一種砷化銦基II類超晶格結構及制備方法與流程

本發明涉及一種II類超晶格材料，特別涉及一種基于砷化銦襯底的新型II類超晶格結構及制備方法，它應用于中波、長波、甚長波紅外焦平面探測器。

背景技術：

InAs/GaSb II類超晶格材料是第三代紅外焦平面探測器的優選材料，近年來，美國、德國、日本等國都在大力發展基于該II類超晶格的紅外探測技術。InAs/GaSb異質材料體系具有十分特殊的能帶排列結構，InAs禁帶寬度小于InAs/GaSb的價帶偏移，因此InAs的導帶底在GaSb的價帶頂之下，構成II類超晶格。這就導致(1)電子和空穴在空間上是分離的，電子限制在InAs層中，而空穴限制在GaSb層中，其有效禁帶寬度為電子微帶至重空穴微帶的能量差；(2)改變超晶格周期厚度，可有效地調節InAs/GaSb超晶格的有效禁帶寬度。InAs/GaSb II類超晶格的優勢還在于能吸收正入射光，具有高的量子效率、低的俄歇復合和漏電流，易于實現高的工作溫度。此外，成熟的III-V族化合物的分子束外延生長技術為高性能II類超晶格的制備提供了技術支持，采用分子束外延技術制備超晶格可使得超晶格中各膜層材料的生長速率和組分高度可控。

目前GaSb基InAs/GaSb II類超晶格結構主要包含GaSb層、InAs-on-GaSb界面層、InAs層和GaSb-on-InAs界面層。其中As源和Sb源分別是由As帶閥的裂解爐和Sb帶閥的裂解爐提供的。但(1)由于InAs與襯底GaSb之間存在著0.6％的晶格失配，故需要晶格常數比GaSb大的InSb界面層進行應變補償，而InSb材料的生長溫度較低，從而嚴重限制了超晶格的生長溫度，進而使得材料的二維生長較為困難，從而降低了材料的質量；(2)由于超晶格紅外探測器的截止波長主要取決于InAs層的厚度，而InAs層厚度的變化對GaSb基II類超晶格的晶格失配影響較大；(3)由于InAs和GaSb之間沒有共同原子，故其界面處的互擴散現象比較嚴重；(4)Sb的蒸氣壓較低、遷移率較小，易于形成團簇，而Sb晶格空位又容易被Ga占據，形成雙受主Ga反位(Ga_Sb)缺陷；(5)在超晶格的生長過程中，As閥時開時關會造成As壓不穩定，致使超晶格材料組分不均勻，質量下降。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種基于砷化銦襯底的新型II類超晶格結構，解決目前存在的以下技術問題：

1.由于InSb界面補償層存在導致的超晶格生長溫度低的問題；

2.InAs層厚度變化嚴重影響II類超晶格晶格失配的問題；

3.InAs層厚度增加需要厚的InSb層進行補償，而生長厚InSb界面層會引起較多缺陷和位錯的問題；

4.各膜層界面處互擴散現象嚴重的技術問題；

5.As閥時開時關會造成As壓不穩定，致使超晶格材料組分不均勻的問題。

如附圖1所示，本發明的II類超晶格結構為：由InAs襯底自下而上依次為InAs層1、GaAs層2、GaAs_xSb_1-x層3和GaAs層4。其中：

所述的InAs層1的厚度為2.1nm-10.5nm；

所述的GaAs層2的厚度為0.0nm-0.15nm；

所述的GaAs_xSb_1-x層3的厚度為2.1nm-3.6nm，組分x為0.01-0.09；

所述的GaAs層4的厚度為0.0nm-0.15nm。

具體制備方法步驟如下：

1)將In爐和Ga爐調至所需生長溫度；

2)將InAs襯底裝入分子束外延真空系統；

3)將InAs襯底溫度升至InAs/GaSb II類超晶格生長溫度；

4)將As閥和Sb閥開至II類超晶格生長所用閥位；

5)采用分子束外延方法在InAs襯底上依次外延InAs層1、GaAs層2、GaAs_xSb_1-x層3和GaAs層4。

如圖2所示，步驟5)中InAs/GaSb II類超晶格的一個生長周期內快門開關順序為：第一步將In、As的快門打開，第二步只開As快門，第三步只開Ga快門，第四步將Ga、Sb快門打開，第五步只開Ga快門，第六步只開As快門。之后循環往復，直至材料生長結束。在整個超晶格生長過程中，As閥位不變，只有As快門的開關，故第一步形成了InAs層，第二步和第三步形成了第一個GaAs層，第四步形成了GaAs_xSb_1-x層，第五步和第六步形成了第二個GaAs層。

本發明的優點在于：(1)InAs襯底替代GaSb襯底使得超晶格的生長溫度大幅度提高，生長溫度的提高有利于表面原子擴散長度的提高，因此更有利于材料的二維生長和材料缺陷密度的降低；(2)InAs層厚度的變化對InAs基II類超晶格的失配沒有影響，這一點極大地降低了長波、尤其是甚長波材料的生長難度；(3)超晶格中各層之間由于有共同的元素As可使界面處互擴散現象減少；(4)As原子表面活性劑作用，增加了Sb原子的遷移率，降低了Sb團簇的形成幾率，減少了材料本身的缺陷，提高了材料性能；(5)制備方法不僅避免了外延生長時As閥頻繁開關，節省了開關As閥及使As壓穩定的時間，還極大地簡化了外延生長過程，并節約了材料生長時間。

附圖說明：

圖1是InAs基InAs/GaSb II類超晶格四層結構模型；(1)為InAs層，(2)為第一個GaAs層，(3)為GaAs_xSb_1-x層，(4)為第二個GaAs層。

圖2是InAs基InAs/GaSb II類超晶格材料一個生長周期內快門開關示意圖。

具體實施方式

實施例1

根據發明內容，我們制備了一種II類超晶格材料，其具體結構為：

InAs層1的厚度為2.1nm；

GaAs層2的厚度為0.0nm；

GaAs_xSb_1-x層3的厚度為2.1nm，比分x為0.09；

GaAs層4的厚度為0.0nm。

實施例2

根據發明內容，我們制備了第二種II類超晶格材料，其具體結構為：

InAs層1的厚度為6.6nm；

GaAs層2的厚度為0.1nm；

GaAs_xSb_1-x層3的厚度為2.7nm，比分x為0.02；

GaAs層4的厚度為0.1nm。

實施例3

根據發明內容，我們制備了第三種II類超晶格材料，其具體結構為：

InAs層1的厚度為10.5nm；

GaAs層2的厚度為0.15nm；

GaAs_xSb_1-x層3的厚度為3.6nm，比分x為0.01；

GaAs層4的厚度為0.15nm。