專利名稱：Ⅱ類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料的外延生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體紅外光電探測器材料生長技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種InAs/feSb II 類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料的外延生長方法。
背景技術(shù)：
紅外探測器在預(yù)警、夜視、導(dǎo)彈探測、測溫、氣體探測、氣象、大氣監(jiān)測、醫(yī)學(xué)等軍事和民事領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在中波波段傳統(tǒng)的碲鎘汞探測器(MCT)有優(yōu)異的探測性能， 已經(jīng)非常成熟，但隨著波長變長，其材料難度急劇增加，在長波甚長波波段遇到挑戰(zhàn)。量子阱紅外探測器(QWIP)雖然可以實現(xiàn)窄光譜的探測，但QWIP是子帶間躍遷，其量子效率較低；另外，QWIP不能吸收正入射的光，需要在器件表面制作復(fù)雜的光柵，工藝難度大；而且QWIP中電子的壽命短，探測率低。在長波、甚長波波段，如要求較高的探測率，就需要使用復(fù)雜昂貴的制冷設(shè)備，來獲得比較低的工作溫度。而銻化物II類超晶格材料能帶結(jié)構(gòu)中，一種材料的導(dǎo)帶能級比另一種材料的價帶能級還低，使InAs/feSb II類超晶格探測器，具很多優(yōu)點(diǎn)帶間躍遷，量子效率高；截止波長通過改變超晶格的周期厚度可在3-30 μ m范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；通過調(diào)節(jié)應(yīng)變及能帶結(jié)構(gòu)，能使輕重空穴分離，降低俄歇復(fù)合具有暗電流低、工作溫度高等，目前中波InAs/feSb II類超晶格探測器已經(jīng)表現(xiàn)出與碲鎘汞紅外探測分庭抗禮的局面，在長波及甚長波更具有優(yōu)勢。但是，InAs/GaSb II類超晶格探測器是寬光譜探測器，在許多情況，如導(dǎo)彈探測、 瓦斯探測等需要特定波長探測時，需要窄光譜探測，從而降低虛警率。而常規(guī)做法是在 InAs/GaSb II類超晶格探測器前加分束器、濾光器，濾光器輪、精密的光學(xué)校準(zhǔn)調(diào)節(jié)等設(shè)備才能實現(xiàn)窄光譜探測。增加了成本、探測器的重量、功耗還降低了探測器的效率。如果在InAs/feSb II類超晶格探測器器件結(jié)構(gòu)設(shè)計上使其成為窄光譜探測并實現(xiàn)材料的外延生長，就能從根本上實現(xiàn)窄光譜探測，從而避免用外加設(shè)備通過濾波的方式來達(dá)到窄光譜探測。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種InAs/feSb II類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料的外延生長方法，以制作出探測窄光譜的InAs/feSb II類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種InAs/feSb II類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料的外延生長方法，包括步驟1 選擇一襯底，作為外延層的承載體；步驟2 在該襯底上外延生長緩沖層；
步驟3 降溫，在該緩沖層上外延生長ρ型摻雜的InAs/feSb II類超晶格層；步驟4 在該ρ型摻雜的InAs/fe^b II類超晶格層上外延生長本征InAs/fe^b II 類超晶格吸收層；步驟5 在該本征InAs/feiSb II類超晶格吸收層上外延生長η型摻雜的InAs/ GaSb II類超晶格層；步驟6 在該η型摻雜的InAs/feiSb II類超晶格層上外延生長η型摻雜的InAs蓋層，完成InAs/feSb II類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料的外延生長。上述方案中，所述外延生長方法包括分子束外延法和金屬有機(jī)化學(xué)沉積法。上述方案中，步驟1中所述襯底為銻化鎵襯底。步驟2中所述緩沖層是Be摻雜的 P型銻化鎵緩沖層，生長溫度為500°c。步驟3中所述降溫是將襯底溫度由500°C降到370 至380°C，所述ρ型摻雜的hAs/GaSb II類超晶格層、本征InAs/feSb II類超晶格吸收層、η 型摻雜的InAsAiaSb II類超晶格層三者的生長溫度均在370至380°C。上述方案中，所述ρ型摻雜的InAs/feiSb II類超晶格層和所述η型摻雜的InAs/ GaSb II類超晶格層的50%截止吸收波長均小于所述本征InAs/feSb II類超晶格吸收層的 50%截止吸收波長。所述ρ型摻雜的InAs/feSb II類超晶格層和所述η型摻雜的InAs/ GaSb II類超晶格層的界面類型均采用GaAs和MSb混合界面，所述本征InAs/feiSb II類超晶格吸收層的界面類型采用hSb界面。所述η型摻雜的InAs蓋層的厚度為10-20nm。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、利用本發(fā)明，由于選用與超晶格材料晶格常數(shù)比較接近的feiSb襯底，所以有利于外延生長緩沖層和超晶格。并且生長出的緩沖層和超晶格具有很高的晶體質(zhì)量。2、利用本發(fā)明，由于ρ型和η型超晶格的50%截止吸收波長均小于所述本征超晶格的50%截止吸收波長，所以ρ和η型超晶格其對應(yīng)的帶階比本征區(qū)超晶格帶階大，這有利于減小器件的暗電流，相應(yīng)的提高器件的性能。3、利用本發(fā)明，由于本征區(qū)的超晶格采用hSb界面，通過我們的實驗發(fā)現(xiàn)hSb界面超晶格探測器的量子效率比混合界面的量子效率高1. 3倍左右，所以本發(fā)明的所采用的超晶格結(jié)構(gòu)能提高探測器的量子效率。4、利用本發(fā)明，由于ρ型和η型超晶格的50%截止吸收波長均小于所述本征超晶格的50%截止吸收波長，所以ρ和η型超晶格會吸收掉其50%截止吸收波長以下的輻射光，從而作為本征區(qū)超晶格探測光譜的低通濾波器，使其本征區(qū)探測光譜由寬光譜變?yōu)檎瓗Ч庾V。從器件本身上實現(xiàn)窄光譜探測，從而避免用外加設(shè)備通過濾波的方式來達(dá)到窄光譜探測。從而滿足在許多情況，如導(dǎo)彈探測、瓦斯探測等需要特定波長探測時，需要窄光譜探測的需求，并能降低虛警率。并且可以不用在InAs/feSb II類超晶格探測器前加分束器、 濾光器，濾光器輪、精密的光學(xué)校準(zhǔn)調(diào)節(jié)等設(shè)備就能實現(xiàn)窄光譜探測。從而降低了成本、探測器的重量及功耗。5、利用本發(fā)明，由于此發(fā)明ρ，η區(qū)和本征區(qū)的吸收波長可以從短波到甚長波調(diào)節(jié)所以本發(fā)明使InAs/feSb II類超晶格探測器由寬光譜響應(yīng)形成窄光譜響應(yīng)的設(shè)計及其生長方法可以適用于短波、中波、長波、甚長波范圍。


為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合實例及附圖詳細(xì)說明，其中圖1是依照本發(fā)明實施例外延生長InAs/feSb II類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料的方法流程圖；圖2是圖1中ρ，η區(qū)各源快門的開關(guān)順序示意圖；圖3是圖1中本征區(qū)各源快門的開關(guān)順序示意圖；圖4是基于圖1外延生長的InAs/feSb II類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料制作的InAs/feSb II類超晶格窄光譜紅外光電探測器單管器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是基于圖1外延生長的InAs/feSb II類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料制作的InAs/feSb II類超晶格窄光譜紅外光電探測器單管器件的光響應(yīng)譜示意圖。在圖4中，1為(iaSb襯底，2為ρ型摻雜的feiSb緩沖層，3為ρ型超晶格層，4為本征超晶格層，5為η型超晶格層，6為InAs上歐姆接觸層，7為上金屬電極，8為下金屬電極。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示，圖1是依照本發(fā)明實施例外延生長InAs/feiSb II類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料的方法流程圖，以長波紅外探測器為例以說明該方法，具體步驟如下步驟1 選擇一晶向為(001)的(iaSb襯底1，烘烤后在Sb氣氛下525°C脫氧10_20 分鐘，除去feiSb襯底1表面上的氧化物，作為外延層的承載體。步驟2 降低feiSb襯底1溫度為500°C，在feiSb襯底1上通過外延生長厚度為 0.5μπι至Ιμπι的ρ型(iaSb緩沖層2，作為襯底與外延層間的緩沖層。ρ型feiSb緩沖層2 的生長溫度為500°C，用鈹進(jìn)行摻雜，摻雜濃度為2 X IO18Cm3,使其能作為器件的下歐姆接觸層，用于加偏壓及傳導(dǎo)電流。步驟3 將feiSb襯底溫度降到370至380°C，生長ρ型InAs/feiSb II類超晶格層3， 其包含不少于100周期交替生長的InAs層和(iaSb層，并在feiSb層中用Be進(jìn)行ρ型摻雜。 所述P型摻雜區(qū)不少于100周期或厚度為0. 5-1 μ m的InAs/feSb II類超晶格，每個周期中 InAs層厚度為24A，GaSb層厚度為24人，InAs層和(iaSb層的厚度由需要的波長決定，其生長順序為InAs層AnSb界面層/feiSb層/As-soak組成的交替生長。ρ型InAs/feiSb II類超晶格層3的50%截止吸收波長為5 μ m,其界面類型采用GaAs和MSb混合界面，每個周期的生長方法如圖2所示，先同時打開Ga，Sb源的快門16秒；再關(guān)閉Ga，Sb源的快門同時打開As的快門3秒；然后打開^！源的快門21秒；此后中斷所有的快門3秒；最后打開In， Sb的快門0. 5秒。步驟4 生長本征InAs/feiSb II類超晶格吸收層4，其包含300周期交替生長的 InAs層和(iaSb層，每個周期中InAs層厚度為39人，GaSb層厚度為26人。所述本征InAs/ GaSb II類超晶格吸收層為大于或等于300個周期或者厚度為2μπι至2. 5μπι的InAs/ GaSb II類超晶格，InAs層和feiSb層的厚度由需要的波長決定，其生長順序為InAs層/InSb 界面層AaSb層/InSb界面層交替生長而成。本征InAs/feiSb II類超晶格吸收層4的50% 截止吸收波長為9. 6 μ m，其界面類型采用^Sb界面，每個周期的生長方法如圖3所示，先同時打開( ，Sb源的快門17秒；再關(guān)閉( 源的快門同時打開h的快門0. 5秒；然后關(guān)閉h 源快門ls，然后關(guān)閉Sb源快門0. 5秒，然后同時打開h和As源的快門34秒，中斷所有的快門0. 5秒；打開Sb源1秒，最后打開In，Sb的快門0. 5秒。步驟5 生長η型InAs/feiSb II類超晶格層5，其包含100周期交替生長的InAs層和(iaSb層，并在InAs層中用Si進(jìn)行η型摻雜，摻雜濃度為2 X IO18Cm30每個周期中InAs層厚度為24Α，GaSb層厚度為24Α。所述η型摻雜的InAs/feSb II類超晶格為大于或等于100 個周期(或者厚度為0. 5-1 μ m)，其生長順序為InAs層/InSb界面層AiaSb層/As-soak組成的交替生長。該層設(shè)計作為吸收7. 7 μ m以下波段的吸收層，使寬光譜形成窄光譜，并且起到降低暗電流的作用。η型InAs/feSb II類超晶格層5的界面類型采用GaAs和hSb混合界面，每個周期的生長方法如圖2所示，先同時打開( ，Sb源的快門16秒；再關(guān)閉( ，Sb 源的快門同時打開As的快門3秒；然后打開^！源的快門21秒；此后中斷所有的快門3秒； 最后打開h，Sb的快門0.5秒。步驟6 生長厚度為10-20nm的InAs蓋層，使用Si進(jìn)行η型摻雜，摻雜濃度為 2 X IO18Cm3形成InAs上歐姆接觸層6，給探測器加偏壓及傳導(dǎo)電流，完成InAs/feSb II類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料的外延生長。表1示出了依照圖1所示方法生長的InAs/feSb II類超晶格窄光譜紅外光電探測
器材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
權(quán)利要求
1.一種InAs/feSb II類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料的外延生長方法，其特征在于，包括步驟1 選擇一襯底，作為外延層的承載體；步驟2 在該襯底上外延生長緩沖層；步驟3 降溫，在該緩沖層上外延生長ρ型摻雜的InAs/feSb II類超晶格層；步驟4 在該ρ型摻雜的InAs/feiSb II類超晶格層上外延生長本征InAs/feiSb II類超晶格吸收層；步驟5 在該本征InAs/feiSb II類超晶格吸收層上外延生長η型摻雜的InAs/feiSb II 類超晶格層；步驟6 在該η型摻雜的InAs/feSb II類超晶格層上外延生長η型摻雜的InAs蓋層， 完成InAs/feSb II類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料的外延生長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的InAs/feSbII類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料的外延生長方法，其特征在于，所述外延生長方法包括分子束外延法和金屬有機(jī)化學(xué)沉積法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的InAs/feSbII類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料的外延生長方法，其特征在于，步驟1中所述襯底為銻化鎵襯底。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的InAs/feSbII類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料的外延生長方法，其特征在于，步驟2中所述緩沖層是Be摻雜的ρ型銻化鎵緩沖層，生長溫度為 500 "C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的InAs/feSbII類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料的外延生長方法，其特征在于，步驟3中所述降溫是將襯底溫度由500°C降到370至380°C，所述ρ 型摻雜的InAsAiaSb II類超晶格層、本征InAs/feiSb II類超晶格吸收層、η型摻雜的InAs/ GaSb II類超晶格層三者的生長溫度均在370至380°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的InAs/feSbII類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料的外延生長方法，其特征在于，所述P型摻雜的InAs/feSb II類超晶格層和所述η型摻雜的InAs/ GaSb II類超晶格層的50%截止吸收波長均小于所述本征InAs/feSb II類超晶格吸收層的 50%截止吸收波長。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的InAs/feSbII類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料的外延生長方法，其特征在于，所述P型摻雜的InAs/feSb II類超晶格層和所述η型摻雜的InAs/ GaSb II類超晶格層的界面類型均采用GaAs和MSb混合界面，所述本征InAs/feiSb II類超晶格吸收層的界面類型采用^Sb界面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的InAs/feSbII類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料的外延生長方法，其特征在于，所述η型摻雜的InAs蓋層的厚度為10-20nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種InAs/GaSbⅡ類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料的外延生長方法，包括選擇一襯底，作為外延層的承載體；在該襯底上外延生長緩沖層；降溫，在該緩沖層上外延生長p型摻雜的InAs/GaSb Ⅱ類超晶格層；在該p型摻雜的InAs/GaSbⅡ類超晶格層上外延生長本征InAs/GaSbⅡ類超晶格吸收層；在該本征InAs/GaSbⅡ類超晶格吸收層上外延生長n型摻雜的InAs/GaSbⅡ類超晶格層；在該n型摻雜的InAs/GaSbⅡ類超晶格層上外延生長n型摻雜的InAs蓋層，完成InAs/GaSbⅡ類超晶格窄光譜紅外光電探測器材料的外延生長。
文檔編號C30B25/18GK102534764SQ201210037639
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月17日
發(fā)明者張艷華, 曹玉蓮, 馬文全 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所