專利名稱：GaAs基InAs/GaSb超晶格近紅外光電探測器及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體技術中紅外光電探測器領域，尤其涉及一種GaAs 基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段紅外光電探測器及其制作方法。
背景技術：
隨著科學技術的進步，以軍用為核心的紅外探測器逐漸發(fā)展起來，目 前在戰(zhàn)略預警、戰(zhàn)術報警、夜視、制導、通訊、氣象、地球資源探測、工 業(yè)探傷、醫(yī)學、光譜、測溫、大氣監(jiān)測等軍用和民用領域都有廣泛的應用。
但是，目前最常用的硅慘雜探測器、InSb、 QWIP、 MCT等紅外探測 器，都要求在低溫下工作，需要專門的制冷設備，造價昂貴，因而應用受 到限制。而lnAs/GaSb紅外探測器由于其材料的特殊性，例如電子和空 穴高的有效質量可有效的減少遂穿電流，提高態(tài)密度；重空穴帶和輕空穴 帶較大的能量差能減小俄歇復合，提高載流子壽命等，是目前最有可能實 現室溫工作的第三代紅外探測器。
雖然InAs/GaSb超晶格生長在與之相匹配的GaSb襯底上能獲得較少 的缺陷密度，但GaSb襯底有著價格昂貴、無半絕緣襯底、難以與讀出電 路集成等一系列缺點，因而在便宜的GaAs襯底上生長出高質量的GaSb 緩沖層后再生長InAs/GaSb超晶格制作紅外探測器有著廣闊的應用前景。

發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種GaAs基InAs/GaSb超晶 格1至3微米波段紅外光電探測器及其制作方法，以在GaAs襯底上生長 出高質量的GaSb緩沖層，并再生長出InAs/GaSb超晶格，進而制作出暗 電流低，成本低廉的紅外探測器。(二)技術方案 為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是這樣實現的-
一種GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段紅外光電探測器，該 紅外光電探測器由自下而上的GaAs襯底、GaAs緩沖層、AlSb成核層、 GaSb下緩沖層、AlSb/GaSb超晶格層、GaSb上緩沖層、InAs/GaSb超晶 格層、GaSb蓋層和鈦金合金電極構成。
優(yōu)選地，所述GaAs緩沖層的厚度為200nm至500nm，所述AlSb成 核層的厚度為5nm，所述GaSb下緩沖層的厚度為500至1000nm，所述 GaSb上緩沖層的厚度為500至1000nm，所述GaSb蓋層的厚度為20至 200nm，所述鈦金合金電極的厚度為200nm。
優(yōu)選地，所述AlSb/GaSb超晶格層是由交替生長的20至40個周期的 AlSb勢壘層/GaSb勢阱層構成，其中每層AlSb的厚度為5nm， GaSb的厚 度為5腿。
優(yōu)選地，所述InAs/GaSb超晶格層是由交替生長的不少于300個周期 或1微米的InAs層/GaSb層構成，其中每層GaSb的厚度為2.4nm，每層 InAs厚度由探測波長決定。
優(yōu)選地，所述InAs/GaSb超晶格層生長過程中，每周期快門的開關順 序依次為開Sb、開In、同時開In和As、開As、開Sb、同時開Ga和 Sb。
一種制作GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段紅外光電探測器 的方法，該方法包括
將GaAs襯底放在分子束外延設備樣品架上，脫氧，然后將襯底升溫， 在As保護下除氣；
生長GaAs緩沖層；
降低襯底溫度，依次生長AlSb成核層、GaSb下緩沖層、AlSb/GaSb
超晶格層和GaSb上緩沖層；
降低襯底溫度，依次生長InAs/GaSb超晶格層和GaSb蓋層； 制備好的外延片采用標準光刻技術及酒石酸溶液刻蝕，然后濺射鈦金
合金制作電極從而制作成探測器。優(yōu)選地，所述將GaAs襯底放在分子束外延設備樣品架上，脫氧，然 后將襯底升溫，在As保護下除氣的步驟具體包括將半絕緣GaAs襯底 放在分子束外延設備樣品架上，在58(TC脫氧，然后將襯底升至630'C在 As保護下除氣3分鐘。
優(yōu)選地，所述生長GaAs緩沖層的步驟是在580。C溫度下進行。
優(yōu)選地，所述降低襯底溫度，依次生長AlSb成核層、GaSb下緩沖層、 AlSb/GaSb超晶格層和GaSb上緩沖層的步驟，是將襯底溫度降至500°C 。
優(yōu)選地，所述降低襯底溫度，依次生長InAs/GaSb超晶格層和GaSb 蓋層的步驟，是將襯底溫度降至380至42(TC。
(三)有益效果 從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果
1、 利用本發(fā)明，在GaAs襯底上生長出了高質量的GaSb緩沖層，并 在該GaSb緩沖層上生長出了 InAs/GaSb超晶格，進而能夠制作出暗電流 低，成本低廉的紅外探測器。
2、 本發(fā)明提供的這種紅外光電探測器，是基于InAs/GaSb超晶格結 構的特殊性，可對探測器的暗電流顯著抑制而光電流增強，從而實現對探 測器探測率提高。
3、 本發(fā)明提供的這種紅外光電探測器，可通過改變InAs/GaSb超晶 格中InAs層的厚度來制作不同探測波長的紅外探測器。
4、 本發(fā)明提供的這種紅外光電探測器，基于InAs/GaSb超晶格結構 的特殊性，可對探測器的暗電流顯著抑制而光電流增強，從而實現對探測 器探測率的提高。


圖1是本發(fā)明提供的InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器的結構示意
圖2是本發(fā)明提供的制作InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器的方法流 程圖3是InAs/GaSb超晶格每周期的生長過程示意圖；圖4是77K溫度下截止波長為2.2|im、室溫下截止截至波長為2.5pm 的InAs/GaSb紅外探測器的光譜響應圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實 施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
下面以室溫下截止探測波長在2.5pm附近的InAs/GaSb紅外探測器為 例，結合附圖對本發(fā)明的的具體實施方式
作進一步的詳細說明-
如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的InAs/GaSb超晶格紅外光電探測器 的結構示意圖，該紅外光電探測器由自下而上的GaAs襯底、GaAs緩沖層、 AlSb成核層、GaSb下緩沖層、AlSb/GaSb超晶格層、GaSb上緩沖層、 InAs/GaSb超晶格層、GaSb蓋層和鈦金合金電極構成。
上述GaAs緩沖層的厚度為200nm至500nm，所述AlSb成核層的厚 度為5nm，所述GaSb下緩沖層的厚度為500至lOOOnm，所述GaSb上緩 沖層的厚度為500至1000nm，所述GaSb蓋層的厚度為20至200nm，所 述鈦金合金電極的厚度為200nm。
上述AlSb/GaSb超晶格層是由交替生長的20至40個周期的AlSb勢 壘層/GaSb勢阱層構成，其中每層AlSb的厚度為5nm， GaSb的厚度為5nm。
上述InAs/GaSb超晶格層是由交替生長的不少于300個周期或1微米 的lnAs層/GaSb層構成，其中每層GaSb的厚度為2.4nm，每層InAs厚度 由探測波長決定。
上述InAs/GaSb超晶格層生長過程中，每周期快門的開關順序依次為 開Sb、開In、同時開In和As、開As、開Sb、同時開Ga和Sb。
本發(fā)明所述的制作GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段紅外光 電探測器的方法，是用分子束外延技術在GaAs襯底上先生長出高質量的 緩沖層，后制備l至3pm探測波段的InAs/GaSb超晶格外延片，再利用該 外延片制造紅外光電導探測器。首先，采用分子束外延方法在GaAs襯底 (l)上依次生長GaAs緩沖層(2)、 AlSb成核層(3)、 GaSb下緩沖層(4)、 AlSb/GaSb超晶格層(5)、 GaSb上緩沖層(6)、 InAs/GaSb超晶格層(7)、 GaSb蓋層(8)，然后在外延片上制作電極制造成光電探測器。具體地，如圖2所 示，該方法包括以下步驟
步驟1、將半絕緣GaAs襯底放在分子束外延設備樣品架上，在580 "C脫氧，然后將襯底升至63(TC在As保護下除氣3分鐘； 步驟2、在58(TC溫度下生長GaAs緩沖層；
步驟3、將襯底溫度降至500。C依次生長AlSb層、GaSb下緩沖層、 AlSb/GaSb超晶格層、以及GaSb上緩沖層；
步驟4、將襯底溫度降至380至42(TC生長InAs/GaSb超晶格及GaSb 蓋層；
步驟5、制備好的外延片采用標準光刻技術及酒石酸溶液刻蝕，然后 濺射鈦金合金制作電極從而制作成探測器。
所述InAs/GaSb超晶格層(7)由200個周期或1微米交替排列的InAs 層和GaSb層組成。每個周期中InAs層厚度為0.6nm;每個周期中GaSb 層厚度為2.4nm;每個周期的生長方法如圖3所示，先開Sb快門4秒，再 開ln快門2秒，然后同時開In和As快門24秒；此后只開As快門5秒， 再開Sb快門4秒，最后同時開Ga和Sb快門16秒。
InAs的生長速度為0.081ML/s， GaSb的生長速度為0.5ML/s。
圖4示出了 77K溫度下截止波長為2.2pm、室溫下截止截至波長為 2.5jim的InAs/GaSb紅外探測器的光譜響應圖。
以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行 了進一步詳細說明，所應理解的是，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，所做的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1、一種GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段紅外光電探測器，其特征在于，該紅外光電探測器由自下而上的GaAs襯底、GaAs緩沖層、AlSb成核層、GaSb下緩沖層、AlSb/GaSb超晶格層、GaSb上緩沖層、InAs/GaSb超晶格層、GaSb蓋層和鈦金合金電極構成。
2、 根據權利要求1所述的GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段 紅外光電探測器，其特征在于，所述GaAs緩沖層的厚度為200nm至 500nm，所述AlSb成核層的厚度為5nm，所述GaSb下緩沖層的厚度為500 至1000nm，所述GaSb上緩沖層的厚度為500至1000nm，所述GaSb蓋 層的厚度為20至200nm，所述鈦金合金電極的厚度為200nm。
3、 根據權利要求1所述的GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段 紅外光電探測器，其特征在于，所述AlSb/GaSb超晶格層是由交替生長的 20至40個周期的AlSb勢壘層/GaSb勢阱層構成，其中每層AlSb的厚度 為5nm， GaSb的厚度為5nm。
4、 根據權利要求1所述的GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段 紅外光電探測器，其特征在于，所述InAs/GaSb超晶格層是由交替生長的 不少于300個周期或1微米的InAs層/GaSb層構成，其中每層GaSb的厚 度為2.4nm，每層InAs厚度由探測波長決定。
5、 根據權利要求1所述的GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段 紅外光電探測器，其特征在于，所述InAs/GaSb超晶格層生長過程中，每 周期快門的開關順序依次為開Sb、開In、同時開In和As、開As、開 Sb、同時開Ga禾口 Sb。
6、 一種制作GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段紅外光電探測 器的方法，其特征在于，該方法包括將GaAs襯底放在分子束外延設備樣品架上，脫氧，然后將襯底升溫， 在As保護下除氣；生長GaAs緩沖層；降低襯底溫度，依次生長AlSb成核層、GaSb下緩沖層、AlSb/GaSb 超晶格層和GaSb上緩沖層；降低襯底溫度，依次生長InAs/GaSb超晶格層和GaSb蓋層； 制備好的外延片釆用標準光刻技術及酒石酸溶液刻蝕，然后濺射鈦金 合金制作電極從而制作成探測器。
7、 根據權利要求6所述的制作GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米 波段紅外光電探測器的方法，其特征在于，所述將GaAs襯底放在分子束 外延設備樣品架上，脫氧，然后將襯底升溫，在As保護下除氣的步驟具 體包括將半絕緣GaAs襯底放在分子束外延設備樣品架上，在58(TC脫氧， 然后將襯底升至63(TC在As保護下除氣3分鐘。
8、 根據權利要求6所述的制作GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米 波段紅外光電探測器的方法，其特征在于，所述生長GaAs緩沖層的步驟 是在58(TC溫度下進行。
9、 根據權利要求6所述的制作GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米 波段紅外光電探測器的方法，其特征在于，所述降低襯底溫度，依次生長 AlSb成核層、GaSb下緩沖層、AlSb/GaSb超晶格層和GaSb上緩沖層的步 驟，是將襯底溫度降至50(TC。
10、 根據權利要求6所述的制作GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微 米波段紅外光電探測器的方法，其特征在于，所述降低襯底溫度，依次生 長InAs/GaSb超晶格層和GaSb蓋層的步驟，是將襯底溫度降至380至420 °C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段紅外光電探測器，該紅外光電探測器由自下而上的GaAs襯底、GaAs緩沖層、AlSb成核層、GaSb下緩沖層、AlSb/GaSb超晶格層、GaSb上緩沖層、InAs/GaSb超晶格層、GaSb蓋層和鈦金合金電極構成。本發(fā)明同時公開了一種GaAs基InAs/GaSb超晶格1至3微米波段紅外光電探測器的制作方法。利用本發(fā)明，在GaAs襯底上生長出了高質量的GaSb緩沖層，并在該GaSb緩沖層上生長出了InAs/GaSb超晶格，進而能夠制作出暗電流低，成本低廉的紅外探測器。
文檔編號G01J5/00GK101576413SQ20081010627
公開日2009年11月11日 申請日期2008年5月9日 優(yōu)先權日2008年5月9日
發(fā)明者任正偉, 周志強, 徐應強, 寶 湯, 牛智川, 郝瑞亭 申請人:中國科學院半導體研究所