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
技術領域：
本發明涉及分子束外延生長技術領域，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超晶格結構的方法。
背景技術：
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點，在制導、夜視等軍事領域以及工業檢測、遙感等民用領域具有重要應用，是當前紅外探測領域的研究熱點之一。所謂超晶格結構是指是兩種晶格常數較為匹配的材料交替生長形成的周期結構。通常，InAs/GaSb 二類超晶格包括InAs超晶格層、GaSb超晶格層，本發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型結構，其紅外吸收區集中于I區，通過改變I區超晶格的厚度及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，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基材料都有優勢，但由于GaSb襯底比較昂貴，使得其在實際應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，需要合理的設計各個源的生長溫度、快門的開關順序，以及As/In、Sb/Ga束流比。同時合理的調控InAs、GaSb外延層生長厚度之間的比例關系以及二者之間的界面結構可以實現短波、中波、長波、甚長波等不同波段的紅外探測器材料有源區的設計。現有的在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量較好，但是仍需要設計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，使表面質量更好，再者在實際性能測試中更有優勢。(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，本領域極需一種能夠改善InAs/GaSb 二類超晶格生長質量，并緩解失配的方法，最終為實現各個紅外探測波段做準備。
發明內容
(一 )要解決的技術問題本發明所要解決的技術問題是現有的在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量差的不足。(二)技術方案為解決上述技術問題，本發明公開了一種在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超晶格結構。根據本發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。根據本發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。根據本發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根據本發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。根據本發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超晶格結構I 2 μ m。根據本發明的一個具體實施方式
，所述步驟S3包括循環往復的如下過程: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。根據本發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。根據本發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。根據本發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緩沖層設計以及開關順序控制添加了停止生長的區域，因此可以實現理論設計并應用在不同波段的紅外探測器材料中。
圖1是本發明提供的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超晶格結構的外延生長詳細過程圖；圖3本發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構示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
圖1是本發明提供的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超晶格結構。相比于現有技術，本發明的生長方法的的關鍵在于步驟S1、S2提出適當厚度緩沖層設計，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計。下面通過對具體實施方式
的例舉來進一下說明本發明的方法。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超晶格結構I 2 μ m，例如I μ m ;在生長InAs/GaSb 二類超晶格結構之前，需要打開Sb源，并將襯底溫度降至430。。。本發明的步驟S3包括循環往復的如下過程: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超晶格結構的外延生長詳細過程圖。縱坐標代表每種元素，有陰影的區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構示意圖。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。因為本發明提供的InAs/GaSb 二類超晶格結構可通過調節InAs層和GaSb層的厚度來改變紅外探測器的探測波段，為此提供設計的三種結構: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，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
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超晶格結構。
2.如權利要求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超晶格結構I 2 μ m。
7.如權利要求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超晶格結構。本發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較好的材料質量。本發明通過控制InAs層和GaSb層的厚度比例關系可以實現在不同紅外波段的響應，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 優先權日2013年4月18日
發明者郭曉璐, 馬文全, 張艷華 申請人:中國科學院半導體研究所