CN112201712A - 超晶格梯度能带空穴势垒层结构以及红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空穴势垒层技术领域，提供了一种超晶格梯度能带空穴势垒层结构，包括n级超晶格层，每级超晶格层均包括由下向上依次生长的InAs层、第一GaSb层、AlSb层以及第二GaSb层，其中，所述InAs层的周期厚度为A，所述GaSb层的厚度周期为
所述AlSb层的厚度周期为C，所述第二AaSb层的厚度周期为
在第n级超晶格层中，x＝n‑1，且在每级超晶格层中，总厚度周期A+B+C均相等。还提供一种红外探测器，包括上述的超晶格梯度能带空穴势垒层结构。本发明通过改变各级超晶格层中AlSb层的插入位置，即处于
处，即可实现能带渐变，无需改变超晶格的厚度周期，维持各层生长总时间不变，势垒层导带偏移小，价带偏移大，满足空穴势垒层的设计需求，结构调节灵活，材料容易实现外延生长。
Description
技术领域
本发明涉及空穴势垒层技术领域，具体为一种超晶格梯度能带空穴势垒层结构以及红外探测器。
背景技术
锑化物超晶格红外探测器是近年来红外探测技术领域研究的热点，其有着广阔的应用前景，是第三代红外探测器的优选材料。锑化物超晶格材料具有灵活的能带工程设计，结合分子束外延技术，可以根据设计的结构生长出满足各种需求的红外探测器结构，尤其是InAs/GaSb II类超晶格红外探测器。
完整的InAs/GaSb超晶格器件结构的吸收层通常有几百个周期结构组成，InAs与GaSb材料之间存在应力失配、界面互扩散等问题，使InAs/GaSb超晶格材料微结构缺陷密度高，少子寿命低，导致器件的暗电流密度大。对于长波红外材料，其吸收层禁带宽度窄，采用传统PIN结构器件设计，PN结耗尽层几乎分布在整个吸收区，这导致吸收层内部的产生-复合电流增大。为了解决这个问题，需要从材料结构上做一些特殊的设计，如插入电子势垒层、空穴势垒层、双势垒层或梯度势垒层等。AlSb材料的禁带宽度为1.7eV且晶格常数与GaSb衬底相近，可与InAs或GaSb组合形成InAs/AlSb、GaSb/AlSb、InAs/GaSb/AlSb/GaSb等结构的空穴势垒层。梯度空穴势垒结构设计可以将强的PN结内建电场从禁带宽度较窄的吸收区移到禁带宽度较宽的势垒区，同时使超晶格材料的导带尽可能平坦，减少器件的光生电子的阻挡作用。InAs/GaSb/AlSb/GaSb组合是一种常用的空穴势垒结构，基于这种组合设计梯度势垒结构，通常需要逐级改变InAs层、GaSb层和AlSb层和厚度。
然而，超晶格材料多采用分子束外延技术生长，改变厚度周期是通过改变快门开关时间实现的。在含As的材料生长过程中，随着外延生长时间延长，分子束外延炉反应腔内的As背景压力越来越大。超晶格厚度周期在短时间内变化会使As的束流更加难以控制，导致界面质量的可控性差，材料质量降低，进而影响红外探测器件的光学和电学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超晶格梯度能带空穴势垒层结构以及红外探测器，至少可以解决现有技术中部分缺陷。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种超晶格梯度能带空穴势垒层结构，包括n级超晶格层，每级超晶格层均包括由下向上依次生长的InAs层、第一GaSb层、AlSb层以及第二GaSb层，
其中，所述InAs层的周期厚度为A，所述GaSb层的厚度周期为
所述AlSb层的厚度周期为C，所述第二AaSb层的厚度周期为
在第n级超晶格层中，x＝n-1，且在每级超晶格层中，总厚度周期A+B+C均相等。
进一步，x为整数，且
进一步，每级所述超晶格层均由2～30个周期组成。
进一步，所述周期的个数为5个或10个。
进一步，每级所述超晶格层的周期数相等、部分相等或完全不相等。
进一步，所述总厚度周期A+B+C的值在6～12nm之间。
进一步，所述总厚度周期的值为8.7nm。
进一步，生长的方法为分子束外延法或金属有机物化学气相沉积法。
本发明实施例提供另一种技术方案：一种红外探测器，包括上述的超晶格梯度能带空穴势垒层结构。
进一步，包括衬底，于所述衬底上依次生长有P型接触层、吸收层、空穴势垒层以及N型接触层，所述空穴势垒层为所述超晶格梯度能带空穴势垒层结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过改变各级超晶格层中AlSb层的插入位置，即处于
处，即可实现能带渐变，无需改变超晶格的厚度周期，维持各层生长总时间不变，势垒层导带偏移小，价带偏移大，满足空穴势垒层的设计需求，结构调节灵活，材料容易实现外延生长。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种超晶格梯度能带空穴势垒层结构的示意图；(从第一级超晶格层开始的示意图)
图2为本发明实施例提供的一种超晶格梯度能带空穴势垒层结构的第1级超晶格能外延生长开关顺序设计示意图；
附图标记中：1-第1级超晶格层；11-InAs层；12-第一GaSb层；13-AlSb层；14-第二GaSb层；2-第2级超晶格层；n-第n级超晶格层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供一种超晶格梯度能带空穴势垒层结构，包括n级超晶格层，每级超晶格层均包括由下向上依次生长的InAs层11、第一GaSb层12、AlSb层13以及第二GaSb层14，其中，所述InAs层11的周期厚度为A，所述GaSb层的厚度周期为
所述AlSb层13的厚度周期为C，所述第二AaSb层的厚度周期为
在第n级超晶格层n中，x＝n-1，且在每级超晶格层中，总厚度周期A+B+C均相等。在本实施例中，通过改变各级超晶格层中AlSb层13的插入位置，即处于
处，即可实现能带渐变，无需改变超晶格的厚度周期，维持各层生长总时间不变，势垒层导带偏移小，价带偏移大，满足空穴势垒层的设计需求，结构调节灵活，材料容易实现外延生长。具体地，将所述InAs层11的周期厚度设定为A，将所述第一GaSb层12的厚度周期为
将所述AlSb层13的厚度周期设定为C，将所述第二GaSb层14的厚度周期为
而A+B+C的总厚度周期是相等的，那么所述AlSb层13是设在
处，那么就只需要控制B的值和x的值即可控制AlSb层13的插入位置，进而实现能带渐变，无需改变超晶格的厚度周期，维持各层生长总时间不变，势垒层导带偏移小，价带偏移大，满足空穴势垒层的设计需求，结构调节灵活，材料容易实现外延生长。从第1级举例说明，第1级超晶格层1中的C层AlSb插入位置为B/2处(x＝0)，第2级超晶格层2中的C层AlSb插入位置为B/2-1处(x＝1)，第3级超晶格层中的C层AlSb插入位置为B/2-2处(x＝2)，……，依次类推，第n级超晶格层n中的C层AlSb插入位置为B/2+n-1处(x＝n-1)。x为整数，取值范围为：-B/2≤x≤B/2。而每级超晶格层中AlSb层13插入位置可以随级数增加离InAs层11越来越近(x为非负整数)，也可随级数增加离InAs层11越来越远(x为非正整数)。图2是第1级超晶格材料的生长开关顺序的设计，其它各级超晶格材料的开关设计仅需在此基础上调节AlSb13开启的时刻。
作为本发明实施例的优化方案，每级所述超晶格层均由2～30个周期组成。每级所述超晶格层的周期数相等、部分相等或完全不相等。所述总厚度周期A+B+C的值在6～12nm之间。以下为具体实施例：
实施例1：一种超晶格梯度能带空穴势垒层结构，其具体结构从下至上依次为：
第1级超晶格，周期数为5，由5.4nm的InAs，0.9nm的GaSb，1.5nm的AlSb和0.9nm的GaSb层组成，周期厚度为8.7nm；
第2级超晶格，周期数为5，由5.4nm的InAs，0.6nm的GaSb，1.5nm的AlSb和1.2nm的GaSb层组成，周期厚度为8.7nm；
第3级超晶格，周期数为5，由5.4nm的InAs，0.3nm的GaSb，1.5nm的AlSb和1.5nm的GaSb层组成，周期厚度为8.7nm；
第4级超晶格，周期数为5，由5.4nm的InAs，0nm的GaSb，1.5nm的AlSb和1.8nm的GaSb层组成，周期厚度为8.7nm。
通过能带理论进行分析和计算，这种结构的空穴势垒层能带从第1级超晶格开始禁带宽度由0.2938eV逐级增大至0.5156eV，对应的导带偏移量0.004eV，而价带偏移量为0.2618eV，完全满足空穴势垒层能带结构的设计需求。
实施例2：一种超晶格梯度能带空穴势垒层结构，其具体结构从下至上依次为：
第1级超晶格，周期数为10，由5.7nm的InAs，0.6nm的GaSb，1.8nm的AlSb和0.6nm的GaSb层组成，周期厚度为8.7nm；
第2级超晶格，周期数为10，由5.7nm的InAs，0.3nm的GaSb，1.8nm的AlSb和0.9nm的GaSb层组成，周期厚度为8.7nm；
第3级超晶格，周期数为10，由5.7nm的InAs，0nm的GaSb，1.8nm的AlSb和1.2nm的GaSb层组成，周期厚度为8.7nm。
通过能带理论进行分析和计算，这种结构的空穴势垒层能带从第1级超晶格开始禁带宽度由0.3450eV逐级增大至0.5268eV，对应的导带偏移量0.002eV，而价带偏移量为0.1838eV，完全满足空穴势垒层能带结构的设计需求。
作为本发明实施例的优化方案，生长的方法为分子束外延法或金属有机物化学气相沉积法。
本发明实施例提供一种红外探测器，包括上述的超晶格梯度能带空穴势垒层结构。在本实施例中，在红外探测器中采用上述的空穴势垒层结构，通过改变各级超晶格层中AlSb层13的插入位置，即处于
处，即可实现能带渐变，无需改变超晶格的厚度周期，维持各层生长总时间不变，势垒层导带偏移小，价带偏移大，满足空穴势垒层的设计需求，结构调节灵活，材料容易实现外延生长，易于红外探测器的制作。
作为本发明实施例的优化方案，本红外探测器包括衬底，于所述衬底上依次生长有P型接触层、吸收层、空穴势垒层以及N型接触层，所述空穴势垒层为所述超晶格梯度能带空穴势垒层结构。在本实施例中，红外探测器的制备还包括衬底、P型接触层、吸收层、空穴势垒层以及N型接触层，其中的空穴势垒层可以是上述的超晶格梯度能带空穴势垒层结构。优选的，P型接触层上设下电极，N型接触层上设上电极。优选的，衬底为GaSb衬底，P型接触层为InAs/GaSb超晶格P型接触层，N型接触层为InAs/GaSb超晶格N型接触层。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种超晶格梯度能带空穴势垒层结构，其特征在于：包括n级超晶格层，每级超晶格层均包括由下向上依次生长的InAs层、第一GaSb层、AlSb层以及第二GaSb层，
其中，所述InAs层的周期厚度为A，所述GaSb层的厚度周期为
所述AlSb层的厚度周期为C，所述第二AaSb层的厚度周期为
在第n级超晶格层中，x＝n-1，且在每级超晶格层中，总厚度周期A+B+C均相等。
2.如权利要求1所述的超晶格梯度能带空穴势垒层结构，其特征在于：x为整数，且
3.如权利要求1所述的超晶格梯度能带空穴势垒层结构，其特征在于：每级所述超晶格层均由2～30个周期组成。
4.如权利要求3所述的超晶格梯度能带空穴势垒层结构，其特征在于：所述周期的个数为5个或10个。
5.如权利要求1所述的超晶格梯度能带空穴势垒层结构，其特征在于：每级所述超晶格层的周期数相等、部分相等或完全不相等。
6.如权利要求1所述的超晶格梯度能带空穴势垒层结构，其特征在于：所述总厚度周期A+B+C的值在6～12nm之间。
7.如权利要求6所述的超晶格梯度能带空穴势垒层结构，其特征在于：所述总厚度周期的值为8.7nm。
8.如权利要求1所述的超晶格梯度能带空穴势垒层结构，其特征在于：生长的方法为分子束外延法或金属有机物化学气相沉积法。
9.一种红外探测器，其特征在于：包括如权利要求1-8任一所述的超晶格梯度能带空穴势垒层结构。
10.如权利要求9所述的红外探测器，其特征在于：包括衬底，于所述衬底上依次生长有P型接触层、吸收层、空穴势垒层以及N型接触层，所述空穴势垒层为所述超晶格梯度能带空穴势垒层结构。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
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Inventor after: Huang Li Inventor after: Liu Yongfeng Inventor after: Zhang Chuanjie Inventor before: Liu Yongfeng Inventor before: Zhang Chuanjie |