专利名称：甚长波InAs/GaSb二类超晶格红外探测器材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体红外探测技术领域，尤其是涉及一种甚长波波段(12 20微米)InAs/feSb 二类超晶格红外探测器材料的制备方法。
背景技术：
波段为12 20微米的甚长波红外探测器在战略预警、大气温度及相对湿度轮廓探测、大气少量元素分布及空间探测方面具有重要的应用。传统的碲镉汞探测器有优异的探测性能，但随着波长的增加，其材料难度急剧增加，在甚长波段遇到极大挑战。量子阱红外探测器较易实现甚长波段的探测，但其量子效率较低，器件的性能受到一定的限制。而二类超晶格是一理想的甚长波探测材料，其优势主要有材料均勻性好，漏电流低，俄歇复合受到极大抑制，载流子寿命长，工作温度高等，而且feiSb衬底相比碲镉汞所用的碲锌铬衬底便宜且面积大。这使其在甚长波段波段有着显著的优势。但是，甚长波InAs/feSb 二类超晶格红外探测器材料的制备非常困难，这是因为吸收截止波长在甚长波波段的超晶格材料，其一个周期中的InAs厚度一般需要达到5nm左右，而InAs和衬底材料feiSb之间存在0. 6%的晶格失配。这就需要引入更多的hSb材料来平衡应力，而hSb和(iaSb之间存在7%的晶格失配，大量hSb的引入很容易造成界面质量的恶化，从而影响材料质量。针对以上难题，本发明提供了一种通过精确控制的“直接MSb生长”，“Sb浸泡”和 “生长中断”相结合的方法，实现了高质量的甚长波InAs/feSb 二类超晶格材料制备。
发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种甚长波InAs/feSb 二类超晶格红外探测器材料的制备方法，以实现高质量的甚长波InAs/feSb 二类超晶格材料的制备。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种制备甚长波InAs/feSb 二类超晶格红外探测器材料的方法，该方法是在半绝缘feiSb衬底上依次生长P型掺杂的feiSb缓冲层、P型掺杂的中波InAs/feSb 二类超晶格层、非掺杂的甚长波InAs/feSb 二类超晶格层、N型掺杂的中波InAs/feiSb 二类超晶格层以及N型掺杂的InAs上接触层，得到甚长波InAs/feiSb 二类超晶格红外探测器材料。上述方案中，所述在半绝缘feiSb衬底上依次生长P型掺杂的feiSb缓冲层、P型掺杂的中波InAs/feSb 二类超晶格层、非掺杂的甚长波InAs/feSb 二类超晶格层、N型掺杂的中波InAs/feSb 二类超晶格层以及N型掺杂的InAs上接触层，是使用分子束外延方法实现的。上述方案中，所述P型掺杂的中波InAs/feSb 二类超晶格层和所述N型掺杂的中波InAs/feSb 二类超晶格层均是采用吸收截止波长为5微米的中波超晶格结构，且二者的厚度都是500nm。上述方案中，所述非掺杂的甚长波InAs/feSb 二类超晶格层是由300周期吸收截止波长为14. 5微米的超晶格周期组成的，总厚度为2. 5微米。所述非掺杂的甚长波InAs/ GaSb 二类超晶格层的超晶格周期中，两个界面都为hSb界面，且是通过“直接hSb生长”， “Sb浸泡”和“生长中断”实现的。所述通过“直接MSb生长”，“Sb浸泡”和“生长中断”生长一个超晶格周期的过程如下打开(ia、Sb源，生成11个(iaSb原子层；关闭( 源，打开h 源0.8秒，生成hSb界面层；关闭化源，保持Sb源打开2秒，使表面稳定；关闭所有源1秒， 使环境中的Sb元素散去；打开^uAs源，生成16个InAs原子层；关闭所有源1秒，使环境中的As散去；打开Sb源浸泡表面3秒，形成一定MSb界面，同时稳定Sb源；以及打开h 源2秒，形成hSb界面。并且，所述超晶格周期均在380°C生长。上述方案中，所述P型掺杂的feiSb缓冲层的厚度是1微米，所述N型掺杂的InAs 上接触层的厚度是20nm。(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，由于ρ区和η区使用了中波InAs/feSb 二类超晶格结构，相当于在导带和价带分别增添了势垒，所以减小了暗电流。2.利用本发明，由于使用了两侧hSb的界面设计，一方面避免了单侧hSb层过厚而出现的界面质量恶化现象，另一方面实验证实，两侧^Sb的界面设计具有更好的光学性质。3.利用本发明，由于在界面设计中增加了精心设计的“Sb-soak”和“生长中断”， 所以超晶格材料质量进一步得到提高。
为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合说明书附图对本发明作详细的描述，其中图1是依照本发明实施例的制备甚长波InAs/feSb 二类超晶格红外探测器材料的方法流程图；图2是依照本发明实施例的甚长波InAs/feSb 二类超晶格每个周期生长快门控制图；图3是依照本发明实施例的甚长波InAs/feSb 二类超晶格红外探测器材料的X射线衍射图；图4是依照本发明实施例的甚长波InAs/feSb 二类超晶格红外探测器的结构示意图；图5是利用本发明实施例制备的甚长波InAs/feSb 二类超晶格红外探测器单管器件进行光电流谱和量子效率测试的结果示意图。
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。
如图1所示，图1是依照本发明实施例的制备甚长波InAs/feSb 二类超晶格红外探测器材料的方法流程图，该方法是使用分子束外延方法及设备，在半绝缘feSb衬底上依次生长P型掺杂的feiSb缓冲层、P型掺杂的中波InAs/feSb 二类超晶格层、非掺杂的甚长波 InAs/GaSb 二类超晶格层、N型掺杂的中波InAs/feiSb 二类超晶格层以及N型掺杂的InAs 上接触层，得到甚长波InAs/feSb 二类超晶格红外探测器材料。其中，所述P型掺杂的中波hAs/feiSb 二类超晶格层和所述N型掺杂的中波InAs/ GaSb 二类超晶格层均是采用吸收截止波长为5微米的中波超晶格结构，且二者的厚度都是 500nm。所述P型掺杂的feiSb缓冲层的厚度是1微米，所述N型掺杂的InAs上接触层的厚度是20nm。所述非掺杂的甚长波InAs/feSb 二类超晶格层是由300周期吸收截止波长为14. 5 微米的超晶格周期组成的，总厚度为2. 5微米。所述非掺杂的甚长波InAs/feSb 二类超晶格层的超晶格周期中，两个界面都为MSb界面，且是通过“直接hSb生长”，“Sb浸泡”和 “生长中断”实现的。并且，所述超晶格周期均在380°C生长。基于图1所示的方法，图2示出了依照本发明实施例的甚长波InAs/feSb 二类超晶格每个周期生长快门控制图，所述通过“直接MSb生长”，“Sb浸泡”和“生长中断”生长一个超晶格周期的过程，即该甚长波InAs/feiSb 二类超晶格一个周期的MBE生长的快门顺序，具体如下步骤1 打开Ga、Sb源，生成11个feiSb原子层；步骤2 关闭( 源，打开h源0. 8秒，生成界面层；步骤3 关闭h源，保持Sb源打开2秒，使表面稳定；步骤4 关闭所有源1秒，使环境中的Sb元素散去；步骤5 打开In、As源，生成16个MAs原子层；步骤6 关闭所有源1秒，使环境中的As散去；步骤7 打开Sb源浸泡表面2秒，形成一定MSb界面，同时稳定Sb源；步骤8 打开h源1秒，形成hSb界面。如图3所示，图3是依照本发明实施例制备的甚长波InAs/feSb 二类超晶格红外探测器材料样品的X射线双晶衍射图，卫星峰半宽仅21arcsec，展示了出色的材料质量。对于本发明制备的甚长波InAs/feSb 二类超晶格红外探测器材料，使用传统半导体工艺将该甚长波InAs/feSb 二类超晶格红外探测器材料加工为单管器件，该传统半导体工艺具体包括利用标准半导体工艺流程制作单管探测器台面结构；在台面表面溅射金属，并腐蚀出电极；用金丝引出，完成器件制作。图4示出了依照本发明实施例的甚长波 InAs/GaSb 二类超晶格红外探测器的结构示意图。如图5所示，图5示出了利用上述甚长波InAs/feSb 二类超晶格红外探测器单管器件进行光电流谱和量子效率测试的结果示意图。上述单管器件截止波长14. 5微米，实现了甚长波波段红外光的探测。峰值量子效率50%，截止波长量子效率15%。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
1.一种制备甚长波InAs/feiSb 二类超晶格红外探测器材料的方法，其特征在于，该方法是在半绝缘feiSb衬底上依次生长P型掺杂的feiSb缓冲层、P型掺杂的中波InAs/feiSb 二类超晶格层、非掺杂的甚长波InAs/feSb 二类超晶格层、N型掺杂的中波InAs/feSb 二类超晶格层以及N型掺杂的InAs上接触层，得到甚长波InAs/feSb 二类超晶格红外探测器材料。
2.根据权利要求1所述的制备甚长波InAs/feSb二类超晶格红外探测器材料的方法， 其特征在于，所述在半绝缘feSb衬底上依次生长P型掺杂的feiSb缓冲层、P型掺杂的中波 InAs/feiSb 二类超晶格层、非掺杂的甚长波InAs/feiSb 二类超晶格层、N型掺杂的中波InAs/ GaSb 二类超晶格层以及N型掺杂的InAs上接触层，是使用分子束外延方法实现的。
3.根据权利要求1所述的制备甚长波InAs/feSb二类超晶格红外探测器材料的方法， 其特征在于，所述P型掺杂的中波InAs/feSb 二类超晶格层和所述N型掺杂的中波InAs/ GaSb 二类超晶格层均是采用吸收截止波长为5微米的中波超晶格结构，且二者的厚度都是 500nmo
4.根据权利要求1所述的制备甚长波InAs/feSb二类超晶格红外探测器材料的方法， 其特征在于，所述非掺杂的甚长波InAs/feSb 二类超晶格层是由300周期吸收截止波长为 14. 5微米的超晶格周期组成的，总厚度为2. 5微米。
5.根据权利要求4所述的制备甚长波InAs/feSb二类超晶格红外探测器材料的方法， 其特征在于，所述非掺杂的甚长波InAs/feSb 二类超晶格层的超晶格周期中，两个界面都为hSb界面，且是通过“直接hSb生长”，“Sb浸泡”和“生长中断”实现的。
6.根据权利要求5所述的制备甚长波InAs/feSb二类超晶格红外探测器材料的方法， 其特征在于，所述通过“直接MSb生长”，“Sb浸泡”和“生长中断”生长一个超晶格周期的过程如下打开Ga、釙源，生成11个( 原子层； 关闭( 源，打开h源0. 8秒，生成hSb界面层； 关闭h源，保持Sb源打开2秒，使表面稳定； 关闭所有源1秒，使环境中的Sb元素散去； 打开In、As源，生成16个InAs原子层； 关闭所有源1秒，使环境中的As散去；打开Sb源浸泡表面3秒，形成一定MSb界面，同时稳定Sb源；以及打开h源2秒，形成^1 界面。
7.根据权利要求6所述的制备甚长波InAs/feSb二类超晶格红外探测器材料的方法， 其特征在于，所述超晶格周期均在380°C生长。
8.根据权利要求1所述的制备甚长波InAs/feSb二类超晶格红外探测器材料的方法， 其特征在于，所述P型掺杂的feSb缓冲层的厚度是1微米，所述N型掺杂的InAs上接触层的厚度是20nm。
全文摘要
本发明公开了一种制备甚长波InAs/GaSb二类超晶格红外探测器材料的方法，该方法是在半绝缘GaSb衬底上依次生长P型掺杂的GaSb缓冲层、P型掺杂的中波InAs/GaSb二类超晶格层、非掺杂的甚长波InAs/GaSb二类超晶格层、N型掺杂的中波InAs/GaSb二类超晶格层以及N型掺杂的InAs上接触层，得到甚长波InAs/GaSb二类超晶格红外探测器材料。利用本发明，由于在界面设计中增加了精心设计的“Sb-soak”和“生长中断”，所以超晶格材料质量进一步得到提高。
文档编号H01L31/18GK102544229SQ20121003686
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月17日 优先权日2012年2月17日
发明者卫炀, 张艳华, 曹玉莲, 马文全 申请人:中国科学院半导体研究所