一種長波銦砷銻材料及其生長方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種長波銦砷銻材料，所述長波銦砷銻(InAs1-xSbx)材料的組份x滿足以下條件：0.60≤x≤0.90，截止波長達到11～12.5μm。外延層的厚度為40～200μm，這個厚度有效地抑制了外延層與二元化合物襯底之間晶格失配的影響，使外延層中的位錯密度比用常規(guī)技術(shù)生長的降低了3個數(shù)量級(達到104cm-2量級)，明顯改善了材料的晶體質(zhì)量和結(jié)構(gòu)完整性。本發(fā)明還同時提供了該長波銦砷銻材料的生長過程。這種材料具有體單晶的性質(zhì)，并且InAsSb的室溫俄歇復合系數(shù)較低，因此適合制作室溫工作的紅外光子探測器。
【專利說明】一種長波銦砷銻材料及其生長方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體材料領域，具體是一種長波銦砷銻材料及其生長方法，這種材料可以用于研制紅外光子探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]II1-V族化合物半導體是制作光電器件的重要材料，具有相對成熟的材料制備和器件工藝技術(shù)。銦砷銻(InAsSb)三元合金在常規(guī)的II1-V族化合物中具有最小的禁帶寬度(0.1eV)，其截止波長能達到8-12 iim。8-12 y m波段是一個重要的紅外大氣窗口，工作在這一波段的紅外探測器在紅外制導、遙感、夜視、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)探傷等方面有著廣闊的應用前景。因此，生長這一波段的紅外材料，研制紅外探測器無論在民用上還是在軍用上都有著十分重要的意義。但是，由于長波InAsSb外延層與二元化合物襯底之間的晶格失配度較大(例如與InAs襯底之間的晶格失配度> 6%，與GaAs襯底之間的晶格失配度>14%),因此用常規(guī)技術(shù)很難生長出截止波長8 u m以上的高質(zhì)量的InAsSb單晶材料。
[0003]近年來，國外用分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE)、金屬有機化學氣相淀積(metalorgan ic chemical vapor deposition, MOCVD)及液相外延(liquid phaseepitaxy, LPE)技術(shù)生長出了截止波長8 ii m以上的InAsSb外延層，外延層的厚度均小于10 u m。由于這些薄的外延層嚴重地受到大的晶格失配的影響，導致在這些薄膜中觀察到的位錯密度高達IO7CnT2量級，嚴重地影響了探測器的最終性能。用熔體外延(melt epitaxy,ME)技術(shù)制備的InAshSbx厚膜，外延層的厚度可以達到100 y m,但是由于材料的組份X≥0.95,導致InAsatl5Sba95材料的截止波長< lliim。目前還沒有一種位錯密度低、制備工藝成熟、截止波長達到12.5 ii m的長波銦砷銻材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明正是針對以上技術(shù)，提供一種位錯密度低、制備工藝成熟、截止波長覆蓋8-12 ii m波段的長波銦砷鋪材料及其生長方法。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為:
[0006]一種長波銦砷銻材料，按以下化學式組成:InASl_xSbx，其特征在于組份X滿足以下條件:0.60 ≤ X ≤ 0.90，外延層的厚度為40-200 iim。
[0007]按以上材料組份生長的銦砷銻材料，截止波長達到Ilum以上。InAsSb的室溫俄歇復合系數(shù)較低，因此在研制室溫工作的紅外光子探測器方面很有優(yōu)勢；而且其共價鍵結(jié)合力較強，因此具有較好的機械強度和化學穩(wěn)定性。
[0008]本發(fā)明還提供一種制備上述長波銦砷銻材料的專用滑動舟，包括底板、滑塊、推桿、原料井、空井、井蓋、襯底槽，其特征在于原料井、空井設置在滑塊前部，原料井、空井為貫通的中空結(jié)構(gòu)，滑塊的尾部為平底的壓塊，原料井、空井上設置井蓋，滑塊后端連接推桿，滑塊放置在底板上并可以在底板上移動，底板上設置有襯底槽，滑塊尾部的壓塊與底板接觸部分大于襯底槽橫截面。[0009]本發(fā)明還提供前述長波銦砷銻材料的生長方法，主要包括以下步驟:
[0010]一、生長準備，把滑塊放置在底板上，打開原料井的井蓋，然后將InASl_xSbx的原料放入原料井中，將襯底(基板)放入底板上的襯底槽內(nèi)，把空井放置在襯底槽的上方；
[0011]二、原料溶化，將滑動舟放入液相外延系統(tǒng)，在680°C下停留I小時，使InAShSbx的原料溶化成生長熔液，然后，使系統(tǒng)的溫度以1°C /分鐘的降溫速率下降至生長溫度510。。；
[0012]三、充填，通過推桿推動滑塊，使原料井位于襯底槽上方,使InASl_xSbx的生長熔液與襯底接觸，再通過推桿推動滑塊，使原料井中的InASl_xSbx生長熔液殘留部分在襯底的表面，并使原料井與襯底槽錯開，滑塊尾部的壓塊完全蓋住襯底槽；
[0013]四、熔體外延生長，以0.5°C /分鐘的降溫速率降溫10°C，使襯底上殘留的InASl_xSbx生長熔液在滑塊尾部的壓塊下降溫結(jié)晶，即可生長出長波銦砷銻材料。
[0014]在上述長波銦砷銻材料的生長方法中，襯底材料為砷化銦(InAs)、砷化鎵(GaAs)、銻化鎵(GaSb)、磷化銦(InP)中的一種。
[0015]由于InASl_xSbx生長熔液的結(jié)晶過程在滑塊后端的壓制下進行，因此抑制了熔液的自由膨脹，外延層的厚度取決于襯底材料的厚度與襯底槽的深度之差，外延層的厚度可以達到40?200 Pm。經(jīng)掃描電子顯微鏡(SEM，S-4700)檢測，本發(fā)明所述方法生長的InASl_xSbx外延層的厚度達到235 iim，此厚度足以消除外延層與襯底之間晶格失配的影響，使外延層中的位錯密度(IO4CnT2量級)明顯低于用常規(guī)技術(shù)生長的InASl_xSbx材料的位錯密度(IO7?IOW2量級)。
[0016]用傅里葉變換紅外儀(FTIR，Nicolet Nexus670)測量的InAs1Jbx材料的透射光譜，見圖2。本發(fā)明的組份X = 0.90時(曲線a),截止波長達到12.5 ii m。而過去的組份x=0.95時(曲線b),截止波長僅為10.5 u m,無法達到前述的截止波長指標。
[0017]用范德華法(Van der Pauw)測量了 InAShSbx外延層的電學性質(zhì),在電學測量之前，通過磨、拋，徹底去除了 InAs襯底。測量出外延層的室溫電子遷移率>5X IO4Cm2 /Vs,由于室溫下載流子的輸運主要受晶格散射支配，因此較高的電子遷移率指示材料具有較好的晶格完整性，這可能得益于外延層的厚度達到200 ym，此厚度降低了外延層中的位錯密度，改善了材料的晶體質(zhì)量。而不用本發(fā)明，InASl_xSbx外延層的室溫電子遷移率<4X IO4Cm2 / Vs，無法達到前述的電學指標。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]附圖中，圖1是本發(fā)明專用生產(chǎn)設備滑動舟的示意圖，其中:
[0019]1-底板，2-滑塊，3-推桿，4-原料井，5-空井，6-井蓋，7_襯底槽。
[0020]圖2是本發(fā)明的InAsaitlSba9tl (a)及InAsatl5Sba95 (b)材料的傅里葉變換紅外透射光譜，其中，橫軸為紅外透射光波長，單位為微米，縱軸為透過率。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0022]實施例1:
[0023]一、生產(chǎn)準備，通過推桿3移動滑動舟的滑塊2，使滑動舟的空井5與襯底槽7對齊，打開原料井4的井蓋6，然后將InAsa35Sba65生產(chǎn)原料放入滑動舟的原料井4中，將將襯底(基板)放入底板I上的襯底槽7內(nèi)；
[0024]二、原料溶化，將滑動舟放入液相外延系統(tǒng)，在680 °C下停留I小時，使InAsa35Sba65的原料溶化成生長熔液，然后，使系統(tǒng)的溫度以1°C /分的降溫速率下降至生長溫度510°C ;
[0025]三、充填，通過推桿3推動滑塊2，使原料井4位于襯底槽7上方，使InAsa 35SbQ 65的生長熔液與襯底接觸，再通過推桿3推動滑塊2，使原料井4中的生長熔液殘留部分在襯底的表面，并使原料井4與襯底槽7錯開，滑塊2尾部的壓塊完全蓋住襯底槽7 ；
[0026]四、熔體外延生長，以0.50C /分鐘的降溫速率降溫10°C，使襯底槽7上殘留的InAsa35Sba65生長熔液在滑塊2尾部的壓塊下降溫結(jié)晶，即可生長出長波銦砷銻材料。
[0027]實施例2
[0028]一、生產(chǎn)準備，通過推桿3移動滑動舟的滑塊2，使滑動舟的空井5與襯底槽7對齊，打開原料井4的井蓋6，然后將InAsaitlSba9tl生產(chǎn)原料放入滑動舟的原料井4中，將將襯底(基板)放入底板I上的襯底槽7內(nèi)；
[0029]二、原料溶化，將滑動舟放入液相外延系統(tǒng)，在680 °C下停留I小時，使InAsaitlSba9tl的原料溶化成生長熔液，然后，使系統(tǒng)的溫度以1°C /分的降溫速率下降至生長溫度510°C ; [0030]三、充填，通過推桿3推動滑塊2，使原料井4位于襯底槽7上方，使InAsa lSbtl 9tl的生長熔液與襯底接觸，再通過推桿3推動滑塊2，使原料井4中的生長熔液殘留部分在襯底的表面，并使原料井4與襯底槽7錯開，滑塊2尾部的壓塊完全蓋住襯底槽7 ；
[0031]四、熔體外延生長，以0.50C /分鐘的降溫速率降溫10°C，使襯底槽7上殘留的InAsaitlSba9tl生長熔液在滑塊2尾部的壓塊下降溫結(jié)晶，即可生長出長波銦砷銻材料。
【權(quán)利要求】
1.一種長波銦砷銻材料，按以下化學式組成:InASl_xSbx，其特征在于組份X滿足以下條件:0.60 ≤X ≤0.90，外延層的厚度為40?200 iim。
2.一種制備上述長波銦砷銻材料的專用滑動舟，包括底板、滑塊、推桿、原料井、空井、井蓋、襯底槽，其特征在于原料井、空井設置在滑塊前部，原料井、空井為貫通的中空結(jié)構(gòu)，滑塊的尾部為平底的壓塊，原料井、空井上設置井蓋，滑塊后端連接推桿，滑塊放置在底板上并可以在底板上移動，底板上設置有襯底槽，滑塊尾部的壓塊與底板接觸部分大于襯底槽橫截面。
3.一種長波銦砷銻材料的生長方法，主要包括以下步驟: 一、生長準備，把滑塊放置在底板上，打開原料井的井蓋，然后將InASl_xSbx的原料放入原料井中，將襯底(基板)放入底板上的襯底槽內(nèi)，把空井放置在襯底槽的上方； 二、原料溶化，將滑動舟放入液相外延系統(tǒng)，在680°C下停留I小時，使InASl_xSbx的原料溶化成生長熔液，然后，使系統(tǒng)的溫度以1°C /分鐘的降溫速率下降至生長溫度510°C ； 三、充填，通過推桿推動滑塊，使原料井位于襯底槽上方，使InASl_xSbx的生長熔液與襯底接觸，再通過推桿推動滑塊，使原料井中的InASl_xSbx生長熔液殘留部分在襯底的表面，并使原料井與襯底槽錯開，滑塊尾部的壓塊完全蓋住襯底槽； 四、熔體外延生長，以0.5°C /分鐘的降溫速率降溫10°C，使襯底上殘留的長熔液在滑塊尾部的壓塊下降溫結(jié)晶，即可生長出長波銦砷銻材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求 3所述一種長波銦砷銻材料的生長方法，其特征在于所述襯底材料為砷化銦(InAs)、砷化鎵(GaAs)、銻化鎵(GaSb)、磷化銦(InP)中的一種。
5.一種長波銦砷銻材料的后處理過程，其特征在于生長后的銦砷銻樣品通過使用三氧化二鋁(Al2O3)粉末研磨、拋光，即可獲得具有鏡面光滑、平整的表面的長波銦砷銻材料。
【文檔編號】C30B29/52GK103436964SQ201310397546
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月4日
【發(fā)明者】高玉竹 申請人:高玉竹