CN116544315B - 一种蓝宝石衬底分子束外延红外探测器材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蓝宝石衬底分子束外延红外探测器材料制备方法，包括：提供一面为图形化而另一面为微透镜阵列结构的蓝宝石衬底，在图形化面上依次生长成核层、过渡层、N型重掺杂接触层、吸收层、势垒层和N型重掺杂接触层。与GaSb和InAs衬底相比，蓝宝石衬底制备技术相对成熟、成本低、尺寸大，由于蓝宝石不易被氧化，不存在分子束外延生长材料前需要去除氧化层的问题，在红外中、短波波段蓝宝石透过率较高，做红外焦平面器件不需要背减薄。蓝宝石机械强度高，在焦平面器件冷却时蓝宝石不易开裂，解决了超大面阵高低温度冲击时的易开裂问题，另一面带有微透镜阵列结构衬底可大大提高焦平面探测器外光电效率。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器制造技术领域，特别是涉及一种蓝宝石衬底分子束外延红外探测器材料制备方法。
背景技术
红外探测器可广泛应用于航天、导弹探测、有害气体探测、医疗、通信、夜视和红外成像等方面。高性能的制冷型红外探测器材料主要包括：HgCdTe(MCT)、InSb体材料，锑化物II类超晶格和量子阱探测器等。I1-V I族半导体HgCdTe是目前性能的红外探测器材料。在几乎晶格匹配的 CdZnTe衬底上生长的HgCdTe探测器可以实现1〜15 µm连续截止波长覆盖，同时具备高量子效率和低暗电流，但受外延尺寸限制，在大面阵领域应用具备一定劣势。InSb焦平面探测器具有大面阵、均匀性高、稳定性好等特点，目前在中波红外探测器系统中占据主导地位，但是InSb焦平面探测器的工作温度被限制在110 K左右，难以实现高温工作。在晶格匹配的GaSb衬底上生长的Sb化物II类超晶格材料经过多年发展成为国际上研发新一代高性能焦平面芯片的重要材料体系。以InAs、GaSb、AlSb异质结构建的II类超晶格材料，可以充分利用其晶格匹配的条件，灵活设计其能带结构，使器件的响应光谱覆盖 整个红外波段范围。Sb化物II类超晶格材料同时具 有俄歇复合率低、电子有效质量大、材料均匀性好等 特点。其中，InAs/GaSb超晶格（SLS）是最早研究的II类超晶格结构，基于该结构的锑化物焦平面性能迅速提升，已接近或超过MCT和InSb探测器。然而，传统的 InAs/GaSb 超晶格材料少数载流子寿命较短，限制了器件性能的进一步提升。近年来，研究人员将目光转向了无 Ga型的 InAs/InAsSb 超晶格材料，InAs/InAsSb 超晶格结构避免了 Ga原子带来的自身缺陷，具有更长的载流子寿命。因此，InAs/InAsSb 超晶格材料是高工作温度中波红外探测器的理想解决方案之一。美国俄亥俄州立大学采用 Al0.6In0.4Sb/AlSb 数字合金和Al0.6In0.4Sb/AlSb短周期超晶格InAs1－xSbx缓冲层，把穿透位错限制在界面附近，提高外延层质量，数字合金技术（digital alloy, DA）生长材料表面光滑、位错密度小，结构与体材料相似。
提高红外探测器工作温度的关键在于降低器件的暗电流、提高器件的量子效率。研究人员除了在能带结构及材料生长领域进行不断的研究工作及性能优化之外，器件制备领域也是一个重要的优化方向。其中，使用多种光学微纳结构，是实现量子效率提升的一个重要途径。通过器件表面微结构的制备，可以汇聚红外辐射而提高器件的响应信号，提高探测器的信/噪比，从而使中、短波红外探测可以工作在较高的温度区域。
近些年来采用分子束外延技术在GaSb、InAs、GaAs衬底上生长红外探测器材料取得了很大的进展，多种结构如：GaSb衬底上生长InAs/InAsSb 超晶格、InAs/GaSb 超晶格及InGaAs/InAsSb 三元超晶格结构。也有在GaAs 衬底上外延 InAsSb 材料，GaSb 衬底上MBE外延生长 GaInSb 和 AlInSb 缓冲层，消除InAsSb与 GaSb 衬底之间的晶格失配等等。在采用分子束外延技术生长这些材料时，衬底的选择非常重要，对衬底晶体的质量要求很高。目前，GaSb、InAs等衬底晶体的生长技术还有待提高，晶体尺寸还不够大，晶体位错密度也较大，由于这些材料很脆、硬度小，表面抛光加工难度较大，划伤和表面污染很难避免，表面极易氧化，在材料生长前去除氧化层技术对材料生长质量非常关键。特别是在制备红外探测器焦平面器件时，由于需要背照射，就要对衬底进行减薄，以增强红外的透过率，通常减到十几微米左右。由于芯片已经倒焊在Si读出电路上，减薄工艺容易造成芯片损伤。最关键的是在器件工作时要冷却到很低的温度，会产生较大的应力，减薄后的衬底极易脆裂，对于大面阵器件更容易脆裂。
本发明采用蓝宝石衬底基本可以克服上述问题，虽然蓝宝石衬底与所要生长的材料晶格失配比较大，但通过本方案发明的图形化衬底、成核层和过渡层的引入基本上改善了晶格失配过大问题，能够满足红外中、短波探测器制备的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种蓝宝石衬底分子束外延红外探测器材料制备方法，其通过采用双面图形化的蓝宝石衬底，在分子束外延系统生长红外探测器晶体材料。以往的用于生长红外探测器晶体的衬底存在尺寸小、机械强度低易脆、表面质量难控制、易氧化等问题，给外延材料工艺带来较多难题。为解决上述技术问题，本发明提供一种双面图形化的蓝宝石衬底分子束外延红外探测器材料制备方法，包括：
所述的一种蓝宝石衬底分子束外延红外探测器材料制备方法，所述的蓝宝石（Al2O3)为C 面（0001）方向且材料生长面为圆锥凸形点阵而另一面为半球形点阵透镜结构、单面图形化而另一面为抛光平面或双面抛光平片。蓝宝石的直径尺寸从2英寸至12英寸，蓝宝石衬底厚度为所述圆锥顶点到半球形顶点的垂直高度，本发明优选的厚度为0.5mm至3.0mm。圆锥凸状点阵最小周期（即两圆锥顶点间隔）为2-6µm，圆锥高度为0.2-5.0µm。半球形透镜最小周期（即半球的直径）为7.5-50.0微米。
首先对所选用的蓝宝石衬底进行清洗，采用H2SO4与H2O2 试剂，在体积比为1：1 的混合液中浸泡5-9分钟后用去离子水清洗5-8分钟，氮气吹干；
所述的一种蓝宝石衬底分子束外延红外探测器材料制备方法，其特征在于所述的蓝宝石衬底的半球形表面上镀有耐高温的金属镍，作为热辐射吸收膜，以利于提高衬底加热温度；
提供一双面图形化蓝宝石衬底，在衬底上依次生长成核层、过渡层、N型重掺杂接触层、吸收层、势垒层和N型重掺杂接触层。
所述的成核层为InAlAs薄层，厚度为200nm-800nm；
所述的过渡层为N型重掺杂InAs层，掺杂浓度为（5-10）×1017/cm3，厚度为300nm-1500nm；
本发明所述的重掺杂层、吸收层及势垒层的nBn结构可以由四个体系分别构成且满足1-5微米红外波段响应。红外中波探测器材料体系分别为S1-InGaAs/InAsSb三元应变层超晶格体系、S2-InAs/GaSb 超晶格体系、S3-InAs/InAsSb 超晶格体系及S4-InAsSb合金材料体系。本发明所述的掺杂均采用Si元素所形成的N型。其中具体材料结构如下：
1、S1 系列为Al2O3衬底/InAlAs成核层/N型重掺杂InAs过渡层/S1-InGaAs/InAsSb。
S1具体详细结构为：上下电极的两个N型重掺杂接触层为InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格，可选择x=0.8-0.95,y=0.6-0.65,掺杂浓度为(3-10)×1017/cm3，厚度为200-450nm；吸收层为InxGa1-xAs/InAsySb1-y超晶格，掺杂浓度为N型(0.7-1)×1016/cm3，厚度为2-4微米；势垒层为非掺杂AlGaAsSb，厚度为150-250nm。
2、S2系列为Al2O3衬底/InAlAs成核层/N型重掺杂InAs过渡层/S2-InAs/GaSb。
S2具体详细结构为：上下电极的两个N型重掺杂接触层为（10Å-20Å）InAs/（10Å-20Å）GaSb 超晶格，掺杂浓度为(3-10)×1017/cm3，厚度为200-450nm；吸收层为InAs/GaSb超晶格，掺杂浓度为N型(0.7-1)×1016/cm3，厚度为2-4微米；势垒层为非掺杂AlAsSb，厚度为150-250nm。
3、S3系列为Al2O3衬底/InAlAs成核层/N型重掺杂InAs过渡层/S3-InAs/InAszSb1-z。
S3具体详细结构为：上下电极的两个N型重掺杂接触层为InAs/InAsSb 超晶格，掺杂浓度为(3-10)×1017/cm3，厚度为200-450nm；吸收层为InAs/InAszSb1-z超晶格，z=0.65-0.85掺杂浓度为N型(0.7-1)×1016/cm3，厚度为2-4微米；势垒层为AlAsSb，厚度为150-250nm。
4、S4系列为Al2O3衬底/InAlAs成核层/N型重掺杂InAs过渡层/S4-InAsrSb1-r合金材料。
S4具体详细结构为：上下电极的两个N型重掺杂接触层为InAsSb，掺杂浓度为(3-10)×1017/cm3，r=0.89-0.93,厚度为200-450nm；吸收层为InAsrSb1-r，掺杂浓度为N型(0.7-1)×1016/cm3，厚度为2-4微米；势垒层为AlAsSb，厚度为150-250nm。
且在材料生长结束后，用探测器制备工艺中常用的光刻胶保护后，才用体积比为1%硝酸与2%氢氟酸混合液去掉该层热吸收膜，去掉镍膜后采用去离子水进行表面清洗。然后再在微透镜阵列表面蒸镀ZnS减反膜。
与GaSb和InAs衬底比较，蓝宝石衬底制备技术相对成熟、成本低、尺寸大、由于蓝宝石不易被氧化，不存在分子束外延生长前去除衬底氧化层的问题，在红外中、短波波段蓝宝石透过率较高，做背照射的红外焦平面器件不用背减薄工艺，蓝宝石机械强度高，在焦平面器件工作冷却时，蓝宝石不易开裂，解决超大面阵高低温冲击易开裂问题。将宝石衬底在生长材料面做成圆锥状图形化可以使材料在横向方向上生长，阻止位错缺陷贯穿到表面而减小表面缺陷密度，而另一面做成半球形微透镜结构，起到汇聚红外辐射的作用，提高占空比，可提高焦平面探测器的探测率。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明优选实施例中蓝宝石衬底分子束外延红外探测器材料的分层结构示意图。
说明书附图标记说明：1、蓝宝石衬底；11、圆锥凸形点阵图形化结构；12、半球形微透镜；2、成核层；3、过渡层；4、第一N型重掺杂接触层；5、吸收层；6、势垒层；7、第二N型重掺杂接触层。
下面结合说明书附图，进一步阐述蓝宝石衬底分子束外延红外探测器材料制备方法的工艺步骤如下：
（1）采用已制备好的带有图形化和微透镜阵列的蓝宝石衬底，首先清洗蓝宝石衬底，采用H2SO4与H2O2 试剂，在体积比为1：1 的混合液中浸泡5-9分钟后用去离子水清洗5-8分钟，氮气吹干；
（2）使用真空镀膜机在蓝宝石生长材料面的背面镀镍金属薄膜,镍膜厚度为0.5-2微米，用来增加蓝宝石衬底的热吸收，可以提高衬底的温度；
（3）将带有金属膜的衬底置于分子束外延系统内的托盘上，按本专业的常规生长方法按照上述的中波探测器材料的系列结构中的S1系列、S2系列、S3系列和S4系列中的一种结构进行外延材料生长；
（4）生长时衬底的温度控制在400-600℃之间，在圆锥图形化的表面上按序生长成核层、过渡层、重掺杂接触层、吸收层、势垒层及另一重掺杂接触层；
（5）材料生长完毕后，将生长的材料表面涂敷探测器制备中常用的光刻胶保护表面；
（6）用体积比为1%硝酸与2%氢氟酸混合液去掉该层镍热吸收膜，去掉镍膜后采用去离子水进行表面清洗；
（7）采用真空镀膜方法在微透镜阵列表面镀上ZnS减反膜。
本发明也可以采用不带圆锥图形化和微透镜阵列结构，只采用双面抛光的平面衬底生长中、短波红外探测器材料，虽然不是本发明的最优方案，但仍然可满足一些探测器制备的需求。
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。
具体实施例1
本实施例蓝宝石采用3英寸直径圆片，厚度（包括两面图形）为0.6mm且制备好的带有图形化和微透镜蓝宝石衬底，具体地，蓝宝石衬底的圆锥凸形点阵两顶点间距为3.0µm，圆锥高度为0.3µm，蓝宝石衬底的半球形点阵透镜结构中半球的直径为15µm。首先清洗蓝宝石衬底，在H2SO4与H2O2 1：1 混合液浸泡6分钟后用去离子水清洗5分钟，氮气吹干。
使用真空镀膜机在蓝宝石生长材料面的背面蒸镀金属镍薄膜,厚度为1微米，用来增加蓝宝石衬底的热吸收，以利于提高衬底加热温度；
将带有金属膜的衬底置于分子束外延系统内的托盘上，按本专业的常规生长方法按照上述的中波探测器材料的系列结构中的S1进行外延生长；
生长时衬底的温度控制在500±5℃；
S1 系列实施例为蓝宝石（Al2O3)，C 面（0001）方向且材料生长面为圆锥凸形点阵，点阵最小周期即相邻两圆锥顶点的距离为2µm，圆锥顶点与平面高度为1µm。而另一面为半球形点阵透镜结构，半球透镜的直径为15µm；InAlAs成核层为250nm；N型重掺杂InAs过渡层，掺杂浓度为9×1017/cm3，厚度为500nm；
S1具体实施详细结构为：上下电极的两个N型重掺杂接触层为InxGa1-xAs/InAsySb1-y 超晶格，可选择x=0.9,y=0.63,掺杂浓度为9×1017/cm3，厚度为400nm；吸收层为InxGa1-xAs/InAsySb1-y 超晶格，掺杂浓度为N型0.8×1016/cm3，厚度为3微米；势垒层为非掺杂AlGaAsSb，厚度为200nm；
材料生长完毕后将生长的材料面用光刻胶保护后用1%硝酸与2%氢氟酸混合液去掉该层镍金属薄膜，去掉镍金属膜后采用去离子水进行表面清洗。然后采用真空镀膜方法，在微透镜阵列表面镀上ZnS减反膜。
具体实施例2
本实施例采用蓝宝石采用6英寸直径圆片，厚度（包括两面图形）为1.5mm且已制备好的带有图形化蓝宝石衬底，具体地，蓝宝石衬底的圆锥凸形点阵两顶点间距为6.0µm，圆锥高度为5.0µm，蓝宝石衬底的半球形点阵透镜结构中半球的直径为30.0µm。首先清洗衬底，即在H2SO4与H2O2 1：1 混合液浸泡6分钟后用去离子水清洗5分钟，氮气吹干。
使用真空镀膜机在蓝宝石生长材料面的背面镀金属镍薄膜,厚度为0.6微米，用来增加蓝宝石衬底的热辐射吸收，以利于提高衬底加热温度；
将带有金属膜的衬底置于分子束外延系统内的托盘上，按本专业的常规生长方法按照上述的中波探测器材料的系列结构中的S4系列进行外延生长；
生长时衬底的温度控制在480±5℃；
该实施例蓝宝石（Al2O3)，C 面（0001）方向且材料生长面为圆锥凸形点阵，点阵最小周期即相邻两圆锥顶点的距离为4µm，圆锥顶点与平面高度为0.3µm。微透镜阵列图形最小周期为30µm，即半球透镜的直径为30µm；InAlAs成核层为350nm；N型重掺杂InAs过渡层，掺杂浓度为9×1017/cm3，厚度为800nm；
S4系列为Al2O3衬底/InAlAs成核层/N型重掺杂InAs过渡层/S4-InAsrSb1-r合金材料。
S4具体详细结构为：上下电极的两个N型重掺杂接触层为InAsSb，掺杂浓度为9×1017/cm3，r=0.9,厚度为400nm；吸收层为InAsrSb1-r，掺杂浓度为N型(0.8)×1016/cm3，厚度为3微米；势垒层为AlAsSb，厚度为200nm。
材料生长完毕后将生长的材料面用光刻胶保护后再用1%硝酸与2%氢氟酸混合液去掉该层镍金属薄膜，去掉镍膜后用去离子水进行表面清洗，氮气吹干。最后采用蒸发镀膜方法，在微透镜阵列表面镀上ZnS减反膜。
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 (9)
1.一种蓝宝石衬底分子束外延红外探测器材料制备方法，其特征在于：包括：提供一面为图形化而另一面为微透镜阵列结构的蓝宝石衬底，蓝宝石衬底的微透镜结构面上镀有耐高温的镍层，在图形化面上依次生长InAlAs成核层、InAs过渡层、III-V族材料组成的重掺杂的下电极接触层、吸收层、势垒层和上电极重掺杂接触层，在上述各层生长全部结束后去掉所述镍层，从而构成1-5μm红外波段响应的nBn探测器材料结构。
2.如权利要求1所述的一种蓝宝石衬底分子束外延红外探测器材料制备方法，其特征在于：所述的蓝宝石为C面(0001)方向衬底且材料生长面为圆锥凸形点阵而另一面为半球形点阵透镜结构。
3.如权利要求1或2所述的一种蓝宝石衬底分子束外延红外探测器材料制备方法，其特征在于：所述的蓝宝石衬底的圆锥凸形点阵两顶点间距为2.0-6.0μm，圆锥高度为0.2-5.0μm。
4.如权利要求1所述的一种蓝宝石衬底分子束外延红外探测器材料制备方法，其特征在于：所述的蓝宝石衬底的半球形点阵透镜结构中半球的直径为7.5-50.0μm。
5.如权利要求1所述的一种蓝宝石衬底分子束外延红外探测器材料制备方法，其特征在于：所述的蓝宝石衬底的微透镜结构面上镀有镍金属膜。
6.权利要求1所述的一种蓝宝石衬底分子束外延红外探测器材料制备方法，其特征在于：所述的InAlAs成核层的厚度为200-800nm。
7.如权利要求1所述的一种蓝宝石衬底分子束外延红外探测器材料制备方法，其特征在于：所述的过渡层为N型重掺杂InAs层，其厚度为300-1500nm。
8.如权利要求1所述的一种蓝宝石衬底分子束外延红外探测器材料制备方法，其特征在于：所述的下电极重掺杂接触层、吸收层、势垒层和上电极重参杂接触层组成nBn结构，且满足1-5微米红外波段响应材料体系中下例的一种：S1-InGaAs/InAsSb三元应变层超晶格体系、S2-InAs/GaSb超晶格体系、S3-InAs/InAsSb超晶格体系及S4-InAsSb体材料体系。
9.如权利要求1或2或4所述的一种蓝宝石衬底分子束外延红外探测器材料制备方法，其特征在于：所述的蓝宝石衬底的半球形透镜点阵表面镀有ZnS减反膜。
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