在硅衬底上变温生长InAs/GaSb超晶格红外探测器GaSb缓冲层的方法

技术领域

本发明属于半导体材料与器件技术领域，涉及一种GaSb缓冲层的生长方法，特别涉及一种在硅衬底上变温生长InAs/GaSb超晶格GaSb缓冲层的方法。

背景技术

1977年首次提出InAs/GaSb类超晶格应用于红外探测，由于这类超晶格与以GaAs/AlGaAs为代表的I类超晶格不同，其中InAs材料的导带在GaSb材料的价带之下，能带结构彼此错开，可以通过调节InAs/GaSb层厚及其相应的组分，调节能带结构，得到广泛的关注。InAs/GaSb类超晶格作为第三代红外探测器的最具前景材料体系，使得以军用为核心的红外探测器发展迅速，并大量应用于通讯、夜视、地球资源探测、战略预警、报警、测温、大气监测等领域。

由于红外探测器材料的特殊性及窄带性特点，科研及生产中对于衬底的选择成为制约高质量、低成本、产业化的重要影响因素。大部分选择用于生长的衬底为GaSb衬底、GaAs衬底，但与生长InAs/GaSb超晶格晶格匹配的此类衬底生长困难、价格昂贵，成为急需突破的瓶颈。

硅衬底技术成熟、价格低廉，并可与现阶段半导体器件制备技术相匹配，因此成为红外探测器制备优选衬底。但由于硅衬底与II类超晶格材料晶格失配严重，引入大量缺陷与位错，严重影响器件功能。因此开发在硅衬底上生长高质量GaSb缓冲层成为未来趋势。   

发明内容

本发明的目的是提供一种在硅衬底上变温生长InAs/GaSb超晶格红外探测器GaSb缓冲层的方法，可以大大降低红外探测器制备成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种在硅衬底上变温生长InAs/GaSb超晶格红外探测器GaSb缓冲层的方法，采用变温生长GaSb缓冲层，包括如下步骤：

步骤1：取一衬底；

步骤2：在衬底上生长AlSb薄层；

步骤3：在AlSb薄层上低温生长GaSb薄层；

步骤4：停顿5-10min；

步骤5：在GaSb薄层上高温生长GaSb缓冲层；

步骤6：在GaSb缓冲层上生长外延层；

步骤7：对生长结束后材料进行降温处理，完成在硅衬底上生长红外探测材料GaSb缓冲层的制备。

本发明中，所述衬底的材料为硅。

本发明中，所述外延层的材料为InAs、GaSb或InSb。

本发明中，所述AlSb薄层的厚度为1.5-5nm。

本发明中，所述低温生长GaSb薄层的厚度为5-10nm。

本发明中，所述高温生长GaSb缓冲层的厚度为500-1500nm。

本发明中，所述AlSb薄层的生长温度为500-580℃。

本发明中，所述低温生长GaSb薄层的温度为450-500℃。

本发明中，所述高温生长GaSb缓冲层的温度为550-600℃。

本发明中，利用分子束外延技术分别制备出AlSb薄层、低温生长GaSb薄层、高温生长GaSb缓冲层、外延层。

本发明在较低温度下生长GaSb薄层，可有效限制外延层与衬底由于晶格失配产生的位错，减少高温下生长的GaSb缓冲层中的缺陷密度，提高外延层质量，具有广阔应用前景与技术优势。

附图说明

图1为本发明硅衬底上生长GaSb缓冲层的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1：

本实施例提供了一种在硅衬底上变温生长InAs/GaSb超晶格GaSb缓冲层的方法，包括如下步骤：

步骤1：取一衬底10，所述衬底10的材料为硅。

步骤2：在衬底10上利用分子束外延技术生长AlSb薄层11。薄层厚度为1.5-5nm，生长温度500-580℃。主要目的为最大化的缓解衬底与GaSb缓冲层间的晶格失配，形成过渡层，可以大大减少下一步材料生长的位错、缺陷，提高材料质量。

步骤3：在AlSb薄层11上先低温生长GaSb薄层12，薄层厚度为5-10nm，生长温度为450-500℃。由于AlSb与GaSb晶格常数相近，晶格失配较小，有利于减小位错和缺陷的产生。

步骤4：在GaSb薄层12生长结束后，停顿5-10min，调整生长温度至下一个材料生长所需的温度。

步骤5：在GaSb薄层12上生长GaSb缓冲层13，厚度500-1500nm，生长温度为550-600℃。

GaSb薄层12的作用是阻止GaSb缓冲层13和AlSb薄层11、衬底10之间因为晶格失配产生的位错，减小GaSb缓冲层13材料中的位错密度、提高缓冲层材料的晶体质量。

步骤6：在GaSb缓冲层13上生长外延层14。

外延层的材料为InAs、GaSb、或InSb。

该GaSb缓冲层可以用来生长和制备与外延层14材料晶格匹配的材料及器件。

步骤7：然后进行降温处理，完成在硅衬底上生长红外探测材料GaSb缓冲层的制备，其结构如图1所示。

实施例2：

本实施例提供了一种在硅衬底上变温生长InAs/GaSb超晶格GaSb缓冲层的方法，包括如下步骤：

步骤1：取一硅衬底10；

步骤2：在衬底上生长AlSb薄层11，生长温度为540℃，厚度为3.6nm。

步骤3：在AlSb薄层11上先低温生长GaSb薄层12，生长温度为480℃，厚度为8nm。此低温生长GaSb薄层的目的是阻止GaSb缓冲层13和AlSb薄层11、衬底10之间因为晶格失配产生的位错，减小GaSb缓冲层13材料中的位错密度、提高缓冲层材料的晶体质量。

步骤4：停顿8min，调整温度至下一个生长温度。

步骤5：在GaSb薄层12上高温生长GaSb缓冲层13，生长温度为585℃，厚度为1000nm。

步骤6：在GaSb缓冲层13上生长外延层14。外延层14的材料为InAs。

步骤7：然后进行降温处理，完成在硅衬底上生长红外探测材料GaSb缓冲层的制备，其结构如图1所示。

实施例3：

本实施例提供了一种在硅衬底上变温生长InAs/GaSb超晶格GaSb缓冲层的方法，包括如下步骤：

步骤1：取一硅衬底10；

步骤2：在衬底上生长AlSb薄层11，生长温度为520℃，厚度为3 nm。

步骤3：在AlSb薄层11上先低温生长GaSb薄层12，生长温度为460℃，厚度为6nm。此低温生长GaSb薄层的目的是阻止GaSb缓冲层13和AlSb薄层11、衬底10之间因为晶格失配产生的位错，减小GaSb缓冲层13材料中的位错密度、提高缓冲层材料的晶体质量。

步骤4：停顿10min，调整温度至下一个生长温度。

步骤5：在GaSb薄层12上高温生长GaSb缓冲层13，生长温度为575℃，厚度为800nm。

步骤6：在GaSb缓冲层13上生长外延层14。外延层14的材料为GaSb。

步骤7：然后进行降温处理，完成在硅衬底上生长红外探测材料GaSb缓冲层的制备，其结构如图1所示。

实施例4：

本实施例提供了一种在硅衬底上变温生长InAs/GaSb超晶格GaSb缓冲层的方法，包括如下步骤：

步骤1：取一硅衬底10；

步骤2：在衬底上生长AlSb薄层11，生长温度为560℃，厚度为5nm。

步骤3：在AlSb薄层11上先低温生长GaSb薄层12，生长温度为500℃，厚度为10nm。此低温生长GaSb薄层的目的是阻止GaSb缓冲层13和AlSb薄层11、衬底10之间因为晶格失配产生的位错，减小GaSb缓冲层13材料中的位错密度、提高缓冲层材料的晶体质量。

步骤4：停顿7min，调整温度至下一个生长温度。

步骤5：在GaSb薄层12上高温生长GaSb缓冲层13，生长温度为600℃，厚度为1500nm。

步骤6：在GaSb缓冲层13上生长外延层14。外延层14的材料为InSb。

步骤7：然后进行降温处理，完成在硅衬底上生长红外探测材料GaSb缓冲层的制备，其结构如图1所示。