一种长波铟砷锑材料及其生长方法
【专利摘要】本发明涉及一种长波铟砷锑材料，所述长波铟砷锑(InAs1-xSbx)材料的组份x满足以下条件：0.60≤x≤0.90，截止波长达到11～12.5μm。外延层的厚度为40～200μm，这个厚度有效地抑制了外延层与二元化合物衬底之间晶格失配的影响，使外延层中的位错密度比用常规技术生长的降低了3个数量级(达到104cm-2量级)，明显改善了材料的晶体质量和结构完整性。本发明还同时提供了该长波铟砷锑材料的生长过程。这种材料具有体单晶的性质，并且InAsSb的室温俄歇复合系数较低，因此适合制作室温工作的红外光子探测器。
【专利说明】一种长波铟砷锑材料及其生长方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体材料领域，具体是一种长波铟砷锑材料及其生长方法，这种材料可以用于研制红外光子探测器。
【背景技术】
[0002]II1-V族化合物半导体是制作光电器件的重要材料，具有相对成熟的材料制备和器件工艺技术。铟砷锑(InAsSb)三元合金在常规的II1-V族化合物中具有最小的禁带宽度(0.1eV)，其截止波长能达到8-12 iim。8-12 y m波段是一个重要的红外大气窗口，工作在这一波段的红外探测器在红外制导、遥感、夜视、环境监测、工业探伤等方面有着广阔的应用前景。因此，生长这一波段的红外材料，研制红外探测器无论在民用上还是在军用上都有着十分重要的意义。但是，由于长波InAsSb外延层与二元化合物衬底之间的晶格失配度较大(例如与InAs衬底之间的晶格失配度> 6%，与GaAs衬底之间的晶格失配度>14%),因此用常规技术很难生长出截止波长8 u m以上的高质量的InAsSb单晶材料。
[0003]近年来，国外用分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE)、金属有机化学气相淀积(metalorgan ic chemical vapor deposition, MOCVD)及液相外延(liquid phaseepitaxy, LPE)技术生长出了截止波长8 ii m以上的InAsSb外延层，外延层的厚度均小于10 u m。由于这些薄的外延层严重地受到大的晶格失配的影响，导致在这些薄膜中观察到的位错密度高达IO7CnT2量级，严重地影响了探测器的最终性能。用熔体外延(melt epitaxy,ME)技术制备的InAshSbx厚膜，外延层的厚度可以达到100 y m,但是由于材料的组份X≥0.95,导致InAsatl5Sba95材料的截止波长< lliim。目前还没有一种位错密度低、制备工艺成熟、截止波长达到12.5 ii m的长波铟砷锑材料。
【发明内容】
[0004]本发明正是针对以上技术，提供一种位错密度低、制备工艺成熟、截止波长覆盖8-12 ii m波段的长波铟砷铺材料及其生长方法。
[0005]为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为:
[0006]一种长波铟砷锑材料，按以下化学式组成:InASl_xSbx，其特征在于组份X满足以下条件:0.60 ≤ X ≤ 0.90，外延层的厚度为40-200 iim。
[0007]按以上材料组份生长的铟砷锑材料，截止波长达到Ilum以上。InAsSb的室温俄歇复合系数较低，因此在研制室温工作的红外光子探测器方面很有优势；而且其共价键结合力较强，因此具有较好的机械强度和化学稳定性。
[0008]本发明还提供一种制备上述长波铟砷锑材料的专用滑动舟，包括底板、滑块、推杆、原料井、空井、井盖、衬底槽，其特征在于原料井、空井设置在滑块前部，原料井、空井为贯通的中空结构，滑块的尾部为平底的压块，原料井、空井上设置井盖，滑块后端连接推杆，滑块放置在底板上并可以在底板上移动，底板上设置有衬底槽，滑块尾部的压块与底板接触部分大于衬底槽横截面。[0009]本发明还提供前述长波铟砷锑材料的生长方法，主要包括以下步骤:
[0010]一、生长准备，把滑块放置在底板上，打开原料井的井盖，然后将InASl_xSbx的原料放入原料井中，将衬底(基板)放入底板上的衬底槽内，把空井放置在衬底槽的上方；
[0011]二、原料溶化，将滑动舟放入液相外延系统，在680°C下停留I小时，使InAShSbx的原料溶化成生长熔液，然后，使系统的温度以1°C /分钟的降温速率下降至生长温度510。。；
[0012]三、充填，通过推杆推动滑块，使原料井位于衬底槽上方,使InASl_xSbx的生长熔液与衬底接触，再通过推杆推动滑块，使原料井中的InASl_xSbx生长熔液残留部分在衬底的表面，并使原料井与衬底槽错开，滑块尾部的压块完全盖住衬底槽；
[0013]四、熔体外延生长，以0.5°C /分钟的降温速率降温10°C，使衬底上残留的InASl_xSbx生长熔液在滑块尾部的压块下降温结晶，即可生长出长波铟砷锑材料。
[0014]在上述长波铟砷锑材料的生长方法中，衬底材料为砷化铟(InAs)、砷化镓(GaAs)、锑化镓(GaSb)、磷化铟(InP)中的一种。
[0015]由于InASl_xSbx生长熔液的结晶过程在滑块后端的压制下进行，因此抑制了熔液的自由膨胀，外延层的厚度取决于衬底材料的厚度与衬底槽的深度之差，外延层的厚度可以达到40?200 Pm。经扫描电子显微镜(SEM，S-4700)检测，本发明所述方法生长的InASl_xSbx外延层的厚度达到235 iim，此厚度足以消除外延层与衬底之间晶格失配的影响，使外延层中的位错密度(IO4CnT2量级)明显低于用常规技术生长的InASl_xSbx材料的位错密度(IO7?IOW2量级)。
[0016]用傅里叶变换红外仪(FTIR，Nicolet Nexus670)测量的InAs1Jbx材料的透射光谱，见图2。本发明的组份X = 0.90时(曲线a),截止波长达到12.5 ii m。而过去的组份x=0.95时(曲线b),截止波长仅为10.5 u m,无法达到前述的截止波长指标。
[0017]用范德华法(Van der Pauw)测量了 InAShSbx外延层的电学性质,在电学测量之前，通过磨、抛，彻底去除了 InAs衬底。测量出外延层的室温电子迁移率>5X IO4Cm2 /Vs,由于室温下载流子的输运主要受晶格散射支配，因此较高的电子迁移率指示材料具有较好的晶格完整性，这可能得益于外延层的厚度达到200 ym，此厚度降低了外延层中的位错密度，改善了材料的晶体质量。而不用本发明，InASl_xSbx外延层的室温电子迁移率<4X IO4Cm2 / Vs，无法达到前述的电学指标。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]附图中，图1是本发明专用生产设备滑动舟的示意图，其中:
[0019]1-底板，2-滑块，3-推杆，4-原料井，5-空井，6-井盖，7_衬底槽。
[0020]图2是本发明的InAsaitlSba9tl (a)及InAsatl5Sba95 (b)材料的傅里叶变换红外透射光谱，其中，横轴为红外透射光波长，单位为微米，纵轴为透过率。
【具体实施方式】
[0021]下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
[0022]实施例1:
[0023]一、生产准备，通过推杆3移动滑动舟的滑块2，使滑动舟的空井5与衬底槽7对齐，打开原料井4的井盖6，然后将InAsa35Sba65生产原料放入滑动舟的原料井4中，将将衬底(基板)放入底板I上的衬底槽7内；
[0024]二、原料溶化，将滑动舟放入液相外延系统，在680 °C下停留I小时，使InAsa35Sba65的原料溶化成生长熔液，然后，使系统的温度以1°C /分的降温速率下降至生长温度510°C ;
[0025]三、充填，通过推杆3推动滑块2，使原料井4位于衬底槽7上方，使InAsa 35SbQ 65的生长熔液与衬底接触，再通过推杆3推动滑块2，使原料井4中的生长熔液残留部分在衬底的表面，并使原料井4与衬底槽7错开，滑块2尾部的压块完全盖住衬底槽7 ；
[0026]四、熔体外延生长，以0.50C /分钟的降温速率降温10°C，使衬底槽7上残留的InAsa35Sba65生长熔液在滑块2尾部的压块下降温结晶，即可生长出长波铟砷锑材料。
[0027]实施例2
[0028]一、生产准备，通过推杆3移动滑动舟的滑块2，使滑动舟的空井5与衬底槽7对齐，打开原料井4的井盖6，然后将InAsaitlSba9tl生产原料放入滑动舟的原料井4中，将将衬底(基板)放入底板I上的衬底槽7内；
[0029]二、原料溶化，将滑动舟放入液相外延系统，在680 °C下停留I小时，使InAsaitlSba9tl的原料溶化成生长熔液，然后，使系统的温度以1°C /分的降温速率下降至生长温度510°C ; [0030]三、充填，通过推杆3推动滑块2，使原料井4位于衬底槽7上方，使InAsa lSbtl 9tl的生长熔液与衬底接触，再通过推杆3推动滑块2，使原料井4中的生长熔液残留部分在衬底的表面，并使原料井4与衬底槽7错开，滑块2尾部的压块完全盖住衬底槽7 ；
[0031]四、熔体外延生长，以0.50C /分钟的降温速率降温10°C，使衬底槽7上残留的InAsaitlSba9tl生长熔液在滑块2尾部的压块下降温结晶，即可生长出长波铟砷锑材料。
【权利要求】
1.一种长波铟砷锑材料，按以下化学式组成:InASl_xSbx，其特征在于组份X满足以下条件:0.60 ≤X ≤0.90，外延层的厚度为40?200 iim。
2.一种制备上述长波铟砷锑材料的专用滑动舟，包括底板、滑块、推杆、原料井、空井、井盖、衬底槽，其特征在于原料井、空井设置在滑块前部，原料井、空井为贯通的中空结构，滑块的尾部为平底的压块，原料井、空井上设置井盖，滑块后端连接推杆，滑块放置在底板上并可以在底板上移动，底板上设置有衬底槽，滑块尾部的压块与底板接触部分大于衬底槽横截面。
3.一种长波铟砷锑材料的生长方法，主要包括以下步骤: 一、生长准备，把滑块放置在底板上，打开原料井的井盖，然后将InASl_xSbx的原料放入原料井中，将衬底(基板)放入底板上的衬底槽内，把空井放置在衬底槽的上方； 二、原料溶化，将滑动舟放入液相外延系统，在680°C下停留I小时，使InASl_xSbx的原料溶化成生长熔液，然后，使系统的温度以1°C /分钟的降温速率下降至生长温度510°C ； 三、充填，通过推杆推动滑块，使原料井位于衬底槽上方，使InASl_xSbx的生长熔液与衬底接触，再通过推杆推动滑块，使原料井中的InASl_xSbx生长熔液残留部分在衬底的表面，并使原料井与衬底槽错开，滑块尾部的压块完全盖住衬底槽； 四、熔体外延生长，以0.5°C /分钟的降温速率降温10°C，使衬底上残留的长熔液在滑块尾部的压块下降温结晶，即可生长出长波铟砷锑材料。
4.根据权利要求 3所述一种长波铟砷锑材料的生长方法，其特征在于所述衬底材料为砷化铟(InAs)、砷化镓(GaAs)、锑化镓(GaSb)、磷化铟(InP)中的一种。
5.一种长波铟砷锑材料的后处理过程，其特征在于生长后的铟砷锑样品通过使用三氧化二铝(Al2O3)粉末研磨、抛光，即可获得具有镜面光滑、平整的表面的长波铟砷锑材料。
【文档编号】C30B29/52GK103436964SQ201310397546
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2013年9月4日
【发明者】高玉竹 申请人:高玉竹