CN108133970B - 一种InAs/GaSb超晶格红外探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种InAs/GaSb超晶格红外探测器及其制作方法，针对现有技术中，在外延生长数百周期InAs/GaSb超晶格材料时，InAs与GaSb之间存在晶格失配，累积的应力导致InAs/GaSb超晶格材料中形成大量的生长缺陷的问题，本发明提出一种两步Sb浸润的方法，在生长InAs层之后先沉积一层Sb，形成富Sb表面，然后沉积In，之后再沉积一层Sb，使In与Sb充分反应，形成高质量的InSb界面层，以此平衡和消除InAs与GaSb之间的应力，提高InAs/GaSb超晶格材料的质量。同时，本发明在InAs/GaSb超晶格结构和GaSb衬底之间引入AlAsSb牺牲层，实现了衬底的无损剥离。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子器件技术领域，更具体地，涉及一种InAs/GaSb超晶格红外探测器及其制备方法。
背景技术
目前，市场上的高性能的红外探测器主要是碲镉汞(HgCdTe)红外探测器。Hg1- xCdxTe是二元化合物CdTe和HgTe的连续固溶体，其禁带宽度Eg依赖于工作温度和组分x值。通过连续改变其禁带宽度(从0～1.6eV)，可以获得几乎覆盖重要红外大气窗口的所有响应波段。HgCdTe红外探测器具有噪声低，探测率高，电子迁移率高，载流子寿命长，本征跃迁，吸收系数大和量子效率高等诸多优点。随着器件工艺和读出电路的快速发展，HgCdTe红外焦平面已发展到了2048×2048像元的规模，而且发展方向已从单色向双色或者多色发展。虽然HgCdTe红外探测器已经取得很大的成功，但由于HgCdTe晶体本身存在两个严重缺点：一是结构完整性差，二是Hg1-xCdxTe合金组分不均匀。这些因素制约了HgCdTe探测器性能的提高。因此，需要研发一种能带结构精确可控的高质量红外材料，制备出具有低暗电流、高探测率和工作温度等特征的高性能红外探测器。
InAs/GaSb II类超晶格中电子被限制在InAs层中，重空穴大部分被限制在GaSb层中，光跃迁发生在电子带(C1)和局域化的重空穴(hh1)之间并产生光电子，以此探测红外辐射。理论上可以调整各子层厚度和组分实现一个很宽范围(2～30μm)的红外吸收，特别适合制作宽波段、多波长和高性能的红外探测器。通过调节InAs层厚度可使InAs/GaSb II类超晶格材料的探测波长处于短、中、长波甚至甚长波红外波段。与碲镉汞等传统红外探测器材料相比，本申请采用InAs/GaSb超晶格材料的特点和优势在于：
1.材料组分、厚度和掺杂浓度等外延生长参数精确可控，无合金涨落，有利于制作大面积焦平面阵列探测器；
2.电子有效质量大，隧穿暗电流低；
3.重空穴带与轻空穴带带隙大，抑制了俄歇复合，提高了载流子的寿命，使探测器具有更高的工作温度；
4.InAs/GaSbⅡ类超晶格的响应波长主要由InAs层厚度决定，可灵活调节，适合制作中长波双色甚至多色红外探测器。因此，InAs/GaSb超晶格红外探测器势必成为高性能红外成像组件的理想选择。
然而，InAs/GaSb超晶格长波红外探测器的发展还遇到两个主要问题：
1.晶格失配会影响InAs/GaSb超晶格材料质量并导致红外探测器中的暗电流增大。在外延生长数百周期中波、长波和甚长波红外InAs/GaSb超晶格时，一方面，由于超晶格内部的InAs与GaSb之间存在晶格失配，累积的应力导致InAs/GaSb超晶格中形成大量的生长缺陷与错位，严重影响材料的生长质量，使得超晶格红外探测器中产生一复合暗电流和隧穿暗电流变得显著，降低了探测器的探测率和工作温度，另一方面，长波和甚长波InAs/GaSb二类超晶格与GaSb衬底之间的应力也较大，进一步导致了InAs/GaSb超晶格中生长缺陷的增加，影响超晶格红外探测器的寿命和性能。
2.衬底成本高昂，而且在制作探测器芯片时，需要去除衬底，不仅工艺复杂，而且污染严重。InAs/GaSb超晶格材料通常是基于300～600微米厚的衬底的分子束外延生长实现的，而且通常选用背入射探测，衬底会反射和吸收很高比例的红外辐射。为了增强InAs/GaSb超晶格红外探测器对入射红外信号的探测率和量子效率，需要经过研磨、抛光和化学腐蚀等复杂的工艺过程去除衬底，这些工艺过程会增加红外探测器的制造成本并产生大量废液，造成Ga、Sb和As的资源浪费与环境污染。
在现有发明CN101777601A中，公开了一种制备超晶格红外探测器的方法，该方法通过在GaAs衬底上制备外延结构，在外延结构上依次获得p型欧姆接触层、InAs/GaSb超晶格层和InAs盖层，完成外延结构的制备；将制备好的外延结构采用标准光刻技术及磷酸、柠檬酸溶液刻蚀，露出p型欧姆接触层，然后分别在p型欧姆接触层和InAs盖层上溅射合金制作的电极，实现了利用InAs/GaSb超晶格材料制作InAs/GaSb超晶格红外光电探测器。但是这种方法通过复杂的工艺破坏并去除衬底，会产生大量费用以及衬底浪费，还有可能去除不干净，对超晶格探测器的性能产生影响。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出一种两步Sb浸润的方法在InAs/GaSb超晶格中生长InSb界面层，消除InAs与GaSb之间的晶格失配累积的应力导致的InAs/GaSb超晶格生长缺陷，提高超晶格探测器的性能，实现高质量、多周期的InAs/GaSb超晶格材料制备；
在此基础上，本发明在InAs/GaSb超晶格结构和衬底之间引入牺牲层和停刻层，利用化学腐蚀液有选择性地腐蚀该牺牲层，实现了InAs/GaSb超晶格结构与衬底的高效率分离，进一步避免了衬底对InAs/GaSb超晶格结构的外加应力，同时解决了衬底反射和吸收红外辐射影响红外探测器性能的问题，使得InAs/GaSb超晶格红外探测器在长期工作中更加稳定，寿命和性能进一步提高。并且该方法得到的衬底在进行抛光和清洗后可重复利用，使得整个InAs/GaSb超晶格红外探测器的制作过程更加高效环保，由此解决现有技术红外探测器衬底去除过程中环境污染与成本浪费的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种InAs/GaSb超晶格红外探测器的制作方法，包括如下步骤：
S1：在所述衬底的上表面依次生长缓冲层、第一停刻层，获得受保护衬底，所述受保护衬底由下至上依次包括：衬底、缓冲层、第一停刻层；
S2：在所述受保护衬底的上方依次生长牺牲层、第二停刻层、InAs/GaSb超晶格结构，获得超晶格红外探测器的外延片；
S3：使用选择性溶解牺牲层的材料的化学溶液腐蚀所述牺牲层，剥离所述受保护衬底，除去第二停刻层，获得InAs/GaSb超晶格外延结构，所述超晶格外延结构由下至上依次包括：第一接触层、InAs/GaSb超晶格结构、第二接触层。
所述InAs/GaSb超晶格结构的生长方法包括：
在所述第二停刻层的上表面依次多周期性地交替生长GaSb层、InSb第一界面层、InAs层、InSb第二界面层，获得第二停刻层的上表面的InAs/GaSb超晶格结构，所述InAs/GaSb超晶格结构由交替生长的GaSb层、InSb第一界面层、InAs层、InSb第二界面层组成；
所述生长InSb第二界面层的方法包括如下步骤：
S221：在所述InAs层的上表面沉积沉积一层Sb，形成Sb浸润层；
S222：在所述Sb浸润层的上表面沉积In，使In与Sb反应，并再次沉积Sb浸润层，使In充分反应，获得所述InSb第二界面层。
优选地，所述牺牲层的材料为AlAsSb，厚度为5nm～1000nm，所述衬底的材料为GaSb或GaAs或InAs，厚度为300μm～600μm，所述选择性溶解牺牲层的材料的化学溶液的组分包括HF、H2O2，其中HF:H2O2:H2O的质量比为(0.2～1.2)：(0.6～1.2)：10，腐蚀温度为60～90℃，腐蚀工艺在通风条件下进行。
优选地，S3中所述除去第二停刻层的方法为：用柠檬酸溶液(C6H8O7)腐蚀所述第二停刻层，所述柠檬酸溶液的组成包括C6H8O7:H2O＝1g:(0.8～1.2)ml。
优选地，在所述S3后还可以包括如下步骤：
S4：将所述InAs/GaSb超晶格外延结构清洗并烘干，上下翻转后贴附于硅片等纳米级平整的刚性载体上；
S5：在翻转后的InAs/GaSb超晶格外延结构的上表面刻蚀获得红外探测器台面；
S6：在所述红外探测器台面上刻蚀获得感光元件阵列，所述刻蚀的方法为先用光刻法获得曝光区域，再用干法腐蚀或者干湿法结合除去所述曝光区域。
S7：用光刻法在所述红外探测器台面获得电极窗口；
S8：用蒸发法或磁控溅射法或电镀法在所述电极窗口沉积获得金属电极；
按照本发明的另一方面，提供了一种InAs/GaSb超晶格红外探测器的外延片结构，从下至上依次包括衬底、缓冲层、第一停刻层、牺牲层、第二停刻层、第一接触层、InAs/GaSb超晶格结构、第二接触层，所述InAs/GaSb超晶格结构包括交替生长的InAs、GaSb，在相邻的所述InAs与GaSb之间具有InSb界面层，与所述InAs层的上表面相邻的所述InSb界面层包括两层间隔的Sb浸润层。所述衬底的材料为GaSb或GaAs或InAs，厚度为300μm～600μm，所述缓冲层的材料为GaSb或GaAs或InAs，厚度为200nm～1000nm，所述第一停刻层的材料为InAsSb，厚度为200nm～1000nm，所述牺牲层的材料为AlAsSb，厚度为5nm～500nm，所述第二停刻层的材料为P+型InAsSb，厚度为200nm～1000nm，所述第一接触层的材料为GaSb，厚度为300nm～1000nm，所述第二接触层的材料为N+型InAs，厚度为10nm～50nm。
所述InAs/GaSb超晶格结构的厚度为0.5μm～5μm，包括从下至上依次排列的P+型InAs/GaSb超晶格区、I型InAs/GaSb超晶格区、N+型InAs/GaSb超晶格区，所述P+型InAs/GaSb超晶格区的掺杂元素为Be，掺杂层为GaSb层，掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1018cm-3，所述N+型InAs/GaSb超晶格区的掺杂元素为Si，掺杂层为InAs层，掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1018cm-3。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.现有技术中InAs/GaSb超晶格材料往往存在晶格失配的问题，影响超晶格材料质量，本申请选用InAs和GaSb交替生长制备超晶格层，在室温下，InAs和GaSb的晶格常数分别是
和
其晶格失配度为0.62％，现有技术中在InAs/GaSb超晶格单元生长周期达到一定数目时，由于晶格失配累积的应力导致超晶格材料中存在大量的生长缺陷，严重影响材料的生长质量，本申请通过在InAs/GaSb超晶格中引入两步Sb浸润形成高质量InSb界面层，进一步消除由于InAs与GaSb晶格失配而累积的应力作用导致的生长缺陷，提高超晶格探测器的性能，实现高质量、多周期的InAs/GaSb超晶格材料的制备。
2.本申请的两步Sb浸润方法为在超晶格结构中先沉积一层Sb，形成富Sb表面，然后沉积In，能使其与Sb迅速反应，之后再沉积一层Sb，使未完全反应的In与后沉积的Sb进一步充分反应，形成高质量的InSb界面层，更有效消除InAs/GaSb超晶格材料的晶格失配，提高超晶格材料的质量。
3.现有技术中InAs/GaSb超晶格结构直接与衬底接触，之后腐蚀去除衬底，会导致衬底去除不干净或伤害超晶格结构，影响超晶格红外探测器对红外信号的光电转换效率，而所以本方法通过引入第一停刻层和第二停刻层，有效保护超晶格结构和衬底，在此基础上引入牺牲层，能通过腐蚀牺牲层彻底剥离衬底，因此衬底清除效率更高，对InAs/GaSb超晶格外延结构损坏小，提高了超晶格红外探测器对红外信号的光电转换效率。
4.由于GaSb衬底的成本非常高昂，国产的2英寸的GaSb衬底价格不低于1500元，进口GaSb衬底价格更是不低于4500元，而现有技术中通过直接腐蚀去除衬底的方法会造成成本浪费，因此本申请通过第一停刻层对GaSb衬底进行保护，使分离的GaSb衬底完好无损，可以重复利用，大大降低了制造成本，因此本申请获得可重复利用的GaSb衬底的方法具有很高的经济和社会价值。
5.本申请使用成分包括配比为HF:H2O2:H2O＝(0.2～1.2)：(0.6～1.2)：10的腐蚀液对AlAsSb牺牲层的材料进行溶解，选择性高，能实现对牺牲层的材料的高效去除，同时又避免对InAs/GaSb超晶格探测器的损伤，工艺简单。本申请进一步优选GaSb衬底，该衬底抗腐蚀性最强。
6、通过掺杂元素提高了超晶格的量子效率，有利于载流子的输运，提高InAs/GaSb超晶格红外探测器的性能。
附图说明
图1是本发明的InAs/GaSb超晶格红外探测器的外延片结构示意图；
图2是本发明的InAs/GaSb超晶格红外探测器的结构示意图；
图3是依照本发明实施例的InAs/GaSb超晶格周期中束流控制图；
在所有的附图中，相同的附图标记表示相同的元件或结构，其中：1-衬底，2-缓冲层，3-1-第一停刻层，3-2-第二停刻层，4-牺牲层，5-1-第一接触层，5-2-第二接触层，6-超晶格结构，7-1-金属上电极，7-2-金属下电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，图1是本发明InAs/GaSb超晶格红外探测器的外延片结构示意图，从下至上依次包括衬底1、缓冲层2、第一停刻层3-1、牺牲层4、第二停刻层3-2、第一接触层5-1、超晶格结构6、第二接触层5-2。通过腐蚀牺牲层可分别获得受保护衬底和InAs/GaSb超晶格外延结构。
按照本发明的一个具体实施例，一种InAs/GaSb超晶格红外探测器的制备方法包括如下步骤：
a)将衬底1在分子束外延系统的高真空缓冲室中于250℃除气2小时，然后传入生长室中的样品架上；打开源炉开关的Sb束流源并将衬底1升温至500℃～550℃进行脱氧处理，获得原子级平整的GaSb衬底1，在所述原子级平整的GaSb衬底1的上表面生长获得缓冲层2，所述缓冲层2的生长温度为500℃，生长速率为0.5ML/s；
将衬底1的温度降至400℃，在所述缓冲层2的上表面生长第一停刻层3-1，获得受保护衬底1，所述第一停刻层3-1的生长速率为0.4ML/s，在所述受保护衬底1上依次生长获得牺牲层4、第二停刻层3-2、第一接触层5-1。
b)在所述第一接触层5-1的上表面以MEE(迁移增强外延)模式生长InAs/GaSb超晶格结构6，所述InAs/GaSb超晶格结构6自下而上包括：P+型InAs/GaSb超晶格区、I型InAs/GaSb超晶格区、N+型InAs/GaSb超晶格区，所述P+型InAs/GaSb超晶格区的掺杂元素为Be，掺杂层为GaSb层，所述N+型InAs/GaSb超晶格区的掺杂元素为Si，掺杂层为InAs层。
c)在所述InAs/GaSb超晶格结构6的上表面生长第二接触层5-2，用光刻法在所述第二接触层5-2上获得下电极窗口；用电子束蒸发法在所述下电极窗口沉积获得金属下电极7-2；剥离下电极窗口以外的光刻胶，获得带金属下电极7-2的外延结构。
d)使用化学腐蚀液腐蚀所述牺牲层4，剥离所述受保护衬底1，获得带金属下电极7-2的InAs/GaSb超晶格外延结构；对受保护衬底1进行抛光和清洗，除去第一停刻层3-1，获得可重复利用的衬底1，所述选择性溶解牺牲层4的材料的化学溶液由质量浓度为40％的HF溶液、质量浓度为30％的H2O2溶液与H2O按体积1：1：3配制而成，腐蚀温度为60℃～90℃，腐蚀工艺在通风柜中进行。所述牺牲层4的材料为AlAsSb，所述衬底1的材料为GaSb，所述化学溶液能快速腐蚀AlAsSb，腐蚀速率为100～200μm/min，所述GaSb衬底不受所述化学溶液腐蚀。
e)将所述带金属下电极7-2的InAs/GaSb超晶格外延结构清洗并烘干，上下翻转后贴附于硅片上，在翻转后的InAs/GaSb超晶格外延结构的上表面刻蚀获得红外探测器台面，在所述红外探测器台面上刻蚀获得感光元件阵列，所述刻蚀的方法为先用光刻法获得曝光区域，再用干法腐蚀除去所述曝光区域。
f)用光刻法在所述InAs/GaSb超晶格外延结构的第一接触层5-1的表面获得上电极窗口，用电子束蒸发法在所述上电极窗口沉积获得金属上电极7-1；结合步骤c)制备的金属下电极7-2，获得带金属上下电极的红外探测器。
图2为本发明实施例中带金属上下电极的InAs/GaSb超晶格探测器的结构示意图，如图2所示，所述带金属上下电极的红外探测器由下至上依次包括：金属下电极7-2、第二接触层5-2、超晶格结构6、第一接触层5-1、金属上电极7-1。
表1 实施例中InAs/GaSb超晶格红外探测器的层结构及其相应的参数
所述步骤b)中生长InAs/GaSb超晶格结构6的方法为：在所述InAs层的上表面依次交替生长GaSb层、InSb第一界面层、InAs层、InSb第二界面层，所述交替生长一个周期为一个超晶格单元，所述一个超晶格单元生长时的快门控制步骤如下：
b1)同时打开Ga和Sb1源的快门，时间为16s，生成GaSb层，生长速率为0.5ML/s；
b2)同时关闭Ga和Sb1源的快门，打开In2源的快门10s，沉积In层；
b3)关闭In2源的快门，打开Sb2源的快门5s，沉积Sb2与In反应生成InSb第一界面层，生长速率为0.1ML/s；
b4)关闭Sb2源的快门，同时打开In1和As源的快门20s，生成InAs层，生长速率为0.4ML/s；
b5)同时关闭In1源和As源的快门，同时打开Sb2源的快门2s，在InAs层表面形成Sb浸润层；
b6)关闭Sb2源的快门，打开In2源快门10s，沉积In与Sb2反应；
b7)关闭In2源的快门，并打开Sb2源的快门3s，再次沉积Sb浸润层使In充分反应，生成InSb第二界面层。
如图3所示，图3是依照本发明实施例的InAs/GaSb超晶格每生长一个周期过程中的束流控制图，所述束流控制由快门开关完成，x轴正方向表示快门开启的时间顺序，长度为快门开启时间。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种InAs/GaSb超晶格红外探测器，包括InAs/GaSb超晶格结构，所述InAs/GaSb超晶格结构包括交替生长的GaSb层、InAs层，在所述GaSb层与InAs层之间包括InSb界面层，其特征在于，位于InAs层上表面的所述InSb界面层由如下方法获得：
S11：在直接InAs生长获得InAs层后，在其上表面立马沉积一层Sb浸润层，以提供富Sb表面；
S12：在所述Sb浸润层的上表面沉积In，使In与Sb快速反应，并再次沉积Sb浸润层，使未完全反应的In与后沉积的Sb进一步充分反应，获得高质量的InSb界面层。
2.一种用于权利要求1所述的InAs/GaSb超晶格红外探测器的外延片，其特征在于，在所述InAs/GaSb超晶格结构的下方由下至上依次包括：衬底、缓冲层、第一停刻层、牺牲层、第二停刻层、第一接触层，在所述InAs/GaSb超晶格结构的上方还包括第二接触层，其中，所述衬底的材料为GaSb或GaAs或InAs，所述第一停刻层以及第二停刻层的材料为InAsSb，所述牺牲层的材料为AlAsSb。
3.一种InAs/GaSb超晶格红外探测器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在衬底的上表面依次生长缓冲层、第一停刻层，获得受保护衬底，在所述受保护衬底的上方依次生长牺牲层、第二停刻层，在所述第二停刻层的上表面依次交替生长GaSb层、InSb第一界面层、InAs层、InSb第二界面层，获得第二停刻层的上表面的InAs/GaSb超晶格结构，所述InAs/GaSb超晶格结构的厚度为0.5μm～10μm；
S2：除去所述牺牲层，剥离所述受保护衬底，并除去所述第二停刻层，获得InAs/GaSb超晶格外延结构，所述InAs/GaSb超晶格红外探测器包括InAs/GaSb超晶格外延结构，其中，所述衬底的材料为GaSb或GaAs或InAs，所述第一停刻层以及第二停刻层的材料为InAsSb，所述牺牲层的材料为AlAsSb；
其中，在所述S1中所述生长InSb第二界面层的方法包括如下步骤：
S11：在所述InAs层的上表面立马沉积一层Sb，形成Sb浸润层；
S12：在所述Sb浸润层的上表面沉积In，使In与Sb初步反应，并再次沉积Sb浸润层，使未完全反应的In与后沉积的Sb进一步充分反应，获得所述InSb第二界面层。
4.如权利要求3所述的InAs/GaSb超晶格红外探测器的制作方法，其特征在于，S2中所述除去所述牺牲层的方法为化学溶液腐蚀法，所述化学溶液的组分包括HF、H2O2，其中HF:H2O2:H2O的质量比为(0.2～1.2)：(0.6～1.2)：10。
5.如权利要求4所述的InAs/GaSb超晶格红外探测器的制作方法，其特征在于，在S2中所述除去第二停刻层的方法为：用柠檬酸溶液腐蚀所述第二停刻层。
6.如权利要求4所述的InAs/GaSb超晶格红外探测器的制作方法，其特征在于，在所述S2后还包括如下步骤：
S3：在InAs/GaSb超晶格外延结构的下表面刻蚀获得红外探测器台面，所述刻蚀的方法具体为：先上下翻转所述InAs/GaSb超晶格外延结构，然后在翻转后的InAs/GaSb超晶格外延结构的上表面刻蚀获得红外探测器台面；
S4：在所述红外探测器台面上刻蚀获得感光元件阵列，所述刻蚀的方法为干法刻蚀或干湿法结合腐蚀。
7.如权利要求6所述的InAs/GaSb超晶格红外探测器的制作方法，其特征在于，在所述S4后还包括如下步骤：
S5：在所述红外探测器台面用光刻法获得电极窗口；
S6：在所述电极窗口沉积金属电极，获得带金属电极的InAs/GaSb超晶格红外探测器。
8.一种以权利要求3-7中任意一项所述方法制作的InAs/GaSb超晶格红外探测器。
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