CN107910401B - 一种二类超晶格红外探测器件材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种二类超晶格红外探测器件材料的制备方法，包括：1)提供供体衬底，在所述供体衬底上外延生长GaSb缓冲层；2)在所述GaSb缓冲层上生长AlSb牺牲层；3)在所述AlSb牺牲层上生长顶层GaSb或InAs薄膜；4)在所述AlSb牺牲层内形成缺陷层；5)将顶层GaSb或InAs薄膜与受体衬底正面键合；6)对键合结构进行退火处理，将顶层GaSb或InAs薄膜沿AlSb牺牲层从供体衬底剥离，得到剥离后的含GaSb或InAs薄膜的第二衬底；7)对第二衬底的表面进行腐蚀处理得到GaSb或InAs薄膜柔性衬底。本发明还公开了一种红外探测器件。本发明不仅进一步简化器件工艺，而且避免了后期减薄工艺带来的表面和机械损伤，大大降低成本。

Description

一种二类超晶格红外探测器件材料的制备方法
技术领域
本发明属于红外光电技术应用领域，特别涉及一种供体衬底可重复利用，省去减薄工艺的二类超晶格红外探测器件材料制备方法。
背景技术
InAs/GaSb二类超晶格自从二十世纪八十年代作为红外传感材料第一次被提出，由于其相比于其他红外材料而表现出来的独特的性能而受到了越来越广泛的关注。人工设计的电子势垒和空穴势垒，既能够抑制台面器件的纵向漏电，又能够将耗尽区主要形成在势垒区，减少长波器件的隧穿电流。通过调节二类超晶格中InAs和GaSb两种材料的厚度，可以调节其有效带隙使波长范围从3微米变化到32微米,在中波红外和长波红外的民用和军事领域都有很广阔的应用前景。总所周知，化合物半导体衬底价格昂贵，而且后期集成工艺向大尺寸方向发展举步维艰，也是其走向产业化的一个巨大瓶颈。
然而，作为间接带隙半导体的硅材料，虽然发光性能很差，但是价格便宜，而且尺寸大，发展前景广阔，因此，将化合物半导体与硅集成电路相结合的异质集成技术，成为了光电集成领域的研究热点。需要说明的是，在InAs/GaSb二类超晶格红外探测器的制备中，为了减少衬底中自由载流子对红外光的吸收，需要将外延片的厚度从几百微米以上减薄到10微米左右甚至更薄。然而，减薄工艺会给衬底背面带来表面和机械损伤，减薄后的外延片发生形变且容易碎裂，从而会影响成品率。
尽管抛光工艺的引入可以去除上述的表面损伤层，消除残余应力，但是工艺程序复杂化，成本提升以及残余应力不能完全消除依然是不能回避的问题。采用对红外光透明的受体衬底，如硅和锗等，进行异质集成可以跳过减薄步骤，同时硅基还充当了热传导的载体。异质集成技术为器件与系统的设计制备提供更大的自由度，能够提升器件性能，可以很好的运用于红外探测器材料中。
柔性衬底是一直以来研究十分热门的话题。通常晶格失配的外延层在衬底表面形核生长，当外延层超过临界厚度时，会产生穿透位错贯穿到整个外延层。若采用柔性衬底材料，由于穿透位错产生时外延层厚度大于柔性衬底厚度，产生的穿透位错向柔性衬底内滑移，最后终止在柔性薄膜和外延层界面处形成界面位错，外延层内没有穿透位错，材料晶体质量大大提高。
异质集成工艺，目前包括外延生长和键合两种技术方案。对于一般的外延生长方法，硅基上异质外延层有高的位错密度，加上反相畴和自掺杂效应会严重降低载流子迁移率和光学质量，增大器件的漏电流。键合可以是将单个器件键合到硅片上(die bonding)，或者是晶片衬底键合到硅上(wafer bonding)。离子束剥离技术(请参阅中国专利文献CN105957831A)是将离子注入缺陷工程的切割技术和基于晶片键合的层转移技术结合起来，是异质集成常用的方法。此方法在单晶衬底上切割和转移薄层到相对便宜的异质衬底上，有一定的经济效益。对于离子束剥离技术而言，首先离子注入(氢离子或者氦离子)产生一个高斯分布，在一个特定的平行于表面位置处(注入离子密度最大处或者晶格伤害最大处)形成缺陷层，在后续退火工艺中被离子注入的晶片就会沿缺陷层裂开。然而，由于层裂过程引起的表面粗糙为后续工作带来很大的困扰，若将层裂层作为牺牲层，用刻蚀方法处理，也会加多工序甚至容易引入杂质粒子。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种环保廉价的InAs/GaSb二类超晶格红外探测器件材料制备方法。
本发明采用AlSb作为离子束剥离的缺陷层，剥离后牺牲层易氧化，使得供体衬底部分和受体柔性衬底部分表面洁净平整，并使用了对红外光透明的柔性衬底，省去后期工艺中的减薄步骤，同时实现供体衬底重复利用。
本发明提供的二类超晶格红外探测器件材料的制备方法，包括：
1)提供供体衬底，在所述供体衬底上外延生长GaSb缓冲层；
2)在所述GaSb缓冲层上生长AlSb牺牲层；
3)在所述AlSb牺牲层上生长顶层GaSb或InAs薄膜；
4)在所述AlSb牺牲层内形成缺陷层；
5)将半导体薄膜与受体衬底正面键合；
6)对键合结构进行退火处理，将顶层GaSb或InAs薄膜沿AlSb牺牲层从供体衬底剥离，得到剥离后的含GaSb缓冲层的第一衬底和含受体衬底、GaSb或InAs薄膜半导体薄膜的第二衬底；
7)对第二衬底的表面进行腐蚀处理得到半导体薄膜与受体衬底一起构成的柔性衬底。
作为上述方法一种更好的选择，所述半导体薄膜为GaSb薄膜、掺杂GaSb薄膜、InAs薄膜或掺杂InAs薄膜。本领域技术人员可以根据需要选择合适的掺杂物，如选择碲以形成n型碲掺杂GaSb薄膜。
作为上述方法一种更好的选择，所述方法进一步包括：
所述供体衬底为GaSb衬底、InAs衬底或回收衬底，所述回收衬底为对第一衬底中的AlSb牺牲层进行表面腐蚀处理，得到的包含GaSb缓冲层的供体衬底。
作为上述方法一种更好的选择，所述受体衬底对红外光的透过率为30-100％，更优选40％以上。所述的用于键合的受体衬底对探测器红外光波段透明或吸收率很低，如硅(Si)和锗(Ge)。所述的用于键合的受体衬底对探测器红外光波段透明或吸收率很低，可采用的材料如0.5毫米厚的硅(Si)和锗(Ge)，其在室温下1.5～10微米波段的红外光透过率接近50％。
作为上述方法一种更好的选择，所述GaSb缓冲层、AlSb牺牲层和半导体薄膜通过分子束外延或金属有机化学气相沉积法生长。
作为上述方法一种更好的选择，所述缓冲层厚度为100nm-1000nm之间。本领域技术人员可以根据需要进一步选择生长100-200、200-300、300-500、500-700或700-1000nm的缓冲层。
作为上述方法一种更好的选择，半导体薄膜厚度范围为10nm到1000nm之间。本领域技术人员可以根据需要进一步选择生长20-50、50-100、100-200、200-300、300-500、500-700或700-1000nm的薄膜层。
作为上述方法一种更好的选择，步骤4)缺陷层的形成为通过离子注入形成，所述的离子注入深度大于GaSb或InAs薄膜层的厚度，小于GaSb或InAs薄膜层的厚度与AlSb牺牲层厚度的总和，即注入离子在AlSb牺牲层内形成缺陷层。
作为上述方法一种更好的选择，所述离子注入的离子束为氢离子或者氦离子，能量在20～180keV之间，离子束剂量范围剂量为1x1016～1x1017cm-2,注入温度为室温。
作为上述方法一种更好的选择，所述键合温度为室温到200℃之间。
作为上述方法一种更好的选择，所述的退火温度在150～300℃之间。
上述退火步骤之后，半导体薄膜沿AlSb牺牲层从供体衬底剥离后，其表面的牺牲层为易氧化AlSb，极易处理，从而可以得到表面洁净并对红外光透明的柔性衬底和可重复利用且表面洁净的半导体回收衬底结构，在此柔性衬底上继续外延生长二类超晶格红外探测器器件结构，在后期工艺中可以省去衬底减薄步骤。
作为上述方法一种更好的选择，所述表面腐蚀处理过程为室温环境下自然氧化或化学方法刻蚀。
作为上述方法一种更好的选择，所述二类超晶格红外探测器件材料包括InAs、GaSb、AlSb以及它们的三元化合物。
作为上述方法一种更好的选择，缓冲层、牺牲层、半导体薄膜层和二类超晶格红外探测器结构的外延生长方法包括分子束外延、化学气相沉积及液相外延法。
本发明还提供了一种在柔性衬底上的二类超晶格红外探测器件，所述二类超晶格红外探测器件包括受体基底和半导体薄膜，所述半导体薄膜键合于受体基底上，所述半导体薄膜的厚度为10-1000nm。
本发明针对现有技术中存在的缺陷，采用AlSb作为牺牲层，层裂之后借用AlSb易氧化的特点，将处理牺牲层的工序简化，使得到的柔性衬底材料和供体衬底材料表面洁净，提供对红外光透明的柔性衬底，省去后期互联工艺后的减薄步骤，同时，供体衬底材料还可以重复利用，节能环保。
本发明的二类超晶格红外探测器器件材料制备方法采用离子束剥离技术，将易氧化的含铝化合物作为牺牲层，首先使层裂之后昂贵供体衬底和廉价对红外光透明受体衬底表面洁净平整，实现昂贵的供体衬底重复利用，节能环保；其次，受体衬底表面半导体薄膜充当柔性衬底，减少后续外延层中的残余应力，提高晶体质量；最后，在后期的工艺中省去衬底减薄步骤，不仅进一步简化器件工艺，而且避免了后期减薄工艺带来的表面和机械损伤，大大降低成本。
附图说明
图1、本发明制备二类超晶格红外探测器件材料的流程图；
图2、本发明制备获得的二类超晶格红外探测器件。
具体实施方式
以下通过特定的实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例一
以下以GaSb与硅基衬底异质集成的工艺为例说明通过采用空气中易氧化的含铝化合物作为牺牲层实现供体衬底重复利用的工艺步骤，这些结构和制备步骤可以直接推广到其他类型的受体衬底异质集成中，其具体结构可如图2所示。具体的工艺步骤如下：
(1)在GaSb衬底上生长300nm GaSb缓冲层；
(2)在缓冲层上生长600nm的AlSb牺牲层；
(3)在牺牲层上生长100nm的n型碲掺杂的GaSb薄膜盖层(n＝1×1018/cm3)；请参见图1中的A部分，此时从上至下的结构依次为n型掺杂GaSb薄膜覆盖层、AlSb牺牲层、GaSb缓冲层和GaSb衬底(供体衬底)；
(4)从顶部进行氢离子注入，离子注入的能量为75keV，剂量为5x1016cm-2(可达到660nm的注入深度)；请参见图1中的B部分，此时从上至下的结构依次为n型掺杂GaSb薄膜覆盖层、带有缺陷的AlSb牺牲层、GaSb缓冲层和GaSb衬底(供体衬底)；
(5)将硅衬底与上述结构进行键合，键合温度为室温；请参见图1中的C部分，此时从上至下的结构依次为Si衬底、n型掺杂GaSb薄膜覆盖层、带有缺陷的AlSb牺牲层、GaSb缓冲层和GaSb衬底(供体衬底)；
(6)将上述结构在250℃下进行退火30分钟；请参见图1中的D部分，此时从上至下的结构依次为n型掺杂GaSb薄膜覆盖层、带有缺陷的AlSb牺牲层、GaSb缓冲层和GaSb衬底(供体衬底)；
(7)退火后发生层裂，将层裂的两部分在盐酸溶液中氧化，处理掉牺牲层；请分别参见图1中的E部分和F部分，E部分示出了本发明得到的柔性衬底具体有Si衬底以及和其键合的n型掺杂GaSb薄膜覆盖层，请参见图2，可以在该衬底上依次生长n型掺杂GaSb层、n型超晶格、p型超晶格和p型盖层；图1F部分的衬底可以用于步骤(1)的回收衬底；
(8)进行过表面处理的柔性衬底上外延生长200nm的n型GaSb接触层。(n＝1×1018/cm3)
(9)上述接触层上生长400个周期的InAs/GaSb超晶格结构(8个原子层厚的InAs和8个原子层厚的GaSb)，包括底部的n型掺杂的超晶格50个周期(n＝1×1018/cm3，Si掺杂在InAs层中)，中间的非掺杂的超晶格320个周期，上部的p型掺杂的超晶格30个周期(p＝1×1018/cm3，Be掺杂在GaSb层中)。
(10)在上述结构上生长厚20nm的p掺杂的盖层(p＝1×1018/cm3)。(此结构在77K下的50％截止波长达到4.73μm)
(11)另外，层裂后进行过表面处理的另一部分长有GaSb缓冲层的回收衬底可以重复外延生长，继续生长600nm的AlSb牺牲层以及100nm的n型碲掺杂的GaSb薄膜盖层(n＝1×1018/cm3)。
实施例二
本实施例除供体基底和顶层薄膜为InAs外，其余和实施例一相同。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种二类超晶格红外探测器件材料的制备方法，包括：
1)提供供体衬底，在所述供体衬底上外延生长GaSb缓冲层；
2)在所述GaSb缓冲层上生长AlSb牺牲层；
3)在所述AlSb牺牲层上生长顶层GaSb或InAs薄膜；
4)在所述AlSb牺牲层内形成缺陷层；
5)将顶层GaSb或InAs薄膜与受体衬底正面键合；
6)对键合结构进行退火处理，将顶层GaSb或InAs薄膜沿AlSb牺牲层从供体衬底剥离，得到剥离后的含GaSb缓冲层的第一衬底和含受体衬底和顶层GaSb或InAs薄膜的第二衬底；
7)对第二衬底的表面进行腐蚀处理得到顶层GaSb或InAs薄膜与受体衬底一起构成的柔性衬底；
所述二类超晶格红外探测器件材料为InAs、GaSb、AlSb以及它们的三元化合物；
所述供体衬底为GaSb衬底、InAs衬底或回收衬底，所述回收衬底为对第一衬底中的AlSb牺牲层进行表面腐蚀处理后得到的包含GaSb缓冲层的供体衬底；
所述GaSb缓冲层厚度为100nm-1000nm之间；
所述的退火温度在150～300℃之间；
所述步骤4)缺陷层的形成通过离子注入形成，所述的离子注入深度大于顶层GaSb或InAs薄膜的厚度，小于顶层GaSb或InAs薄膜的厚度与AlSb牺牲层厚度的总和；
所述腐蚀处理过程为室温环境下自然氧化或化学方法刻蚀。
2.根据权利要求1所述二类超晶格红外探测器件材料的制备方法，其特征在于，所述受体衬底为对红外探测器接收波段透过率高于40％的衬底。
3.根据权利要求1所述二类超晶格红外探测器件材料的制备方法，其特征在于，所述GaSb缓冲层、AlSb牺牲层和顶层GaSb或InAs薄膜通过分子束外延或金属有机化学气相沉积法生长。
4.根据权利要求1所述二类超晶格红外探测器件材料的制备方法，其特征在于：所述二类超晶格红外探测器件材料包括InAs、GaSb、AlSb以及它们的三元化合物。
5.根据权利要求1所述的二类超晶格红外探测器件材料的制备方法，其特征在于：GaSb缓冲层、AlSb牺牲层、顶层GaSb或InAs薄膜和二类超晶格红外探测器结构的外延生长方法包括分子束外延、化学气相沉积及液相外延法。
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