一种超晶格探测器材料的生长方法及超晶格红外探测器与流程

1.本发明属于半导体材料与器件技术领域，具体涉及一种超晶格探测器材料的生长方法及超晶格红外探测器。


背景技术：

2.基于
ⅲ‑ⅴ
族半导体的锑化物基ⅱ类超晶格探测器材料是一种新型的红外探测器材料， 具有宽波段精确可调、量子效率高、大面积均匀性好、工作温度高、制备成本低等优势，能同时满足第三代红外探测器对高探测率、大面阵、多波段、低功耗、低成本等要求，因此是现在国际上公认的第三代高性能红外焦平面优选材料，具有很大的发展潜力。
3.为了有效抑制srh暗电流、隧穿暗电流、表面漏电等，超晶格探测器材料通常需要在吸收区前后插入带隙更宽的势垒层，且通过对吸收区进行弱p型掺杂以提高量子效率，因此完整探测器材料结构一般包含接触层、吸收层、势垒层等功能层。
4.超晶格探测器材料由数百个周期若干纳米厚的超薄层低维结构组成，其大面积生长技术可控性、重复性、均匀性受外延生长条件影响十分显著。现有超晶格探测器材料生长过程中，生长势垒层时需要提前将势垒层生长所需源材料源炉温度升至生长温度并长时间等待，一方面造成原材料浪费，另一方面会导致腔体as压增加、腔体温场波动、生长束流扰动等，从而影响超晶格探测器功能层衔接处界面质量。因此，要提高超晶格器件探测率、良品率和稳定性，必须在超晶格探测器材料的生长过程中保证各功能层衔接处的界面质量。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种超晶格探测器材料的生长方法，可有效防止生长腔温场波动、生长束流扰动和as背景压变化对功能层衔接处界面质量的影响，提高超晶格器件探测率、良品率和稳定性。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超晶格探测器材料的生长方法，包括如下过程：准备衬底，并将衬底在真空生长室进行高温脱氧处理；在衬底上由下至上依次生长若干种超晶格探测器功能层，在任意相邻两种超晶格探测器功能层之间，前一种超晶格探测器功能层生长完成后暂停生长，利用v族元素浸润处理超晶格表面，同时将后一种超晶格探测器功能层生长所需源材料源炉温度升至生长温度并达到稳定状态后，再完成后一种超晶格探测器功能层的生长。
7.进一步的，所述衬底采用gasb、gaas、inas、inp中任一种
ⅲ‑ⅴ
族半导体材料。
8.进一步的，所述衬底上生长的超晶格探测器功能层有七种，由下至上依次为缓冲层、下接触层、电子势垒层、吸收层、空穴势垒层、上接触层和盖层。
9.进一步的，所述衬底上的超晶格探测器功能层采用分子束外延生长方法实现。
10.进一步的，所述缓冲层的材料采用inas、inp、gaas、gasb或inassb中任意一种；所述下接触层的材料采用gasb、inassb、inas/gasb中任意一种；所述电子势垒层的材料采用
inas/gasb、alassb或algasb中任意一种；所述吸收层的材料采用insb、inassb、inas/gasb、inas/gaassb、inas/gainsb或inas/inassb中任意一种；所述空穴势垒层的材料采用inas/alsb、inas/gainsb/inas/gaalsb、inas/gasb/alsb/gasb、inas/gasb或inas/gasb渐变至inas/alsb中任意一种；所述上接触层的材料采用inas/gasb、inas/alsb、inassb或inas/inassb中任意一种；所述盖层的材料采用inas、inp、gaas或gasb中任意一种。
11.进一步的，在衬底上依次完成缓冲层、下接触层、电子势垒层、吸收层的生长后，暂停生长，利用v族元素浸润处理超晶格表面，等待空穴势垒层生长所需源材料源炉温度升至生长温度并达到稳定状态，再依次完成空穴势垒层、上接触层、盖层生长。
12.进一步的，所述吸收层的材料为inas/gasb，所述空穴势垒层的材料为inas/alsb；吸收层生长完成后，暂停生长并利用sb元素浸润保护超晶格探测器材料表面。
13.进一步的，所述真空生长室的本底真空度高于1
×
10
ꢀ‑
9 torr。
14.另外，本发明还提供了一种超晶格红外探测器，其由采用上述生长方法制得的超晶格探测器材料制成。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果：(1)本发明提供的这种超晶格探测器材料的生长方法在两种不同超晶格探测器功能层生长之间插入一个生长停顿，等待升温稳定，同时在生长停顿过程中利用v族元素保护超晶格探测器材料表面不被氧化，可以有效减小背景as压波动，减少各超晶格探测器功能层之间as、sb元素互混，提高超晶格探测器功能层衔接处界面质量。
16.(2)本发明提供的这种超晶格探测器材料的生长方法可以有效控制超晶格生长过程中材料表面温度均匀性和稳定性，提高超晶格探测器材料大面积均匀性和晶体质量稳定性。
17.(3)本发明提供的这种超晶格探测器材料的生长方法可以有效减小升温过程中生长束流扰动，提高超晶格探测器材料组分均匀性。
18.(4)本发明提供的这种超晶格探测器材料的生长方法可以提高源材料利用率，降低材料成本，增加经济效益。
19.以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
20.图1是本发明超晶格探测器材料结构示意图；图2是本发明实施例中本发明与传统方法生长获得的超晶格探测器材料表面形貌对比图；其中，(a)表示传统方法生长获得的超晶格探测器材料表面形貌，(b)表示本发明方法生长获得的超晶格探测器材料表面形貌。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
22.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。
23.如图1所示，本实施例提供了一种超晶格探测器材料的生长方法，具体包括如下过程：首先，准备衬底，并将衬底在真空生长室进行高温脱氧处理；其中，衬底可采用gasb、gaas、inas、inp等，但并不限于此列举的
ⅲ‑ⅴ
族半导体材料；在衬底高温脱氧及后续超晶格探测器功能层生长过程中，控制真空生长室的本底真空度高于1
×
10
ꢀ‑
9 torr，对于衬底的高温脱氧处理过程为现有技术，其具体操作过程此处不再赘述。
24.然后，在衬底上由下至上依次生长若干种不同超晶格探测器功能层，在任意相邻两种超晶格探测器功能层之间，前一种超晶格探测器功能层生长完成后暂停生长，利用v族元素浸润处理超晶格表面，以保护超晶格探测器材料表面不被氧化，同时将后一种超晶格探测器功能层生长所需源材料源炉温度升至生长温度并达到稳定状态后，再完成后一种超晶格探测器功能层的生长。
25.一种具体的实施方式，衬底上的超晶格探测器功能层设计为七种，由下至上依次为缓冲层、下接触层、电子势垒层、吸收层、空穴势垒层、上接触层和盖层。其中，各超晶格探测器功能层材料可根据实际需求进行选择；具体的，所述缓冲层的材料采用inas、inp、gaas、gasb或inassb中任意一种；所述下接触层的材料采用gasb、inassb、inas/gasb中任意一种；所述电子势垒层的材料采用inas/gasb、alassb或algasb中任意一种；所述吸收层的材料采用insb、inassb、inas/gasb、inas/gaassb、inas/gainsb或inas/inassb中任意一种；所述空穴势垒层的材料采用inas/alsb、inas/gainsb/inas/gaalsb、inas/gasb/alsb/gasb、inas/gasb或inas/gasb渐变至inas/alsb中任意一种；所述上接触层的材料采用inas/gasb、inas/alsb、inassb或inas/inassb中任意一种；所述盖层的材料采用inas、inp、gaas或gasb中任意一种；当然，上述各超晶格探测器功能层材料的选择并不限于此。上述衬底上的超晶格探测器功能层的生长均采用分子束外延生长方法实现，而分子束外延生长方法为现有技术，其具体过程此处不再赘述。
26.对于暂停生长工序设计的位置可根据实际需求进行设定，由于生长势垒层时需要提前将势垒层生长所需源材料源炉温度升至生长温度并长时间等待，会导致腔体as压增加、腔体温场波动、生长束流扰动等，从而影响超晶格探测器功能层衔接处界面质量，因此，本实施例可将暂停生长工序设置于吸收层生长完成后，空穴势垒层生长前，具体的，在衬底上依次完成缓冲层、下接触层、电子势垒层、吸收层的生长后，暂停生长，利用v族元素浸润处理超晶格表面，等待空穴势垒层生长所需源材料源炉温度升至生长温度并达到稳定状态，再依次完成空穴势垒层、上接触层、盖层生长。
27.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
28.本实施例选择生长pbπbn结构的长波超晶格探测器材料以展示应用本发明后的材料生长结果，其具体过程包括如下步骤：步骤一：gasb衬底在本底真空度为5
×
10-10
torr的高真空腔室中高温脱氧后，采用
分子束外延方法依次完成超晶格探测器材料gasb缓冲层、下接触层、电子势垒层和inas/gasb吸收层的生长。
29.步骤二：暂停生长并利用sb元素浸润的方法保护超晶格探测器材料表面，等待al、si源炉温度升至生长温度并达到稳定状态。
30.步骤三：待高真空腔室真空度及源炉温度稳定之后，再依次完成inas/alsb空穴势垒层、上接触层和inas盖层的生长。
31.作为对比例，另取gasb衬底生长同样结构的长波超晶格探测器材料，重复执行上述步骤，不同之处仅在于：在步骤一、二中采用al、si源炉提前升温，在inas/gasb吸收层生长结束后立刻生长inas/alsb空穴势垒层，同时在inas/gasb吸收层与inas/alsb空穴势垒层的界面衔接处没有暂停生长并利用sb浸润保护超晶格探测器材料表面，等待al、si源炉升温至稳定状态的过程。
32.本实施例和对比例各生长了4微米厚的相同结构的长波超晶格探测器材料，其表面形貌如图2所示。由图2可知，测得对比例样品表面粗糙度为0.593nm，表面局部已经呈岛状生长模式，而本实施例样品表面粗糙度仅为0.124nm，表面一直呈现清晰的二维层状生长模式。
33.综上所述，本发明提供的这种超晶格探测器材料的生长方法在两种不同超晶格探测器功能层生长之间插入一个生长停顿，等待升温稳定，同时在生长停顿过程中利用v族元素保护超晶格探测器材料表面不被氧化，可以有效减小背景as压波动，减少各超晶格探测器功能层之间as、sb元素互混，提高超晶格探测器功能层衔接处界面质量，并可以有效控制超晶格生长过程中材料表面温度均匀性和稳定性，提高超晶格探测器材料大面积均匀性和晶体质量稳定性，而且可以有效减小升温过程中生长束流扰动，提高超晶格探测器材料组分均匀性；还可以提高源材料利用率，降低材料成本，增加经济效益。
34.另外，将采用本发明提供的超晶格探测器材料的生长方法得到的超晶格探测器材料按超晶格红外探测器的工艺进行加工，最终得到一种高性能的超晶格红外探测器。
35.以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。