CN117747714A - InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格及其制备方法和红外探测器 - Google Patents
InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格及其制备方法和红外探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本申请提供一种InAs‑InGaAsSbⅡ类超晶格及其制备方法和红外探测器，涉及材料领域。InAs‑InGaAsSbⅡ类超晶格的制备方法，包括：使用MBE方法在晶格匹配的衬底上生长得到亚稳态的InAs‑InGaAsSbⅡ类超晶格，其中生长温度为280‑400℃；将亚稳态的InAs‑InGaAsSbⅡ类超晶格进行退火处理，得到稳态的InAs‑InGaAsSbⅡ类超晶格；退火处理的温度为200‑400℃，温度保持时间为0.5‑2min。本申请提供的InAs‑InGaAsSbⅡ类超晶格的制备方法，可以实现对同生长参数同周期同组分MBE生长条件的超晶格的发光波段进行调控，以满足不同领域的应用需求。
Description
技术领域
本申请涉及材料领域，尤其涉及一种InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格及其制备方法和红外探测器。
背景技术
锑化物II类超晶格(T2SL)红外探测器是极具潜力的第三代红外探测器，其所探测的中波(3-5μm)与长波(8-14μm)波段在军事和民用领域有着广泛的应用。超晶格材料的性能主要取决于其组成的材料类型和它们的排列方式，这些因素对材料的能带结构、热导率和电子迁移率等性质有着重要影响。锑化物Ⅱ类超晶格的外延生长有分子束外延(MBE)和金属有机气象沉积(MOCVD)这两种方法。目前，锑化物Ⅱ类超晶格外延生长领域主要采用MBE方法，而MOCVD方法则相对较少应用。MBE的简要技术方案如图1所示。
MBE是一种真空沉积技术，它通过在材料表面逐层沉积原子或分子束来生长晶体。在使用MBE生长时：首先要确保真空室内的气压极低，以防止杂质的引入。这通常通过使用真空泵和高效的气体抽取系统来实现。随后对衬底进行清洁和处理，以确保表面的纯净度和平整度。下一步，使用分子束照射衬底表面，使锑化物Ⅱ类材料的原子或分子在表面沉积并形成晶格结构。最后则是控制生长条件，例如温度和束流强度，以实现所需的超晶格结构。
MBE技术能够实现更精准的原子层沉积，有助于提高材料的结晶质量和均匀性。其次，MBE过程中的低生长温度有助于减小杂质引入的风险，有利于制备高质量的薄膜。此外，MBE方法还能够实现对生长过程的实时监控和精确控制，提供更灵活的生长条件，从而更好地满足特定应用需求。这些特点使得MBE外延生长在制备锑化物Ⅱ类超晶格方面具备显著的优越性。
光电子技术的蓬勃发展牵引着半导体产业的日益强劲，锑化物激光器作为半导体器件其中一个分支，展示了强大的发展动力和急切的应用需要，并引起了人们巨大的探究兴趣。然而，对锑化物材料的制备，器件工艺和器件性能较为理想的锑化物光电子器件缺少深入研究，还有很大的空间需要学者们要去完善。并且，使用传统的分子束外延方法制备InAs-InGaAsSb时，材料会留下难以释放的界面应力，同时存在着合金组分不均匀，合金质量下降等情况，从而导致材料的缺陷较大，影响着材料的光电性能。此外，传统的锑化物Ⅱ类超晶格的波长调控是通过调整超晶格周期厚度、组分来改变其发光波长，在固定组分以及周期厚度的情况下其发光波段也是固定的，即一旦超晶格材料参数确定，其光电特性便不能被调节。
因此亟须一种手段，既可以提高合金组分的均匀性，还可以根据后期应用需求，调节材料光学和电学特性。
发明内容
本申请的目的在于提供一种InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格及其制备方法和红外探测器，以解决上述问题。
为实现以上目的，本申请采用以下技术方案：
一种InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格的制备方法，包括：
使用MBE方法在晶格匹配的衬底上生长得到亚稳态的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格，其中生长温度为280-400℃；
将所述亚稳态的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格进行退火处理，得到稳态的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格；
所述退火处理的温度为200-400℃，温度保持时间为0.5-2min。
优选地，所述生长包括：
清洗所述衬底，然后在生长室内进行预除气；
加热Ⅲ-Ⅴ族源，在所述衬底的表面重复沉积InAs层和InGaAsSb层，得到所述亚稳态的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格。
优选地，所述衬底包括GaSb/InAs衬底。
优选地，所述生长室的气压为1×10-6-10-10Pa。
优选地，所述退火处理的升温速率为100～200℃/min。
优选地，所述退火处理的冷却速率为100～200℃/min。
优选地，所述退火处理在惰性气体气氛下进行。
优选地，所述退火处理完成后，使用惰性气体吹拂所述稳态的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格的表面。
本申请还提供一种InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格，使用所述的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格的制备方法制得。
本申请还提供一种红外探测器，其原料包括所述的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格。
与现有技术相比，本申请的有益效果包括：
本申请提供的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格的制备方法，在晶格匹配的衬底上通过MBE生长InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格，对传统的MBE生长方法进行改进，由原本MBE 400℃生长条件改为300℃低温生长，并在生长后进行快速热退火处理，类似于一个二次生长过程。通过MBE在低温条件下生长一个超晶格内部结构处于亚稳态状态的超晶格，再通过快速热退火工艺使其变成内部稳定状态结构。并且随着退火条件的改变，所得到的超晶格具有不同的发光波长以及其光致发光强度。
进一步的，通过生长后不同条件的退火处理，不仅调节了其发光波长,在温度快速增加的过程中，其有益于外延晶体材料中残余应力的释放，促进合金之间组分的扩散，并且会削弱晶格内部载流子局域态密度，使得自由激子的发光得到加强，样品中存在的缺陷得到弥补和修复。这一方法为InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格的外延生长和波段调控提供了新的思路，促使该材料成为高性能中波红外光电器件理想材料具有重要意义。
本申请通过低温MBE手段生长亚稳态结构的InAs-InGaAsSb四元合金超晶格，在生长之后通过热退火进行二次处理使超晶格内部变成稳定结构状态。并通过调节不同的快速热退火条件使得同生长参数同周期同组分超晶格具有不同的发光波长和强度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对本申请范围的限定。
图1为现有MBE外延生长流程示意图；
图2为本申请实施例制备方法中分子束外延生长亚稳态InAs/InGaAsSb超晶格的流程示意图；
图3为实施例和对比例1得到的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格样品光致发光光谱；
图4为对比例1和对比例2得到的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格样品光致发光光谱；
图5为对比例3和对比例4得到的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格样品光致发光光谱。
具体实施方式
为了更好的阐释本申请提供的技术方案，在实施例之前，先对技术方案做整体陈述，具体如下：
一种InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格的制备方法，包括：
使用MBE方法在晶格匹配的衬底上生长得到亚稳态的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格，其中生长温度为280-400℃；
将所述亚稳态的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格进行退火处理，得到稳态的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格；
所述退火处理的温度为200-400℃，温度保持时间为0.5-2min。
在超晶格材料中，快速热退火可以引起界面处的原子迁移，通过适当调控退火的时间和温度，有利于减少晶体内部结构缺陷，平衡晶格应变，促进合金组分的均匀性以及改变四元合金InAs-InGaAsSb T2SL中的局域态深度，尤其是对于InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格这种四元合金超晶格，内部含有多种元素原子，具有复杂的原子层结构。在退火条件下超晶格内部原子不仅存在界面处原子扩散、互混以及重新排列现象，而且在层内还有横向的原子扩散融合状况。
可选的，生长温度可以为280℃、290℃、300℃、310℃、320℃、330℃、340℃、350℃、360℃、370℃、380℃、390℃、400℃或者280-400℃之间的任一值；退火处理的温度可以为200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃、260℃、270℃、280℃、290℃、300℃、310℃、320℃、330℃、340℃、350℃、360℃、370℃、380℃、390℃、400℃或者200-400℃之间的任一值，温度保持时间可以为0.5min、1min、1.5min、2min或者0.5-2min之间的任一值。
在一个可选的实施方式中，所述生长包括：
清洗所述衬底，然后在生长室内进行预除气；
加热Ⅲ-Ⅴ族源，在所述衬底的表面重复沉积InAs层和InGaAsSb层，得到所述亚稳态的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格。
在一个可选的实施方式中，所述衬底包括GaSb/InAs衬底。
在一个可选的实施方式中，所述生长室的气压为1×10-6-10-10Pa。
可选的，所述生长室的气压可以为1×10-6、1×10-7、1×10-8、1×10-9、1×10-10或者1×10-6-10-10Pa之间的任一值。
在一个可选的实施方式中，所述退火处理的升温速率为100～200℃/min。
在一个可选的实施方式中，所述退火处理的冷却速率为100～200℃/min。
可选的，退火处理的升温速率可以为100℃/min、150℃/min、200℃/min或者100～200℃/min之间的任一值，退火处理的冷却速率可以为100℃/min、150℃/min、200℃/min或者100～200℃/min之间的任一值。
在一个可选的实施方式中，所述退火处理在惰性气体气氛下进行。
在一个可选的实施方式中，所述退火处理完成后，使用惰性气体吹拂所述稳态的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格的表面。
本申请还提供一种InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格，使用所述的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格的制备方法制得。
本申请还提供一种红外探测器，其原料包括所述的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格。
下面将结合具体实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例提供一种InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格，其制备方法包括如下步骤：
如图2所示，首先确保真空室内的极低气压，通常在10-6-10-10Pa范围内以防止外部气体和杂质的干扰。对GaSb/InAs衬底进行彻底地清洗，从而完全地去掉附着在衬底表面的杂质。然后固定衬底，并把样品送到进样室处理，进行预除气，在Sb束流的保护下送至生长室有效地去除其表面氧化物，完成后就可以进行所需样品的生长。通过加热Ⅲ-Ⅴ族源，产生分子束，使其沉积在衬底表面上，共生长200周期。其中，Ga和In源炉为双温区源炉，As和Sb均是带裂解的阀控源炉，Ⅲ/V束流比保持在1:5。通过重复InAs层和InGaAsSb层的生长步骤，直至所需的结构和层次，生长温度为300℃。
将MBE低温生长后的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格样品放入退火炉中，退火炉温度设置为200℃，升温时间2min，温度保持1min，冷却时间2min，对样品进行快速热退火处理；
在退火过程中，在炉内通入氮气，防止样品氧化；
快速热退火处理完成后，将样品取出，用高纯氮气枪吹拂表面以防止氧化。
实施例2
与实施例1不同的是，退火炉的温度设置为250℃。
实施例3
与实施例1不同的是，退火炉的温度设置为300℃。
实施例4
与实施例1不同的是，退火炉的温度设置为350℃。
实施例5
与实施例1不同的是，退火炉的温度设置为400℃。
对比例1
与实施例1不同的是，不进行退火处理。
将实施例和对比例得到的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格样品进行测试和分析，以评估热退火处理的效果。采用Bruker 80V配置的1064nm激光器在100mW激发功率下光致发光光谱变温测试结果如图3所示，在不同的退火温度下，得到各异的发光峰位，这是由于快速热退火致使材料内部原子扩散，组分产生波动所导致的带隙的变化；不同退火温度下的发光峰强度的增强或略微减弱是由于材料中缺陷态的演变，退火过程中会导致一些缺陷被去除或产生新的缺陷。其中，a为对比例1得到的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格样品的光致发光光谱，b-f对应实施例1-5样品的光致发光光谱。
对比例2
与实施例1不同的是，退火升温速率设置为25℃/min，温度设置为400℃。光谱结果如图4所示，缓慢的退火处理速度与原位生长样品发光性能接近，信噪比略微变差。
对比例3
与实施例1不同的是，退火炉的温度设置为500℃。
对比例4
与实施例1不同的是，退火炉的温度设置为600℃。
对比例3和对比例4所得材料的光谱结果如图5所示。
本申请提供的方法具有以下优势：
1.与传统的分子束外延方法制备InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格相比，此发明通过先低温生长再快速热退火进行处理，经过快速升温过程，诱导超晶格内部合金层原子进行二次融合，使得超晶格内部由亚稳态到稳态的转变，通过这种生长方法使得超晶格内部缺陷更少，结晶质量得到改善。
2.与传统的分子束外延制备方法相比，我们生长内部亚稳态结构的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格，然后进行快速热退火处理，在温度快速增加的过程中，其有益于外延晶体材料中残余应力的释放，促进合金之间组分的扩散，改善局域态，弥补和修复样品中存在的缺陷，由此可以增强InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格的光响应强度。
3.我们生长出亚稳态内部结构的InAs-InGaAsSb，再通过不同条件的快速热退火处理，经历加热和冷却过程，会引起晶格膨胀和收缩、化学计量比变化以及应力改变等，从而改变材料的能带结构，使超晶格具有不同的响应波长。通过控制退火条件，我们可以实现对超晶格的发光波段的调控，以满足不同领域的应用需求。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格的制备方法，其特征在于，包括：
使用MBE方法在晶格匹配的衬底上生长得到亚稳态的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格，其中生长温度为280-400℃；
将所述亚稳态的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格进行退火处理，得到稳态的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格；
所述退火处理的温度为200-400℃，温度保持时间为0.5-2min。
2.根据权利要求1所述的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格的制备方法，其特征在于，所述生长包括：
清洗所述衬底，然后在生长室内进行预除气；
加热Ⅲ-Ⅴ族源，在所述衬底的表面重复沉积InAs层和InGaAsSb层，得到所述亚稳态的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格。
3.根据权利要求2所述的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格的制备方法，其特征在于，所述衬底包括GaSb/InAs衬底。
4.根据权利要求2所述的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格的制备方法，其特征在于，所述生长室的气压为1×10-6-10-10Pa。
5.根据权利要求1所述的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格的制备方法，其特征在于，所述退火处理的升温速率为100～200℃/min。
6.根据权利要求1所述的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格的制备方法，其特征在于，所述退火处理的冷却速率为100～200℃/min。
7.根据权利要求1所述的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格的制备方法，其特征在于，所述退火处理在惰性气体气氛下进行。
8.根据权利要求1-7任一项所述的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格的制备方法，其特征在于，所述退火处理完成后，使用惰性气体吹拂所述稳态的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格的表面。
9.一种InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格，其特征在于，使用权利要求1-8任一项所述的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格的制备方法制得。
10.一种红外探测器，其特征在于，其原料包括权利要求9所述的InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格。
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| CN202311862183.3A CN117747714A (zh) | 2023-12-29 | 2023-12-29 | InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格及其制备方法和红外探测器 |
Publications (1)
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| CN117747714A true CN117747714A (zh) | 2024-03-22 |
Family
ID=90250918
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202311862183.3A Pending CN117747714A (zh) | 2023-12-29 | 2023-12-29 | InAs-InGaAsSbⅡ类超晶格及其制备方法和红外探测器 |
Country Status (1)
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-
2023
- 2023-12-29 CN CN202311862183.3A patent/CN117747714A/zh active Pending
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