專利名稱：一種在GaAs襯底上外延生長InAs/GaSb二類超晶格的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分子束外延生長技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種在GaAs襯底上采用緩沖層生長工藝外延生長InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
InAs/GaSb 二類超晶格材料是最有希望的第三代紅外探測器材料之一，具有均勻性好，暗電流小，俄歇復合幾率低，覆蓋波段范圍大等優(yōu)點，在制導、夜視等軍事領(lǐng)域以及工業(yè)檢測、遙感等民用領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，是當前紅外探測領(lǐng)域的研究熱點之一。所謂超晶格結(jié)構(gòu)是指是兩種晶格常數(shù)較為匹配的材料交替生長形成的周期結(jié)構(gòu)。通常，InAs/GaSb 二類超晶格包括InAs超晶格層、GaSb超晶格層，本發(fā)明為減小二者之間的晶格失配采用了InSb緩沖層。銻(Sb)化物二類超晶格探測器一般具有PIN型結(jié)構(gòu)，其紅外吸收區(qū)集中于I區(qū)，通過改變I區(qū)超晶格的厚度及InAs與GaSb的比例等可以改變其吸收性能，其帶隙可從2 μ m-30 μ m可調(diào)，可制備短波、中波、長波、甚長波、雙色段及多波段器件。GaSb基二類超晶格材料在光學性能和電學性能上相比于GaAs基材料都有優(yōu)勢，但由于GaSb襯底比較昂貴，使得其在實際應(yīng)用中受到很大的限制。除此之外，GaSb單晶片缺少半絕緣襯底，使其在實驗測試中不能很好的表征二類超晶格的電學性能。然而，在InAs/GaSb 二類超晶格材料的生長過程中，需要合理的設(shè)計各個源的生長溫度、快門的開關(guān)順序，以及As/In、Sb/Ga束流比。同時合理的調(diào)控InAs、GaSb外延層生長厚度之間的比例關(guān)系以及二者之間的界面結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)短波、中波、長波、甚長波等不同波段的紅外探測器材料有源區(qū)的設(shè)計。現(xiàn)有的在GaAs襯底上外延生長InAs/GaSb 二類超晶格的方法有以下缺陷:(I) GaAs襯底上 直接生長InAs/GaSb 二類超晶格，并沒有設(shè)計GaAs緩沖層和GaSb緩沖層=GaAs襯底進入腔室處理后雖然表面質(zhì)量較好，但是仍需要設(shè)計GaAs緩沖層來改善表面；GaSb緩沖層一方面是為了彌補超晶格和GaAs襯底之間的失配，使表面質(zhì)量更好，再者在實際性能測試中更有優(yōu)勢。(2)在InAs/GaSb 二類超晶格的生長過程中InAs層和GaSb層之間的失配較大，并沒有什么措施來緩解二者之間的失配。因此，本領(lǐng)域極需一種能夠改善InAs/GaSb 二類超晶格生長質(zhì)量，并緩解失配的方法，最終為實現(xiàn)各個紅外探測波段做準備。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的在GaAs襯底上外延生長InAs/GaSb 二類超晶格的方法存在晶格失配嚴重及生長質(zhì)量差的不足。(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種在GaAs襯底上外延生長InAs/GaSb 二類超晶格的方法，包括如下步驟:步驟S1:在半絕緣GaAs襯底上外延生長GaAs緩沖層；步驟S2:在所述GaAs緩沖層上外延生長GaSb緩沖層；步驟S3:在所述GaSb緩沖層上外延生長InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式
，所述步驟SI是在580V下外延生長GaAs緩沖層200 500nm。根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式
，在所述步驟SI中，As/Ga束流比為3 6。根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式
，所述步驟S2是在460 V下外延生長GaSb緩沖層I 2 μ m0根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式
，在所述步驟S2中，Sb/Ga束流比為4 6。根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式
,所述步驟S3是在430°C下外延生長InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)I 2 μ m。根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式
，所述步驟S3包括循環(huán)往復的如下過程:步驟S31、在所述GaSb緩沖層上外延生長InAs層；步驟S32、在所述InAs層上生長GaSb層；步驟S33、在所述GaSb層上生長InSb層。根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式
，在步驟S31中，As/In束流比為3 6 ;在步驟S32中，Sb/Ga束流比為4 6 ;在步驟S33中，Sb/In束流比為3 6。根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式
，在所述步驟S31中，打開As源、In源，控制As/In束流比為3 6 ;然后關(guān)閉In源，保持As源的打開，保持As的浸潤；在所述步驟S32中，打開Ga源、Sb源，控制Sb/Ga束流比為4 6 ;然后關(guān)閉Ga源，保持Sb源的打開，保持Sb的浸潤；在所述步驟S33中，打開In源、Sb源 ，控制Sb/In束流比為3 6。根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式
,在所述步驟S3中，InAs層生長2nm 5nm,生長時間為15s 45s ；GaSb層生長Inm 2nm,生長時間為12s 22s ；InSb層生長0.03
0.15nm,生長時間不超過Is。(三)有益效果本發(fā)明的方法所得到的在GaAs襯底上外延生長的InAs/GaSb 二類超晶格采用了GaAs緩沖層、GaSb緩沖層來緩解超晶格層和襯底之間巨大的失配同時在改善InAs/GaSb 二類超晶格的生長上采用InSb緩沖層設(shè)計以及開關(guān)順序控制添加了停止生長的區(qū)域，因此可以實現(xiàn)理論設(shè)計并應(yīng)用在不同波段的紅外探測器材料中。


圖1是本發(fā)明提供的GaAs襯底上生長InAs/GaSb 二類超晶格的方法的流程圖；圖2是本發(fā)明的一個實施例在GaAs襯底上InAs/GaSb 二類超晶格材料的每個周期生長快門控制圖，其中詳細給出了 InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)的外延生長詳細過程圖；圖3本發(fā)明的一個實施例提供的GaAs襯底上生長的InAs/GaSb 二類超晶格材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
圖1是本發(fā)明提供的GaAs襯底上生長InAs/GaSb 二類超晶格的方法的流程圖，其中包括以下步驟:步驟S1:在半絕緣GaAs襯底上外延生長GaAs緩沖層；步驟S2:在所述GaAs緩沖層上外延生長GaSb緩沖層；步驟S3:在所述GaSb緩沖層上外延生長InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的生長方法的的關(guān)鍵在于步驟S1、S2提出適當厚度緩沖層設(shè)計，步驟S3中提出了停止生長一定時間以及InSb緩沖層生長的獨特設(shè)計。下面通過對具體實施方式
的例舉來進一下說明本發(fā)明的方法。在該實施例中，步驟SI是在580°C下外延生長GaAs緩沖層200 500nm，例如500nm;在生長GaAs緩沖層之前，先將GaAs襯底放入分子束外延設(shè)備樣品架中，并傳送入緩沖腔室中，將腔室溫度升高至400°C，烘烤1.5 2小時；后將樣品傳入生長室中，將襯底溫度升至600 620°C脫氧，并穩(wěn)定十分鐘，然后將襯底溫度降至580°C。然后，將高溫脫氧的GaAs襯底穩(wěn)定在580°C，開啟Ga源、As源，且使As/Ga束流比為3 6，例如4。在該實施例中，步驟S2是在460°C下外延生長GaSb緩沖層I 2 μ m，例如1.5 μ m。在生長GaSb緩沖層之前，需要打開As源，并將襯底溫度降至460°C ;之后進行GaSb緩沖層的生長，具體為:將襯底溫度穩(wěn)定在460°C，開啟Ga源、Sb源，使Sb/Ga束流比為4 6，例如5。在該實施例中，步驟S3是在430°C下外延生長InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)I 2 μ m，例如I μ m ;在生長InAs/GaSb 二類超晶格結(jié)構(gòu)之前，需要打開Sb源，并將襯底溫度降至430。。。本發(fā)明的步驟S3包括循環(huán)往復的如下過程:步驟S31、在所述GaSb緩沖層上外延生長InAs層；步驟S32、在所述InAs層上生長GaSb層；步驟S33、在所述GaSb層上生長InSb層。在所述循環(huán)往復的過程中，通過控制各層的生長時間達到最后的生長厚度，最終實現(xiàn)不同紅外波段的探測，生長速度一般為0.1 0.2nm/s。一般地，InAs層生長2nm 5nm,生長時間約為15s 45s ；GaSb層生長Inm 2nm,生長時間約為12s 22s ；InSb層則較薄，只有約0.03 0.15nm厚，生長時間一般不超過Is。在該實施例的步驟S31中，打開As源、In源，As/In束流比為3 6本例用4 ;然后關(guān)閉In源，保持As源的打開，保持As的浸潤，生長溫度不變，并將Sb源的閥門調(diào)至所用位置；在該實施例的步驟S32中，打開Ga源、Sb源，Sb/Ga束流比為4 6，本例用5 ;然后關(guān)閉Ga源，保持Sb源的打開，保持Sb的浸潤，生長溫度不變；在該實施例的步驟S33中，打開In源、Sb源，Sb/In束流比為3 6，本例用3。在該實施例中，InAs/GaSb 二類超晶格一共生長I μ m。圖2是上述在GaAs襯底上InAs/GaSb 二類超晶格材料的每個周期生長快門控制圖，其中詳細給出了 InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)的外延生長詳細過程圖?？v坐標代表每種元素，有陰影的區(qū)域代表有這種元素生長， 橫坐標代表時間，也就是每個周期中每一層的生長時間。
圖3上述實施例提供的GaAs襯底上生長的InAs/GaSb 二類超晶格材料的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，GaAs半絕緣襯底I的厚度約為0.2mm, GaAs緩沖層2的厚度約500nm ；GaSb緩沖層3的厚度約為1.5 μ m，InAs/GaSb 二類超晶格層的厚度約為1.0 μ m。本發(fā)明同以往相比有以下積極效果:1.在生長超晶格層之前生長了一定厚度的GaAs緩沖層和GaSb緩沖層，其中GaAs緩沖層一般生長200 500nm，GaSb緩沖層一般生長I 2 μ m。2.1nAs/GaSb超晶格生長中采用了 InSb緩沖層和停止生長的設(shè)計，如圖2中所示InAs層生長2nm 5nm,生長時間約為15s 45s ；GaSb層生長Inm 2nm,生長時間約為12s 22s ;InSb層則較薄，只有約0.03 0.15nm厚，生長時間一般不超過Is。整個生長過程中As/In束流比選用3 6，Sb/Ga束流比為4 6，Sb/In束流比為3 6。因為本發(fā)明提供的InAs/GaSb 二類超晶格結(jié)構(gòu)可通過調(diào)節(jié)InAs層和GaSb層的厚度來改變紅外探測器的探測波段，為此提供設(shè)計的三種結(jié)構(gòu):中波波段，其中InAs:21人，GaSb21A;長波波段，其中InAs:39人,GaSb26人;甚長波波段，其中InAs:49人,GaSb33A。 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在GaAs襯底上外延生長InAs/GaSb 二類超晶格的方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟S1:在半絕緣GaAs襯底上外延生長GaAs緩沖層； 步驟S2:在所述GaAs緩沖層上外延生長GaSb緩沖層； 步驟S3:在所述GaSb緩沖層上外延生長InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的在GaAs襯底上外延生長InAs/GaSb二類超晶格的方法，其特征在于:所述步驟SI是在580°C下外延生長GaAs緩沖層200 500nm。
3.如權(quán)利要求2所述的在GaAs襯底上外延生長InAs/GaSb二類超晶格的方法，其特征在于:在所述步驟SI中，As/Ga束流比為3 6。
4.如權(quán)利要求1所述的在GaAs襯底上外延生長InAs/GaSb二類超晶格的方法，其特征在于:所述步驟S2是在460°C下外延生長GaSb緩沖層I 2 μ m。
5.如權(quán)利要求4所述的在GaAs襯底上外延生長InAs/GaSb二類超晶格的方法，其特征在于:在所述步驟S2中，Sb/Ga束流比為4 6。
6.如權(quán)利要求1所述的在GaAs襯底上外延生長InAs/GaSb二類超晶格的方法，其特征在于:所述步驟S3是在430°C下外延生長InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)I 2 μ m。
7.如權(quán)利要求6所述的在GaAs襯底上外延生長InAs/GaSb二類超晶格的方法，其特征在于:所述步驟S3包括循環(huán)往復的如下過程: 步驟S31、在所述GaSb緩沖層上外延生長InAs層； 步驟S32、在所述InAs層上生長GaSb層； 步驟S33、在所述GaSb層上生長InSb層。
8.如權(quán)利要求7所述的在GaAs襯底上外延生長InAs/GaSb二類超晶格的方法，其特征在于:在步驟S31中，As/In束流比為3 6 ;在步驟S32中，Sb/Ga束流比為4 6 ;在步驟S33中，Sb/In束流比為3 6。
9.如權(quán)利要求8所述的在GaAs襯底上外延生長InAs/GaSb二類超晶格的方法，其特征在于: 在所述步驟S31中，打開As源、In源，控制As/In束流比為3 6 ;然后關(guān)閉In源，保持As源的打開，保持As的浸潤； 在所述步驟S32中，打開Ga源、Sb源，控制Sb/Ga束流比為4 6 ;然后關(guān)閉Ga源，保持Sb源的打開，保持Sb的浸潤； 在所述步驟S33中，打開In源、Sb源，控制Sb/In束流比為3 6。
10.如權(quán)利要求8所述的在GaAs襯底上外延生長InAs/GaSb二類超晶格的方法，其特征在于: 在所述步驟S3中，InAs層生長2nm 5nm,生長時間為15s 45s ；GaSb層生長Inm 2nm,生長時間為12s 22s ；InSb層生長0.03 0.15nm,生長時間不超過Is。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在GaAs襯底上外延生長InAs/GaSb二類超晶格的方法，包括步驟S1在半絕緣GaAs襯底上外延生長GaAs緩沖層；步驟S2在所述GaAs緩沖層上外延生長GaSb緩沖層；步驟S3在所述GaSb緩沖層上外延生長InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)。本發(fā)明在所述生長過程中通過控制As、Sb束流比以及InSb界面層的厚度以實現(xiàn)較好的材料質(zhì)量。本發(fā)明通過控制InAs層和GaSb層的厚度比例關(guān)系可以實現(xiàn)在不同紅外波段的響應(yīng)，并進一步可以制作多種波段的紅外探測器器件。
文檔編號H01L31/101GK103233271SQ20131013598
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月18日
發(fā)明者郭曉璐, 馬文全, 張艷華 申請人:中國科學院半導體研究所