[发明专利]基于砷阀开关的II类超晶格结构及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种II类超晶格材料，特别涉及一种基于砷阀开关的II类超晶格结构及制备方法，它应用于中、长波红外焦平面探测器。

背景技术

生长在GaSb衬底上的InAs/GaSb II类超晶格是第三代红外焦平面探测器的优选材料，近年来，美国、德国、日本等国都在大力发展基于该II类超晶格的红外探测技术。InAs/GaSb异质材料体系具有十分特殊的能带排列结构，InAs禁带宽度小于InAs/GaSb的价带偏移，因此InAs的导带底在GaSb的价带顶之下，构成II类超晶格。这就导致（1）电子和空穴在空间上是分离的，电子限制在InAs层中，而空穴限制在GaSb层中，其有效禁带宽度为电子微带至重空穴微带的能量差；（2）改变超晶格周期，可有效地调节InAs/GaSb超晶格的有效禁带宽度。InAs/GaSb II类超晶格的优势还在于能吸收正入射光，具有高的量子效率，低的俄歇复合和漏电流，易于实现高的工作温度。此外，成熟的III-V族化合物的分子束外延生长技术为高性能II类超晶格的制备提供了技术支持，采用分子束外延技术制备超晶格可使得超晶格中各膜层材料的生长速率和组分高度可控。

目前InAs/GaSb II类超晶格结构主要包含GaSb层、InAs-on-GaSb界面层、InAs层和GaSb-on-InAs界面层。其中As源和Sb源分别是由As带阀的裂解炉和Sb带阀的裂解炉提供的。生长过程中，除InAs层外，As阀一直处于关闭状态以防As有少量流出而引入一些与As相关的缺陷，降低材料的纯度。但膜层纯度的提高也会给生长带来了一些困难，如（1）GaSb层的生长温度较高，一般在500℃以上，InAs层的生长温度一般在450℃左右，而界面InSb层的生长温度较低，一般在390℃以下，因此要生长一个完整的超晶格，就要兼顾GaSb层、InAs层和界面InSb层的生长温度，给高质量超晶格的制备造成了困难；（2）由于InAs与衬底GaSb之间存在着0.6％的晶格失配，故需要晶格常数比GaSb大的InSb界面层进行应变补偿，而InSb与GaSb之间的晶格失配高达6.3％，因此要生长厚的InSb界面层必会引起更多的缺陷和位错，从而降低材料的质量；（3）由于InAs和GaSb之间没有共同原子，故其界面处的互扩散现象比较严重；（4）Sb的蒸气压较低、迁移率较小，易于形成团簇，而Sb晶格空位又容易被Ga占据，形成双受主Ga反位（Ga_Sb）缺陷；（5）在超晶格的生长过程中，As阀时开时关会造成As压不稳定，致使超晶格材料组分不均匀，质量下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于砷阀开关的II类超晶格结构及制备方法，解决目前存在以下技术问题：

1.GaSb层生长温度高而界面InSb层生长温度低的问题；

2.生长厚InSb界面层会引起较多缺陷和位错的问题；

3.各膜层界面处互扩散现象严重的技术问题；

4.As阀时开时关会造成As压不稳定，致使超晶格材料组分不均匀的问题。

如附图1所示，本发明的II类超晶格结构为：由衬底自下而上依次为GaAs_xSb_1-x层（1）、InAs_y1Sb_1-y1层（2）、InAs层（3）和InAs_y2Sb_1-y2层（4）。其中：

所述的GaAs_xSb_1-x层（1）的厚度为1.2nm-3.6nm，组分x为0.01-0.03；

所述的InAs_y1Sb_1-y1层（2）的厚度为0.15nm-0.25nm，组分y1为0.01-0.3；

所述的InAs层（3）的厚度为2.4nm-4.8nm；

所述的InAs_y2Sb_1-y2层（4）的厚度为0.15nm-0.25nm，组分y2为0.5-0.99。

具体制备方法步骤如下：

1）将GaSb衬底升温至560℃去除其表面的氧化层；

2）将GaSb衬底降温至400℃至II类超晶格生长温度；

3）将As阀和Sb阀开至II类超晶格生长所用阀位；