一种基于inp基带隙可调的结构及光电转换器件
技术领域
1.本发明涉及一种基于inp基带隙可调的结构及基于该结构的光电转换器件以及分子束外延生长方法，属于半导体红外光电转换器件材料领域和半导体材料制造领域。
背景技术：
2.基于inp基体系的光电转换器件如红外探测器一般采用足够厚的随机合金inalas，ingaas，gaassb，alassb等半导体材料作为器件的吸收区，而上述的几种三元混合合金在与inp衬底晶格匹配时，根据晶格常数的维加德定律，对应的元素质量分数已经确定，如下：in
0.48
al
0.52
as，in
0.53
ga
0.47
as，gaas
0.5
sb
0.5
，alas
0.55
sb
0.45
，因而导致这些以随机合金为有源区的光电转换器件的工作波段固定。有很多研究工作通过调节上述合金中的组分使得inp基体系的工作波段向红外和可见光波段拓展，但是，通过改变组分实现的工作波段的拓展不可避免在合金薄膜与衬底引入失配应变，从而在衬底与随机合金薄膜的界面处产生失配位错，导致随机合金薄膜晶体质量变差进而影响器件性能。
3.因此，上述的随机合金在满足晶格匹配的情况下，光电转换器件的工作波段基本上固定，这也限定了inp基光电转换器件在由随机合金确定的工作波段以外其他近红外波段的应用。
技术实现要素：
4.为了克服上述技术的不足，本发明提供了一种基于inp基带隙可调的结构以及光电转换器件，以及应变补偿短周期超晶格的制备方法。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：本发明提供了一种基于inp基带隙可调的结构，包括了依次层叠设置的上电极层（1），超晶格功能层（2），下电极层（3）和inp衬底（4），其中超晶格功能层（2）作为光电转换器件光的吸收或发射区，超晶格功能层（2）为晶格常数大于和小于inp衬底的晶格常数的半导体层交替堆叠生长组成的超晶格。
6.在本发明的优选方案中，晶格常数大于和小于inp衬底（4）的晶格常数的半导体层为va族和iiia族元素组成的二元化合物或者多元化合物。
7.在本发明的一些实施方案中，晶格常数大于inp衬底（4）的晶格常数的二元化合物包括inas、gasb、alsb、insb，晶格常数小于inp衬底（4）的晶格常数的二元化合物包括alas和gaas。
8.在本发明的一些实施方案中，晶格常数大于inp衬底（4）的晶格常数的多元化合物由inas、gasb、alsb、insb、alas、gaas中的两种或者多种组成，晶格常数小于inp衬底（4）的晶格常数的多元化合物由inas、gasb、alsb、insb、alas、gaas中的两种或者多种组成。
9.在本发明的一些实施方案中，超晶格功能层（2）的超晶格单个周期中的每种半导体层的厚度为n ml， 其中ml（monolayer）为长度单位且等于inp晶格常数的一半，n的范围为1~10。
10.在本发明的一些实施方案中，超晶格功能层（2）的超晶格周期数在1~1000之间。
11.在本发明的一些实施方案中，超晶格功能层（2）通过外延方式生长得到。在本发明的优选实施方案中，超晶格功能层（2）的生长温度为300~600
°
c，背景真空度为1
×ꢀ
10-7
~1
×ꢀ
10-10 torr，生长速率为0.1~1μm/h。
12.在本发明的一些实施方案中，上电极层（1）和下电极层（2）为人为掺杂的半导体层，人为掺杂的半导体层包括n型和p型掺杂半导体层，掺杂源包括 si、te、be和c。
13.另一方面，本发明提供了一种制备基于inp基带隙可调的结构的方法，采用外延方法在inp衬底（4）上依次外延生长下电极层（3）、超晶格功能层（2）和上电极层（1），形成应变补偿短周期超晶格外延结构。
14.本发明还提供了一种光电转换器件结构，包括底部电极、基于inp基带隙可调的结构（包括了inp衬底、下电极层、超晶格功能层、上电极层）以及顶部电极，其中，底部电极与下电极层之间形成欧姆结构，上电极层与顶部电极之间形成欧姆接触，光电转换器件可以实现近红外到中红外光的探测和发光功能，且器件响应波长范围可调。
15.有益效果：本发明提供的inp基应变补偿短周期超晶格具有可调带隙，通过分子束外延设备可以精准控制短周期超晶格的每层的厚度，并且满足应变补偿条件，因此inp基上应变补偿短周期超晶格和上下电极层具有较高的晶体质量。并且应变补偿短周期超晶格的周期长度增加可以使得短周期超晶格的带隙小于对应同组分的多元随机合金的带隙，这可使得探测器的工作波段向长波长方向拓展，同时保证了短周期超晶格的晶体质量以及应变补偿短周期超晶格光电转换器件的性能。
附图说明
16.图1是本发明中基于inp基带隙可调的结构示意图。
17.图2是本发明中基于inp基带隙可调的结构的光电转换器件的结构示意图。
18.图3是本发明实施例1中不同周期长度的应变补偿inas/alas短周期超晶格的结构示意图（左）以及x射线衍射图（右）。
19.图4是本发明实施例1中不同周期长度的应变补偿inas/alas短周期超晶格的原子力显微镜图。
20.图5是本发明实施例1中不同周期长度的应变补偿inas/alas短周期超晶格的室温光致发光图。
21.图6是本发明实施例1中不同周期长度的应变补偿inas/alas短周期超晶格的室温傅里叶变换红外光谱图。
22.图7是本发明实施例2中不同周期长度的应变补偿inas/gaas短周期超晶格的结构示意图（左）以及x射线衍射图（右）。
23.图8是本发明实施例2中不同周期长度的应变补偿inas/gaas短周期超晶格计算的一维能带和一维电子和空穴的波函数及其分布情况图。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
25.本发明提供了一种基于inp基带隙可调的应变补偿短周期超晶格结构（图1所示），以及应变补偿短周期超晶格的制备方法，包括了inp衬底（4）、下电极层（3）、超晶格功能层（2）、上电极层（1），具体外延结构如图1所示。
26.在本发明中，inp衬底（4）的取向优先选取为（001），衬底的抛光类型包括单面抛光和双面抛光，优选地，衬底抛光类型为双面抛光。衬底的电学类型包括导电衬底和半绝缘衬底，优选地，衬底的电学类型为导电衬底，衬底的导电类型包括n型和p型，具体的衬底导电类型的选取取决于基于所述外延结构制造的光电转换器件的加工、功能和应用场景。
27.在本发明中，超晶格功能层（2）是晶格常数大于和小于inp晶格常数的两种极薄的半导体层交替堆叠生长组成的超晶格。优选地，晶格常数大于和小于inp晶格常数的半导体层为va族和iiia族元素组成的二元或者多元化合物。其中晶格常数大于inp的二元化合物半导体材料包括inas、gasb、alsb和insb，晶格常数小于inp的二元化合物半导体材料包括gaas和alas；晶格常数大于inp的多元化合物半导体材料由inas、gasb、alsb、insb、alas、gaas中的两种或者多种组成，晶格常数小于inp的多元化合物半导体材料由inas、gasb、alsb、insb、alas、gaas中的两种或者多种组成。组成超晶格功能层需要在上述大于inp晶格常数的材料和小于inp晶格常数的材料中各选取一种，然后这两种半导体材料以整数个原子层（monolayer，ml）的厚度交替堆叠生长，两种半导体层的厚度分别为m ml和n ml，例如inas(m ml)/alas(n ml)，inas(m ml)/gaas(n ml)，gasb(m ml)/gaas(n ml)，alsb(m ml)/alas(n ml)，insb(m ml)/gaas(n ml)，insb(m ml)/alas(n ml)，其中 ml（monolayer）为长度单位且等于inp晶格常数的一半，m和n的范围为1~10，应变补偿短周期超晶格的周期长度等于(m+n) ml。且应变补偿短周期超晶格的有效带隙会随着超晶格周期长度的改变而改变，实现带隙可调功能。优选地，超晶格功能层（2）的超晶格周期数在1~1000之间，该范围可以使得超晶格功能层（2）的厚度合适，具有较高的量子效率。超晶格功能层（2）将两种带隙不同晶格常数不同的超薄半导体材料薄膜集成在一起，获得不同的光学带隙，实现了响应波段可调的功能，从而可用于器件在不同波长的吸收或者发射。由于超晶格内部的应变补偿的方法，将两种大失配的半导体材料集成在一起，且无需考虑由于失配应变产生的位错缺陷导致超晶格的质量变差和引起器件暗电流等因素。同时，通过改变短周期超晶格的周期长度可以改变应变补偿短周期超晶格的光学带隙，拓展了结构的光电转换响应波长范围，使得近红外波段的光电转换器件可在同一材料体系中实现宽的可调响应范围。
28.在本发明中，超晶格功能层（2）通过外延方式生长得到，从而更为精准的调控周期长度。形成超晶格功能层（2）采用低温分子束外延方法，且需要控制va族和iiia族元素的速率或束流比。具体的，外延应变补偿短周期超晶格的生长温度为300~600
°
c，且优先生长晶格常数小于inp衬底的半导体薄膜，实际的生长温度取决于超晶格单个周期的长度，va族和iiia族元素的速率比为1~10，背景真空度为1
×ꢀ
10-7
~1
×ꢀ
10-10 torr，生长速率为0.1~1μm/h。超晶格功能层（2）的外延生长条件对超晶格功能层（2）的晶体质量非常重要，且超晶格功能层（2）的晶体质量会影响最终器件的性能。
29.上电极层（1）和下电极层（3）为人为掺杂的半导体层，对于以inp为衬底的器件，电极层的优选材料为in
0.48
al
0.52
as、in
0.53
ga
0.47
as、gaas
0.5
sb
0.5
、alas
0.55
sb
0.45
或者上述两种或多种形成的多元化合物合金。人为掺杂的半导层可以是n型或p型掺杂半导体层，掺杂源包括si、te、be和c，且合适的掺杂源选取会使得掺杂半导体层在保持晶体质量和表面平整的
情况下，能够有效地将超晶格功能层（2）产生的非平衡载流子导出或者将载流子导入超晶格功能层（2）。掺杂源的掺杂量根据电极接触势垒决定但一般不低于1
×ꢀ
10
18 cm-3
。上电极层（1）和下电极层（3）的材料的选择需遵循其带隙要大于超晶格功能层的带隙且晶格常数与inp衬底匹配的原则，电极层与衬底晶格匹配的条件下，不会引起由于电极层的晶格质量等问题导致后续基于所述外延结构加工成的器件的性能变差。上电极层（1）和下电极层（3）的功能是将应变补偿的短周期超晶格功能层（2）中产生的载流子导出或者将载流子导入超晶格功能层（2），并且与器件以外的金属导线形成欧姆接触。
30.在本发明中，应变补偿短周期超晶格的光电探测器件中的各层的厚度没有特殊限定，根据实际需要选择合适的厚度。具体的，上电极层（1）和下电极层（3）的厚度为100~1000 nm。
31.本发明的结构可采用外延方法在inp衬底（4）上依次外延生长下电极层（3）、超晶格功能层（2）和上电极层（1），形成基于inp基带隙可调的结构。具体地，在对inp衬底（4）进行脱氧处理后，外延生长100~1000nm厚的人为掺杂的下电极层（3），然后改变衬底温度到合适温度，外延生长超晶格功能层（2），最后再改变衬底温度到合适温度进行生长上电极层（1）。
32.本发明还提供了一种基于inp基带隙可调的应变补偿短周期超晶格外延结构的光电转换器件，如图2所示，包括探测和发光功能，具体结构包括底部电极和基于inp基带隙可调的外延结构（包括了inp衬底、下电极层、超晶格功能层、上电极层）以及顶部电极，其中，底部电极与下电极层之间形成欧姆接触，上电极层与顶部电极之间形成欧姆接触。通过外延结构的带隙可调的功能，光电转换器件可以实现近红外到中红外的探测和发光功能。
33.本发明中，对于底部电极和顶部电极的蒸镀法以及应变补偿短周期超晶格光电器件的台面刻蚀的工艺方法的具体操作方式没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
34.本发明的应变补偿的短周期超晶格的外延结构质量可靠，可广泛用于pin探测器、雪崩光电二极管等光电探测器件的吸收区和发光器件的有源区，且实现器件响应范围的可调性。
35.下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行描述，所描述的实施例只是本发明中的一部分实施例，不是全部实施例，并且实施例中inas/alas和inas/gaas应变补偿短周期超晶格可以从实验和理论上得到可调的带隙。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施，都属于本发明保护的范围。
36.实施例1：inp基inas/alas应变补偿短周期超晶格外延结构。具体方案如下：inalas三元随机合金带隙大于inas/alas应变补偿短周期超晶格的带隙，因而选取inalas作为inas/alas短周期超晶格的上电极层和下电极层半导体材料。
37.(1)对inp（001）衬底在砷氛围下进行脱氧处理15min，脱氧温度为520-540
°
c；(2)采用分子束外延生长方法外延缓冲层，背景真空度为1
×ꢀ
10-7
~1
×ꢀ
10-8 torr、490
°
c条件下外延inalas随机合金半导体材料，厚度为100nm，生长速率为0.9μm/h；(3) 采用分子束外延生长方法外延应变补偿短周期超晶格，以30
°
c/min的降温速
率将所得材料降温至450
°
c以下，采用分子束外延法在下电极层上外延厚度为250 nm的inas/alas应变补偿短周期超晶格；图3是本发明实施例1中不同周期长度相同厚度的inas/alas应变补偿短周期超晶格的x射线衍射图以及对应的结构图。由图3可知不同周期长度的inas/alas短周期超晶格具有较好的晶体质量，x射线衍射图中的卫星峰表明了inas/alas短周期超晶格沿着生长方向具有较好的周期性，且inas半导体层与alas半导体层具有较好的界面。
38.图4是本发明实施例1中不同周期长度相同厚度的inas/alas应变补偿短周期超晶格的原子力显微镜图。由图4可知不同周期长度的inas/alas短周期超晶格具有平整的表面，表面均方根粗糙度均低于1nm。
39.图5是本发明实施例1中不同周期长度的inas/alas应变补偿短周期超晶格的光致发光谱图。由图5可知，inas/alas短周期超晶格的带隙小于inalas随机合金带隙并且在880~1280nm波段范围可调，inas/alas超晶格带隙随着应变补偿短周期超晶格的周期长度增加而减小。因此inas/alas短周期超晶格拓展了inalas三元随机合金的波长，可实现探测波长红移，并且连续可调。
40.图6是本发明实施例1中不同周期长度的inas/alas应变补偿短周期超晶格的反射傅里叶变换红外光谱图。由图6可知，在靠近inp衬底吸收边附近出现了长波长的吸收，inas/alas超晶格的带隙随着应变补偿短周期超晶格的周期长度增加而减小。因此可确定inas/alas短周期超晶格出现了相对于inalas随机合金更长波长的吸收。
41.实施例2：inp基inas/gaas应变补偿短周期超晶格外延结构。具体方案如下：inalas三元随机合金带隙大于inas/gaas应变补偿短周期超晶格的带隙，因而选取inalas作为inas/gaas短周期超晶格的上电极层和下电极层半导体材料，电极层与应变补偿短周期超晶格之间存在较大的能带偏差，在具体的器件结构中，这两者之间需要一定厚度的带隙渐变层。
42.(1)对inp（001）衬底在砷氛围下进行脱氧处理15min，脱氧温度为520-540
°
c；(2)采用分子束外延生长方法外延inalas缓冲层，背景真空度为1
×ꢀ
10-7
~1
×ꢀ
10-8 torr、490
°
c条件下外延inalas随机合金半导体材料厚度为100nm，生长速率为0.9μm/h；(3) 采用分子束外延方法外延生长应变补偿短周期超晶格，以30
°
c/min的降温速率将所得材料降温至450
°
c以下，采用分子束外延法在下电极层上外延厚度为250 nm的inas/gaas应变补偿短周期超晶格；图7是本发明实施例2中不同周期长度的inas/gaas应变补偿短周期超晶格的结构示意图（左）以及x射线衍射图（右）。由图7的x射线衍射图中的卫星峰表明了inas/gaas短周期超晶格沿着生长方向具有较好的周期性，且inas半导体层与gaas半导体层具有较好的界面。
43.图8是是本发明实施例2中不同周期长度的inas/gaas应变补偿短周期超晶格计算得到的一维的能带信息以及一维的电子和空穴的波函数及其分布。由图8可知，随着inas/gaas应变补偿短周期超晶格的周期长度增加，inas/gaas短周期超晶格的带隙在逐渐降低，因而其inas/gaas短周期超晶格的工作波段能够超过ingaas随机合金的吸收波长上限1670nm，甚至可达到2μm波段。
44.以上所述仅是本发明优选的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。