分子束外延生长AlInAsSb超晶格材料的优化方法技术

本发明专利技术公开了一种分子束外延生长短波红外AlInAsSb超晶格的优化方法，其步骤为：测定AlInAsSb中三族元素的源炉温度及相应的束流值，及其五族元素相应的束流值以及分子束外延生长的基准温度Tc，并定义五族元素与三族元素的束流值比值分别为Sb/Al和As/In；设定Sb/Al取值为固定值A，As/In取值为变量值x，通过对比不同x值的Xrd图谱分析确定As/In的最佳值xi；同样地，设定As/In取值为最佳值xi，Sb/Al取值为变量值y，通过对比不同y值的Xrd图谱分析确定Sb/Al的最佳值yi;根据基准温度Tc对AlInAsSb超晶格在GaSb衬底上的生长温度以15°C为步长进行调节，并根据AFM图谱的表面粗糙度确定其最佳生长温度。通过该优化方法可以得到材料质量良好的AlInAsSb材料，所述方法简单，高效。

【技术实现步骤摘要】
分子束外延生长AlInAsSb超晶格材料的优化方法
本专利技术公开了一种利用分子束外延技术生长短波红外探测材料AlInAsSb超晶格的优化方法，属于半导体材料领域。
技术介绍
如今，1至3微米波段的短波红外（SWIR）探测器在军民领域具有重要的应用前景，这些领域包括保密通讯、天文观测、气体分析、地球科学等。搭载SWIR成像的相机可得到比传统可见光相机更高分辨率的图像。此外，该波段成像可以进行被动和主动成像。因此，它在军事和民用领域有非常重要的应用价值。到目前为止，很多材料体系，如碲镉汞HgCdTe（MCT）和铟镓砷InxGa1-xAs，已经在这个波段内解决了很多问题。他们通过调节材料的组分使材料截止波长响应短波范围。然而，基于InxGa1-xAs红外探测器对截止波长的范围具有一些限制，当截止波长超过1.7μm时，由于晶格失配引起的缺陷使探测器的性能迅速下降。基于HgCdTe的红外探测器可以通过改变Cd的摩尔组分覆盖1-3μm范围。然而这种红外探测器材料生长工艺要求高，还需要复杂的器件制造工艺，材料的大面积均匀性差，使得该类器件的应用受到很大限制。相比之下，基于AlxIn1-xAsySb1-y（以下称为AlInAsSb）的四元化合物红外探测器是一类很有潜力的光电器件，因为它可以通过调整x、y的值以达到与InP、InAs、GaSb等衬底相匹配。改变铝组分还可以将带隙从0.25eV（0％的铝）调至1.18eV（72％的铝），这对应于5至1.05μm的截止波长范围。AlInAsSb材料具有许多优点，如材料无毒、生长工艺简单、制造成本低、带宽灵活可调，以及由于其具有很大的电子有效质量从而能有效抑制俄歇复合。该超晶格材料由InAs和AlSb交替生长组成，可显著降低GR暗电流、陷阱辅助和带间隧道暗电流，这将会提高材料的光电性能。但是AlInAsSb是一种四元合金材料，生长难度比三元材料大，所以本专利技术从优化材料的制备入手，着重解决高质量材料的生长问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种分子束外延技术生长短波红外探测材料AlInAsSb超晶格的优化方法。实现本专利技术的技术方案是：分子束外延生长AlInAsSb超晶格材料的优化方法，包括如下步骤：A、首先测定生长AlInAsSb材料时三族元素Al、In的源炉温度及相应的束流值，及五族元素As、Sb的束流值以及分子束外延生长的基准温度，并定义五族元素与三族元素的束流值的比值（五三比值）分别为Sb/Al比值和As/In比值。B、设定Sb/Al比值的取值为某一固定值A（A在1-20之间任意固定值），As/In比值的取值为变量值x（x取值在1-20之间变化），通过对比不同x值时所制备的AlInAsSb超晶格材料的XRD图谱，分析确定As/In的最佳值xi，然后，设定As/In的取值为最佳值xi，Sb/Al的取值为变量值y，通过对比不同y值时所制备的AlInAsSb超晶格材料的XRD图谱，分析确定Sb/Al的最佳值yi。C、以Tc为基准温度，调整AlInAsSb超晶格在GaSb衬底上的生长温度，以15°C为步长进行变化，对所获得的AlInAsSb样品进行AFM测试，并根据AFM测得的均方根表面粗糙度确定其最佳生长温度，即根据基准温度对GaSb衬底的生长温度以15°C为步长进行调节，根据AFM图谱的均方根表面粗糙度确定AlInAsSb超晶格在GaSb衬底上的最佳生长温度。进一步的，步骤A包括以下步骤：A1、将锑化镓衬底先后在进样室及缓冲室中进行除气；A2、调整三族元素源炉的tip/base温度值（即源炉温度），直到其束流值达到三族元素所需生长速度所对应的束流值；根据三族元素的束流值和生长材料所需的Sb/Al和As/In比值，计算出五族元素Sb和As所需要的束流值，进一步测出与其相对应的针阀值；A3、将经过除气的GaSb衬底送入生长室，在锑气氛保护下升温至620°C，并在该温度进行脱氧；A4、将经过脱氧的GaSb衬底降温至540°C，并在该温度生长锑化镓缓冲层；A5、待锑化镓缓冲层生长完毕后，将GaSb衬底继续降温，观察锑化镓表面的再构变化，待GaSb衬底表面的×3再构转变为×5再构并保持不变后，升高GaSb衬底温度直到GaSb衬底表面的×5再构重新转变为×3再构时，将该温度定为GaSb衬底的再构转变温度，并将其作为基准温度Tc。更进一步的，步骤A5中，观察锑化镓表面的再构变化时，使用反射式高能电子衍射装置。进一步的，在计算机上编辑AlInAsSb超晶格材料的生长控制程序，包括如下步骤：①生长高温锑化镓缓冲层，设置GaSb衬底温度为Tc+110°C，开Ga、Sb快门，其余快门关闭；②将GaSb衬底温度降至AlInAsSb材料设置的生长温度，生长AlSb势垒层，开Al、Sb快门，其余快门关闭；③保持GaSb衬底温度不变，生长40个周期的AlInAsSb超晶格结构，生长顺序依次为：AlSb、AlAs、AlSb、Sb、In、InAs、In、Sb；④保持GaSb衬底温度不变，生长AlSb势垒层，开Al、Sb快门，其余快门关闭；⑤保持GaSb衬底温度不变，生长GaSb盖层，开Ga、Sb快门，其余快门关闭；⑥打开Sb快门，在Sb气氛保护下直到衬底温度降至370℃时关闭Sb快门，在降温期间Sb快门一直打开，直到温度低于370℃，完成生长程序的编辑并运行。进一步的，生长AlInAsSb超晶格时采用的生长速度分别为：InAs=0.4ML/s（原子层/秒），AlSb=AlAs=0.4ML/s（原子层/秒）。进一步的，步骤B中，XRD图谱通过高分辨X射线双晶衍射仪给出。进一步的，步骤B中，最佳值xi和最佳值yi通过对比XRD图谱衬底峰和超晶格零级卫星峰，两个峰最接近时的取值即为最佳值。进一步的，步骤C中，AFM图谱由原子力显微镜给出。进一步的，步骤C中，GaSb衬底的生长温度取值范围在Tc±30°C。进一步的，步骤C中，对比几个生长温度不同的材料的AFM图谱，其中，均方根表面粗糙度最小的AFM图谱所对应的材料的生长温度即为AlInAsSb材料的最佳生长温度。与现有技术相比，本专利技术的优点是：本专利技术系统地提供了AlInAsSb材料的优化生长方法，可以通过该优化方法得到材料质量良好的AlInAsSb材料，为下一步制作AlInAsSb红外探测器打下了基础。附图说明图1为改变As/In值时制备的AlInAsSb材料的XRD图谱。图2为改变Sb/Al值时制备的AlInAsSb材料的XRD图谱。图3为在不同温度生长的AlInAsSb材料的AFM表面形貌图。图4为利用优化好的条件生长的AlInAsSb的XRD及AFM图谱。具体实施方式在本实施例中，提供了一种短波AlInAsSb超晶格材料的优化生长方法。材料优化生长方法所采用的结构从下到上依次为：GaSb衬底、200nm厚的GaSb缓冲层、30nm的AlSb势垒层、40个周期的AlInAsSb超晶格、30nm的AlSb势垒层和20nm的GaSb盖层。其中，超晶格上下的AlSb层是为了限制载流子的移动，以便更好地进行PL谱测试所用。本方法采用合金技术制备AlInAsSb超晶格材料，快门顺序依次为：AlSb、AlAs、AlSb、Sb、In、InAs、In、Sb（该界面顺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.分子束外延生长短波红外探测材料AlInAsSb超晶格的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：A、首先测定生长AlInAsSb材料时三族元素Al、In的源炉温度及相应的束流值，五族元素As、Sb的束流值，以及分子束外延生长的基准温度Tc，并定义五族元素与三族元素的束流值比值分别为Sb/Al和As/In；B、设定Sb/Al取值为固定值A，As/In取值为变量值x，通过对比不同x值时所制备的AlInAsSb材料的XRD图谱，分析确定As/In的最佳值xi；然后，设定As/In取值为最佳值xi，Sb/Al取值为变量值y，通过对比不同y值时所制备的AlInAsSb材料的XRD图谱，分析确定Sb/Al的最佳值yi;C、以Tc为基准温度，调整AlInAsSb超晶格在GaSb衬底上的生长温度，以15°C为步长进行变化，对所获得的AlInAsSb材料样品进行AFM测试，并根据AFM测得的均方根表面粗糙度确定其最佳生长温度。

【技术特征摘要】
1.分子束外延生长短波红外探测材料AlInAsSb超晶格的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：A、首先测定生长AlInAsSb材料时三族元素Al、In的源炉温度及相应的束流值，五族元素As、Sb的束流值，以及分子束外延生长的基准温度Tc，并定义五族元素与三族元素的束流值比值分别为Sb/Al和As/In；B、设定Sb/Al取值为固定值A，As/In取值为变量值x，通过对比不同x值时所制备的AlInAsSb材料的XRD图谱，分析确定As/In的最佳值xi；然后，设定As/In取值为最佳值xi，Sb/Al取值为变量值y，通过对比不同y值时所制备的AlInAsSb材料的XRD图谱，分析确定Sb/Al的最佳值yi;C、以Tc为基准温度，调整AlInAsSb超晶格在GaSb衬底上的生长温度，以15°C为步长进行变化，对所获得的AlInAsSb材料样品进行AFM测试，并根据AFM测得的均方根表面粗糙度确定其最佳生长温度。2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，步骤A包括以下步骤：A1、将GaSb衬底先后在进样室及缓冲室中进行除气；A2、调整三族元素源炉温度，直到其束流值达到三族元素所需生长速度所对应的束流值；根据三族元素的束流值和生长材料所需的Sb/Al取值和As/In取值，计算出五族元素Sb和As所需要的束流值，进一步测出与其相对应的针阀值；A3、将经过除气的GaSb衬底送入生长室，在锑气氛保护下升温至620°C并在该温度进行脱氧；A4、将经过脱氧的GaSb衬底降温到540°C，并在该温度生长锑化镓缓冲层；A5、待锑化镓缓冲层生长完毕后，将GaSb衬底温度继续降温，观察GaSb衬底表面的再构变化，待GaSb衬底表面的×3再构转变为×5再构并保持不变时，升高GaSb衬底温度直到GaSb衬底表面的×5再构重新转变为×3再构，将该温度定为GaSb衬底的再构转变温度即基准温度Tc。3.根据权利要求2所述的优化方法，其特征在于，步骤A5中...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝瑞亭，常发冉，郭杰，李勇，刘欣星，顾康，刘斌，王璐，
申请(专利权)人：云南师范大学，
类型：发明
国别省市：云南,53