CN114582996A - 周期渐变超晶格宽光谱红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种周期渐变超晶格宽光谱红外探测器，包括：GaSb衬底(1)、外延片结构及第一金属电极(7)、第二金属电极(8)，外延片结构依次包括GaSb缓冲层(2)、P型欧姆接触层(3)、InAs/InAsSb周期渐变超晶格层(4)、N型欧姆接触层(5)和InAs盖层(6)，GaSb缓冲层(2)两侧露出部分分别设有第一金属电极(7)，InAs盖层(6)两侧分别设有第二金属电极(8)，第一金属电极(7)与对应一侧的第二金属电极(8)之间的GaSb缓冲层(2)、InAs盖层(6)表面及P型欧姆接触层(3)、InAs/InAsSb周期渐变超晶格层(4)、N型欧姆接触层(5)的侧表面生长有钝化层。本公开还提供了该红外探测器的制备方法。
Description
技术领域
本公开涉及红外探测技术领域，尤其涉及一种InAs/InAsSb周期渐变超晶格宽光谱红外探测器及其制备方法。
背景技术
InAs/GaSb二类超晶格作为红外探测领域替代碲镉汞的新型材料体系，与传统的碲镉汞(MCT)材料体系相比，拥有较高的电子有效质量，较低的俄歇复合几率。另外，碲镉汞材料所需要的碲锌镉(ZnCdTe)衬底在成品率、材料均匀性以及衬底尺寸方面难以达到生产要求，尤其在长波甚长波段，材料生长难度很大，导致MCT探测器的成本较高。相比之下，二类超晶格材料借助III-V族化合物半导体材料成熟的生长体系，可以获得高质量的衬底及超晶格外延层。在此基础上，相比于InAs/GaSb二类超晶格，InAs/InAsSb超晶格中不含Ga元素，避免了在禁带中引入与Ga有关的缺陷能级，减小了器件中少子在耗尽层的复合几率，延长了器件的少子寿命，同时，也降低了由Shockley-Read-Hall(SRH)机制主导的产生-复合(GR)暗电流，可有效提高了红外器件在GR暗电流为主要暗电流时的性能。并且同属III-V族化合物半导体材料，外延生长质量高。因此，InAs/InAsSb二类超晶格是目前极具发展潜力的红外探测器材料。
发明内容
本公开提供了一种长波甚长波宽光谱的InAs/InAsSb超晶格红外探测器及其制备方法。
本公开的一个方面提供了一种周期渐变超晶格宽光谱红外探测器，包括：GaSb衬底、外延片结构及第一金属电极、第二金属电极；其中，所述外延片结构依次包括GaSb缓冲层、P型欧姆接触层、InAs/InAsSb周期渐变超晶格层、N型欧姆接触层和InAs盖层，按远离所述GaSb衬底的顺序依次叠加在所述GaSb衬底上，所述GaSb缓冲层两侧的部分表面露出；所述GaSb缓冲层两侧露出部分分别设有所述第一金属电极，所述InAs盖层两侧分别设有所述第二金属电极，所述第一金属电极与对应一侧的所述第二金属电极之间的GaSb缓冲层、InAs盖层表面及P型欧姆接触层、InAs/InAsSb周期渐变超晶格层、N型欧姆接触层的侧表面生长有钝化层。
可选地，所述InAs/InAsSb周期渐变超晶格层分为四层，分别为42/9、38.5/8、32.5/7、28/6MLs的InAs/InAsSb超晶格层，周期厚度依次为15nm、13.3nm、11.7nm、10nm，生长周期数分别为70、80、90、100。
可选地，在所述InAs/InAsSb周期渐变超晶格层的InAsSb层中，Sb的组分是0.50。
可选地，所述GaSb缓冲层层厚1.2-1.3μm，所述P型欧姆接触层层厚400-600nm，所述InAs/InAsSb周期渐变超晶格层层厚4-4.5μm，所述N型欧姆接触层层厚400-600nm，所述InAs盖层层厚20-25nm。
可选地，所述第一金属电极和第二金属电极的材料为钛铂合金，其中，制备第一金属电极使用的钛铂合金中各层的厚度为Ti(50nm)/Pt(60nm)/Au(150nm)，制备第二金属电极的钛铂合金中各层的厚度为Ti(50nm)/Pt(60nm)/Au(200nm)。
本公开另一方面提供了一种周期渐变超晶格宽光谱红外探测器的制备方法，包括：在GaSb衬底上制备的外延片结构，所述外延片结构按远离所述GaSb衬底的顺序依次包括GaSb缓冲层、P型欧姆接触层、InAs/InAsSb周期渐变超晶格层、N型欧姆接触层和InAs盖层；采用标准光刻技术及磷酸、柠檬酸溶液，刻蚀所述P型欧姆接触层、InAs/InAsSb周期渐变超晶格层、N型欧姆接触层和InAs盖层的两侧，露出GaSb缓冲层两侧部分表面；在所述GaSb缓冲层两侧露出的表面溅射合金制作第一金属电极，在InAs盖层表面的两端溅射合金制作第二金属电极；在所述第一金属电极与对应一侧的所述第二金属电极之间的GaSb缓冲层表面、InAs盖层表面及P型欧姆接触层、InAs/InAsSb周期渐变超晶格层、N型欧姆接触层的侧表面上生长钝化层，得到周期渐变超晶格宽光谱红外探测器。
可选地，在制备所述外延片结构的之前，包括：将所述GaSb衬底先后在进样室及缓冲室中进行除气；将所述GaSb衬底送入生长室，在锑气氛保护及第一生长温度下进行脱氧。
可选地，制备所述外延片结构的根据基准温度调节，获取所述基准温度包括：将所述GaSb衬底温度降温，待所述GaSb衬底表面的×3再构转变为×5再构并保持不变后，升高所述GaSb衬底温度，直到GaSb衬底表面的×5再构重新转变为×3再构时，将该温度定为GaSb的再构转变温度Tc，并将Tc作为基准温度。
可选地，所述GaSb缓冲层的生长温度为Tc+90℃，所述P型欧姆接触层、InAs/InAsSb周期渐变超晶格层、N型欧姆接触层的生长温度为Tc-20℃。
可选地，所述InAs/InAsSb周期渐变超晶格层的InAs-on-InAsSb界面采用Sb束流为Sb/In＝3的Sb元素浸润法，Sb浸润时长5s，来形成Sb组分突变的陡峭界面；所述InAs/InAsSb周期渐变超晶格层中的InAsSb-on-InAs界面采用Sb束流为Sb/In＝3的Sb元素浸润法，Sb浸润时长5s，来形成Sb组分突变的陡峭界面。
在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
(1)本公开实现了利用InAs/InAsSb周期渐变超晶格材料制作InAs/InAsSb超晶格5-14微米宽光谱响应红外探测器；
(2)本公开实现了用分子束外延方法生长高质量InAs/InAsSb周期渐变超晶格材料；
(3)本公开提供的周期渐变超晶格宽光谱红外探测器实现了降低InAs/InAsSb超晶格红外探测器的暗电流，提高探测器的探测率和响应度。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了本公开实施例提供的一种周期渐变超晶格宽光谱红外探测器的结构示意图；
图2示意性示出了本公开实施例提供的一种周期渐变超晶格宽光谱红外探测器的制备方法的流程图；
图3示意性示出了本公开实施例提供的一种InAs/InAsSb周期渐变超晶格层的生长控制示意图；
图4示意性示出了本公开实施例提供的一种InAs/InAsSb超晶格层的带隙宽度与Sb组分和周期厚度有关的示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
参阅图1，本公开实施例提供了一种周期渐变超晶格宽光谱红外探测器，包括：GaSb衬底1、外延片结构及第一金属电极7、第二金属电极8；其中，外延片结构依次包括GaSb缓冲层2、P型欧姆接触层3、InAs/InAsSb周期渐变超晶格层4、N型欧姆接触层5和InAs盖层6，按远离GaSb衬底的顺序依次叠加在GaSb衬底上，GaSb缓冲层2两侧的部分表面露出；GaSb缓冲层2两侧露出部分分别设有第一金属电极7，InAs盖层6两侧分别设有第二金属电极8，第一金属电极7与对应一侧的第二金属电极8之间的GaSb缓冲层2、InAs盖层6表面及P型欧姆接触层3、InAs/InAsSb周期渐变超晶格层4、N型欧姆接触层5的侧表面生长有钝化层。
在本公开实施例中，InAs/InAsSb周期渐变超晶格层4分为四层，分别为42/9、38.5/8、32.5/7、28/6MLs的InAs/InAsSb超晶格层，周期厚度依次为15nm、13.3nm、11.7nm、10nm，生长周期数分别为70、80、90、100。
如图3所示，InAs/InAsSb周期渐变超晶格的生长过程中，采用V族元素浸润的方式，控制界面。42/9、38.5/8、32.5/7、28/6MLs InAs/InAsSb超晶格层中，所对应的快门顺序都在InAs和InAsSb层中间，采用5秒的Sb氛围浸润。
在本公开实施例中，在InAs/InAsSb周期渐变超晶格层4的InAsSb层中，Sb的组分是0.50。
如图4所示，InAs/InAsSb超晶格吸收区的带隙宽度与Sb组分和周期厚度有关，InAs/InAsSb周期渐变超晶格层采用四层从10nm-15nm的吸收区长波向甚长波的渐变过程，且此过程中不存在很高的价带导带偏移，能够平缓能带，实现宽光谱吸收。
在本公开实施例中，GaSb缓冲层2层厚1.2-1.3μm，P型欧姆接触层3层厚400-600nm，InAs/InAsSb周期渐变超晶格层4层厚4-4.5μm，N型欧姆接触层5层厚400-600nm，InAs盖层6层厚20-25nm。
优选的，第一金属电极7和第二金属电极8的材料为钛铂合金，其中，制备第一金属电极7使用的钛铂合金中各层的厚度为Ti(50nm)/Pt(60nm)/Au(150nm)，制备第二金属电极8的钛铂合金中各层的厚度为Ti(50nm)/Pt(60nm)/Au(200nm)。
本公开提供的周期渐变超晶格宽光谱红外探测器可降低InAs/InAsSb超晶格红外探测器的暗电流，提高探测器的探测率和响应度，波段为5-14微米的宽光谱波段。
本公开另一方面提供了一种周期渐变超晶格宽光谱红外探测器的制备方法，包括操作S210～S240。
S210，在GaSb衬底1上制备的外延片结构，外延片结构按远离GaSb衬底的顺序依次包括GaSb缓冲层2、P型欧姆接触层3、InAs/InAsSb周期渐变超晶格层4、N型欧姆接触层5和InAs盖层6。
S220，采用标准光刻技术及磷酸、柠檬酸溶液，刻蚀P型欧姆接触层3、InAs/InAsSb周期渐变超晶格层4、N型欧姆接触层5和InAs盖层6的两侧，露出GaSb缓冲层2两侧部分表面。
S230，在GaSb缓冲层2两侧露出的表面溅射合金制作第一金属电极7，在InAs盖层6表面的两端溅射合金制作第二金属电极8。
S240，在第一金属电极7与对应一侧的第二金属电极8之间的GaSb缓冲层2表面、InAs盖层6表面及P型欧姆接触层3、InAs/InAsSb周期渐变超晶格层4、N型欧姆接触层5的侧表面上生长钝化层，得到周期渐变超晶格宽光谱红外探测器。
具体的，在进行操作S210之前，需对GaSb衬底1进行预处理，包括操作S201～S202。
S201，将GaSb衬底1先后在进样室及缓冲室中进行除气。
S202，将GaSb衬底1送入生长室，在锑气氛保护及第一生长温度下进行脱氧。
在操作S210中，制备外延片结构的温度根据基准温度调节，获取基准温度包括：将GaSb衬底1温度降温，待GaSb衬底1表面的×3再构转变为×5再构并保持不变后，升高GaSb衬底1温度，直到GaSb衬底1表面的×5再构重新转变为×3再构时，将该温度定为GaSb的再构转变温度Tc，并将Tc作为基准温度。
在本公开实施例中，GaSb缓冲层2的生长温度为Tc+90℃，P型欧姆接触层3、InAs/InAsSb周期渐变超晶格层4、N型欧姆接触层5的生长温度为Tc-20℃。
具体的，操作S210包括如下步骤。
①生长GaSb缓冲层2，为铍掺杂，开Ga、Sb、Be快门，其余快门关闭。
②设置衬底1温度为Tc-20℃，开Sb快门，其余快门关闭。
③保持衬底1温度不变，生长42MLs InAs/9MLsInAs0.50Sb0.50超晶格结构，作为P型欧姆接触层3，其中每个周期的InAs层进行Be掺杂，按生长步骤开In、As、Sb、Be快门，其余快门关闭。
④保持衬底1温度不变，生长InAs/InAsSb周期渐变超晶格层4中的42MLs InAs/9MLsInAs0.50Sb0.50超晶格结构，作为第一弱p型吸收层，其中，每个周期的InAs层进行Be掺杂，按生长步骤开In、As、Sb、Be快门，其余快门关闭。
⑤保持衬底1温度不变，生长InAs/InAsSb周期渐变超晶格层4中的37.5MLs InAs/8MLsInAs0.50Sb0.50超晶格结构，作为第二弱p型吸收层，其中每个周期的InAs层进行Be掺杂，按生长步骤开In、As、Sb、Be快门，其余快门关闭。
⑥保持衬底1温度不变，生长InAs/InAsSb周期渐变超晶格层4中的32.5MLs InAs/7MLsInAs0.50Sb0.50超晶格结构，作为第三弱p型吸收层，其中每个周期的InAs层进行Be掺杂，按生长步骤开In、As、Sb、Be快门，其余快门关闭。
⑦保持衬底1温度不变，生长InAs/InAsSb周期渐变超晶格层4中的28MLs InAs/6MLsInAs0.50Sb0.50超晶格结构，作为第四弱p型吸收层，其中每个周期的InAs层进行Be掺杂，按生长步骤开In、As、Sb、Be快门，其余快门关闭。
⑧保持衬底1温度不变，生长28MLs InAs/6MLsInAs0.50Sb0.50超晶格结构，作为N型欧姆接触层5，其中，每个周期的InAs层进行Si掺杂，按生长步骤开In、As、Sb、Si快门，其余快门关闭。
⑨生长InAs掺Si盖层6，开In、As、Si快门，其余快门关闭。
⑩打开As气氛保护直到衬底温度降至一定温度时，关闭As保护并继续降温，开As快门，其余快门关闭。
需要说明的是，上述生长程序所需要的各源炉束流及温度值需预先测定。其中，III族元素束流及温度值，是通过观察反射高能电子衍射装置，测定特定In和Ga生长速度，并记录下相应的束流值和温度；V族元素束流及温度值是由已经确定的III族束流值和特定V/III比确定的。
优选的，In生长速度是In 0.5ML/s、Ga 0.6ML/s，V/III比是As/In＝3，Sb/In＝2.6，Sb/Ga＝11。
在本公开实施例中，InAs/InAsSb周期渐变超晶格层4的InAs-on-InAsSb界面采用Sb束流为Sb/In＝3的Sb元素浸润法，Sb浸润时长5s，来形成Sb组分突变的陡峭界面；InAs/InAsSb周期渐变超晶格层4中的InAsSb-on-InAs界面采用Sb束流为Sb/In＝3的Sb元素浸润法，Sb浸润时长5s，来形成Sb组分突变的陡峭界面。
可选地，钝化层9采用SiO2材料。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (10)
1.一种周期渐变超晶格宽光谱红外探测器，其特征在于，包括：
GaSb衬底(1)、外延片结构及第一金属电极(7)、第二金属电极(8)；
其中，所述外延片结构依次包括GaSb缓冲层(2)、P型欧姆接触层(3)、InAs/InAsSb周期渐变超晶格层(4)、N型欧姆接触层(5)和InAs盖层(6)，按远离所述GaSb衬底的顺序依次叠加在所述GaSb衬底上，所述GaSb缓冲层(2)两侧的部分表面露出；
所述GaSb缓冲层(2)两侧露出部分分别设有所述第一金属电极(7)，所述InAs盖层(6)两侧分别设有所述第二金属电极(8)，所述第一金属电极(7)与对应一侧的所述第二金属电极(8)之间的GaSb缓冲层(2)、InAs盖层(6)表面及P型欧姆接触层(3)、InAs/InAsSb周期渐变超晶格层(4)、N型欧姆接触层(5)的侧表面生长有钝化层。
2.根据权利要求1所述的周期渐变超晶格宽光谱红外探测器，其特征在于，所述InAs/InAsSb周期渐变超晶格层(4)分为四层，分别为42/9、38.5/8、32.5/7、28/6MLs的InAs/InAsSb超晶格层，周期厚度依次为15nm、13.3nm、11.7nm、10nm，生长周期数分别为70、80、90、100。
3.根据权利要求3所述的周期渐变超晶格宽光谱红外探测器，其特征在于，在所述InAs/InAsSb周期渐变超晶格层(4)的InAsSb层中，Sb的组分是0.50。
4.根据权利要求1所述的周期渐变超晶格宽光谱红外探测器，其特征在于，所述GaSb缓冲层(2)层厚1.2-1.3μm，所述P型欧姆接触层(3)层厚400-600nm，所述InAs/InAsSb周期渐变超晶格层(4)层厚4-4.5μm，所述N型欧姆接触层(5)层厚400-600nm，所述InAs盖层(6)层厚20-25nm。
5.根据权利要求1所述的周期渐变超晶格宽光谱红外探测器，其特征在于，所述第一金属电极(7)和第二金属电极(8)的材料为钛铂合金，其中，制备第一金属电极(7)使用的钛铂合金中各层的厚度为Ti(50nm)/Pt(60nm)/Au(150nm)，制备第二金属电极(8)的钛铂合金中各层的厚度为Ti(50nm)/Pt(60nm)/Au(200nm)。
6.一种周期渐变超晶格宽光谱红外探测器的制备方法，其特征在于，包括：
在GaSb衬底(1)上制备的外延片结构，所述外延片结构按远离所述GaSb衬底(1)的顺序依次包括GaSb缓冲层(2)、P型欧姆接触层(3)、InAs/InAsSb周期渐变超晶格层(4)、N型欧姆接触层(5)和InAs盖层(6)；
采用标准光刻技术及磷酸、柠檬酸溶液，刻蚀所述P型欧姆接触层(3)、InAs/InAsSb周期渐变超晶格层(4)、N型欧姆接触层(5)和InAs盖层(6)的两侧，露出GaSb缓冲层(2)两侧部分表面；
在所述GaSb缓冲层(2)两侧露出的表面溅射合金制作第一金属电极(7)，在InAs盖层(6)表面的两端溅射合金制作第二金属电极(8)；
在所述第一金属电极(7)与对应一侧的所述第二金属电极(8)之间的GaSb缓冲层(2)表面、InAs盖层(6)表面及P型欧姆接触层(3)、InAs/InAsSb周期渐变超晶格层(4)、N型欧姆接触层(5)的侧表面上生长钝化层，得到周期渐变超晶格宽光谱红外探测器。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在制备所述外延片结构的之前，包括：
将所述GaSb衬底(1)先后在进样室及缓冲室中进行除气；
将所述GaSb衬底(1)送入生长室，在锑气氛保护及第一生长温度下进行脱氧。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，制备所述外延片结构的温度根据基准温度调节，获取所述基准温度包括：
将所述GaSb衬底(1)温度降温，待所述GaSb衬底(1)表面的×3再构转变为×5再构并保持不变后，升高所述GaSb衬底(1)温度，直到GaSb衬底(1)表面的×5再构重新转变为×3再构时，将该温度定为GaSb的再构转变温度Tc，并将Tc作为基准温度。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述GaSb缓冲层(2)的生长温度为Tc+90℃，所述P型欧姆接触层(3)、InAs/InAsSb周期渐变超晶格层(4)、N型欧姆接触层(5)的生长温度为Tc-20℃。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述InAs/InAsSb周期渐变超晶格层(4)的InAs-on-InAsSb界面采用Sb束流为Sb/In＝3的Sb元素浸润法，Sb浸润时长5s，来形成Sb组分突变的陡峭界面；所述InAs/InAsSb周期渐变超晶格层(4)中的InAsSb-on-InAs界面采用Sb束流为Sb/In＝3的Sb元素浸润法，Sb浸润时长5s，来形成Sb组分突变的陡峭界面。
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