[发明专利]一种基于锑快门开关的无失配II类超晶格结构及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于锑快门开关的无失配II类超晶格结构及制备方法。其单周期结构包括GaSb层，InAs层和InAsSb界面层三层结构。其制备方法是在II类超晶格周期性结构生长过程中，GaSb生长后直接生长InAs层，InAs生长后，打开Sb快门，使得Sb和InAs层中的As进行元素置换，从而形成InAsSb界面层。其特点在于：由于取消了InSb界面层的直接生长，仅在InAs生长后通过引入Sb浸润形成InAsSb界面层，既满足了应力补偿的需求，又简化了界面制备工艺难度，此外，避免了大失配InSb界面直接生长时引入的岛装结构缺陷，提高了材料性能。

技术领域

本发明涉及一种超晶格材料，特别涉及一种基于锑快门开关的无失配II类超晶格结构及制备方法，它应用于红外焦平面探测器。

背景技术

20世纪70年代初，IBM实验室的科学家L.Esaki和Sakaki提出了InAs/GaSbⅡ类超晶格的概念，接着，在80年代末期，Smith和Maihiot提出了InAs/GaSbⅡ类超晶格可以应用于红外探测技术的设想。InAs/GaSb II类超晶格通过改变InAs和GaSb层厚，可以实现探测波长从3μm到30μm的调控，是新一代高性能红外探测器制备的优选材料体系。基于超晶格在红外探测器应用方面的诸多理论优势及特点，国内外研究机构在II类超晶格材料物理特性、材料生长技术、器件制备技术等方面开展了大量的研究工作。从90年代材料生长技术的研究和材料质量的提高到2000年左右具有器件质量的外延材料的成功制备，从单元器件的获得到21世纪初陆续出现的焦平面探测器以及各种势垒结构器件和双色、多色探测器的研制，InAs/GaSb超晶格红外探测技术得到了长足的发展。

目前高质量的InAs/GaSb II类超晶格材料通常生长在GaSb衬底上，由于InAs与衬底GaSb之间存在着0.6％的晶格失配，为了获得波长级厚度的超晶格材料，需要生长晶格常数比GaSb大的InSb界面层进行应变补偿，通常情况下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界面层四层结构，其中InAs-on-GaSb界面和GaSb-on-InAs界面是由生长的InSb界面层构成，此方法解决了InAs/GaSb超晶格与衬底的晶格不匹配问题，不过通过该方法获得无失配材料为超晶格的生长制备带来了一些困难，如(1)由于InSb与GaSb之间的晶格失配高达6.3％，当直接在GaSb或InAs上外延InSb界面层时，其将以岛状结构进行生长，增加了超晶格材料的表面粗糙度，随着外延材料厚度的增加材料表面将越来越粗糙，严重制约了超晶格红外探测材料外延层厚度，制约了红外探测器量子效率的提高。(2)为了外延生长InSb界面层，不仅需要严格控制In、As、Ga、Sb四种元素的快门开关时间，还需要对界面处的快门开关次第顺序进行精心的设计，增加了超晶格材料MBE生长工艺的复杂度，同时过于频繁的快门开关增加了表面点缺陷引入的几率。(3)由于InSb与GaSb之间晶格失配大，因此在外延生长InSb界面层时非常容易引入缺陷和位错，降低了材料的晶体质量。(4)InAs生长结束后，由于As较高的饱和蒸气压，MBE腔体内残余的As会进入GaSb层中形成GaAsSb，增加了超晶格材料与衬底的失配度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于锑快门开关的无失配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.大失配InSb界面层外延生长时岛状结构引起表面粗糙的问题；

2.InSb界面层直接外延生长时工艺复杂的问题；

3.InSb界面层直接外延生长时易引入缺陷和位错的问题；

4.InAs生长结束后As背景压高的问题；

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GaSb层1、InAs层2和InAs_xSb_1-x层3。其中：