CN101576413B - GaAs基InAs/GaSb超晶格近红外光电探测器及其制作方法 - Google Patents
GaAs基InAs/GaSb超晶格近红外光电探测器及其制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段红外光电探测器，该红外光电探测器由自下而上的GaAs衬底、GaAs缓冲层、AlSb成核层、GaSb下缓冲层、AlSb/GaSb超晶格层、GaSb上缓冲层、InAs/GaSb超晶格层、GaSb盖层和钛金合金电极构成。本发明同时公开了一种GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段红外光电探测器的制作方法。利用本发明，在GaAs衬底上生长出了高质量的GaSb缓冲层，并在该GaSb缓冲层上生长出了InAs/GaSb超晶格，进而能够制作出暗电流低，成本低廉的红外探测器。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术中红外光电探测器领域，尤其涉及一种GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段红外光电探测器及其制作方法。
背景技术
随着科学技术的进步，以军用为核心的红外探测器逐渐发展起来，目前在战略预警、战术报警、夜视、制导、通讯、气象、地球资源探测、工业探伤、医学、光谱、测温、大气监测等军用和民用领域都有广泛的应用。
但是，目前最常用的硅掺杂探测器、InSb、QWIP、MCT等红外探测器，都要求在低温下工作，需要专门的制冷设备，造价昂贵，因而应用受到限制。而InAs/GaSb红外探测器由于其材料的特殊性，例如：电子和空穴高的有效质量可有效的减少遂穿电流，提高态密度；重空穴带和轻空穴带较大的能量差能减小俄歇复合，提高载流子寿命等，是目前最有可能实现室温工作的第三代红外探测器。
虽然InAs/GaSb超晶格生长在与之相匹配的GaSb衬底上能获得较少的缺陷密度，但GaSb衬底有着价格昂贵、无半绝缘衬底、难以与读出电路集成等一系列缺点，因而在便宜的GaAs衬底上生长出高质量的GaSb缓冲层后再生长InAs/GaSb超晶格制作红外探测器有着广阔的应用前景。
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GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段红外光电探测器及其制作方法，以在GaAs衬底上生长出高质量的GaSb缓冲层，并再生长出InAs/GaSb超晶格，进而制作出暗电流低，成本低廉的红外探测器。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段红外光电探测器，该红外光电探测器由自下而上的GaAs衬底、GaAs缓冲层、AlSb成核层、GaSb下缓冲层、AlSb/GaSb超晶格层、GaSb上缓冲层、InAs/GaSb超晶格层、GaSb盖层和钛金合金电极构成，其中所述AlSb成核层的厚度为5nm。
优选地，所述GaAs缓冲层的厚度为200nm至500nm，所述GaSb下缓冲层的厚度为500至1000nm，所述GaSb上缓冲层的厚度为500至1000nm，所述GaSb盖层的厚度为20至200nm，所述钛金合金电极的厚度为200nm。
优选地，所述AlSb/GaSb超晶格层是由交替生长的20至40个周期的AlSb势垒层/GaSb势阱层构成，其中每层AlSb的厚度为5nm，GaSb的厚度为5nm。
优选地，所述InAs/GaSb超晶格层是由交替生长的不少于300个周期或厚度为1微米的InAs层/GaSb层构成，其中每层GaSb的厚度为2.4nm，每层InAs厚度由探测波长决定。
优选地，所述InAs/GaSb超晶格层生长过程中，每周期快门的开关顺序依次为：开Sb、开In、同时开In和As、开As、开Sb、同时开Ga和Sb。
一种制作GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段红外光电探测器的方法，该方法包括：
将GaAs衬底放在分子束外延设备样品架上，脱氧，然后将衬底升温，在As保护下除气；
生长GaAs缓冲层；
降低衬底温度，依次生长厚度为5nm的AlSb成核层、GaSb下缓冲层、AlSb/GaSb超晶格层和GaSb上缓冲层；
降低衬底温度，依次生长InAs/GaSb超晶格层和GaSb盖层；
制备好的外延片采用标准光刻技术及酒石酸溶液刻蚀，然后溅射钛金合金制作电极从而制作成探测器。
优选地，所述将GaAs衬底放在分子束外延设备样品架上，脱氧，然后将衬底升温，在As保护下除气的步骤具体包括：将半绝缘GaAs衬底放在分子束外延设备样品架上，在580℃脱氧，然后将衬底升至630℃在As保护下除气3分钟。
优选地，所述生长GaAs缓冲层的步骤是在580℃温度下进行。
优选地，所述降低衬底温度，依次生长AlSb成核层、GaSb下缓冲层、AlSb/GaSb超晶格层和GaSb上缓冲层的步骤，是将衬底温度降至500℃。
优选地，所述降低衬底温度，依次生长InAs/GaSb超晶格层和GaSb盖层的步骤，是将衬底温度降至380至420℃。
(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，在GaAs衬底上生长出了高质量的GaSb缓冲层，并在该GaSb缓冲层上生长出了InAs/GaSb超晶格，进而能够制作出暗电流低，成本低廉的红外探测器。
2、本发明提供的这种红外光电探测器，是基于InAs/GaSb超晶格结构的特殊性，可对探测器的暗电流显著抑制而光电流增强，从而实现对探测器探测率提高。
3、本发明提供的这种红外光电探测器，可通过改变InAs/GaSb超晶格中InAs层的厚度来制作不同探测波长的红外探测器。
4、本发明提供的这种红外光电探测器，基于InAs/GaSb超晶格结构的特殊性，可对探测器的暗电流显著抑制而光电流增强，从而实现对探测器探测率的提高。
附图说明
图1是本发明提供的InAs/GaSb超晶格红外光电探测器的结构示意图；
图2是本发明提供的制作InAs/GaSb超晶格红外光电探测器的方法流程图；
图3是InAs/GaSb超晶格每周期的生长过程示意图；
图4是77K温度下截止波长为2.2μm、室温下截止截至波长为2.5μm的InAs/GaSb红外探测器的光谱响应图。
具体实施方式
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。
下面以室温下截止探测波长在2.5μm附近的InAs/GaSb红外探测器为例，结合附图对本发明的的具体实施方式作进一步的详细说明：
如图1所示，图1是本发明提供的InAs/GaSb超晶格红外光电探测器的结构示意图，该红外光电探测器由自下而上的GaAs衬底、GaAs缓冲层、AlSb成核层、GaSb下缓冲层、AlSb/GaSb超晶格层、GaSb上缓冲层、InAs/GaSb超晶格层、GaSb盖层和钛金合金电极构成。
上述GaAs缓冲层的厚度为200nm至500nm，所述AlSb成核层的厚度为5nm，所述GaSb下缓冲层的厚度为500至1000nm，所述GaSb上缓冲层的厚度为500至1000nm，所述GaSb盖层的厚度为20至200nm，所述钛金合金电极的厚度为200nm。
上述AlSb/GaSb超晶格层是由交替生长的20至40个周期的AlSb势垒层/GaSb势阱层构成，其中每层AlSb的厚度为5nm，GaSb的厚度为5nm。
上述InAs/GaSb超晶格层是由交替生长的不少于300个周期或1微米的InAs层/GaSb层构成，其中每层GaSb的厚度为2.4nm，每层InAs厚度由探测波长决定。
上述InAs/GaSb超晶格层生长过程中，每周期快门的开关顺序依次为：开Sb、开In、同时开In和As、开As、开Sb、同时开Ga和Sb。
本发明所述的制作GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段红外光电探测器的方法，是用分子束外延技术在GaAs衬底上先生长出高质量的缓冲层，后制备1至3μm探测波段的InAs/GaSb超晶格外延片，再利用该外延片制造红外光电导探测器。首先，采用分子束外延方法在GaAs衬底(1)上依次生长GaAs缓冲层(2)、AlSb成核层(3)、GaSb下缓冲层(4)、AlSb/GaSb超晶格层(5)、GaSb上缓冲层(6)、InAs/GaSb超晶格层(7)、GaSb盖层(8)，然后在外延片上制作电极制造成光电探测器。具体地，如图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤1、将半绝缘GaAs衬底放在分子束外延设备样品架上，在580℃脱氧，然后将衬底升至630℃在As保护下除气3分钟；
步骤2、在580℃温度下生长GaAs缓冲层；
步骤3、将衬底温度降至500℃依次生长AlSb层、GaSb下缓冲层、AlSb/GaSb超晶格层、以及GaSb上缓冲层；
步骤4、将衬底温度降至380至420℃生长InAs/GaSb超晶格及GaSb盖层；
步骤5、制备好的外延片采用标准光刻技术及酒石酸溶液刻蚀，然后溅射钛金合金制作电极从而制作成探测器。
所述InAs/GaSb超晶格层(7)由200个周期或1微米交替排列的InAs层和GaSb层组成。每个周期中InAs层厚度为0.6nm；每个周期中GaSb层厚度为2.4nm；每个周期的生长方法如图3所示，先开Sb快门4秒，再开In快门2秒，然后同时开In和As快门24秒；此后只开As快门5秒，再开Sb快门4秒，最后同时开Ga和Sb快门16秒。
InAs的生长速度为0.081ML/s，GaSb的生长速度为0.5ML/s。
图4示出了77K温度下截止波长为2.2μm、室温下截止截至波长为2.5μm的InAs/GaSb红外探测器的光谱响应图。
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。
Claims (10)
1.一种GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段红外光电探测器，其特征在于，该红外光电探测器由自下而上的GaAs衬底、GaAs缓冲层、AlSb成核层、GaSb下缓冲层、AlSb/GaSb超晶格层、GaSb上缓冲层、InAs/GaSb超晶格层、GaSb盖层和钛金合金电极构成，其中所述AlSb成核层的厚度为5nm。
2.根据权利要求1所述的GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段红外光电探测器，其特征在于，所述GaAs缓冲层的厚度为200nm至500nm，所述GaSb下缓冲层的厚度为500至1000nm，所述GaSb上缓冲层的厚度为500至1000nm，所述GaSb盖层的厚度为20至200nm，所述钛金合金电极的厚度为200nm。
3.根据权利要求1所述的GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段红外光电探测器，其特征在于，所述AlSb/GaSb超晶格层是由交替生长的20至40个周期的AlSb势垒层/GaSb势阱层构成，其中每层AlSb的厚度为5nm，GaSb的厚度为5nm。
4.根据权利要求1所述的GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段红外光电探测器，其特征在于，所述InAs/GaSb超晶格层是由交替生长的不少于300个周期或厚度为1微米的InAs层/GaSb层构成，其中每层GaSb的厚度为2.4nm，每层InAs厚度由探测波长决定。
5.根据权利要求1所述的GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段红外光电探测器，其特征在于，所述InAs/GaSb超晶格层生长过程中，每周期快门的开关顺序依次为：开Sb、开In、同时开In和As、开As、开Sb、同时开Ga和Sb。
6.一种制作GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段红外光电探测器的方法，其特征在于，该方法包括：
将GaAs衬底放在分子束外延设备样品架上，脱氧，然后将衬底升温，在As保护下除气；
生长GaAs缓冲层；
降低衬底温度，依次生长厚度为5nm的AlSb成核层、GaSb下缓冲层、AlSb/GaSb超晶格层和GaSb上缓冲层；
降低衬底温度，依次生长InAs/GaSb超晶格层和GaSb盖层；
制备好的外延片采用标准光刻技术及酒石酸溶液刻蚀，然后溅射钛金合金制作电极从而制作成探测器。
7.根据权利要求6所述的制作GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段红外光电探测器的方法，其特征在于，所述将GaAs衬底放在分子束外延设备样品架上，脱氧，然后将衬底升温，在As保护下除气的步骤具体包括：
将半绝缘GaAs衬底放在分子束外延设备样品架上，在580℃脱氧，然后将衬底升至630℃在As保护下除气3分钟。
8.根据权利要求6所述的制作GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段红外光电探测器的方法，其特征在于，所述生长GaAs缓冲层的步骤是在580℃温度下进行。
9.根据权利要求6所述的制作GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段红外光电探测器的方法，其特征在于，所述降低衬底温度，依次生长AlSb成核层、GaSb下缓冲层、AlSb/GaSb超晶格层和GaSb上缓冲层的步骤，是将衬底温度降至500℃。
10.根据权利要求6所述的制作GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段红外光电探测器的方法，其特征在于，所述降低衬底温度，依次生长InAs/GaSb超晶格层和GaSb盖层的步骤，是将衬底温度降至380至420℃。
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