CN103233271B - 一种在GaAs衬底上外延生长InAs/GaSb二类超晶格的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在GaAs衬底上外延生长InAs/GaSb二类超晶格的方法，包括步骤S1：在半绝缘GaAs衬底上外延生长GaAs缓冲层；步骤S2：在所述GaAs缓冲层上外延生长GaSb缓冲层；步骤S3：在所述GaSb缓冲层上外延生长InAs/GaSb超晶格结构。本发明在所述生长过程中通过控制As、Sb束流比以及InSb界面层的厚度以实现较好的材料质量。本发明通过控制InAs层和GaSb层的厚度比例关系可以实现在不同红外波段的响应，并进一步可以制作多种波段的红外探测器器件。
Description
技术领域
本发明涉及分子束外延生长技术领域，尤其是涉及一种在GaAs衬底上采用缓冲层生长工艺外延生长InAs/GaSb超晶格结构的方法。
背景技术
InAs/GaSb二类超晶格材料是最有希望的第三代红外探测器材料之一，具有均匀性好，暗电流小，俄歇复合几率低，覆盖波段范围大等优点，在制导、夜视等军事领域以及工业检测、遥感等民用领域具有重要应用，是当前红外探测领域的研究热点之一。所谓超晶格结构是指是两种晶格常数较为匹配的材料交替生长形成的周期结构。通常，InAs/GaSb二类超晶格包括InAs超晶格层、GaSb超晶格层，本发明为减小二者之间的晶格失配采用了InSb缓冲层。锑(Sb)化物二类超晶格探测器一般具有PIN型结构，其红外吸收区集中于I区，通过改变I区超晶格的厚度及InAs与GaSb的比例等可以改变其吸收性能，其带隙可从2μm-30μm可调，可制备短波、中波、长波、甚长波、双色段及多波段器件。
GaSb基二类超晶格材料在光学性能和电学性能上相比于GaAs基材料都有优势，但由于GaSb衬底比较昂贵，使得其在实际应用中受到很大的限制。除此之外，GaSb单晶片缺少半绝缘衬底，使其在实验测试中不能很好的表征二类超晶格的电学性能。
然而，在InAs/GaSb二类超晶格材料的生长过程中，需要合理的设计各个源的生长温度、快门的开关顺序，以及As/In、Sb/Ga束流比。同时合理的调控InAs、GaSb外延层生长厚度之间的比例关系以及二者之间的界面结构可以实现短波、中波、长波、甚长波等不同波段的红外探测器材料有源区的设计。
现有的在GaAs衬底上外延生长InAs/GaSb二类超晶格的方法有以下缺陷：
(1)GaAs衬底上直接生长InAs/GaSb二类超晶格，并没有设计GaAs缓冲层和GaSb缓冲层：GaAs衬底进入腔室处理后虽然表面质量较好，但是仍需要设计GaAs缓冲层来改善表面；GaSb缓冲层一方面是为了弥补超晶格和GaAs衬底之间的失配，使表面质量更好，再者在实际性能测试中更有优势。
(2)在InAs/GaSb二类超晶格的生长过程中InAs层和GaSb层之间的失配较大，并没有什么措施来缓解二者之间的失配。
因此，本领域极需一种能够改善InAs/GaSb二类超晶格生长质量，并缓解失配的方法，最终为实现各个红外探测波段做准备。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题是现有的在GaAs衬底上外延生长InAs/GaSb二类超晶格的方法存在晶格失配严重及生长质量差的不足。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明公开了一种在GaAs衬底上外延生长InAs/GaSb二类超晶格的方法，包括如下步骤：步骤S1：在半绝缘GaAs衬底上外延生长GaAs缓冲层；步骤S2：在所述GaAs缓冲层上外延生长GaSb缓冲层；步骤S3：在所述GaSb缓冲层上外延生长InAs/GaSb超晶格结构。
根据本发明的一个具体实施方式，所述步骤S1是在580℃下外延生长GaAs缓冲层200～500nm。
根据本发明的一个具体实施方式，在所述步骤S1中，As/Ga束流比为3～6。
根据本发明的一个具体实施方式，所述步骤S2是在460℃下外延生长GaSb缓冲层1～2μm。
根据本发明的一个具体实施方式，在所述步骤S2中，Sb/Ga束流比为4～6。
根据本发明的一个具体实施方式，所述步骤S3是在430℃下外延生长InAs/GaSb超晶格结构1～2μm。
根据本发明的一个具体实施方式，所述步骤S3包括循环往复的如下过程：步骤S31、在所述GaSb缓冲层上外延生长InAs层；步骤S32、在所述InAs层上生长GaSb层；步骤S33、在所述GaSb层上生长InSb层。
根据本发明的一个具体实施方式，在步骤S31中，As/In束流比为3～6；在步骤S32中，Sb/Ga束流比为4～6；在步骤S33中，Sb/In束流比为3～6。
根据本发明的一个具体实施方式，在所述步骤S31中，打开As源、In源，控制As/In束流比为3～6；然后关闭In源，保持As源的打开，保持As的浸润；在所述步骤S32中，打开Ga源、Sb源，控制Sb/Ga束流比为4～6；然后关闭Ga源，保持Sb源的打开，保持Sb的浸润；在所述步骤S33中，打开In源、Sb源，控制Sb/In束流比为3～6。
根据本发明的一个具体实施方式，在所述步骤S3中，InAs层生长2nm～5nm，生长时间为15s～45s；GaSb层生长1nm～2nm，生长时间为12s～22s；InSb层生长0.03～0.15nm，生长时间不超过1s。
(三)有益效果
本发明的方法所得到的在GaAs衬底上外延生长的InAs/GaSb二类超晶格采用了GaAs缓冲层、GaSb缓冲层来缓解超晶格层和衬底之间巨大的失配同时在改善InAs/GaSb二类超晶格的生长上采用InSb缓冲层设计以及开关顺序控制添加了停止生长的区域，因此可以实现理论设计并应用在不同波段的红外探测器材料中。
附图说明
图1是本发明提供的GaAs衬底上生长InAs/GaSb二类超晶格的方法的流程图。
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，对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明提供的GaAs衬底上生长InAs/GaSb二类超晶格的方法的流程图，其中包括以下步骤：
步骤S1：在半绝缘GaAs衬底上外延生长GaAs缓冲层；
步骤S2：在所述GaAs缓冲层上外延生长GaSb缓冲层；
步骤S3：在所述GaSb缓冲层上外延生长InAs/GaSb超晶格结构。
相比于现有技术，本发明的生长方法的的关键在于步骤S1、S2提出适当厚度缓冲层设计，步骤S3中提出了停止生长一定时间以及InSb缓冲层生长的独特设计。
下面通过对具体实施方式的例举来进一下说明本发明的方法。
在该实施例中，步骤S1是在580℃下外延生长GaAs缓冲层200～500nm，例如500nm；在生长GaAs缓冲层之前，先将GaAs衬底放入分子束外延设备样品架中，并传送入缓冲腔室中，将腔室温度升高至400℃，烘烤1.5～2小时；后将样品传入生长室中，将衬底温度升至600～620℃脱氧，并稳定十分钟，然后将衬底温度降至580℃。然后，将高温脱氧的GaAs衬底稳定在580℃，开启Ga源、As源，且使As/Ga束流比为3～6，例如4。
在该实施例中，步骤S2是在460℃下外延生长GaSb缓冲层1～2μm，例如1.5μm。在生长GaSb缓冲层之前，需要打开As源，并将衬底温度降至460℃；之后进行GaSb缓冲层的生长，具体为：将衬底温度稳定在460℃，开启Ga源、Sb源，使Sb/Ga束流比为4～6，例如5。
在该实施例中，步骤S3是在430℃下外延生长InAs/GaSb超晶格结构1～2μm，例如1μm；在生长InAs/GaSb二类超晶格结构之前，需要打开Sb源，并将衬底温度降至430℃。
本发明的步骤S3包括循环往复的如下过程：
步骤S31、在所述GaSb缓冲层上外延生长InAs层；
步骤S32、在所述InAs层上生长GaSb层；
步骤S33、在所述GaSb层上生长InSb层。
在所述循环往复的过程中，通过控制各层的生长时间达到最后的生长厚度，最终实现不同红外波段的探测，生长速度一般为0.1～0.2nm/s。一般地，InAs层生长2nm～5nm，生长时间约为15s～45s；GaSb层生长1nm～2nm，生长时间约为12s～22s；InSb层则较薄，只有约0.03～0.15nm厚，生长时间一般不超过1s。
在该实施例的步骤S31中，打开As源、In源，As/In束流比为3～6本例用4；然后关闭In源，保持As源的打开，保持As的浸润，生长温度不变，并将Sb源的阀门调至所用位置；
在该实施例的步骤S32中，打开Ga源、Sb源，Sb/Ga束流比为4～6，本例用5；然后关闭Ga源，保持Sb源的打开，保持Sb的浸润，生长温度不变；
在该实施例的步骤S33中，打开In源、Sb源，Sb/In束流比为3～6，本例用3。
在该实施例中，InAs/GaSb二类超晶格一共生长1μm。
本发明同以往相比有以下积极效果：
1.在生长超晶格层之前生长了一定厚度的GaAs缓冲层和GaSb缓冲层，其中GaAs缓冲层一般生长200～500nm，GaSb缓冲层一般生长1～2μm。
2.InAs/GaSb超晶格生长中采用了InSb缓冲层和停止生长的设计，InAs层生长2nm～5nm，生长时间约为15s～45s；GaSb层生长1nm～2nm，生长时间约为12s～22s；InSb层则较薄，只有约0.03～0.15nm厚，生长时间一般不超过1s。
整个生长过程中As/In束流比选用3～6，Sb/Ga束流比为4～6，Sb/In束流比为3～6。
因为本发明提供的InAs/GaSb二类超晶格结构可通过调节InAs层和GaSb层的厚度来改变红外探测器的探测波段，为此提供设计的三种结构：中波波段，其中InAs：GaSb长波波段，其中InAs：GaSb甚长波波段，其中InAs：GaSb
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，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 (9)
1.一种在GaAs衬底上外延生长InAs/GaSb二类超晶格的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1：在半绝缘GaAs衬底上外延生长GaAs缓冲层；
步骤S2：在所述GaAs缓冲层上外延生长GaSb缓冲层；
步骤S3：在所述GaSb缓冲层上外延生长InAs/GaSb超晶格结构，该步骤S3具包括循环往复的如下过程：
步骤S31、在当前的最上层上外延生长InAs层；
步骤S32、在所述InAs层上生长GaSb层；
步骤S33、在所述GaSb层上生长InSb层。
2.如权利要求1所述的在GaAs衬底上外延生长InAs/GaSb二类超晶格的方法，其特征在于：所述步骤S1是在580℃下外延生长GaAs缓冲层200～500nm。
3.如权利要求2所述的在GaAs衬底上外延生长InAs/GaSb二类超晶格的方法，其特征在于：在所述步骤S1中，As/Ga束流比为3～6。
4.如权利要求1所述的在GaAs衬底上外延生长InAs/GaSb二类超晶格的方法，其特征在于：所述步骤S2是在460℃下外延生长GaSb缓冲层1～2μm。
5.如权利要求4所述的在GaAs衬底上外延生长InAs/GaSb二类超晶格的方法，其特征在于：在所述步骤S2中，Sb/Ga束流比为4～6。
6.如权利要求1所述的在GaAs衬底上外延生长InAs/GaSb二类超晶格的方法，其特征在于：所述步骤S3是在430℃下外延生长InAs/GaSb超晶格结构1～2μm。
7.如权利要求1所述的在GaAs衬底上外延生长InAs/GaSb二类超晶格的方法，其特征在于：在步骤S31中，As/In束流比为3～6；在步骤S32中，Sb/Ga束流比为4～6；在步骤S33中，Sb/In束流比为3～6。
8.如权利要求7所述的在GaAs衬底上外延生长InAs/GaSb二类超晶格的方法，其特征在于：
在所述步骤S31中，打开As源、In源，控制As/In束流比为3～6；然后关闭In源，保持As源的打开，保持As的浸润；
在所述步骤S32中，打开Ga源、Sb源，控制Sb/Ga束流比为4～6；然后关闭Ga源，保持Sb源的打开，保持Sb的浸润；
在所述步骤S33中，打开In源、Sb源，控制Sb/In束流比为3～6。
9.如权利要求7所述的在GaAs衬底上外延生长InAs/GaSb二类超晶格的方法，其特征在于：
在所述步骤S3中，InAs层生长2nm～5nm，生长时间为15s～45s；GaSb层生长1nm～2nm，生长时间为12s～22s；InSb层生长0.03～0.15nm，生长时间不超过1s。
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