專利名稱:GaAs基InAs/GaSb超晶格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3至5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,目前最常用的硅摻雜探測器、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InAs/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(zhì)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(xiàn)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(zhì)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(nèi)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3至5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(zhì)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(xiàn)的
一種GaAs基InAs/GaSb超晶格3至5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0.5至1.0jmi,所 述GaSb上緩沖層的厚度為0.5至l.Opm,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5nm。
優(yōu)選地,所述InAs/GaSb超晶格層是由交替生長的不少于200個 周期的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3至5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 63(TC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58(TC溫度下迸行。 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420。C。
(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(zhì)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(xiàn)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In.As層的厚度來制作不同探測波長的紅外探測器。
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發(fā) 放流程圖3是InAs/GaSb超晶格每周期的生長過程示意6圖4是截止波長為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。
下面以截止探測波長在5,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0.5至l.Opm,所述GaSb 上緩沖層的厚度為0.5至l.(Him,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5nmo
上述InAs/GaSb超晶格層是由交替生長的不少于200個周期的 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。
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InAs/GaSb紅外探測器的制備方法,是用分子束外 延技術在GaAs襯底上先生長出高質(zhì)量的緩沖層,后制備3至5pm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K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580。C溫度下生長GaAs緩沖層;
步驟3、將襯底溫度降至50(TC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個周期交替排列的InAs層和 GaSb層組成。
每個周期中InAs層厚度為2.4nm;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In 快門3秒,然后同時開In和As快門98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示出了截止波長為5pm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(nèi), 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(nèi)。
權利要求
1、一種GaAs基InAs/GaSb超晶格3至5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(jù)權利要求1所述的GaAs基InAs/GaSb超晶格3至5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0.5至l.Opm,所述GaSb上緩沖層的厚度為0.5至l.Opm,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(jù)權利要求1所述的GaAs基InAs/GaSb超晶格3至5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(jù)權利要求1所述的GaAs基InAs/GaSb超晶格3至5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200個周期的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(jù)權利要求1所述的GaAs基InAs/GaSb超晶格3至5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和Sb。
6、 一種制作GaAs基InAs/GaSb超晶格3至5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。
7、 根據(jù)權利要求6所述的制作GaAs基InAs/GaSb超晶格3至5 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630。C在As保護下除氣3分鐘。
8、 根據(jù)權利要求6所述的制作GaAs基InAs/GaSb超晶格3至5 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(jù)權利要求6所述的制作GaAs基InAs/GaSb超晶格3至5 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(jù)權利要求6所述的制作GaAs基InAs/GaSb超晶格3至5 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3至5微米波段紅外光電探測器及其制作方法。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。利用本發(fā)明,在GaAs襯底上生長出了高質(zhì)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H01L31/18GK101562210SQ20081010424
公開日2009年10月21日 申請日期2008年4月16日 優(yōu)先權日2008年4月16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