銦砷銻和銦鎵砷銻雙波段紅外探測器及製備方法與流程

2023-05-05 05:38:42 2

本發明涉及半導體材料分子束外延生長領域，具體涉及銦砷銻和銦鎵砷銻雙波段紅外探測器器件結構及其製備方法。

背景技術：

GaSb基半導體材料，包括晶格常數為的InAs、GaSb、AlSb及其多元化合物，相比於傳統的碲鎘汞體系和量子點結構，在光學方面和電學方面都展現出了巨大的潛力，是製備紅外探測器的熱門新型材料，具體包括InGaAsSb、InAsSb、InAs/GaSb超晶格、InAs/InAsSb超晶格等多種材料體系。

紅外探測器是紅外技術的核心，它的發展水平制約著紅外技術的應用。早期研製的紅外探測器存在波長單一、量子效率低、工作溫度低等問題，大大限制了紅外探測器技術的應用方向。目前，第三代紅外探測器要求具有高性能、高解析度、具有多波段探測能力的製冷型和非製冷型焦平面。其中，雙色和多色探測是第三代紅外探測器的顯著特徵，由於雙色探測器能夠提供更好的信號對比度，同時提取目標光譜信息和溫度信息，降低誤警率，因此提高了紅外器件對複雜背景或偽裝目標的識別度。在雙色紅外探測器中，目前只有碲鎘汞、量子阱和II類超晶格三種紅外探測器。其中，碲鎘汞是一種主要由離子鍵結合的三元半導體材料，由於汞元素化學性質非常不穩定，容易從碲鎘汞材料中逸出從而造成材料的缺陷、材料的不均勻以及器件性能的不均勻，這是碲鎘汞材料固有的問題。而量子阱的工作方式為子帶間躍遷，外部摻雜提供導帶基態的載流子，與價帶提供的電子相比，數量級差3-4個量級。另外，由於躍遷矩陣元的選擇定則，只有垂直於表面的入射光才能被量子阱材料吸收。因此量子阱紅外探測器面臨著量子效率較低的問題。通過理論計算預測，II類超晶格紅外探測器的性能是最好的，但是實測結果與理論結果還有1-2個數量級的差距，說明材料生長及器件工藝等方面還有待進一步完善。

技術實現要素：

針對背景技術中提到的問題，為克服上述紅外探測器中的不足，本發明通過分子束外延技術，在GaSb襯底10上外延出高質量的銦砷銻和銦鎵砷銻雙波段紅外探測器，本發明提供的銦砷銻和銦鎵砷銻雙波段紅外探測器及製備方法，可以實現對紅外中波波段及短波波段的信號探測。

為實現上述方法，本發明提供一種銦砷銻和銦鎵砷銻雙波段紅外探測器結構，包括：

一GaSb襯底；

一第一GaSb緩衝層，其生長在GaSb襯底上；

一InGaAsSb PIN型短波器件，其生長在第一GaSb緩衝層上；

一第二GaSb緩衝層，其生長在InGaAsSb PIN型短波器件上；

一InAsSb NIP型中波器件，其生長在第二GaSb緩衝層上。

本發明還提供一種銦砷銻和銦鎵砷銻雙波段紅外探測器的製備方法，包括如下步驟：

步驟1：在第一預定溫度下，在GaSb襯底上生長第一GaSb緩衝層；

步驟2：在第二預定溫度下，在第一GaSb緩衝層上生長InGaAsSb PIN型短波器件；

步驟3：在第三預定溫度下，在InGaAsSb PIN型短波器件上生長第二GaSb緩衝層；

步驟4：在第四預定溫度下，在第二GaSb緩衝層上生長InAsSb NIP型中波器件，完成器件製備。

從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果：

(1)採用精度控制精確的分子束外延技術，保證了紅外探測器生長的均勻性和準確性。

(2)該發明的銦砷銻和銦鎵砷銻體材料紅外雙波段探測器使用傳統的PIN模型。另外，由於是體材料，工作方式為載流子的帶間躍遷，保證了較高水平的量子效率。

(3)該發明生長雙緩衝層來提高晶體質量，在GaSb襯底10和材料之間生長第一GaSb緩衝層20來防止GaSb襯底10上的汙染源，同時使表面平滑，有利於後面的材料生長。另外在銦砷銻和銦鎵砷銻器件之間生長第二GaSb緩衝層40，既隔開了兩個波段的器件，又提高了材料的質量。

附圖說明

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施方法，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明，其中：

圖1為本發明提供的銦砷銻和銦鎵砷銻雙波段紅外探測器結構示意圖；

圖2為本發明提供的銦砷銻和銦鎵砷銻雙波段紅外探測器的製備方法流程圖。

具體實施方式

請參閱圖1所示，本發明提供的銦砷銻和銦鎵砷銻雙波段紅外探測器結構，包括：

一GaSb襯底10；

一第一GaSb緩衝層20，其生長在GaSb襯底10上；

一InGaAsSb PIN型短波器件30，其生長在第一GaSb緩衝層20上，所述InGaAsSb PIN型短波器件30包括依次生長的：InGaAsSb N區31、InGaAsSb I區32和InGaAsSb P區33；

一第二GaSb緩衝層40，其生長在InGaAsSb PIN型短波器件30上；

一InAsSb NIP型中波器件50，其生長在第二GaSb緩衝層40上，所述InAsSb NIP型中波器件50包括依次生長的：InAsSb P區51、InAsSb I區52和InAsSb N區53。

其中生長第一GaSb緩衝層20和第二GaSb緩衝層40的溫度為500℃-600℃，Sb/Ga束流比為11。

其中生長InGaAsSb PIN型短波器件30和InAsSb NIP型中波器件50的溫度為450℃-550℃，生長InGaAsSb PIN型短波器件30的As/In束流比為5，Sb/Ga束流比為11；生長InAsSb NIP型中波器件50的As/In束流比為10。

具體實施之前，有必要引入GaSb襯底10再構溫度Tc的概念。晶體表面不是簡單的三維晶格的終止，而是一種特殊的相-表面相。在表面相中原子的排列和化學組成與體內不完全相同。如果體內與表面平行的晶面上的2個基矢為a1和a2，則表面二維晶格的基矢可能為與此不同的a1s和a2s，這就稱為表面再構現象。表面再構往往與表面原子的弛豫和原子的吸附有關。對於GaSb襯底10而言，處於一定的Sb保護束流的環境中，在低溫下表面呈現x5再構，在高溫時呈現x3再構。另外，在將GaSb襯底10放置於分子束外延樣品架的時候，由於夾具的鬆緊、位置、接觸都不盡相同，因此溫度監視器錶盤顯示的襯底溫度不一定代表GaSb襯底10實際溫度，並且每次都不相同，不利於我們優化條件，重複器件生長。為克服這個困難，我們使用再構溫度Tc校準材料的生長溫度。

請參閱圖2，並結合參閱圖1，本發明提供一種銦砷銻和銦鎵砷銻雙波段紅外探測器的製備方法，包括如下步驟：

準備工作：將GaSb襯底10放在分子束外延(MBE)生長室的樣品架上，在620℃高溫條件下進行脫氧處理三十分鐘，再將溫度降低至560℃生長三分鐘的GaSb材料，Sb/Ga束流比為11；然後，在Sb束流保護的條件下，不斷降低溫度，觀察GaSb襯底10由x3再構變為x5再構的再構溫度Tc，在本次實施中Tc為440℃，用以確定後續材料的生長溫度。

步驟1：準備工作完成後，在Sb束流保護的環境下升溫至550℃；溫度穩定在550℃後，在GaSb襯底10上生長第一GaSb緩衝層20；第一GaSb緩衝層20的生長溫度確認為再構溫度Tc加上110℃，在此次實施中為550℃；在錶盤溫度穩定在550℃後，開啟Ga源爐快門和Sb源爐快門與針閥，在GaSb襯底10上生長第一GaSb緩衝層20。Ga源爐在第一GaSb緩衝層20中的溫度為1093℃/893℃，Sb/Ga束流比為11。第一GaSb緩衝層20的生長厚度為0.5μm，採用Te摻雜，Te源爐溫度為825/575℃。

步驟2：步驟1結束後，在Sb束流保護的環境中，降低錶盤溫度至InGaAsSb PIN型短波器件30的生長溫度。InGaAsSb PIN型短波器件30的生長溫度確認為再構溫度加上60℃，在此次實施中為500℃。待錶盤溫度穩定在500℃後，開啟In、Ga源爐快門和As、Sb源爐快門與針閥，在第一GaSb緩衝層20上開始生長InGaAsSb PIN型短波器件30；所述InGaAsSb PIN型短波器件30包括依次生長的：InGaAsSb N區31、InGaAsSb I區32和InGaAsSb P區33；In源爐在InGaAsSb PIN型短波器件30的溫度為848℃/698℃，Ga源爐在InGaAsSb PIN型短波器件30的溫度為1093℃/893℃，Sb/Ga束流比為11，As/In束流比為5；InGaAsSb N區31使用Te摻雜，Te源爐的溫度為825/575℃，InGaAsSb I區32不摻雜，InGaAsSb P區33使用Be摻雜，Be源爐的溫度為940℃；InGaAsSb N區31和InGaAsSb P區33厚度均為0.4μm，InGaAsSb I區32厚度為2.3μm。

步驟3：步驟2結束後，在Sb、As束流保護的環境中，升高錶盤溫度至第二GaSb緩衝層40的生長溫度；第二GaSb緩衝層40的生長溫度確認為再構溫度Tc加上110℃，在此次實施中為550℃。待錶盤溫度穩定在550℃後，在InGaAsSb PIN型短波器件30上生長第二GaSb緩衝層40；然後關閉As源爐快門與針閥，打開Ga源爐快門，生長第二GaSb緩衝層40；Ga源爐在第二GaSb緩衝層40中的溫度為1093℃/893℃，Sb/Ga束流比為11；第二GaSb緩衝層40的厚度為0.5μm，使用Be摻雜，Be源爐溫度為940℃。

步驟4：步驟3結束後，在Sb束流保護的環境中，降低錶盤溫度至InAsSb NIP型中波器件50的生長溫度；InAsSb NIP型中波器件50的生長溫度確認為再構溫度加上60℃，在此次實施中為500℃；待錶盤溫度穩定在550℃後，開啟In源爐快門和As、Sb源爐快門與針閥，開始在第二GaSb緩衝層40上生長InAsSb NIP型中波器件50。所述InAsSb NIP型中波器件50包括依次生長的：InAsSb P區51、InAsSb I區52和InAsSb N區53；In源爐在InAsSb NIP層中的溫度為900℃/738℃；InAsSb P區51使用Be摻雜，Be源爐的溫度為940℃，InAsSb I區52不摻雜，InAsSb N區53使用Si摻雜，Si源爐的溫度為1240℃；InAsSb P區51和InAsSb N區53厚度均為0.4μm，InAsSb I區52厚度為2μm。

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，並不用於限制本發明，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範圍之內。