CN108493273A - 一种ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Ⅱ‑类超晶格红外探测器吸收区结构，吸收区由若干层超晶格层依次叠加构成，每层超晶格层从下往上依次包括有InAs层、第一类GaAs界面、第一GaSb层、第一InSb层、第二GaSb层、第二InSb层、第三GaSb层、第二类GaAs界面。本发明的Ⅱ‑类超晶格红外探测器吸收区结构，吸收波长可以分别针对短波红外（SWIR，1‑3微米）、中波红外（MWIR，3‑5微米）、长波红外（LWIR，8‑12微米）、甚长波红外（VLWIR，12‑30微米）波段进行高效的吸收。
Description
技术领域
本发明属于半导体红外探测器材料领域，具体涉及一种Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构。
背景技术
近些年来，红外探测器技术在军事、环境、工业、农业、医疗、科学研究以及日常生活领域得到了广泛的应用。其中，中波焦平面红外探测器尤其是在化学气体检测、温室气体监控、通信、医学检测、军事制导等方面具有远大的应用前景。目前该领域的主要技术为碲镉汞探测器和量子阱红外探测器（QWIP）。碲镉汞材料生长困难，材料质量和均匀性差，工艺难度高，很难制作大面阵焦平面器件。QWIP则量子效率低，且不能吸收正入射光，工作温度低，响应率和帧频率低。
从材料生长角度看，界面质量控制和失配度控制是基于InAs/GaSb材料体系的T2SL的主要挑战。由于As和Sb相比在成键过程中具有竞争优势，无论是InAs层向GaSb层切换的界面还是GaSb层向InAs层切换的界面都更倾向于形成类GaAs界面（Ga-As共价键为主），从而引入大量的张应变，再加上InAs本身比GaSb晶格常数小，进一步加剧了材料的整体晶格失配度。目前的普遍解决方式是在InAs层与GaSb层之间人为加入一层InSb，强制形成类InSb界面，引入压应变来中和前述的张应变。该类方案的主要问题有：首先，即使人为加入InSb层，在As和Sb的切换过程中，部分Sb仍然会被As替换，最终形成InSb1-xAsx层，该As组份，生长过程中通常会采用尽量低的As束流来降低生长室内的背景As气压，而较低甚至过低的As束流会导致InAs层的材料质量下降，主要体现在点缺陷密度升高，最终导致探测器暗电流变大。有少量研究提出将InSb层插入到GaSb层正中央，在GaSb与InSb的切换过程中没有As的参与，可避免As与Sb的竞争。该方案在解决晶格失配方便比较有效，但GaSb层正中的InSb层会将空穴波函数向GaSb层中央进一步集中，减少了界面处电子、空穴波函数的重叠，降低了对光子的吸收率。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，旨在同时实现：在材料生长过程中可以使用高As束流，从而提高InAs层的材料质量；InSb层与GaSb层相切换，避免As的参与，从而提高界面质量；InSb层处于界面附近，将空穴波函数拉向界面，增加电子与空穴波函数的重叠，从而增加对光子的吸收效率。
本发明采用的技术方案是：一种Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，所述吸收区由若干层超晶格层依次叠加构成，每层超晶格层从下往上依次包括有InAs层、第一类GaAs界面、第一GaSb层、第一InSb层、第二 GaSb层、第二InSb层、第三GaSb层、第二类GaAs界面。
作为上述方案的优选，所述InAs层的厚度为4-10单原子层，所述第一GaSb层、第三GaSb层的厚度为1单原子层，所述第二 GaSb层的厚度为4-10单原子层，所述第一InSb层、第二InSb层的厚度为0.5单原子层，构成短波Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，用于吸收短波红外（SWIR，1-3微米）。
作为上述方案优选，所述InAs层的厚度为7-10单原子层，所述第一GaSb层、第三GaSb层的厚度为1单原子层，所述第二 GaSb层的厚度为7-10单原子层，所述第一InSb层、第二InSb层的厚度为0.5单原子层，构成中波Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，用于吸收中波红外（MWIR，3-5微米）。
作为上述方案优选，InAs层的厚度为10-18单原子层，所述第一GaSb层、第三GaSb层的厚度为1单原子层，所述第二 GaSb层的厚度为4-15单原子层，所述第一InSb层、第二InSb层的厚度为0.5单原子层，构成长波Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，用于吸收长波红外（LWIR，8-12微米）。
作为上述方案优选，所述InAs层的厚度为8-20单原子层，所述第一GaSb层、第三GaSb层的厚度为1单原子层，所述第二 GaSb层的厚度为4-15单原子层，所述第一InSb层、第二InSb层的厚度为0.5单原子层，构成甚长波Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，用于吸收甚长波红外（VLWIR，12-30微米）。
作为上述方案优选，所述短波、中波、长波、甚长波的Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，第一类GaAs界面、第二类GaAs界面中Ga-As共价键的数量均超过80%。
作为上述方案优选，所述短波、中波、长波、甚长波的Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，吸收区由100-850层超晶格层依次叠加构成。
作为上述方案优选，所述短波、中波、长波、甚长波的Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，超晶格层之间、超晶格层中每一层之间分别通过分子束外延技术或者金属有机化学气相外延技术进行生长。
本发明的有益效果是：本发明的Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，吸收波长可以分别针对短波红外（SWIR，1-3微米）、中波红外（MWIR，3-5微米）、长波红外（LWIR，8-12微米）、甚长波红外（VLWIR，12-30微米）波段进行高效的吸收。
附图说明
图1是超晶格层的示意图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，
实施例一
一种Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，所述吸收区由若干层超晶格层依次叠加构成，每层超晶格层从下往上依次包括有InAs层1、第一类GaAs界面2、第一GaSb层3、第一InSb层4、第二 GaSb层5、第二InSb层6、第三GaSb层7、第二类GaAs界面8。所述InAs层1的厚度保持在4-7ML之间，优选为6ML；第一GaSb层2、第三GaSb层7的厚度为1 ML；第二 GaSb层6的厚度保持在4-7之间，优选为6ML；第一InSb层4、第二InSb层6的厚度为0.5 ML；第一类GaAs界面2、第二类GaAs界面8中Ga-As共价键的数量均超过80%。吸收区由300层超晶格层依次叠加构成。超晶格层之间、超晶格层中每一层之间分别通过分子束外延技术或者金属有机化学气相外延技术进行生长。光致发光实验表明，该结构发光峰值为3微米，且发光强度相比于传统InAs/GaSb结构得到了80%的提高，证明了材料质量的明显改善，能够对甚长波红外进行有效的吸收。
实施例二
一种Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，所述吸收区由若干层超晶格层依次叠加构成，每层超晶格层从下往上依次包括有InAs层1、第一类GaAs界面2、第一GaSb层3、第一InSb层4、第二 GaSb层5、第二InSb层6、第三GaSb层7、第二类GaAs界面8。所述InAs层1的厚度优选的保持在7-10ML之间，最优选择为9 ML；第一GaSb层2、第三GaSb层7的厚度为1单原子层；第二 GaSb层6的厚度保持在7-10ML之间，最优选择为8ML；第一InSb层4、第二InSb层6的厚度为0.5 ML；第一类GaAs界面2、第二类GaAs界面8中Ga-As共价键的数量均超过80%。吸收区由500层超晶格层依次叠加构成。超晶格层之间、超晶格层中每一层之间分别通过分子束外延技术或者金属有机化学气相外延技术进行生长。通过X-射线衍射实验，该结构首先有效地补偿了晶格失配，超晶格0级干涉峰与GaSb衬底峰之间的间距小于20弧秒，同时获得了高质量的界面，表现为超晶格-1级干涉峰的半峰宽（FWHM）小于18弧秒。光致发光实验表明，该结构发光峰值为5微米，且发光强度相比于传统InAs/GaSb结构得到了80%的提高，证明了材料质量的明显改善，能够对中波红外进行有效的吸收。
实施例三
一种Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，所述吸收区由若干层超晶格层依次叠加构成，每层超晶格层从下往上依次包括有InAs层1、第一类GaAs界面2、第一GaSb层3、第一InSb层4、第二 GaSb层5、第二InSb层6、第三GaSb层7、第二类GaAs界面8。所述InAs层1的厚度优选为10-18ML之间，最优选择为15ML；第一GaSb层2、第三GaSb层7的厚度为1 ML；第二 GaSb层6的厚度优选为4-15ML之间，最优选择为5 ML；第一InSb层4、第二InSb层6的厚度为0.5ML；第一类GaAs界面2、第二类GaAs界面8中Ga-As共价键的数量均超过80%。吸收区由500层超晶格层依次叠加构成。超晶格层之间、超晶格层中每一层之间分别通过分子束外延技术或者金属有机化学气相外延技术进行生长。通过X-射线衍射实验，该结构首先有效地补偿了晶格失配，超晶格0级干涉峰与GaSb衬底峰之间的间距小于50弧秒，同时获得了高质量的界面，表现为超晶格-1级干涉峰的半峰宽（FWHM）小于20弧秒。光致发光实验表明，该结构发光峰值为12微米，且发光强度相比于传统InAs/GaSb结构得到了120%的提高，证明了材料质量的明显改善，能够对长波红外进行有效的吸收。
实施例四
一种Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，所述吸收区由若干层超晶格层依次叠加构成，每层超晶格层从下往上依次包括有InAs层1、第一类GaAs界面2、第一GaSb层3、第一InSb层4、第二 GaSb层5、第二InSb层6、第三GaSb层7、第二类GaAs界面8。所述InAs层1的厚度优选为18-20ML之间，最优选择为20 ML；第一GaSb层2、第三GaSb层7的厚度为1 ML；第二 GaSb层6的厚度优选为4-15ML之间，最优选为15 ML；第一InSb层4、第二InSb层6的厚度为0.5ML；第一类GaAs界面2、第二类GaAs界面8中Ga-As共价键的数量均超过80%。吸收区由800层超晶格层依次叠加构成。超晶格层之间、超晶格层中每一层之间分别通过分子束外延技术或者金属有机化学气相外延技术进行生长。光致发光实验表明，该结构发光峰值为20微米，且发光强度相比于传统InAs/GaSb结构得到了80%的提高，证明了材料质量的明显改善，能够对甚长波红外进行有效的吸收。
将多个上述针对不同红外波段吸收的Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区同时设于一个红外探测器上，能够获得由短波红外、中波红外、长波红外、甚长波红外波段波段组合而成的双色、三色、多色波段针对性的进行吸收，从而制得能够同时探测多个红外波段的探测器。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化，因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，其特征在于，所述吸收区由若干层超晶格层依次叠加构成，每层超晶格层从下往上依次包括有InAs层、第一类GaAs界面、第一GaSb层、第一InSb层、第二 GaSb层、第二InSb层、第三GaSb层、第二类GaAs界面。
2.如权利要求1所述的Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，其特征在于，所述InAs层的厚度为4-10单原子层，所述第一GaSb层、第三GaSb层的厚度为1单原子层，所述第二 GaSb层的厚度为4-10单原子层，所述第一InSb层、第二InSb层的厚度为0.5单原子层。
3.如权利要求1所述的Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，其特征在于，所述InAs层的厚度为7-10单原子层，所述第一GaSb层、第三GaSb层的厚度为1单原子层，所述第二 GaSb层的厚度为7-10单原子层，所述第一InSb层、第二InSb层的厚度为0.5单原子层。
4.如权利要求1所述的Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，其特征在于，所述InAs层的厚度为10-18单原子层，所述第一GaSb层、第三GaSb层的厚度为1单原子层，所述第二GaSb层的厚度为4-15单原子层，所述第一InSb层、第二InSb层的厚度为0.5单原子层。
5.如权利要求1所述的Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，其特征在于，所述InAs层的厚度为8-20单原子层，所述第一GaSb层、第三GaSb层的厚度为1单原子层，所述第二 GaSb层的厚度为4-15单原子层，所述第一InSb层、第二InSb层的厚度为0.5单原子层。
6.如权利要求2、3、4或5所述的Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，其特征在于，所述第一类GaAs界面、第二类GaAs界面中Ga-As共价键的数量均超过80%。
7.如权利要求2、3、4或5所述的Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，其特征在于，所述吸收区由100-850层超晶格层依次叠加构成。
8.如权利要求2、3、4或5所述的Ⅱ-类超晶格红外探测器吸收区结构，其特征在于，所述超晶格层之间、超晶格层中每一层之间分别通过分子束外延技术或者金属有机化学气相外延技术进行生长。
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