专利名称：Ⅱ类超晶格窄光谱红外光电探测器材料的外延生长方法
技术领域：
本发明涉及半导体红外光电探测器材料生长技术领域，特别是一种InAs/feSb II 类超晶格窄光谱红外光电探测器材料的外延生长方法。
背景技术：
红外探测器在预警、夜视、导弹探测、测温、气体探测、气象、大气监测、医学等军事和民事领域都有广泛的应用。在中波波段传统的碲镉汞探测器(MCT)有优异的探测性能， 已经非常成熟，但随着波长变长，其材料难度急剧增加，在长波甚长波波段遇到挑战。量子阱红外探测器(QWIP)虽然可以实现窄光谱的探测，但QWIP是子带间跃迁，其量子效率较低；另外，QWIP不能吸收正入射的光，需要在器件表面制作复杂的光栅，工艺难度大；而且QWIP中电子的寿命短，探测率低。在长波、甚长波波段，如要求较高的探测率，就需要使用复杂昂贵的制冷设备，来获得比较低的工作温度。而锑化物II类超晶格材料能带结构中，一种材料的导带能级比另一种材料的价带能级还低，使InAs/feSb II类超晶格探测器，具很多优点带间跃迁，量子效率高；截止波长通过改变超晶格的周期厚度可在3-30 μ m范围内连续可调；通过调节应变及能带结构，能使轻重空穴分离，降低俄歇复合具有暗电流低、工作温度高等，目前中波InAs/feSb II类超晶格探测器已经表现出与碲镉汞红外探测分庭抗礼的局面，在长波及甚长波更具有优势。但是，InAs/GaSb II类超晶格探测器是宽光谱探测器，在许多情况，如导弹探测、 瓦斯探测等需要特定波长探测时，需要窄光谱探测，从而降低虚警率。而常规做法是在 InAs/GaSb II类超晶格探测器前加分束器、滤光器，滤光器轮、精密的光学校准调节等设备才能实现窄光谱探测。增加了成本、探测器的重量、功耗还降低了探测器的效率。如果在InAs/feSb II类超晶格探测器器件结构设计上使其成为窄光谱探测并实现材料的外延生长，就能从根本上实现窄光谱探测，从而避免用外加设备通过滤波的方式来达到窄光谱探测。
发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种InAs/feSb II类超晶格窄光谱红外光电探测器材料的外延生长方法，以制作出探测窄光谱的InAs/feSb II类超晶格窄光谱红外光电探测器材料。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种InAs/feSb II类超晶格窄光谱红外光电探测器材料的外延生长方法，包括步骤1 选择一衬底，作为外延层的承载体；步骤2 在该衬底上外延生长缓冲层；
步骤3 降温，在该缓冲层上外延生长ρ型掺杂的InAs/feSb II类超晶格层；步骤4 在该ρ型掺杂的InAs/fe^b II类超晶格层上外延生长本征InAs/fe^b II 类超晶格吸收层；步骤5 在该本征InAs/feiSb II类超晶格吸收层上外延生长η型掺杂的InAs/ GaSb II类超晶格层；步骤6 在该η型掺杂的InAs/feiSb II类超晶格层上外延生长η型掺杂的InAs盖层，完成InAs/feSb II类超晶格窄光谱红外光电探测器材料的外延生长。上述方案中，所述外延生长方法包括分子束外延法和金属有机化学沉积法。上述方案中，步骤1中所述衬底为锑化镓衬底。步骤2中所述缓冲层是Be掺杂的 P型锑化镓缓冲层，生长温度为500°c。步骤3中所述降温是将衬底温度由500°C降到370 至380°C，所述ρ型掺杂的hAs/GaSb II类超晶格层、本征InAs/feSb II类超晶格吸收层、η 型掺杂的InAsAiaSb II类超晶格层三者的生长温度均在370至380°C。上述方案中，所述ρ型掺杂的InAs/feiSb II类超晶格层和所述η型掺杂的InAs/ GaSb II类超晶格层的50%截止吸收波长均小于所述本征InAs/feSb II类超晶格吸收层的 50%截止吸收波长。所述ρ型掺杂的InAs/feSb II类超晶格层和所述η型掺杂的InAs/ GaSb II类超晶格层的界面类型均采用GaAs和MSb混合界面，所述本征InAs/feiSb II类超晶格吸收层的界面类型采用hSb界面。所述η型掺杂的InAs盖层的厚度为10-20nm。(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，由于选用与超晶格材料晶格常数比较接近的feiSb衬底，所以有利于外延生长缓冲层和超晶格。并且生长出的缓冲层和超晶格具有很高的晶体质量。2、利用本发明，由于ρ型和η型超晶格的50%截止吸收波长均小于所述本征超晶格的50%截止吸收波长，所以ρ和η型超晶格其对应的带阶比本征区超晶格带阶大，这有利于减小器件的暗电流，相应的提高器件的性能。3、利用本发明，由于本征区的超晶格采用hSb界面，通过我们的实验发现hSb界面超晶格探测器的量子效率比混合界面的量子效率高1. 3倍左右，所以本发明的所采用的超晶格结构能提高探测器的量子效率。4、利用本发明，由于ρ型和η型超晶格的50%截止吸收波长均小于所述本征超晶格的50%截止吸收波长，所以ρ和η型超晶格会吸收掉其50%截止吸收波长以下的辐射光，从而作为本征区超晶格探测光谱的低通滤波器，使其本征区探测光谱由宽光谱变为窄带光谱。从器件本身上实现窄光谱探测，从而避免用外加设备通过滤波的方式来达到窄光谱探测。从而满足在许多情况，如导弹探测、瓦斯探测等需要特定波长探测时，需要窄光谱探测的需求，并能降低虚警率。并且可以不用在InAs/feSb II类超晶格探测器前加分束器、 滤光器，滤光器轮、精密的光学校准调节等设备就能实现窄光谱探测。从而降低了成本、探测器的重量及功耗。5、利用本发明，由于此发明ρ，η区和本征区的吸收波长可以从短波到甚长波调节所以本发明使InAs/feSb II类超晶格探测器由宽光谱响应形成窄光谱响应的设计及其生长方法可以适用于短波、中波、长波、甚长波范围。
为了进一步说明本发明的具体技术内容，下面结合实例及附图详细说明，其中图1是依照本发明实施例外延生长InAs/feSb II类超晶格窄光谱红外光电探测器材料的方法流程图；图2是图1中ρ，η区各源快门的开关顺序示意图；图3是图1中本征区各源快门的开关顺序示意图；图4是基于图1外延生长的InAs/feSb II类超晶格窄光谱红外光电探测器材料制作的InAs/feSb II类超晶格窄光谱红外光电探测器单管器件的结构示意图；图5是基于图1外延生长的InAs/feSb II类超晶格窄光谱红外光电探测器材料制作的InAs/feSb II类超晶格窄光谱红外光电探测器单管器件的光响应谱示意图。在图4中，1为(iaSb衬底，2为ρ型掺杂的feiSb缓冲层，3为ρ型超晶格层，4为本征超晶格层，5为η型超晶格层，6为InAs上欧姆接触层，7为上金属电极，8为下金属电极。
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外延生长InAs/feiSb II类超晶格窄光谱红外光电探测器材料的方法流程图，以长波红外探测器为例以说明该方法，具体步骤如下步骤1 选择一晶向为(001)的(iaSb衬底1，烘烤后在Sb气氛下525°C脱氧10_20 分钟，除去feiSb衬底1表面上的氧化物，作为外延层的承载体。步骤2 降低feiSb衬底1温度为500°C，在feiSb衬底1上通过外延生长厚度为 0.5μπι至Ιμπι的ρ型(iaSb缓冲层2，作为衬底与外延层间的缓冲层。ρ型feiSb缓冲层2 的生长温度为500°C，用铍进行掺杂，掺杂浓度为2 X IO18Cm3,使其能作为器件的下欧姆接触层，用于加偏压及传导电流。步骤3 将feiSb衬底温度降到370至380°C，生长ρ型InAs/feiSb II类超晶格层3， 其包含不少于100周期交替生长的InAs层和(iaSb层，并在feiSb层中用Be进行ρ型掺杂。 所述P型掺杂区不少于100周期或厚度为0. 5-1 μ m的InAs/feSb II类超晶格，每个周期中 InAs层厚度为24A，GaSb层厚度为24人，InAs层和(iaSb层的厚度由需要的波长决定，其生长顺序为InAs层AnSb界面层/feiSb层/As-soak组成的交替生长。ρ型InAs/feiSb II类超晶格层3的50%截止吸收波长为5 μ m,其界面类型采用GaAs和MSb混合界面，每个周期的生长方法如图2所示，先同时打开Ga，Sb源的快门16秒；再关闭Ga，Sb源的快门同时打开As的快门3秒；然后打开^！源的快门21秒；此后中断所有的快门3秒；最后打开In， Sb的快门0. 5秒。步骤4 生长本征InAs/feiSb II类超晶格吸收层4，其包含300周期交替生长的 InAs层和(iaSb层，每个周期中InAs层厚度为39人，GaSb层厚度为26人。所述本征InAs/ GaSb II类超晶格吸收层为大于或等于300个周期或者厚度为2μπι至2. 5μπι的InAs/ GaSb II类超晶格，InAs层和feiSb层的厚度由需要的波长决定，其生长顺序为InAs层/InSb 界面层AaSb层/InSb界面层交替生长而成。本征InAs/feiSb II类超晶格吸收层4的50% 截止吸收波长为9. 6 μ m，其界面类型采用^Sb界面，每个周期的生长方法如图3所示，先同时打开( ，Sb源的快门17秒；再关闭( 源的快门同时打开h的快门0. 5秒；然后关闭h 源快门ls，然后关闭Sb源快门0. 5秒，然后同时打开h和As源的快门34秒，中断所有的快门0. 5秒；打开Sb源1秒，最后打开In，Sb的快门0. 5秒。步骤5 生长η型InAs/feiSb II类超晶格层5，其包含100周期交替生长的InAs层和(iaSb层，并在InAs层中用Si进行η型掺杂，掺杂浓度为2 X IO18Cm30每个周期中InAs层厚度为24Α，GaSb层厚度为24Α。所述η型掺杂的InAs/feSb II类超晶格为大于或等于100 个周期(或者厚度为0. 5-1 μ m)，其生长顺序为InAs层/InSb界面层AiaSb层/As-soak组成的交替生长。该层设计作为吸收7. 7 μ m以下波段的吸收层，使宽光谱形成窄光谱，并且起到降低暗电流的作用。η型InAs/feSb II类超晶格层5的界面类型采用GaAs和hSb混合界面，每个周期的生长方法如图2所示，先同时打开( ，Sb源的快门16秒；再关闭( ，Sb 源的快门同时打开As的快门3秒；然后打开^！源的快门21秒；此后中断所有的快门3秒； 最后打开h，Sb的快门0.5秒。步骤6 生长厚度为10-20nm的InAs盖层，使用Si进行η型掺杂，掺杂浓度为 2 X IO18Cm3形成InAs上欧姆接触层6，给探测器加偏压及传导电流，完成InAs/feSb II类超晶格窄光谱红外光电探测器材料的外延生长。表1示出了依照图1所示方法生长的InAs/feSb II类超晶格窄光谱红外光电探测
器材料的结构示意图。
权利要求
1.一种InAs/feSb II类超晶格窄光谱红外光电探测器材料的外延生长方法，其特征在于，包括步骤1 选择一衬底，作为外延层的承载体；步骤2 在该衬底上外延生长缓冲层；步骤3 降温，在该缓冲层上外延生长ρ型掺杂的InAs/feSb II类超晶格层；步骤4 在该ρ型掺杂的InAs/feiSb II类超晶格层上外延生长本征InAs/feiSb II类超晶格吸收层；步骤5 在该本征InAs/feiSb II类超晶格吸收层上外延生长η型掺杂的InAs/feiSb II 类超晶格层；步骤6 在该η型掺杂的InAs/feSb II类超晶格层上外延生长η型掺杂的InAs盖层， 完成InAs/feSb II类超晶格窄光谱红外光电探测器材料的外延生长。
2.根据权利要求1所述的InAs/feSbII类超晶格窄光谱红外光电探测器材料的外延生长方法，其特征在于，所述外延生长方法包括分子束外延法和金属有机化学沉积法。
3.根据权利要求1所述的InAs/feSbII类超晶格窄光谱红外光电探测器材料的外延生长方法，其特征在于，步骤1中所述衬底为锑化镓衬底。
4.根据权利要求1所述的InAs/feSbII类超晶格窄光谱红外光电探测器材料的外延生长方法，其特征在于，步骤2中所述缓冲层是Be掺杂的ρ型锑化镓缓冲层，生长温度为 500 "C。
5.根据权利要求1所述的InAs/feSbII类超晶格窄光谱红外光电探测器材料的外延生长方法，其特征在于，步骤3中所述降温是将衬底温度由500°C降到370至380°C，所述ρ 型掺杂的InAsAiaSb II类超晶格层、本征InAs/feiSb II类超晶格吸收层、η型掺杂的InAs/ GaSb II类超晶格层三者的生长温度均在370至380°C。
6.根据权利要求1所述的InAs/feSbII类超晶格窄光谱红外光电探测器材料的外延生长方法，其特征在于，所述P型掺杂的InAs/feSb II类超晶格层和所述η型掺杂的InAs/ GaSb II类超晶格层的50%截止吸收波长均小于所述本征InAs/feSb II类超晶格吸收层的 50%截止吸收波长。
7.根据权利要求1所述的InAs/feSbII类超晶格窄光谱红外光电探测器材料的外延生长方法，其特征在于，所述P型掺杂的InAs/feSb II类超晶格层和所述η型掺杂的InAs/ GaSb II类超晶格层的界面类型均采用GaAs和MSb混合界面，所述本征InAs/feiSb II类超晶格吸收层的界面类型采用^Sb界面。
8.根据权利要求1所述的InAs/feSbII类超晶格窄光谱红外光电探测器材料的外延生长方法，其特征在于，所述η型掺杂的InAs盖层的厚度为10-20nm。
全文摘要
本发明公开了一种InAs/GaSbⅡ类超晶格窄光谱红外光电探测器材料的外延生长方法，包括选择一衬底，作为外延层的承载体；在该衬底上外延生长缓冲层；降温，在该缓冲层上外延生长p型掺杂的InAs/GaSb Ⅱ类超晶格层；在该p型掺杂的InAs/GaSbⅡ类超晶格层上外延生长本征InAs/GaSbⅡ类超晶格吸收层；在该本征InAs/GaSbⅡ类超晶格吸收层上外延生长n型掺杂的InAs/GaSbⅡ类超晶格层；在该n型掺杂的InAs/GaSbⅡ类超晶格层上外延生长n型掺杂的InAs盖层，完成InAs/GaSbⅡ类超晶格窄光谱红外光电探测器材料的外延生长。
文档编号C30B25/18GK102534764SQ201210037639
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
发明者张艳华, 曹玉莲, 马文全 申请人:中国科学院半导体研究所