一种基于InP基带隙可调的结构及光电转换器件制造技术

本发明专利技术公开了一种基于InP基带隙可调的结构，包括依次层叠设置的上电极层、超晶格功能层、下电极层和InP衬底，其中超晶格功能层作为光电转换器件光的吸收或发射区，超晶格功能层为晶格常数大于和小于InP衬底的晶格常数的半导体层交替堆叠生长组成的超晶格。本发明专利技术还公开了基于此结构的光电转换器件以及此结构的分子束外延生长方法。由于超晶格内部的应变补偿的方法，将两种大失配的半导体材料集成在一起，且无需考虑由于失配应变产生的位错缺陷导致超晶格的质量变差和引起器件暗电流等因素。同时，通过改变短周期超晶格的周期长度可以改变应变补偿短周期超晶格的光学带隙，拓展了结构的光电转换响应波长范围，使得近红外波段的光电转换器件可在同一材料体系中实现宽的可调响应范围。调响应范围。调响应范围。

【技术实现步骤摘要】
一种基于InP基带隙可调的结构及光电转换器件


[0001]本专利技术涉及一种基于InP基带隙可调的结构及基于该结构的光电转换器件以及分子束外延生长方法，属于半导体红外光电转换器件材料领域和半导体材料制造领域。

技术介绍

[0002]基于InP基体系的光电转换器件如红外探测器一般采用足够厚的随机合金InAlAs，InGaAs，GaAsSb，AlAsSb等半导体材料作为器件的吸收区，而上述的几种三元混合合金在与InP衬底晶格匹配时，根据晶格常数的维加德定律，对应的元素质量分数已经确定，如下：In
0.48
Al
0.52
As，In
0.53
Ga
0.47
As，GaAs
0.5
Sb
0.5
，AlAs
0.55
Sb
0.45
，因而导致这些以随机合金为有源区的光电转换器件的工作波段固定。有很多研究工作通过调节上述合金中的组分使得InP基体系的工作波段向红外和可见光波段拓展，但是，通过改变组分实现的工作波段的拓展不可避免在合金薄膜与衬底引入失配应变，从而在衬底与随机合金薄膜的界面处产生失配位错，导致随机合金薄膜晶体质量变差进而影响器件性能。
[0003]因此，上述的随机合金在满足晶格匹配的情况下，光电转换器件的工作波段基本上固定，这也限定了InP基光电转换器件在由随机合金确定的工作波段以外其他近红外波段的应用。

技术实现思路

[0004]为了克服上述技术的不足，本专利技术提供了一种基于InP基带隙可调的结构以及光电转换器件，以及应变补偿短周期超晶格的制备方法。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种基于InP基带隙可调的结构，包括了依次层叠设置的上电极层（1），超晶格功能层（2），下电极层（3）和InP衬底（4），其中超晶格功能层（2）作为光电转换器件光的吸收或发射区，超晶格功能层（2）为晶格常数大于和小于InP衬底的晶格常数的半导体层交替堆叠生长组成的超晶格。
[0006]在本专利技术的优选方案中，晶格常数大于和小于InP衬底（4）的晶格常数的半导体层为VA族和IIIA族元素组成的二元化合物或者多元化合物。
[0007]在本专利技术的一些实施方案中，晶格常数大于InP衬底（4）的晶格常数的二元化合物包括InAs、GaSb、AlSb、InSb，晶格常数小于InP衬底（4）的晶格常数的二元化合物包括AlAs和GaAs。
[0008]在本专利技术的一些实施方案中，晶格常数大于InP衬底（4）的晶格常数的多元化合物由InAs、GaSb、AlSb、InSb、AlAs、GaAs中的两种或者多种组成，晶格常数小于InP衬底（4）的晶格常数的多元化合物由InAs、GaSb、AlSb、InSb、AlAs、GaAs中的两种或者多种组成。
[0009]在本专利技术的一些实施方案中，超晶格功能层（2）的超晶格单个周期中的每种半导体层的厚度为n ML， 其中ML（monolayer）为长度单位且等于InP晶格常数的一半，n的范围为1~10。
[0010]在本专利技术的一些实施方案中，超晶格功能层（2）的超晶格周期数在1~1000之间。
[0011]在本专利技术的一些实施方案中，超晶格功能层（2）通过外延方式生长得到。在本专利技术的优选实施方案中，超晶格功能层（2）的生长温度为300~600
°
C，背景真空度为1
×ꢀ
10
‑7~1
×ꢀ
10
‑
10 torr，生长速率为0.1~1μm/h。
[0012]在本专利技术的一些实施方案中，上电极层（1）和下电极层（2）为人为掺杂的半导体层，人为掺杂的半导体层包括n型和p型掺杂半导体层，掺杂源包括 Si、Te、Be和C。
[0013]另一方面，本专利技术提供了一种制备基于InP基带隙可调的结构的方法，采用外延方法在InP衬底（4）上依次外延生长下电极层（3）、超晶格功能层（2）和上电极层（1），形成应变补偿短周期超晶格外延结构。
[0014]本专利技术还提供了一种光电转换器件结构，包括底部电极、基于InP基带隙可调的结构（包括了InP衬底、下电极层、超晶格功能层、上电极层）以及顶部电极，其中，底部电极与下电极层之间形成欧姆结构，上电极层与顶部电极之间形成欧姆接触，光电转换器件可以实现近红外到中红外光的探测和发光功能，且器件响应波长范围可调。
[0015]有益效果：本专利技术提供的InP基应变补偿短周期超晶格具有可调带隙，通过分子束外延设备可以精准控制短周期超晶格的每层的厚度，并且满足应变补偿条件，因此InP基上应变补偿短周期超晶格和上下电极层具有较高的晶体质量。并且应变补偿短周期超晶格的周期长度增加可以使得短周期超晶格的带隙小于对应同组分的多元随机合金的带隙，这可使得探测器的工作波段向长波长方向拓展，同时保证了短周期超晶格的晶体质量以及应变补偿短周期超晶格光电转换器件的性能。
附图说明
[0016]图1是本专利技术中基于InP基带隙可调的结构示意图。
[0017]图2是本专利技术中基于InP基带隙可调的结构的光电转换器件的结构示意图。
[0018]图3是本专利技术实施例1中不同周期长度的应变补偿InAs/AlAs短周期超晶格的结构示意图（左）以及X射线衍射图（右）。
[0019]图4是本专利技术实施例1中不同周期长度的应变补偿InAs/AlAs短周期超晶格的原子力显微镜图。
[0020]图5是本专利技术实施例1中不同周期长度的应变补偿InAs/AlAs短周期超晶格的室温光致发光图。
[0021]图6是本专利技术实施例1中不同周期长度的应变补偿InAs/AlAs短周期超晶格的室温傅里叶变换红外光谱图。
[0022]图7是本专利技术实施例2中不同周期长度的应变补偿InAs/GaAs短周期超晶格的结构示意图（左）以及X射线衍射图（右）。
[0023]图8是本专利技术实施例2中不同周期长度的应变补偿InAs/GaAs短周期超晶格计算的一维能带和一维电子和空穴的波函数及其分布情况图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。
[0025]本专利技术提供了一种基于InP基带隙可调的应变补偿短周期超晶格结构（图1所示），以及应变补偿短周期超晶格的制备方法，包括了InP衬底（4）、下电极层（3）、超晶格功能层（2）、上电极层（1），具体外延结构如图1所示。
[0026]在本专利技术中，InP衬底（4）的取向优先选取为（001），衬底的抛光类型包括单面抛光和双面抛光，优选地，衬底抛光类型为双面抛光。衬底的电学类型包括导电衬底和半绝缘衬底，优选地，衬底的电学类型为导电衬底，衬底的导电类型包括n型和p型，具体的衬底导电类型的选取取决于基于所述外延结构制造的光电转换器件的加工、功能和应用场景。
[0027]在本专利技术中，超晶格功能层（2）是晶格常数大于和小于In本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于InP基带隙可调的结构，其特征在于，包括依次层叠设置的上电极层（1）、超晶格功能层（2）、下电极层（3）和InP衬底（4），其中所述超晶格功能层（2）作为光电转换器件光的吸收或发射区，所述超晶格功能层（2）为晶格常数大于和小于所述InP衬底（4）的晶格常数的半导体层交替堆叠生长组成的超晶格。2.根据权利要求1所述的基于InP基带隙可调的结构，其特征在于，所述晶格常数大于和小于所述InP衬底（4）的晶格常数的半导体层为VA族和IIIA族元素组成的二元化合物或者多元化合物。3.根据权利要求2所述的基于InP基带隙可调的结构，其特征在于，所述晶格常数大于所述InP衬底（4）的晶格常数的二元化合物包括InAs、GaSb、AlSb、InSb，所述晶格常数小于InP衬底（4）的晶格常数的二元化合物包括AlAs和GaAs。4.根据权利要求2所述的基于InP基带隙可调的结构，其特征在于，所述晶格常数大于所述InP衬底（4）的晶格常数的多元化合物由InAs、GaSb、AlSb、InSb、AlAs、GaAs中的两种或者多种组成，所述晶格常数小于所述InP衬底（4）的晶格常数的多元化合物由InAs、GaSb、AlSb、InSb、AlAs、GaAs中的两种或者多种组成。5.根据权利要求1所述的基于InP基带隙可调的结构，其特征在于，所述超晶格功能层（2）的超晶格单个周期中的每种半导体层的厚度为n ML， 其中ML（monolayer）为长度单位且等于InP晶格常数的一半，n的范围为1~10。6.根据权利要求1所述的基于In...

【专利技术属性】
技术研发人员：芦红，姚金山，李晨，
申请(专利权)人：南京磊帮半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：