专利名称：一种InAs/GaSb超晶格红外光电探测器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及是一种在GaSb衬底上生长的3至5微米 中波段InAs/GaSb超晶格红外探测器及其制作方法。
背景技术：
随着科学技术的进步，各种波段适用多种用途的红外探测器逐渐发展起来，目前 在战略预警、战术报警、夜视、制导、通讯、气象、地球资源探测、工业探伤、医学、光谱、测温、 大气监测等军用和民用领域，红外探测器都有广泛的应用。但是当前最常用的硅掺杂探测 器、InSb、QWIP、MCT等红外探测器，都要求在低温下工作，需要专门的制冷设备，造价昂贵， 因而其应用受到限制。理论预测表明InAs/GaSb超晶格是唯一一种可以比HgCdTe具有更 高效率的红外探测器材料。其优良的材料特性包括电子和空穴高的有效质量可有效的减 少隧穿电流，提高态密度；重空穴带和轻空穴带存在较大的能量差，能有效降低俄歇复合几 率，提高载流子寿命等。因此InAs/GaSb超晶格材料是目前最有可能实现室温工作的第三 代红外探测器材料。
发明内容
( — )要解决的技术问题 本发明的目的是提供一种低暗电流、高探测率的在GaSb衬底上生长的3至5微米 中波段InAs/GaSb超晶格红外探测器及其制作方法。
( 二 )技术方案 为达到上述目的的一个方面，本发明提供了一种InAs/GaSb超晶格红外光电探测 器，包括 GaSb衬底1 ; 在该GaSb衬底1上制备的外延片，该外延片由下至上依次包括GaSb缓冲层2、 p 型欧姆欧姆接触层3、 InAs/GaSb超晶格层和InAs盖层8 ;以及 在该外延片上采用标准光刻技术及磷酸、柠檬酸溶液刻蚀露出p型欧姆欧姆接触
层3，然后分别在p型欧姆欧姆接触层3和InAs盖层8上溅射合金制作的电极。 上述方案中，所述外延片是利用分子束外延方法在GaSb衬底1上制备的。 上述方案中，所述GaSb缓冲层2的厚度为300nm至500nm，所述p型欧姆欧姆接触
层3的厚度为500nm至1000nm，所述InAs盖层8的厚度为20nm至200nm。 上述方案中，所述外延片中的InAs/GaSb超晶格层是由交替生长的不少于300个
周期或2微米的InAs层/GaSb层组成，其中每层GaSb厚度为3nm，每层InAs厚度由探测波
长决定。 上述方案中，该探测器在外延片上进一步包括一钝化层，该钝化层采用Si(^材料 制作而成。 上述方案中，所述电极采用钛铂金合金，对于p型欧姆接触电极该钛铂金合金中
3各层的厚度为Ti ( 500A ) /Pt ( 600A ) /Au (1500A )，对于n型欧姆接触电极该钛铂金合 金中各层的厚度为Ti ( 500A ) /Pt ( 600A ) /Au ( 2000A )。 为达到上述目的的另一个方面，本发明还提供了一种制作InAs/GaSb超晶格红外 光电探测器的方法，包括 将GaSb衬底放在分子束外延设备样品架上，在53(TC脱氧，然后将GaSb衬底升至 56(TC在Sb保护下除气3分钟； 在520。C温度下在GaSb衬底上生长GaSb缓冲层； 将GaSb衬底温度降至380至420°C ，依次生长p型欧姆欧姆接触层、InAs/GaSb超 晶格层和InAs盖层，完成外延片的制备； 将制备好的外延片采用标准光刻技术及磷酸、柠檬酸溶液刻蚀，露出p型欧姆欧
姆接触层，然后分别在P型欧姆欧姆接触层和InAs盖层上溅射合金制作的电极。 上述方案中，所述生长InAs/GaSb超晶格的步骤中，每周期快门的开关顺序及时
间依次为中断、同时开In和As、中断、同时开In和Sb、同时开Ga和Sb。 上述方案中，所述电极采用钛铂金合金，对于p型欧姆接触电极该钛铂金合金中
各层的厚度为Ti ( 500A ) /Pt ( 600A ) /Au (1500A )，对于n型欧姆接触电极该钛铂金合
金中各层的厚度为Ti ( 500A ) /Pt ( 600A ) /Au ( 2000A )。 上述方案中，该方法在完成电极的制作步骤之后还包括 对外延片表面进行钝化，形成一钝化层，该钝化层采用Si02材料制作而成。(三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果 1、利用本发明，实现了利用InAs/GaSb超晶格材料制作InAs/GaSb超晶格红外光 电探测器。 2、利用本发明，实现了分子束外延方法生长高质量InAs/GaSb超晶格材料。
3、利用本发明，实现了降低中波段红外探测器的暗电流，提高探测器的探测率和
工作温度。
图1是本发明提供的InAs/GaSb超晶格红外光电探测器的结构示意图；
图2是本发明提供的制作InAs/GaSb超晶格红外光电探测器的方法流程图；
图3是本发明提供的InAs/GaSb超晶格每周期的生长过程示意图；
图4是经验紧束缚方法InAs 8ML/GaSb 8ML超晶格能带模拟结果。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。 本发明提供的InAs/GaSb超晶格红外光电探测器及其制作方法，是用分子束外延 技术在GaSb衬底上先生长出高质量的缓冲层，后制备3至5ii m探测波段的InAs/GaSb超 晶格外延片，再利用该外延片制造红外光电导探测器。 如图1所示，图1是本发明提供的InAs/GaSb超晶格红外光电探测器的结构示意图，包括 GaSb衬底1 ; 在该GaSb衬底1上制备的外延片，该外延片由下至上依次包括GaSb缓冲层2、 p 型欧姆欧姆接触层3、 InAs/GaSb超晶格层和InAs盖层8 ;以及 在该外延片上采用标准光刻技术及磷酸、柠檬酸溶液刻蚀露出p型欧姆欧姆接触 层3，然后分别在p型欧姆欧姆接触层3和InAs盖层8上溅射合金制作的电极。
其中，所述外延片是利用分子束外延方法在GaSb衬底1上制备的。所述GaSb缓 冲层2的厚度为300nm至500nm，所述p型欧姆欧姆接触层3的厚度为500nm至lOOOnm，所 述InAs盖层8的厚度为20nm至200nm。所述外延片中的InAs/GaSb超晶格层是由交替生 长的不少于300个周期或2微米的InAs层/GaSb层组成，其中每层GaSb厚度为3nm，每层 InAs厚度由探测波长决定。所述电极采用钛铂金合金，对于p型欧姆接触电极该钛铂金合 金中各层的厚度为Ti ( 500A ) /Pt ( 600A ) /Au (1500A )，对于n型欧姆接触电极该钛铂
金合金中各层的厚度为Ti (500A)/Pt (600A)/Au(2000A)。 另外，该探测器在外延片上进一步包括一钝化层，该钝化层采用Si(^材料制作而成。 如图2所示，图2是本发明提供的制作InAs/GaSb超晶格红外光电探测器的方法 流程图，该方法包括 步骤1 :将GaSb衬底放在分子束外延设备样品架上，在53(TC脱氧，然后将GaSb衬 底升至56(TC在Sb保护下除气3分钟； 步骤2 :在520。C温度下在GaSb衬底上生长GaSb缓冲层； 步骤3 :将GaSb衬底温度降至380至42(TC，依次生长p型欧姆欧姆接触层、InAs/ GaSb超晶格层和InAs盖层，完成外延片的制备； 步骤4 :将制备好的外延片采用标准光刻技术及磷酸、柠檬酸溶液刻蚀，露出p型 欧姆欧姆接触层，然后分别在P型欧姆欧姆接触层和InAs盖层上溅射合金制作的电极。
其中，所述生长InAs/GaSb超晶格的步骤中，每周期快门的开关顺序及时间依次 为中断、同时开In和As、中断、同时开In和Sb、同时开Ga和Sb。 该方法在完成电极的制作步骤之后还包括对外延片表面进行钝化，形成一钝化 层，该钝化层采用Si(^材料制作而成。 下面以截止探测波长在4. 8 ii m附近的InAs/GaSb红外探测器为例，结合附图1对 本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明. 再次参考图l，采用分子束外延方法在GaSb衬底上(1)，利用分子束外延方法依次 制备出GaSb缓冲层(2) 、 GaSb p型欧姆欧姆接触层(3) 、 InAs/GaSb超晶格层(5， 6， 7)、以 及InAs盖层(8)然后在外延片上制作电极(4， 10)并对材料表面钝化制造成光电探测器。
所说的InAs/GaSb超晶格层(5， 6， 7)由320个周期交替排列的InAs层和GaSb层 组成。每个周期中InAs层厚度为24A;每个周期中GaSb层厚度为24A;每个周期的生长方 法如图3所示，先开中断快门6秒，再同时开In、As快门48秒；此后关闭所有快门6秒，再 同时开In、Sb快门2秒，最后同时开Ga和Sb快门14秒。 超晶格层生长过程中InAs的生长速度为O. 168ML/s，GaSb的生长速度为O. 613ML/ s。外延片采用标准光刻技术及磷酸、柠檬酸溶液刻蚀出台面，采用PECVD蒸镀Si02200nm，
5最后分别制作n、p型欧姆接触电极(4， 10)。 所述的InAs/GaSb超晶格是由交替生长的不少于300个周期或2微米的InAs层/
GaSb层组成。其中每层GaSb厚度和每层InAs厚度由探测波长决定，并可以通过经验紧束
缚方法模拟特定InAs和GaSb厚度下的探测截止波长，电子有效质量，如图4所示。 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详
细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡
在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保
护范围之内。
权利要求
一种InAs/GaSb超晶格红外光电探测器，其特征在于，包括GaSb衬底(1)；在该GaSb衬底(1)上制备的外延片，该外延片由下至上依次包括GaSb缓冲层(2)、p型欧姆欧姆接触层(3)、InAs/GaSb超晶格层和InAs盖层(8)；以及在该外延片上采用标准光刻技术及磷酸、柠檬酸溶液刻蚀露出p型欧姆欧姆接触层(3)，然后分别在p型欧姆欧姆接触层(3)和InAs盖层(8)上溅射合金制作的电极。
2. 根据权利要求l所述的InAs/GaSb超晶格红外光电探测器，其特征在于，所述外延片 是利用分子束外延方法在GaSb衬底(1)上制备的。
3. 根据权利要求1所述的InAs/GaSb超晶格红外光电探测器，其特征在于，所述GaSb 缓冲层(2)的厚度为300nm至500nm，所述p型欧姆欧姆接触层(3)的厚度为500nm至 1000nm，所述InAs盖层(8)的厚度为20nm至200nm。
4. 根据权利要求l所述的InAs/GaSb超晶格红外光电探测器，其特征在于，所述外延片 中的InAs/GaSb超晶格层是由交替生长的不少于300个周期或2微米的InAs层/GaSb层 组成，其中每层GaSb厚度为3nm，每层InAs厚度由探测波长决定。
5. 根据权利要求1所述的InAs/GaSb超晶格红外光电探测器，其特征在于，该探测器在 外延片上进一步包括一钝化层，该钝化层采用Si02材料制作而成。
6. 根据权利要求1所述的InAs/GaSb超晶格红外光电探测器，其特征在于，所述电 极采用钛铂金合金，对于P型欧姆接触电极该钛铂金合金中各层的厚度为Ti(500A)/ Pt C600A),/Au (1500A)，对于n型欧姆接触电极该钛铂金合金中各层的厚度为Ti C500人) /Pt (600A), /Au(2000A)。
7. —种制作InAs/GaSb超晶格红外光电探测器的方法，其特征在于，包括将GaSb衬底放在分子束外延设备样品架上，在530°C脱氧，然后将GaSb衬底升至 56(TC在Sb保护下除气3分钟；在520。C温度下在GaSb衬底上生长GaSb缓冲层；将GaSb衬底温度降至380至420°C ，依次生长p型欧姆欧姆接触层、InAs/GaSb超晶格 层和InAs盖层，完成外延片的制备；将制备好的外延片采用标准光刻技术及磷酸、柠檬酸溶液刻蚀，露出P型欧姆欧姆接 触层，然后分别在P型欧姆欧姆接触层和InAs盖层上溅射合金制作的电极。
8. 根据权利要求7所述的制作InAs/GaSb超晶格红外光电探测器的方法，其特征在于， 所述生长InAs/GaSb超晶格的步骤中，每周期快门的开关顺序及时间依次为中断、同时开 In和As、中断、同时开In和Sb、同时开Ga和Sb。
9. 根据权利要求7所述的制作InAs/GaSb超晶格红外光电探测器的方法，其特征 在于，所述电极采用钛铂金合金，对于P型欧姆接触电极该钛铂金合金中各层的厚度为 Ti (500A) /Pt C600人)/Au C1500A)，对于n型欧姆接触电极该钛铂金合金中各层的厚度 为Ti (500A) /Pt (600A)' /Au (2000A)。
10. 根据权利要求7所述的制作InAs/GaSb超晶格红外光电探测器的方法，其特征在 于，该方法在完成电极的制作步骤之后还包括对外延片表面进行钝化，形成一钝化层，该钝化层采用Si02材料制作而成。
全文摘要
本发明公开了一种InAs/GaSb超晶格红外光电探测器，包括GaSb衬底(1)；在该GaSb衬底(1)上制备的外延片，该外延片由下至上依次包括GaSb缓冲层(2)、p型欧姆欧姆接触层(3)、InAs/GaSb超晶格层和InAs盖层(8)；以及在该外延片上采用标准光刻技术及磷酸、柠檬酸溶液刻蚀露出p型欧姆欧姆接触层(3)，然后分别在p型欧姆欧姆接触层(3)和InAs盖层(8)上溅射合金制作的电极。本发明同时公开了一种InAs/GaSb超晶格红外光电探测器的方法。利用本发明，实现了利用InAs/GaSb超晶格材料制作InAs/GaSb超晶格红外光电探测器。
文档编号H01L31/101GK101777601SQ20101010677
公开日2010年7月14日 申请日期2010年2月3日 优先权日2010年2月3日
发明者任正伟, 周志强, 徐应强, 汤宝, 牛智川, 王国伟 申请人:中国科学院半导体研究所