CN106298993A - 铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器及制备方法 - Google Patents
铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器及制备方法，所述铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器结构，包括：一GaSb衬底；一第一GaSb缓冲层，其生长在GaSb衬底上；一InGaAsSb PIN型短波器件，其生长在第一GaSb缓冲层上；一第二GaSb缓冲层，其生长在InGaAsSb PIN型短波器件上；一InAsSb NIP型中波器件，其生长在第二GaSb缓冲层上。本发明可以实现对红外中波波段及短波波段的信号探测。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料分子束外延生长领域，具体涉及铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器器件结构及其制备方法。
背景技术
GaSb基半导体材料，包括晶格常数为的InAs、GaSb、AlSb及其多元化合物，相比于传统的碲镉汞体系和量子点结构，在光学方面和电学方面都展现出了巨大的潜力，是制备红外探测器的热门新型材料，具体包括InGaAsSb、InAsSb、InAs/GaSb超晶格、InAs/InAsSb超晶格等多种材料体系。
红外探测器是红外技术的核心，它的发展水平制约着红外技术的应用。早期研制的红外探测器存在波长单一、量子效率低、工作温度低等问题，大大限制了红外探测器技术的应用方向。目前，第三代红外探测器要求具有高性能、高分辨率、具有多波段探测能力的制冷型和非制冷型焦平面。其中，双色和多色探测是第三代红外探测器的显著特征，由于双色探测器能够提供更好的信号对比度，同时提取目标光谱信息和温度信息，降低误警率，因此提高了红外器件对复杂背景或伪装目标的识别度。在双色红外探测器中，目前只有碲镉汞、量子阱和II类超晶格三种红外探测器。其中，碲镉汞是一种主要由离子键结合的三元半导体材料，由于汞元素化学性质非常不稳定，容易从碲镉汞材料中逸出从而造成材料的缺陷、材料的不均匀以及器件性能的不均匀，这是碲镉汞材料固有的问题。而量子阱的工作方式为子带间跃迁，外部掺杂提供导带基态的载流子，与价带提供的电子相比，数量级差3-4个量级。另外，由于跃迁矩阵元的选择定则，只有垂直于表面的入射光才能被量子阱材料吸收。因此量子阱红外探测器面临着量子效率较低的问题。通过理论计算预测，II类超晶格红外探测器的性能是最好的，但是实测结果与理论结果还有1-2个数量级的差距，说明材料生长及器件工艺等方面还有待进一步完善。
发明内容
针对背景技术中提到的问题，为克服上述红外探测器中的不足，本发明通过分子束外延技术，在GaSb衬底10上外延出高质量的铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器，本发明提供的铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器及制备方法，可以实现对红外中波波段及短波波段的信号探测。
为实现上述方法，本发明提供一种铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器结构，包括：
一GaSb衬底；
一第一GaSb缓冲层，其生长在GaSb衬底上；
一InGaAsSb PIN型短波器件，其生长在第一GaSb缓冲层上；
一第二GaSb缓冲层，其生长在InGaAsSb PIN型短波器件上；
一InAsSb NIP型中波器件，其生长在第二GaSb缓冲层上。
本发明还提供一种铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在第一预定温度下，在GaSb衬底上生长第一GaSb缓冲层；
步骤2：在第二预定温度下，在第一GaSb缓冲层上生长InGaAsSb PIN型短波器件；
步骤3：在第三预定温度下，在InGaAsSb PIN型短波器件上生长第二GaSb缓冲层；
步骤4：在第四预定温度下，在第二GaSb缓冲层上生长InAsSb NIP型中波器件，完成器件制备。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
(1)采用精度控制精确的分子束外延技术，保证了红外探测器生长的均匀性和准确性。
(2)该发明的铟砷锑和铟镓砷锑体材料红外双波段探测器使用传统的PIN模型。另外，由于是体材料，工作方式为载流子的带间跃迁，保证了较高水平的量子效率。
(3)该发明生长双缓冲层来提高晶体质量，在GaSb衬底10和材料之间生长第一GaSb缓冲层20来防止GaSb衬底10上的污染源，同时使表面平滑，有利于后面的材料生长。另外在铟砷锑和铟镓砷锑器件之间生长第二GaSb缓冲层40，既隔开了两个波段的器件，又提高了材料的质量。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施方法，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1为本发明提供的铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器结构示意图；
图2为本发明提供的铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器的制备方法流程图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供的铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器结构，包括：
一GaSb衬底10；
一第一GaSb缓冲层20，其生长在GaSb衬底10上；
一InGaAsSb PIN型短波器件30，其生长在第一GaSb缓冲层20上，所述InGaAsSbPIN型短波器件30包括依次生长的：InGaAsSb N区31、InGaAsSb I区32和InGaAsSb P区33；
一第二GaSb缓冲层40，其生长在InGaAsSb PIN型短波器件30上；
一InAsSb NIP型中波器件50，其生长在第二GaSb缓冲层40上，所述InAsSb NIP型中波器件50包括依次生长的：InAsSb P区51、InAsSb I区52和InAsSb N区53。
其中生长第一GaSb缓冲层20和第二GaSb缓冲层40的温度为500℃-600℃，Sb/Ga束流比为11。
其中生长InGaAsSb PIN型短波器件30和InAsSb NIP型中波器件50的温度为450℃-550℃，生长InGaAsSb PIN型短波器件30的As/In束流比为5，Sb/Ga束流比为11；生长InAsSb NIP型中波器件50的As/In束流比为10。
具体实施之前，有必要引入GaSb衬底10再构温度Tc的概念。晶体表面不是简单的三维晶格的终止，而是一种特殊的相-表面相。在表面相中原子的排列和化学组成与体内不完全相同。如果体内与表面平行的晶面上的2个基矢为a1和a2，则表面二维晶格的基矢可能为与此不同的a1s和a2s，这就称为表面再构现象。表面再构往往与表面原子的弛豫和原子的吸附有关。对于GaSb衬底10而言，处于一定的Sb保护束流的环境中，在低温下表面呈现x5再构，在高温时呈现x3再构。另外，在将GaSb衬底10放置于分子束外延样品架的时候，由于夹具的松紧、位置、接触都不尽相同，因此温度监视器表盘显示的衬底温度不一定代表GaSb衬底10实际温度，并且每次都不相同，不利于我们优化条件，重复器件生长。为克服这个困难，我们使用再构温度Tc校准材料的生长温度。
请参阅图2，并结合参阅图1，本发明提供一种铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器的制备方法，包括如下步骤：
准备工作：将GaSb衬底10放在分子束外延(MBE)生长室的样品架上，在620℃高温条件下进行脱氧处理三十分钟，再将温度降低至560℃生长三分钟的GaSb材料，Sb/Ga束流比为11；然后，在Sb束流保护的条件下，不断降低温度，观察GaSb衬底10由x3再构变为x5再构的再构温度Tc，在本次实施中Tc为440℃，用以确定后续材料的生长温度。
步骤1：准备工作完成后，在Sb束流保护的环境下升温至550℃；温度稳定在550℃后，在GaSb衬底10上生长第一GaSb缓冲层20；第一GaSb缓冲层20的生长温度确认为再构温度Tc加上110℃，在此次实施中为550℃；在表盘温度稳定在550℃后，开启Ga源炉快门和Sb源炉快门与针阀，在GaSb衬底10上生长第一GaSb缓冲层20。Ga源炉在第一GaSb缓冲层20中的温度为1093℃/893℃，Sb/Ga束流比为11。第一GaSb缓冲层20的生长厚度为0.5μm，采用Te掺杂，Te源炉温度为825/575℃。
步骤2：步骤1结束后，在Sb束流保护的环境中，降低表盘温度至InGaAsSb PIN型短波器件30的生长温度。InGaAsSb PIN型短波器件30的生长温度确认为再构温度加上60℃，在此次实施中为500℃。待表盘温度稳定在500℃后，开启In、Ga源炉快门和As、Sb源炉快门与针阀，在第一GaSb缓冲层20上开始生长InGaAsSb PIN型短波器件30；所述InGaAsSb PIN型短波器件30包括依次生长的：InGaAsSb N区31、InGaAsSb I区32和InGaAsSb P区33；In源炉在InGaAsSb PIN型短波器件30的温度为848℃/698℃，Ga源炉在InGaAsSb PIN型短波器件30的温度为1093℃/893℃，Sb/Ga束流比为11，As/In束流比为5；InGaAsSb N区31使用Te掺杂，Te源炉的温度为825/575℃，InGaAsSb I区32不掺杂，InGaAsSb P区33使用Be掺杂，Be源炉的温度为940℃；InGaAsSb N区31和InGaAsSb P区33厚度均为0.4μm，InGaAsSb I区32厚度为2.3μm。
步骤3：步骤2结束后，在Sb、As束流保护的环境中，升高表盘温度至第二GaSb缓冲层40的生长温度；第二GaSb缓冲层40的生长温度确认为再构温度Tc加上110℃，在此次实施中为550℃。待表盘温度稳定在550℃后，在InGaAsSb PIN型短波器件30上生长第二GaSb缓冲层40；然后关闭As源炉快门与针阀，打开Ga源炉快门，生长第二GaSb缓冲层40；Ga源炉在第二GaSb缓冲层40中的温度为1093℃/893℃，Sb/Ga束流比为11；第二GaSb缓冲层40的厚度为0.5μm，使用Be掺杂，Be源炉温度为940℃。
步骤4：步骤3结束后，在Sb束流保护的环境中，降低表盘温度至InAsSb NIP型中波器件50的生长温度；InAsSb NIP型中波器件50的生长温度确认为再构温度加上60℃，在此次实施中为500℃；待表盘温度稳定在550℃后，开启In源炉快门和As、Sb源炉快门与针阀，开始在第二GaSb缓冲层40上生长InAsSb NIP型中波器件50。所述InAsSb NIP型中波器件50包括依次生长的：InAsSb P区51、InAsSb I区52和InAsSb N区53；In源炉在InAsSb NIP层中的温度为900℃/738℃；InAsSb P区51使用Be掺杂，Be源炉的温度为940℃，InAsSb I区52不掺杂，InAsSb N区53使用Si掺杂，Si源炉的温度为1240℃；InAsSb P区51和InAsSb N区53厚度均为0.4μm，InAsSb I区52厚度为2μm。
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)
1.一种铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器结构，包括：
一GaSb衬底；
一第一GaSb缓冲层，其生长在GaSb衬底上；
一InGaAsSb PIN型短波器件，其生长在第一GaSb缓冲层上；
一第二GaSb缓冲层，其生长在InGaAsSb PIN型短波器件上；
一InAsSb NIP型中波器件，其生长在第二GaSb缓冲层上。
2.根据权利要求1所述的铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器，其中InGaAsSb PIN型短波器件包括依次生长的：InGaAsSb N区、InGaAsSb I区和InGaAsSb P区。
3.根据权利要求1所述的铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器，其中InAsSb NIP型中波器件包括依次生长的：InAsSb P区、InAsSb I区和InAsSb N区。
4.根据权利要求1所述的铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器，其中生长第一GaSb缓冲层和第二GaSb缓冲层的生长温度为500℃-600℃，Sb/Ga束流比为11。
5.根据权利要求1所述的铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器，其中生长InGaAsSbPIN型短波器件和InAsSb NIP型中波器件的温度为450℃-550℃，生长InGaAsSb PIN型短波器件的As/In束流比为5，Sb/Ga束流比为11；生长InAsSb NIP型中波器件的As/In束流比为10。
6.一种铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在第一预定温度下，在GaSb衬底上生长第一GaSb缓冲层；
步骤2：在第二预定温度下，在第一GaSb缓冲层上生长InGaAsSb PIN型短波器件；
步骤3：在第三预定温度下，在InGaAsSb PIN型短波器件上生长第二GaSb缓冲层；
步骤4：在第四预定温度下，在第二GaSb缓冲层上生长InAsSb NIP型中波器件，完成器件制备。
7.根据权利要求6所述的铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器的制备方法，其中InGaAsSb PIN型短波器件包括依次生长的：InGaAsSb N区、InGaAsSb I区和InGaAsSb P区。
8.根据权利要求6所述的铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器的制备方法，其中InAsSb NIP型中波器件包括依次生长的：InAsSb P区、InAsSb I区和InAsSb N区。
9.根据权利要求6所述的铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器的制备方法，其中生长第一GaSb缓冲层和第二GaSb缓冲层的第一预定温度和第三预定温度为500℃-600℃，Sb/Ga束流比为11。
10.根据权利要求6所述的铟砷锑和铟镓砷锑双波段红外探测器的制备方法，其中生长InGaAsSb PIN型短波器件和InAsSb NIP型中波器件的第二预定温度和第四预定温度为450℃-550℃，生长InGaAsSb PIN型短波器件的As/In束流比为5，Sb/Ga束流比为11；生长InAsSb NIP型中波器件的As/In束流比为10。
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