CN115621340A - 一种InAs基InGaAs/InAsSb超晶格nBn型红外探测器材料 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体材料领域，具体涉及一种InAs基InGaAs/InAsSb超晶格nBn型红外探测器材料。该红外探测器材料包括依次设置的InAs缓冲层、下接触层、吸收层、势垒层、过渡层和上接触层；所述下接触层和上接触层采用N型InxGa1‑ xAs/InAsySb1‑y超晶格材料，所述吸收层和过渡层采用非故意掺杂InxGa1‑xAs/InAsySb1‑y超晶格材料。本发明能够用更薄的超晶格周期厚度达到相同的红外吸收截止波长，从而获得更高的量子效率和探测器性能；能够通过超晶格材料中各自组分来调控红外吸收截止波长，为该结构增加了额外的调节维度，极大提高了结构设计与外延生长方面的灵活性。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料领域，具体涉及一种InAs基InGaAs/InAsSb超晶格nBn型红外探测器材料。
背景技术
锑化物II类超晶格由于拥有生长技术成熟、量子效率高以及能带调控灵活等优点，成为红外探测器的优选材料之一。现有的红外探测器常采用InAs/InAsSb或InAs/GaSb等超晶格材料，其中InAs/InAsSb材料主要用于中波红外（3-5μm）光电器件，一般8nm以上的超晶格周期厚度才能够达到5μm的截止波长，而根据II类超晶格光吸收特点，超晶格周期厚度越长会造成量子效率衰减，因此InAs/InAsSb材料体系一直存在量子效率较低的缺陷。另一类InAs/GaSb材料体系截止波长可以覆盖中波至长波红外波段（3-12μm），但是超晶格中包含的GaSb材料存在本征P型缺陷，限制了该材料体系的载流子迁移率。另外由于InAs/GaSb超晶格两种组成材料均是二元化合物，调节截止波长只有改变超晶格层厚这一种手段。综上，现有的红外探测器存在结构厚度高、量子效率低，能带控制不灵活等问题。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供了一种InAs基InGaAs/InAsSb超晶格nBn型红外探测器材料，其量子效率高，能带控制灵活。
按照本发明的技术方案，所述InAs基InGaAs/InAsSb超晶格nBn型红外探测器材料，包括依次设置的InAs缓冲层、下接触层、吸收层、势垒层、过渡层和上接触层；
所述下接触层和上接触层采用N型InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格材料，所述吸收层和过渡层采用非故意掺杂InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格材料，其中，0.6≤x≤0.9，0.6≤y≤0.9；
所述InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格材料由若干InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格原胞重复堆叠形成，所述InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格原胞包括一层InxGa1-xAs三元合金材料和一层InAsySb1-y三元合金材料。
本发明采用InAs基InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格，该结构中电子被限制在InxGa1- xAs层，空穴被限制在InAsySb1-y层，可以独立调制电子与空穴能级，实现3-7μm范围内的红外光吸收截止波长调节，覆盖全部中红外波段，具有极大应用潜力。
相比于InAs/InAsSb和InAs/GaSb等同类锑化物II类超晶格红外探测器材料结构相比，InxGa1-xAs/InAsySb1-y特殊的能带结构使其能够用更薄的超晶格周期厚度达到相同的红外吸收截止波长，从而获得更高的量子效率和探测器性能。
并且，除了改变超晶格原胞厚度这一调控锑化物II类超晶格红外吸收截止波长的一般手段以外，InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格结构还能够通过改变InxGa1-xAs层与InAsySb1-y层的各自组分来实现这一目的。这为该结构增加了额外的调节维度，极大提高了结构设计与外延生长方面的灵活性。
具体的，所述InAs基InGaAs/InAsSb超晶格nBn型红外探测器材料采用分子束外延技术在InAs衬底上外延生长得到。
进一步的，所述InAs缓冲层为N型InAs缓冲层，N型掺杂的元素为Si，掺杂浓度为5e17 cm-3-5e18 cm-3，InAs缓冲层的厚度为100-500nm。
进一步的，所述InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格原胞中，InxGa1-xAs三元合金材料和InAsySb1-y三元合金材料的厚度均为1-3nm。
具体的，InxGa1-xAs三元合金材料和InAsySb1-y三元合金材料的厚度相同或不同。两种三元合金材料的厚度和组分中的x、y的调节，均可以实现红外吸收截止波长的调整。
进一步的，所述下接触层的厚度均为200-300nm；所述吸收层的厚度为2000-3000nm；所述过渡层的厚度为100-200nm；所述上接触层的厚度为200-300nm。
进一步的，所述下接触层和上接触层中，N型掺杂的元素为Si，掺杂浓度为1e16cm-3-1e19 cm-3。
进一步的，所述下接触层和上接触层中掺杂浓度低于InAs缓冲层掺杂浓度。
进一步的，所述势垒层的价带顶能级与所述吸收层的价带顶能级齐平。
进一步的，所述势垒层采用AlAsSb数字合金材料或AlGaAsSb数字合金材料。
进一步的，所述势垒层的厚度为100-150nm。
进一步的，所述AlAsSb数字合金材料由厚度AlSb层与AlAs层交替堆叠形成；所述AlGaAsSb数字合金材料由AlpGa1-pSb层与AlAs层，或AlpGa1-pSb层与AlAsqSb1-q层交替堆叠形成，其中，0<p<1，0<q<1。
具体的，所述AlAsSb数字合金材料由厚度为dAlSb=1.0-3.0nm的AlSb层与厚度为dAlAs的AlAs层交替堆叠形成，为保证数字合金材料不会在InAs衬底上弛豫，dAlAs需满足如下条件：
所述AlGaAsSb数字合金材料由厚度为dAlGaSb=1.0-3.0nm的AlpGa1-pSb层与厚度为dAlAs的AlAs层交替堆叠形成，为保证数字合金材料不会在InAs衬底上弛豫，dAlAs需满足如下条件：
或由厚度为dAlGaSb=1.0-3.0nm的AlpGa1-pSb层与厚度为dAlAsSb的AlAsqSb1-q层交替堆叠形成，为保证数字合金材料不会在InAs衬底上弛豫，dAlAsSb需满足如下条件：
以上描述中，0<p<1，0<q<1， aInAs、aGaSb、aAlAs、aAlSb分别为InAs、GaSb、AlAs和AlSb材料的晶格常数。
本发明的另一方面提供了InGaAs/InAsSb超晶格材料在红外探测器材料中的应用，所述InGaAs/InAsSb超晶格材料由若干InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格原胞重复堆叠形成，所述InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格原胞包括一层InxGa1-xAs三元合金材料和一层InAsySb1-y三元合金材料。
具体的，所述InxGa1-xAs三元合金材料和InAsySb1-y三元合金材料的厚度均为1.0-3.0nm。
本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明能够用更薄的超晶格周期厚度达到相同的红外吸收截止波长，从而获得更高的量子效率和探测器性能；
能够通过改变InxGa1-xAs层与InAsySb1-y层各自组分来调控红外吸收截止波长，为该结构增加了额外的调节维度，极大提高了结构设计与外延生长方面的灵活性。
附图说明
图1是本发明的材料的结构示意图。
图2是本发明的材料中InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格及原胞的结构示意图。
图3是本发明的实施例1能带结构示意图。
图4是本发明的实施例2能带结构示意图。
图5是本发明的实施例4能带结构示意图。
附图标记说明：1-InAs缓冲层、2-下接触层、3-吸收层、4-势垒层、5-过渡层、6-上接触层、7-红外探测器材料、8- InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格原胞、9- InxGa1-xAs三元合金材料、10- InAsySb1-y三元合金材料。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明的InAs基InGaAs/InAsSb超晶格nBn型红外探测器材料7，包括从下至上依次设置的InAs缓冲层1、下接触层2、吸收层3、势垒层4、过渡层5和上接触层6。
其中下接触层2和上接触层6采用N型InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格材料，吸收层3和过渡层5采用非故意掺杂InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格材料，其中，0.6≤x≤0.9，0.6≤y≤0.9；
如图2所示，InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格材料由若干InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格原胞8重复堆叠形成（右），单个InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格原胞8包括一层InxGa1-xAs三元合金材料9和一层InAsySb1-y三元合金材料10（左）。
具体的，势垒层4由AlAsSb或AlGaAsSb数字合金材料构成，形成Al(Ga)AsSb势垒层，该势垒层合金组分应满足使其价带顶能级与InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格吸收层价带顶能级齐平。下接触层2和上接触层6皆由N型掺杂的InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格构成，N型掺杂的元素种类为Si，掺杂浓度为1e16 cm-3-1e19cm-3。
该红外探测器材料7可用于截止波长3-7μm红外探测器，通过改变超晶格原胞内InxGa1-xAs层与InAsySb1-y层各自厚度与合金组分x、y，实现探测器截止波长的调节。具体调节方式参考以下实施例。
实施例1
本实施例提供一种InAs基InGaAs/InAsSb超晶格nBn型红外探测器材料的具体结构与理论材料性能。
结构使用分子束外延技术在InAs衬底上生长，材料结构与厚度如表1所示。
表 1
其中，InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格原胞内InxGa1-xAs层厚度1nm，组分x=0.9；InAsySb1-y层厚度1nm，组分y=0.9。
Al(Ga)AsSb势垒材料为AlAsSb数字合金，3.0nm AlSb层与0.57nm AlAs层交替堆叠形成，理论上该势垒结构可与InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格吸收层价带顶能级齐平。
结构能带图如图3所示，150K温度下理论红外吸收截止波长为3.0μm。
实施例2
本实施例提供一种InAs基InGaAs/InAsSb超晶格nBn型红外探测器材料的具体结构与理论材料性能。
结构使用分子束外延技术在InAs衬底上生长，材料结构与厚度如表2所示。
表 2
其中，InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格原胞内InxGa1-xAs层厚度2.0nm，组分x=0.7；InAsySb1-y层厚度3.0nm，组分y=0.8。
Al(Ga)AsSb势垒材料为AlGaAsSb数字合金，由2.0nm Al0.5Ga0.5Sb层与1.0nmAlAs0.4Sb0.6层交替堆叠形成。
结构能带图如图4所示，150K温度下理论红外吸收截止波长为4.5μm。
该结构的超晶格周期厚度比相同红外吸收截止波长的InAs/InAsSb超晶格材料结构缩减35-40%。
实施例3
本实施例提供一种InAs基InGaAs/InAsSb超晶格nBn型红外探测器材料的具体结构与理论材料性能。
结构使用分子束外延技术在InAs衬底上生长，材料结构与厚度如表3所示。
表 3
其中，InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格原胞内InxGa1-xAs层厚度2.0nm，组分x=0.7；InAsySb1-y层厚度2.0nm，组分y=0.7。
Al(Ga)AsSb势垒材料为AlGaAsSb数字合金，由2.0nm Al0.5Ga0.5Sb层与1.0nmAlAs0.4Sb0.6层交替堆叠形成。
该结构150K温度下理论红外吸收截止波长为4.5μm。
该结构的超晶格周期厚度比相同红外吸收截止波长的InAs/InAsSb超晶格材料结构缩减45-50%，比相同红外吸收截止波长的InAs/GaSb超晶格材料结构缩减15-20%。
实施例2与实施例3中通过改变超晶格原胞内InxGa1-xAs层与InAsySb1-y层各自厚度与合金组分x、y，使用不同的超晶格材料结构达到了相同的红外吸收截止波长，这说明该材料结构具有极高的结构设计与外延生长方面的灵活性。
实施例4
本实施例提供一种InAs基InGaAs/InAsSb超晶格nBn型红外探测器材料的具体结构与理论材料性能。
结构使用分子束外延技术在InAs衬底上生长，材料结构与厚度如表4所示。
表 4
其中，InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格原胞内InxGa1-xAs层厚度3.0nm，组分x=0.6；InAsySb1-y层厚度3.0nm，组分y=0.6。
Al(Ga)AsSb势垒材料为AlGaAsSb数字合金，由3.0nm Al0.2Ga0.8Sb层与0.28nmAlAs层交替堆叠形成。
结构能带图如图5所示，150K温度下理论红外吸收截止波长为7.0μm。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种InAs基InGaAs/InAsSb超晶格nBn型红外探测器材料，其特征在于，包括依次设置的InAs缓冲层、下接触层、吸收层、势垒层、过渡层和上接触层；
所述下接触层和上接触层采用N型InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格材料，所述吸收层和过渡层采用非故意掺杂InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格材料，其中，0.6≤x≤0.9，0.6≤y≤0.9；
所述InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格材料由若干InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格原胞重复堆叠形成，所述InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格原胞包括一层InxGa1-xAs三元合金材料和一层InAsySb1-y三元合金材料。
2.如权利要求1所述的InAs基InGaAs/InAsSb超晶格nBn型红外探测器材料，其特征在于，所述InAs缓冲层为N型InAs缓冲层，N型掺杂的元素为Si，掺杂浓度为5e17 cm-3-5e18cm-3，InAs缓冲层的厚度为100-500nm。
3.如权利要求1所述的InAs基InGaAs/InAsSb超晶格nBn型红外探测器材料，其特征在于，所述InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格原胞中，InxGa1-xAs三元合金材料和InAsySb1-y三元合金材料的厚度均为1.0-3.0nm。
4.如权利要求1或3所述的InAs基InGaAs/InAsSb超晶格nBn型红外探测器材料，其特征在于，所述下接触层的厚度均为200-300nm；所述吸收层的厚度为2000-3000nm；所述过渡层的厚度为100-200nm；所述上接触层的厚度为200-300nm。
5.如权利要求1所述的InAs基InGaAs/InAsSb超晶格nBn型红外探测器材料，其特征在于，所述下接触层和上接触层中，N型掺杂的元素为Si，掺杂浓度为1e16 cm-3-1e18 cm-3。
6.如权利要求1所述的InAs基InGaAs/InAsSb超晶格nBn型红外探测器材料，其特征在于，所述势垒层的价带顶能级与所述吸收层的价带顶能级齐平。
7.如权利要求1或6所述的InAs基InGaAs/InAsSb超晶格nBn型红外探测器材料，其特征在于，所述势垒层采用AlAsSb数字合金材料或AlGaAsSb数字合金材料。
8.如权利要求7所述的InAs基InGaAs/InAsSb超晶格nBn型红外探测器材料，其特征在于，所述势垒层的厚度为100-150nm。
9.如权利要求7所述的InAs基InGaAs/InAsSb超晶格nBn型红外探测器材料，其特征在于，
所述AlAsSb数字合金材料由厚度AlSb层与AlAs层交替堆叠形成；
所述AlGaAsSb数字合金材料由AlpGa1-pSb层与AlAs层，或AlpGa1-pSb层与AlAsqSb1-q层交替堆叠形成，其中，0<p<1，0<q<1。
10.InGaAs/InAsSb超晶格材料在红外探测器材料中的应用，其特征在于，所述InGaAs/InAsSb超晶格材料由若干InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格原胞重复堆叠形成，所述InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格原胞包括一层InxGa1-xAs三元合金材料和一层InAsySb1-y三元合金材料。
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| PB01 | Publication | ||
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Application publication date: 20230117 |
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