了一種制備甚長波InAs/GaSb二類超晶格紅外探測器材料的方法，該方法是在半絕緣GaSb襯底上依次生長P型摻雜的GaSb緩沖層、P型摻雜的中波InAs/GaSb二類超晶格層、非摻雜的甚長波InAs/GaSb二類超晶格層、N型摻雜的中波InAs/GaSb二類超晶格層以及N型摻雜的InAs上接觸層，得到甚長波InAs/GaSb二類超晶格紅外探測器材料。利用本發明，由于在界面設計中增加了精心設計的“Sb-soak”和“生長中斷”，所以超晶格材料質量進一步得到提高。
文檔編號H01L31/18GK102544229SQ20121003686
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月17日 優先權日2012年2月17日
發明者衛煬, 張艷華, 曹玉蓮, 馬文全 申請人:中國科學院半導體研究所