CN103208565B - 双色红外探测器材料及其制备方法 - Google Patents

双色红外探测器材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双色红外探测器材料及其制备方法，包括：对锑化铟晶体进行预处理，所述锑化铟为InSb，得到外延级的InSb衬底；根据响应波长范围设定铟铝锑中的Al组分的参数，所述铟铝锑为InAlSb，并在外延级的InSb衬底上依次进行InAlSb的下电极层、吸收层、势垒层、中电极层、吸收层、上电极层的生长，其中，生长温度为400-450℃，Sb/(In+Al)束流比设定为1.2-10。本发明的双色红外探测器材料能够实现对两种不同的波长范围同时进行探测，大大减少了环境对双色红外探测器的探测限制，并提高了探测效果。

Description

双色红外探测器材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料领域，尤其涉及一种双色红外探测器材料及其制备方法。
背景技术
红外探测器由于其优异的性能已经广泛应用于预警卫星、导弹探测、激光雷达、通信、夜视和红外成像等方面，但是随着现有的红外探测器的不断发展，红外隐身技术也在不断提高，通过使在特定波段上目标与环境背景具有相似的发射率，从而导致红外目标对比度的下降，难以识别，所以目前的双色红外探测器材料还有待进一步提高。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种双色红外探测器材料及其制备方法，用以进一步提高双色红外探测器材料的分辨率。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种双色红外探测器材料的制备方法，包括：
对锑化铟晶体进行预处理，所述锑化铟为InSb，得到外延级的InSb衬底；
根据响应波长设定铟铝锑中的Al组分的参数，所述铟铝锑为InAlSb，并在外延级的InSb衬底上依次进行InAlSb的下电极层、吸收层、势垒层、中电极层、吸收层和上电极层的生长，其中，生长温度为400-450℃，Sb/(In+Al)束流比设定为1.2-10。
优选地，所述响应波长包括中波1波段和中波2波段，所述中波1波段对应的波长范围为3.4～4.0μm，所述中波2波段对应的波长范围为4.4～5.0μm。
优选地，根据响应波长设定InAlSb中的Al组分的参数，并在外延级的InSb衬底上依次进行InAlSb的下电极层、吸收层、势垒层、中电极层、吸收层和上电极层生长的步骤包括如下：
设InAlSb的公式为In1-xAlxSb，在外延级的InSb衬底上生长一层0.1～0.5μm厚的缓冲层InSb；
在缓冲层InSb进行所述中波1波段对应的膜层生长，所述中波1波段对应的膜层包括In1-x1Alx1Sb下电极层和In1-x1Alx1Sb吸收层；
所述中波1波段对应的膜层生长完后，进行In1-x3Alx3Sb势垒层生长；
最后进行所述中波2波段对应的膜层生长，所述中波2波段对应的膜层包括In1-x2Alx2Sb中电极层、In1-x2Alx2Sb吸收层和In1-x2Alx2Sb上电极层；
根据EgIn1-xAlxSb=EgInSb×（1+10x）和Eg=1.24/λc，计算出In1-xAlxSb在InSb探测器的工作温度为80K对应禁带宽度EgInSb=0.23eV时，x1的范围为0.0348～0.0586，x2的范围为0.0078～0.0225，x3的范围为0.1～0.4。
优选地，所述In1-x1Alx1Sb下电极层生长的厚度为0.5-3μm，n型掺杂浓度在2×1017-6×1018cm-3cm-3；
所述In1-x1Alx1Sb吸收层生长的厚度0.5-6μm，不掺杂，浓度控制在2×1014-5×1016cm-3；
所述In1-x3Alx3Sb势垒层生长的厚度为10-200nm，P型掺杂，掺杂浓度在2×1017-6×1018cm-3；
所述In1-x2Alx2Sb中电极层生长的厚度为0.7-1μm，P型掺杂，掺杂浓度在2×1017-6×1018cm-3；
所述In1-x2Alx2Sb吸收层生长的厚度2-4μm，不掺杂，浓度控制在2×1014-5×1016cm-3量级；
所述In1-x2Alx2Sb上电极层生长的厚度为1-3μm，n型掺杂，掺杂浓度在2×1017-6×1018cm-3。
优选地，对InSb晶体进行预处理，得到外延级的InSb衬底的步骤具体包括：
使用提拉法制备2inch的InSb晶体，并定向切制InSb晶片；
InSb（001）晶片经过粗磨后，进行割圆倒角，制备2inch的InSb衬底；
InSb衬底经过双面磨抛、Sb面精磨后，再经CP4液体处理1-10分钟，并用去离子冲洗干净，最后用干燥氮气吹干，制备成所述外延级的InSb衬底。
优选地，所述CP4液体的体积配比为：HNO3:HF:CH3COOH:去离子水=2:1:1:（5～20）。
优选地，对InSb晶体进行预处理，得到外延级的InSb衬底的步骤之后，在外延级的InSb衬底上依次进行InAlSb的下电极层、吸收层、势垒层、中电极层、吸收层、上电极层的生长的步骤之前，进一步包括：
将所述外延级的InSb衬底装入分子束外延系统的缓冲室内进行除气处理，所述除气处理的温度为300℃，除气时间为40-90min；
将除气处理后的InSb衬底转入生长室去除氧化层，去除氧化层的温度为450-500℃左右，去除时间为30-60min。
优选地，去除氧化层的过程中，当InSb衬底超过400℃后，通入Sb保护束流，Sb保护束流大小在10-6Torr量级，并对去除氧化的效果进行实时监测。
本发明还提供了一种双色红外探测器材料，该双色红外探测器材料为根据上述任一种方法制得到，所述双色红外探测器材料依次包括：InSb衬底、In1-x1Alx1Sb下电极层、In1-x1Alx1Sb吸收层、In1-x3Alx3Sb势垒层、In1-x2Alx2Sb中电极层、In1-x2Alx2Sb吸收层和In1-x2Alx2Sb上电极层。
优选地，所述In1-x1Alx1Sb下电极层生长的厚度为0.5-3μm，n型掺杂浓度在2×1017-6×1018cm-3cm-3；
所述In1-x1Alx1Sb吸收层生长的厚度0.5-6μm，不掺杂，浓度控制在2×1014-5×1016cm-3；
所述In1-x3Alx3Sb势垒层生长的厚度为10-200nm，P型掺杂，掺杂浓度在2×1017-6×1018cm-3；
所述In1-x2Alx2Sb中电极层生长的厚度为0.7-1μm，P型掺杂，掺杂浓度在2×1017-6×1018cm-3；
所述In1-x2Alx2Sb吸收层生长的厚度2-4μm，不掺杂，浓度控制在2×1014-5×1016cm-3量级；
所述In1-x2Alx2Sb上电极层生长的厚度为1-3μm，n型掺杂，掺杂浓度在2×1017-6×1018cm-3。
本发明有益效果如下：
本发明实施例提供的一种双色红外探测器材料及其制备方法，通过根据响应波长来设定InAlSb中的Al组分的参数，提高双色红外探测器材料的分辨率，从而使本发明的双色红外探测器材料能够实现对两种不同的波长范围同时进行探测，大大减少了环境对双色红外探测器的探测限制，并提高了探测效果。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明实施例的一种双色红外探测器材料的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例的一种双色红外探测器材料的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。为了清楚和简化目的，当其可能使本发明的主题模糊不清时，将省略本文所描述的器件中已知功能和结构的详细具体说明。
本发明实施例中的InSb为锑化铟，InAlSb为铟铝锑。
实施例1
本发明实施例提供了一种双色红外探测器材料的制备方法，如图1所示，该方法包括：
S101、根据响应波长设定InAlSb中的Al组分的参数；
所述响应波长包括中波1波段和中波2波段，所述中波1波段对应的波长范围为3.4～4.0μm，所述中波2波段对应的波长范围为4.4～5.0μm。
S102、对InSb晶体进行预处理，得到外延级的InSb衬底；
对InSb晶体进行预处理，得到外延级的InSb衬底的步骤具体包括：
使用提拉法制备2inch（英寸）的InSb晶体，对InSb晶体定向切制（001）晶面的InSb晶片；
InSb（001）晶片经过粗磨后，进行割圆倒角，制备2inch的InSb衬底；
InSb衬底经过双面磨抛、Sb面精磨后，再经CP4处理1-10分钟，并用去离子冲洗干净，最后用干燥氮气吹干，制备成所述外延级的InSb衬底。
所述CP4的体积配比为：HNO3:HF:CH3COOH:去离子水=2:1:1:（5～20）。
S103、将所述外延级的InSb衬底装入分子束外延系统的缓冲室内进行除气处理，所述除气处理的温度为300℃，除气时间为40-90min。
S104、将除气处理后的InSb衬底转入生长室去除氧化层，去除氧化层的温度为450-500℃左右，去除时间为30-60min。
去除氧化层的过程中，当衬底超过400℃后，通入Sb保护束流，Sb保护束流大小在10-6Torr量级，并通过高能电子衍射仪对去除氧化的效果进行实时监测。
S105、根据设定的InAlSb中的Al组分的参数，在外延级的InSb衬底上依次进行InAlSb的下电极层、吸收层、势垒层、中电极层、吸收层、上电极层的生长，其中，生长温度为400-450℃，Sb/(In+Al)束流比设定为1.2-10，即V/III束流比设定为1.2-10，生长速率控制在0.4-0.8μm/h。
根据响应波长设定InAlSb中的Al组分的参数，并在外延级的InSb衬底上依次进行InAlSb的下电极层、吸收层、势垒层、中电极层、吸收层、上电极层生长的步骤包括如下：
设InAlSb的公式为In1-xAlxSb，在外延级的InSb衬底上生长一层0.1～0.5μm厚的缓冲层InSb；
在缓冲层InSb进行所述中波1波段对应的膜层生长，所述中波1波段对应的膜层包括In1-x1Alx1Sb下电极层和In1-x1Alx1Sb吸收层；
所述中波1波段对应的膜层生长完后，进行In1-x3Alx3Sb势垒层生长；
最后进行所述中波2波段对应的膜层生长，所述中波2波段对应的膜层包括In1-x2Alx2Sb中电极层、In1-x2Alx2Sb吸收层和In1-x2Alx2Sb上电极层；
根据EgIn1-xAlxSb=EgInSb×（1+10x）和Eg=1.24/λc，计算出In1-xAlxSb在InSb探测器的工作温度为80K对应禁带宽度EgInSb=0.23eV时，x1的范围为0.0348～0.0586，x2的范围为0.0078～0.0225，x3的范围为0.1～0.4。
其中，
所述In1-x1Alx1Sb下电极层生长的厚度为0.5-3μm，n型掺杂浓度在2×1017-6×1018cm-3cm-3；
所述In1-x1Alx1Sb吸收层生长的厚度0.5-6μm，不掺杂，浓度控制在2×1014-5×1016cm-3；
所述In1-x3Alx3Sb势垒层生长的厚度为10-200nm，P型掺杂，掺杂浓度在2×1017-6×1018cm-3；
所述In1-x2Alx2Sb中电极层生长的厚度为0.7-1μm，P型掺杂，掺杂浓度在2×1017-6×1018cm-3；
所述In1-x2Alx2Sb吸收层生长的厚度2-4μm，不掺杂，浓度控制在2×1014-5×1016cm-3量级；
所述In1-x2Alx2Sb上电极层生长的厚度为1-3μm，n型掺杂，掺杂浓度在2×1017-6×1018cm-3。
双色红外探测器材料各层的位置关系如图2所示，本发明实施例提供的一种双色红外探测器材料的制备方法，通过根据响应波长来设定InAlSb中的Al组分的参数，提高双色红外探测器材料的分辨率，从而使本发明实施例中的双色红外探测器材料能够实现对两种不同的波长范围同时进行探测，大大减少了环境对双色红外探测器的探测限制，并提高了探测效果。
实施例2
本发明实施例提供了一种双色红外探测器材料，如图2所示，该双色红外探测器材料为根据上述任一种方法得到的双色红外探测器材料，所述双色红外探测器材料依次包括：InSb衬底、In1-x1Alx1Sb下电极层、In1-x1Alx1Sb吸收层、In1-x3Alx3Sb势垒层、In1-x2Alx2Sb中电极层、In1-x2Alx2Sb吸收层和In1-x2Alx2Sb上电极层；
其中，
所述In1-x1Alx1Sb下电极层生长的厚度为0.5-3μm，n型掺杂浓度在2×1017-6×1018cm-3cm-3；
所述In1-x1AlxlSb吸收层生长的厚度0.5-6μm，不掺杂，浓度控制在2×1014-5×1016cm-3；
所述In1-x3Alx3Sb势垒层生长的厚度为10-200nm，P型掺杂，掺杂浓度在2×1017-6×1018cm-3；
所述In1-x2Alx2Sb中电极层生长的厚度为0.7-1μm，P型掺杂，掺杂浓度在2×1017-6×1018cm-3；
所述In1-x2Alx2Sb吸收层生长的厚度2-4μm，不掺杂，浓度控制在2×1014-5×1016cm-3量级；
所述In1-x2Alx2Sb上电极层生长的厚度为1-3μm，n型掺杂，掺杂浓度在2×1017-6×1018cm-3。
根据EgIn1-xAlxSb=EgInSb×（1+10x）和Eg=1.24/λc，计算出In1-xAlxSb在InSb探测器的工作温度为80K对应禁带宽度EgInSb=0.23eV时，x1的范围为0.0348～0.0586，x2的范围为0.0078～0.0225，x3的范围为0.1～0.4。
综上所述，本发明实施例提供的一种双色红外探测器材料及其制备方法，通过根据响应波长来设定InAlSb中的Al组分的参数，提高双色红外探测器材料的分辨率，从而使本发明实施例中的双色红外探测器材料能够实现对两种不同的波长范围同时进行探测，大大减少了环境对双色红外探测器的探测限制，并提高了探测效果。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种双色红外探测器材料的制备方法，其特征在于，包括：
对锑化铟晶体进行预处理，所述锑化铟为InSb，得到InSb外延级衬底；
根据响应波长设定铟铝锑中的Al组分的参数，所述铟铝锑为InAlSb，并在InSb外延级衬底上依次进行InAlSb的下电极层、吸收层、势垒层、中电极层、吸收层和上电极层的生长，其中，生长温度为400-450℃，Sb/(In+Al)束流比设定为1.2-10；
其中，所述响应波长包括中波1波段和中波2波段，所述中波1波段对应的波长范围为3.4～4.0μm，所述中波2波段对应的波长范围为4.4～5.0μm；
所述根据响应波长设定InAlSb中的Al组分的参数，并在InSb外延级衬底上依次进行InAlSb的下电极层、吸收层、势垒层、中电极层、吸收层和上电极层生长的步骤包括如下：
设InAlSb的公式为In1-xAlxSb，在InSb外延级衬底上生长一层0.1～0.5μm厚的缓冲层InSb；
在缓冲层InSb上进行所述中波1波段对应的膜层生长，所述中波1波段对应的膜层包括In1-x1Alx1Sb下电极层和In1-x1Alx1Sb吸收层；
所述中波1波段对应的膜层生长完后，进行In1-x3Alx3Sb势垒层生长；
最后进行所述中波2波段对应的膜层生长，所述中波2波段对应的膜层包括In1-x2Alx2Sb中电极层、In1-x2Alx2Sb吸收层和In1-x2Alx2Sb上电极层；
根据EgIn1-xAlxSb＝EgInSb×(1+10x)和Eg＝1.24/λc，计算出In1-xAlxSb在InSb探测器的工作温度为80K，对应禁带宽度EgInSb＝0.23eV时，x1的范围为0.0348～0.0586，x2的范围为0.0078～0.0225，x3的范围为0.1～0.4。
2.根据权利要求1所述的双色红外探测器材料的制备方法，其特征在于，
所述In1-x1Alx1Sb下电极层生长的厚度为0.5-3μm，n型掺杂浓度为2×1017-6×1018cm-3；
所述In1-x1Alx1Sb吸收层生长的厚度0.5-6μm，不掺杂，杂质元素和缺陷所致的载流子浓度为2×1014-5×1016cm-3；
所述In1-x3Alx3Sb势垒层生长的厚度为10-200nm，P型掺杂，掺杂浓度为2×1017-6×1018cm-3；
所述In1-x2Alx2Sb中电极层生长的厚度为0.7-1μm，P型掺杂，掺杂浓度为2×1017-6×1018cm-3；
所述In1-x2Alx2Sb吸收层生长的厚度2-4μm，不掺杂，杂质元素和缺陷所致的载流子浓度为2×1014-5×1016cm-3；
所述In1-x2Alx2Sb上电极层生长的厚度为1-3μm，n型掺杂，掺杂浓度为2×1017-6×1018cm-3。
3.根据权利要求1或2所述的双色红外探测器材料的制备方法，其特征在于，对InSb晶体进行预处理，得到InSb外延级衬底的步骤具体包括：
使用提拉法制备2inch的InSb晶体，并定向切制InSb晶片；
InSb(001)晶片经过粗磨后，进行割圆倒角，制备2inch的InSb衬底；
InSb衬底经过双面磨抛、Sb面精磨后，再经CP4液体处理1-10分钟，并用去离子水冲洗干净，最后用干燥氮气吹干，制备成所述InSb外延级衬底。
4.根据权利要求3所述的双色红外探测器材料的制备方法，其特征在于，所述CP4液体的体积配比为：HNO3:HF:CH3COOH:去离子水＝2:1:1:(5～20)。
5.根据权利要求1或2所述的双色红外探测器材料的制备方法，其特征在于，对InSb晶体进行预处理，得到InSb外延级衬底的步骤之后，在InSb外延级衬底上依次进行InAlSb的下电极层、吸收层、势垒层、中电极层、吸收层、上电极层的生长的步骤之前，进一步包括：
将所述InSb外延级衬底装入分子束外延系统的缓冲室内进行除气处理，所述除气处理的温度为300℃，除气时间为40-90min；
将除气处理后的InSb衬底转入生长室去除氧化层，去除氧化层的温度为450-500℃，去除时间为30-60min。
6.根据权利要求5所述的双色红外探测器材料的制备方法，其特征在于，
去除氧化层的过程中，当InSb衬底超过400℃后，通入Sb保护束流，Sb保护束流大小为10-6Torr量级，并对去除氧化的效果进行实时监测。
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