CN105932106A - InAs/InSb/GaSb/InSbⅡ类超晶格材料制造方法及产品 - Google Patents
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Abstract
一种InAs/InSb/GaSb/InSb II类超晶格材料的制造方法及由此得到的产品，该方法包括：准备衬底，作为外延层的载体；对所述衬底进行除气、脱氧处理；在所述衬底上外延生长缓冲层和80‑100个周期的InAs/InSb/GaSb/InSb结构的材料。本发明不需要任何元素浸泡过程，且通过插入InSb层而不是通过形成InSb界面来补偿应变，从而可以降低InAs/GaSb II类超晶格材料MBE外延生长的复杂度；插入型InSb层可精确控制InSb生长厚度，没有元素浸泡过程可以降低V族元素腔内残留，减少InAs层生长时Sb原子的掺入，以及InSb和GaSb层生长时As原子的掺入。
Description
技术领域
本发明涉及半导体红外探测器材料领域，更具体地涉及一种InAs/InSb/GaSb/InSb II类超晶格材料制造方法及由此得到的产品。
背景技术
近二十年以来，红外探测技术在军事领域、科学领域、工农业生产、医疗卫生以及日常生活方面都得到了广泛的应用。占传统主导地位的碲镉汞探测器材料存在着一些固有的缺点，其位错密度相对较高，在生长过程中容易受到外界影响产生缺陷，同时低温生长造成的原子迁移率低也给外延材料质量带来一定的影响；工艺难度高，可重复性较差。量子阱红外探测器(QWIP)则是子带跃迁，量子效率低，且不能吸收正入射光，电子寿命短，探测率低；需要制冷设备提供较低的工作温度，成本高。
InAs/GaSbII类超晶格材料有许多优点，由于电子束缚在InAs层，空穴束缚在GaSb层，使得此种材料具有以下优势：
(1)可通过调节InAs层或者GaSb层厚度，使得探测波长在3微米到30微米之间连续可调；
(2)可通过能带设计来优化材料结构，提高材料的吸收系数，能带结构的重轻空穴的分离又可以抑制俄歇复合，降低相关暗电流，提高工作温度；
(3)电子有效质量大，降低了隧穿电流，可获得较高的探测率；
(4)对垂直入射的光有强烈的吸收，可以获得较高探测率。
InAs/GaSb II类超晶格材料也有许多缺陷，主要的不足有：
(1)InAs和GaSb材料之间存在元素互溶现象，这使得材料生长难度加大；
(2)InAs和GaSb衬底间存在晶格失配，虽然失配小，但是因为完整结构往往会有500-1000个周期，总厚度在几个微米，导致整体出现应变；
(3)为了补偿应变，需要在InAs和GaSb之间插入InSb界面层，但是因为InSb与GaSb的晶格失配较大，容易形成三维岛状结构，这就使得良好质量的InSb层的形成非常困难。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种InAs/InSb/GaSb/InSb II类超晶格材料的制备方法及由此得到的产品，以便解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种InAs/InSb/GaSb/InSb II类超晶格材料的制造方法，包括如下步骤：
步骤1：准备衬底，作为外延层的载体；
步骤2：对所述衬底进行除气、脱氧处理；
步骤3：在所述衬底上外延生长缓冲层和80-100个周期的InAs/InSb/GaSb/InSb结构的材料。
其中，步骤1中所述衬底为GaSb(001)衬底。
其中，步骤3中所述缓冲层的材料为GaSb。
其中，所述100个周期的InAs/InSb/GaSb/InSb结构的材料中，每一个周期包括InAs层、InSb层和GaSb层。
其中，步骤2中所述对衬底进行除气、脱氧处理的步骤，是指将所述衬底先在除气室进行350℃-380℃两个小时的除气，然后传进生长室在热偶显示温度为605-610℃条件下脱氧7-10分钟，再升温至630-640℃进行除气7-10分钟。
其中，步骤3中所述在衬底上外延生长缓冲层和80-100个周期的InAs/InSb/GaSb/InSb结构的材料的步骤包括：将在630-640℃除气7-10分钟的所述衬底降温至594-604℃外延生长所述缓冲层，然后降温至462-467℃进行InAs/InSb/GaSb/InSb结构材料的外延生长。
其中，步骤3中所述80-100个周期的InAs/InSb/GaSb/InSb结构材料的每个周期包括InAs层、InSb层和GaSb层，所述InAs层、InSb层和GaSb层外延生长时间分别是34.2s、0.8s和14s。
其中，步骤3中所述InAs层、InSb层和GaSb层的周期外延生长通过炉源快门来控制，所述炉源快门的顺序为：
(1)同时关闭In、As、Ga、Sb四种源炉的快门，并且快速调节As针口阀至2％，保持此状态2.5s；
(2)开启In和Sb快门，保持InSb生长0.8s；
(3)重复(1)过程；
(4)同时开启In和As快门，As针口阀快速变至30％，保持此状态34.2s：
(5)重复(1)过程；
(6)重复(2)过程；
(7)重复(1)过程；
(8)同时打开Ga和Sb快门，保持此状态14s。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种根据如上所述的制备方法制备得到的InAs/InSb/GaSb/InSb II类超晶格材料。
作为本发明的再一个方面，本发明还提供了一种半导体红外探测器，所述半导体红外探测器包含如上所述的InAs/InSb/GaSb/InSb II类超晶格材料。
基于上述技术方案可知，本发明的制备方法具有如下有益效果：不同于传统MEE法的是不需要任何元素浸泡过程，并且通过插入InSb层而不是通过形成InSb界面来补偿应变，从而可以降低InAs/GaSb II类超晶格材料MBE外延生长的复杂度。插入型InSb层可精确控制InSb生长厚度，没有元素浸泡过程可以降低V族元素腔内残留，减少InAs层生长时Sb原子的掺入，以及InSb和GaSb层生长时As原子的掺入。
附图说明
图1是本发明的InAs/InSb/GaSb/InSb II类超晶格材料的外延结构的示意图；
图2是本发明的InAs/InSb/GaSb/InSb II类超晶格每个周期生长的快门控制图。
具体实施方式
本发明公开了一种InAs/InSb/GaSb/InSb II类超晶格材料的制备方法，该方法不同于传统MEE法，不需要任何元素浸泡过程，并且通过插入InSb层而不是通过形成InSb界面来补偿应变。更具体地，本发明的InAs/InSb/GaSb/InSb II类超晶格材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：选择衬底，作为外延层的承载体；
步骤2：对该衬底进行除气、脱氧处理；
步骤3：在该衬底上生长缓冲层和80-100个周期的InAs/InSb/GaSb/InSb结构。
其中，该衬底选择为GaSb(001)衬底。
其中，该缓冲层的材料为GaSb。
其中，该100个周期的InAs/InSb/GaSb/InSbII类超晶格材料中，每个周期包括InAs层、InSb层和GaSb层。
其中，除气、脱氧以及缓冲层和超晶格材料生长的步骤，是指衬底先在除气室进行350-380℃两个小时的除气，然后传进生长室在热偶显示温度为605-610℃条件下脱氧7-10分钟，再升高20-30℃至630-640℃进行除气7-10分钟，然后降温至594-604℃进行生长GaSb缓冲层，最后降温至462-467℃进行超晶格的生长。
其中，InAs层、InSb层和GaSb层外延生长时间分别是34.2s、0.8s和14s。
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。
参阅图1所示，本发明的InAs/InSb/GaSb/InSb II类超晶格材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，选择衬底01，该衬底01为GaSb(001)型衬底。
步骤2，将该衬底传进除气室，进行350℃两个小时的除气，然后传进生长室，在Sb的束流保护下，升温至610℃进行脱氧十分钟，然后升温至640℃进行除气十分钟，除气结束后降温至604℃进行缓冲层的生长， 缓冲层生长完成后将衬底温度降温至462℃进行超晶格的生长。以上温度都是热电偶显示温度。
步骤3，Ga束流为3.6×10-7torr，In束流为3.6×10-7torr，As裂解炉的裂解温度为850℃，Sb裂解炉的裂解温度为700℃；As炉针口阀在生长InAs层时设置为开启30％，相应束流为1.4×10-6torr，其余生长时间设置为2％；Sb炉针口阀在生长GaSb缓冲层时设置为开启95％，其束流为2.8×10-6torr，生长超晶格时设置针口阀开启60％，束流为1.3×10-6torr。
步骤4，在每个周期的超晶格中，源炉的快门开关顺序为：1、同时关闭In、As、Ga、Sb四种源炉的快门，并且快速调节As针口阀至2％，保持此状态2.5s；2、开启In和Sb快门，保持InSb生长0.8s；3、重复1过程；4、同时开启In和As快门，As针口阀快速变至30％，保持此状态34.2s；5、重复1过程；6、重复2过程；7、重复1过程；8、同时打开Ga和Sb快门，保持此状态14s。
步骤5，完成一百个周期生长之后，开启Sb快门，衬底在二十分钟内降温至200℃。
步骤6，关闭Sb快门，Sb针口阀调节至2％。
步骤7，待生长室真空降至5×10-9torr以下后，将衬底传出至Load腔。半小时后对Load腔破真空，将衬底取出。
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 (10)
1.一种InAs/InSb/GaSb/InSb II类超晶格材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：准备衬底，作为外延层的载体；
步骤2：对所述衬底进行除气、脱氧处理；
步骤3：在所述衬底上外延生长缓冲层和80-100个周期的InAs/InSb/GaSb/InSb结构的材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中所述衬底为GaSb(001)衬底。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中所述缓冲层的材料为GaSb。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述100个周期的InAs/InSb/GaSb/InSb结构的材料中，每一个周期包括InAs层、InSb层和GaSb层。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中所述对衬底进行除气、脱氧处理的步骤，是指将所述衬底先在除气室进行350℃-380℃两个小时的除气，然后传进生长室在热偶显示温度为605-610℃条件下脱氧7-10分钟，再升温至630-640℃进行除气7-10分钟。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤3中所述在所述衬底上外延生长缓冲层和80-100个周期的InAs/InSb/GaSb/InSb结构的材料的步骤包括：将在630-640℃除气7-10分钟的所述衬底降温至594-604℃外延生长所述缓冲层，然后降温至462-467℃进行InAs/InSb/GaSb/InSb结构材料的外延生长。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤3中所述80-100个周期的InAs/InSb/GaSb/InSb结构材料的每个周期包括InAs层、InSb层和GaSb层，所述InAs层、InSb层和GaSb层外延生长时间分别是34.2s、0.8s和14s。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤3中所述InAs层、InSb层和GaSb层的周期外延生长通过炉源快门来控制，所述炉源快门的顺序为：
(1)同时关闭In、As、Ga、Sb四种源炉的快门，并且快速调节As针口阀至2％，保持此状态2.5s；
(2)开启In和Sb快门，保持InSb生长0.8s；
(3)重复(1)过程；
(4)同时开启In和As快门，As针口阀快速变至30％，保持此状态34.2s；
(5)重复(1)过程；
(6)重复(2)过程；
(7)重复(1)过程；
(8)同时打开Ga和Sb快门，保持此状态14s。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的制备方法制备得到的InAs/InSb/GaSb/InSb II类超晶格材料。
10.一种半导体红外探测器，其特征在于，所述半导体红外探测器包含如权利要求9所述的InAs/InSb/GaSb/InSb II类超晶格材料。
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