一种InAs基InGaAs/InAsSb超晶格材料及其生长方法和应用技术

本发明专利技术属于半导体材料领域，具体涉及一种InAs基InGaAs/InAsSb超晶格材料及其生长方法和应用。该超晶格材料包括依次堆叠的若干In

【技术实现步骤摘要】
一种InAs基InGaAs/InAsSb超晶格材料及其生长方法和应用


[0001]本专利技术属于半导体材料领域，具体涉及一种InAs基InGaAs/InAsSb超晶格材料及其生长方法和应用。

技术介绍

[0002]锑化物II类超晶格由于拥有生长技术成熟、量子效率高以及能带调控灵活等优点，成为红外光电器件的优选材料之一。现有技术中常采用InAs/InAsSb与InAs/GaSb等其他锑化物II类超晶格材料。其中InAs/InAsSb材料主要用于中波红外（3
‑
5μm）光电器件，一般8nm以上的超晶格周期厚度才能够达到5μm的截止波长，而根据II类超晶格光吸收特点，超晶格周期厚度越长会造成量子效率衰减，因此InAs/InAsSb材料体系一直存在量子效率较低的缺陷。另一类InAs/GaSb材料体系截止波长可以覆盖中波至长波红外波段（3
‑
12μm），但是超晶格中包含的GaSb材料存在本征P型缺陷，限制了该材料体系的载流子迁移率。另外由于InAs/GaSb超晶格两种组成材料均是二元化合物，调节截止波长只有改变超晶格层厚这一种手段，这在器件设计与材料生长方面造成了很大限制。

技术实现思路

[0003]本专利技术旨在解决上述问题，提供了一种InAs基InGaAs/InAsSb超晶格材料及其生长方法和应用，该大应变超晶格材料晶体质量优异，缺陷密度低，且不含有GaSb材料，可获得较高载流子迁移率与光电性能。
[0004]按照本专利技术的技术方案，所述InAs基InGaAs/InAsSb超晶格材料，包括依次堆叠的若干In
x
Ga1‑
x
As/InAs
y
Sb1‑
y
超晶格原胞，其中，0＜x＜1，0＜y＜1；所述In
x
Ga1‑
x
As/InAs
y
Sb1‑
y
超晶格原胞包括一层In
x
Ga1‑
x
As材料和一层InAs
y
Sb1‑
y
材料。
[0005]优选的，0.6≤x≤0.9，0.6≤y≤0.9；进一步优选为：0.7≤x≤0.8，0.7≤y≤0.8。
[0006]本专利技术InAs基InGaAs/InAsSb超晶格材料中电子被限制在In
x
Ga1‑
x
As层，空穴被限制在InAs
y
Sb1‑
y
层，通过改变超晶格原胞内各层厚度与组分，可以独立调制电子与空穴能级，实现3
‑
7μm范围内的红外光吸收截止波长调节，覆盖全部中红外波段，可用于中波红外光电器件。
[0007]对于相同截止波长的In
x
Ga1‑
x
As/InAs
y
Sb1‑
y
超晶格材料，减小组分x、y能够获得更高的光吸收量子效率，但会提高单层材料的应变。这导致材料生长的难度大幅增加，对于超晶格材料中的InAs
y
Sb1‑
y
层，其在InAs衬底上室温下理论临界厚度H
c
随组分y的关系如图1所示，随衬底温度升高，临界厚度数值还会相应减小。当单层外延厚度超过临界厚度后，高应变会使InSb组分析出形成缺陷，缺陷在原子力显微镜（AFM）下形貌如图2所示，这类缺陷会对材料质量产生致命影响，目前抑制这一缺陷的有效办法是降低外延生长的温度。而对于含有GaAs组分的In
x
Ga1‑
x
As层，降低生长温度会使材料结晶度迅速下降，造成材料能带结构的破坏与载流子迁移率的衰减，从而使材料光电性能退化。
[0008]为获得高质量InAs基In
x
Ga1‑
x
As/InAs
y
Sb1‑
y
超晶格材料，本专利技术的第二方面提供了
其生长方法，包括以下步骤，S1、标定InAs衬底脱氧及InAs缓冲层生长条件；S2、根据步骤A标定的InAs衬底脱氧温度T
d
，初步确定超晶格材料的生长温度T
s
；S3、选定单层In
x
Ga1‑
x
As材料的厚度m，该厚度可在0nm<m<10nm范围内任意取值，再根据m数值确定单层InAs
y
Sb1‑
y
的厚度n；S4、获得In
x
Ga1‑
x
As材料在InAs衬底上的生长条件；S5、使用步骤S1
‑
S4所得超晶格生长参数，以及不同的Sb束流生长In
x
Ga1‑
x
As/InAs
y
Sb1‑
y
超晶格材料，根据超晶格材料相对InAs衬底应变量选择Sb束流最佳值；S6、使用步骤S1
‑
S5所得超晶格生长参数生长In
x
Ga1‑
x
As/InAs
y
Sb1‑
y
超晶格材料，根据超晶格材料表面缺陷密度，调整超晶格材料的生长温度，获取超晶格材料最佳生长温度；S7、使用超晶格材料最佳生长温度，以及步骤S1
‑
S5所得其他超晶格生长参数，生长所述InAs基InGaAs/InAsSb超晶格材料；所述步骤S3、S4和步骤S1
‑
S2的顺序不限。
[0009]进一步的，所述步骤S1的具体操作如下：S11、将除气后的InAs衬底送入生长室，在As束流保护下升温至脱氧，将脱氧温度T
d
记为后续外延生长的基准温度；S12、调整In炉温度获得InAs生长速率r
InAs
对应束流F
In
，调整As炉状态以获得InAs缓冲层生长所需As束流F
As
；进一步的，所述步骤S11中，将InAs衬底在进样室及缓冲室中进行除气。
[0010]进一步的，所述步骤S11中，以（T
d
‑
30℃）
±
10℃作为生长InAs缓冲层的衬底温度。
[0011]进一步的，根据InAs衬底脱氧温度T
d
，初步确定超晶格材料的生长温度：。
[0012]进一步的，所述步骤S3中，单层In
x
Ga1‑
x
As材料的厚度m和单层InAs
y
Sb1‑
y
的厚度n满足以下条件：，其中a
InGaAs
、a
InAsSb
、a
InAs
分别代表In
x
Ga1‑
x
As、InAs
y
Sb1‑
y
、InAs材料的晶格常数。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种InAs基InGaAs/InAsSb超晶格材料，其特征在于，包括依次堆叠的若干In
x
Ga1‑
x
As/InAs
y
Sb1‑
y
超晶格原胞，其中，0＜x＜1，0＜y＜1；所述In
x
Ga1‑
x
As/InAs
y
Sb1‑
y
超晶格原胞包括一层In
x
Ga1‑
x
As材料和一层InAs
y
Sb1‑
y
材料。2.一种权利要求1所述的InAs基InGaAs/InAsSb超晶格材料的生长方法，其特征在于，包括以下步骤，S1、标定InAs衬底脱氧及InAs缓冲层生长条件；S2、根据步骤A标定的InAs衬底脱氧温度T
d
，初步确定超晶格材料的生长温度T
s
；S3、选定单层In
x
Ga1‑
x
As材料的厚度m，0nm<m<10nm；根据m数值确定单层InAs
y
Sb1‑
y
的厚度n；S4、获得In
x
Ga1‑
x
As材料在InAs衬底上的生长条件；S5、使用步骤S1
‑
S4所得超晶格生长参数，以及不同的Sb束流生长In
x
Ga1‑
x
As/InAs
y
Sb1‑
y
超晶格材料，根据超晶格材料相对InAs衬底应变量选择Sb束流最佳值；S6、使用步骤S1
‑
S5所得超晶格生长参数生长In
x
Ga1‑
x
As/InAs
y
Sb1‑
y
超晶格材料，根据超晶格材料表面缺陷密度，调整超晶格材料的生长温度，获取超晶格材料最佳生长温度；S7、使用超晶格材料最佳生长温度，以及步骤S1
‑
S5所得其他超晶格生长参数，生长所述InAs基InGaAs/InAsSb超晶格材料；所述步骤S3、S4和步骤S1
‑
S2的顺序不限。3.如权利要求2所述的生长方法，其特征在于，所述步骤S1的具体操作如下：S11、将除气后的InAs衬底送入生长室，在As束流保护下升温至脱氧，将脱氧温度T
d
记为后续外延生长的基准温度；S12、调整In炉温度获得InAs生长速率r
InAs
对应束流F
In
，调整As炉状态以获得InAs缓冲层生长所需As束流F
As
。4.如权利要求3所述的生长方法，其特征在于，所述步骤S11中，以（T

【专利技术属性】
技术研发人员：陈意桥，于天，陈超，
申请(专利权)人：苏州焜原光电有限公司，
类型：发明
国别省市：