專利名稱：GaAs基InAs/GaSb超晶格紅外光電探測(cè)器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)中紅外光電探測(cè)器領(lǐng)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(cè)器及其制作方 法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，以軍用為核心的紅外探測(cè)器逐漸發(fā)展起來(lái)， 目前在戰(zhàn)略預(yù)警、戰(zhàn)術(shù)報(bào)警、夜視、制導(dǎo)、通訊、氣象、地球資源探 測(cè)、工業(yè)探傷、醫(yī)學(xué)、光譜、測(cè)溫、大氣監(jiān)測(cè)等軍用和民用領(lǐng)域都有 廣泛的應(yīng)用。
但是，目前最常用的硅摻雜探測(cè)器、InSb、 QWIP、 MCT等紅外 探測(cè)器，都要求在低溫下工作，需要專門的制冷設(shè)備，造價(jià)昂貴，因 而應(yīng)用受到限制。而InAs/GaSb紅外探測(cè)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(fù)合，提高載流子壽命 等，是目前最有可能實(shí)現(xiàn)室溫工作的第三代紅外探測(cè)器。
雖然InAs/GaSb超晶格生長(zhǎng)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(jià)格昂貴、無(wú)半絕緣襯底、難以與讀 出電路集成等一系列缺點(diǎn)，因而在便宜的GaAs襯底上生長(zhǎng)出高質(zhì)量的 GaSb緩沖層后再生長(zhǎng)InAs/GaSb超晶格制作紅外探測(cè)器有著廣闊的應(yīng) 用前景。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)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(cè)器及其制作方法，以在GaAs襯底上生長(zhǎng)出高質(zhì)量的GaSb緩沖層，并再生長(zhǎng)出InAs/GaSb超晶格，進(jìn)而 制作出暗電流低，成本低廉的紅外探測(cè)器。
(二)技術(shù)方案
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)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(cè)器， 該紅外光電探測(cè)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(gòu)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(zhǎng)的20至40個(gè)周 期的AlSb勢(shì)壘層/GaSb勢(shì)阱層構(gòu)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(zhǎng)的不少于200個(gè) 周期的InAs層/GaSb層構(gòu)成，其中每層GaSb的厚度為2.4nm，每層InAs 厚度由探測(cè)波長(zhǎng)決定。
優(yōu)選地，所述InAs/GaSb超晶格層生長(zhǎng)過(guò)程中，每周期快門的開 關(guān)順序依次為開Sb、開In、同時(shí)開In和As、開As、開Sb、同時(shí)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(cè) 器的方法，該方法包括
將GaAs襯底放在分子束外延設(shè)備樣品架上，脫氧，然后將襯底升 溫，在As保護(hù)下除氣；
生長(zhǎng)GaAs緩沖層；
降低襯底溫度，依次生長(zhǎng)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(zhǎng)InAs/GaSb超晶格層和GaSb蓋層；制備好的外延片采用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)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(cè)器。
優(yōu)選地，所述將GaAs襯底放在分子束外延設(shè)備樣品架上，脫氧， 然后將襯底升溫，在As保護(hù)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(shè)備樣品架上，在58(TC脫氧，然后將襯底升至 63(TC在As保護(hù)下除氣3分鐘。
優(yōu)選地，所述生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shù)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(zhǎng)出了高質(zhì)量的GaSb緩沖層， 并在該GaSb緩沖層上生長(zhǎng)出了 InAs/GaSb超晶格，進(jìn)而能夠制作出暗 電流低，成本低廉的紅外探測(cè)器。
2、 本發(fā)明提供的這種紅外光電探測(cè)器，是基于InAs/GaSb超晶格 結(jié)構(gòu)的特殊性，可對(duì)探測(cè)器的暗電流顯著抑制而光電流增強(qiáng)，從而實(shí) 現(xiàn)對(duì)探測(cè)器探測(cè)率提高。
3、 本發(fā)明提供的這種紅外光電探測(cè)器，可通過(guò)改變InAs/GaSb超 晶格中In.As層的厚度來(lái)制作不同探測(cè)波長(zhǎng)的紅外探測(cè)器。


圖1是本發(fā)明提供的InAs/GaSb超晶格紅外光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)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(cè)器的發(fā) 放流程圖3是InAs/GaSb超晶格每周期的生長(zhǎng)過(guò)程示意6圖4是截止波長(zhǎng)為5pm的InAs/GaSb紅外探測(cè)器的光譜響應(yīng)圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具 體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
下面以截止探測(cè)波長(zhǎng)在5,附近的InAs/GaSb紅外探測(cè)器為例， 結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)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(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖，該紅外光電探測(cè)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(gòu)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(zhǎng)的20至40個(gè)周期的AlSb 勢(shì)壘層/GaSb勢(shì)阱層構(gòu)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(zhǎng)的不少于200個(gè)周期的 InAs層/GaSb層構(gòu)成，其中每層GaSb的厚度為2.4nm，每層InAs厚 度由探測(cè)波長(zhǎng)決定。
上述InAs/GaSb超晶格層生長(zhǎng)過(guò)程中，每周期快門的開關(guān)順序依 次為開Sb、開In、同時(shí)開In和As、開As、開Sb、同時(shí)開Ga和Sb。
本發(fā)明所述的InAs/GaSb紅外探測(cè)器的制備方法，是用分子束外 延技術(shù)在GaAs襯底上先生長(zhǎng)出高質(zhì)量的緩沖層，后制備3至5pm探 測(cè)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(dǎo) 探測(cè)器。首先，采用分子束外延方法在GaAs襯底(l)上依次生長(zhǎng)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(cè)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(shè)備樣品架上，在580 。C脫氧，然后將襯底升至63(TC在As保護(hù)下除氣3分鐘； 步驟2、在580。C溫度下生長(zhǎng)GaAs緩沖層；
步驟3、將襯底溫度降至50(TC依次生長(zhǎng)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(zhǎng)InAs/GaSb超晶格及 GaSb蓋層；
步驟5、制備好的外延片采用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)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(cè)器。
所述InAs/GaSb超晶格層(7)由200個(gè)周期交替排列的InAs層和 GaSb層組成。
每個(gè)周期中InAs層厚度為2.4nm;每個(gè)周期中GaSb層厚度為 2.4nm;每個(gè)周期的生長(zhǎng)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(shí)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(shí)開Ga和Sb快門16秒。
InAs的生長(zhǎng)速度為0.081ML/s， GaSb的生長(zhǎng)速度為0.5ML/s。
圖4示出了截止波長(zhǎng)為5pm的InAs/GaSb紅外探測(cè)器的光譜響應(yīng)圖。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果 進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體 實(shí)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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍 之內(nèi)。
權(quán)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(cè)器，其特征在于，該紅外光電探測(cè)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(gòu)成。
2、 根據(jù)權(quán)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(cè)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(quán)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(cè)器，其特征在于，所述AlSb/GaSb超晶格層是由交 替生長(zhǎng)的20至40個(gè)周期的AlSb勢(shì)壘層/GaSb勢(shì)阱層構(gòu)成，其中每層 AlSb的厚度為5nm， GaSb的厚度為5nm。
4、 根據(jù)權(quán)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(cè)器，其特征在于，所述InAs/GaSb超晶格層是由交 替生長(zhǎng)的不少于200個(gè)周期的InAs層/GaSb層構(gòu)成，其中每層GaSb 的厚度為2.4nm，每層InAs厚度由探測(cè)波長(zhǎng)決定。
5、 根據(jù)權(quán)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(cè)器，其特征在于，所述InAs/GaSb超晶格層生長(zhǎng)過(guò) 程中，每周期快門的開關(guān)順序依次為開Sb、開In、同時(shí)開In和As、 開As、開Sb、同時(shí)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(cè)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(shè)備樣品架上，脫氧，然后將襯底升 溫，在As保護(hù)下除氣； 生長(zhǎng)GaAs緩沖層；降低襯底溫度，依次生長(zhǎng)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(zhǎng)InAs/GaSb超晶格層和GaSb蓋層； 制備好的外延片采用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)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(cè)器。
7、 根據(jù)權(quán)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(cè)器的方法，其特征在于，所述將GaAs襯底放在 分子束外延設(shè)備樣品架上，脫氧，然后將襯底升溫，在As保護(hù)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(shè)備樣品架上，在58(TC脫氧， 然后將襯底升至630。C在As保護(hù)下除氣3分鐘。
8、 根據(jù)權(quán)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(cè)器的方法，其特征在于，所述生長(zhǎng)GaAs緩沖層 的步驟是在58(TC溫度下進(jìn)行。
9、 根據(jù)權(quán)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(cè)器的方法，其特征在于，所述降低襯底溫度， 依次生長(zhǎng)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(quán)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(cè)器的方法，其特征在于，所述降低襯底溫度， 依次生長(zhǎng)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(cè)器及其制作方法。該紅外光電探測(cè)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(gòu)成。利用本發(fā)明，在GaAs襯底上生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的GaSb緩沖層，并在該GaSb緩沖層上生長(zhǎng)出了InAs/GaSb超晶格，進(jìn)而能夠制作出暗電流低，成本低廉的紅外探測(cè)器。
文檔編號(hào)H01L31/18GK101562210SQ20081010424
公開日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2008年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月16日
發(fā)明者任正偉, 周志強(qiáng), 徐應(yīng)強(qiáng), 寶 湯, 牛智川, 郝瑞亭 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所