一種長(zhǎng)波銦砷銻材料及其生長(zhǎng)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種長(zhǎng)波銦砷銻材料，所述長(zhǎng)波銦砷銻(InAs1-xSbx)材料的組份x滿足以下條件：0.60≤x≤0.90，截止波長(zhǎng)達(dá)到11～12.5μm。外延層的厚度為40～200μm，這個(gè)厚度有效地抑制了外延層與二元化合物襯底之間晶格失配的影響，使外延層中的位錯(cuò)密度比用常規(guī)技術(shù)生長(zhǎng)的降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)(達(dá)到104cm-2量級(jí))，明顯改善了材料的晶體質(zhì)量和結(jié)構(gòu)完整性。本發(fā)明還同時(shí)提供了該長(zhǎng)波銦砷銻材料的生長(zhǎng)過(guò)程。這種材料具有體單晶的性質(zhì)，并且InAsSb的室溫俄歇復(fù)合系數(shù)較低，因此適合制作室溫工作的紅外光子探測(cè)器。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種長(zhǎng)波銦砷銻材料及其生長(zhǎng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，具體是一種長(zhǎng)波銦砷銻材料及其生長(zhǎng)方法，這種材料可以用于研制紅外光子探測(cè)器。
【背景技術(shù)】
[0002]II1-V族化合物半導(dǎo)體是制作光電器件的重要材料，具有相對(duì)成熟的材料制備和器件工藝技術(shù)。銦砷銻(InAsSb)三元合金在常規(guī)的II1-V族化合物中具有最小的禁帶寬度(0.1eV)，其截止波長(zhǎng)能達(dá)到8-12 iim。8-12 y m波段是一個(gè)重要的紅外大氣窗口，工作在這一波段的紅外探測(cè)器在紅外制導(dǎo)、遙感、夜視、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)探傷等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。因此，生長(zhǎng)這一波段的紅外材料，研制紅外探測(cè)器無(wú)論在民用上還是在軍用上都有著十分重要的意義。但是，由于長(zhǎng)波InAsSb外延層與二元化合物襯底之間的晶格失配度較大(例如與InAs襯底之間的晶格失配度> 6%，與GaAs襯底之間的晶格失配度>14%),因此用常規(guī)技術(shù)很難生長(zhǎng)出截止波長(zhǎng)8 u m以上的高質(zhì)量的InAsSb單晶材料。
[0003]近年來(lái)，國(guó)外用分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積(metalorgan ic chemical vapor deposition, MOCVD)及液相外延(liquid phaseepitaxy, LPE)技術(shù)生長(zhǎng)出了截止波長(zhǎng)8 ii m以上的InAsSb外延層，外延層的厚度均小于10 u m。由于這些薄的外延層嚴(yán)重地受到大的晶格失配的影響，導(dǎo)致在這些薄膜中觀察到的位錯(cuò)密度高達(dá)IO7CnT2量級(jí)，嚴(yán)重地影響了探測(cè)器的最終性能。用熔體外延(melt epitaxy,ME)技術(shù)制備的InAshSbx厚膜，外延層的厚度可以達(dá)到100 y m,但是由于材料的組份X≥0.95,導(dǎo)致InAsatl5Sba95材料的截止波長(zhǎng)< lliim。目前還沒(méi)有一種位錯(cuò)密度低、制備工藝成熟、截止波長(zhǎng)達(dá)到12.5 ii m的長(zhǎng)波銦砷銻材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明正是針對(duì)以上技術(shù)，提供一種位錯(cuò)密度低、制備工藝成熟、截止波長(zhǎng)覆蓋8-12 ii m波段的長(zhǎng)波銦砷鋪材料及其生長(zhǎng)方法。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為:
[0006]一種長(zhǎng)波銦砷銻材料，按以下化學(xué)式組成:InASl_xSbx，其特征在于組份X滿足以下條件:0.60 ≤ X ≤ 0.90，外延層的厚度為40-200 iim。
[0007]按以上材料組份生長(zhǎng)的銦砷銻材料，截止波長(zhǎng)達(dá)到Ilum以上。InAsSb的室溫俄歇復(fù)合系數(shù)較低，因此在研制室溫工作的紅外光子探測(cè)器方面很有優(yōu)勢(shì)；而且其共價(jià)鍵結(jié)合力較強(qiáng)，因此具有較好的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。
[0008]本發(fā)明還提供一種制備上述長(zhǎng)波銦砷銻材料的專(zhuān)用滑動(dòng)舟，包括底板、滑塊、推桿、原料井、空井、井蓋、襯底槽，其特征在于原料井、空井設(shè)置在滑塊前部，原料井、空井為貫通的中空結(jié)構(gòu)，滑塊的尾部為平底的壓塊，原料井、空井上設(shè)置井蓋，滑塊后端連接推桿，滑塊放置在底板上并可以在底板上移動(dòng)，底板上設(shè)置有襯底槽，滑塊尾部的壓塊與底板接觸部分大于襯底槽橫截面。[0009]本發(fā)明還提供前述長(zhǎng)波銦砷銻材料的生長(zhǎng)方法，主要包括以下步驟:
[0010]一、生長(zhǎng)準(zhǔn)備，把滑塊放置在底板上，打開(kāi)原料井的井蓋，然后將InASl_xSbx的原料放入原料井中，將襯底(基板)放入底板上的襯底槽內(nèi)，把空井放置在襯底槽的上方；
[0011]二、原料溶化，將滑動(dòng)舟放入液相外延系統(tǒng)，在680°C下停留I小時(shí)，使InAShSbx的原料溶化成生長(zhǎng)熔液，然后，使系統(tǒng)的溫度以1°C /分鐘的降溫速率下降至生長(zhǎng)溫度510。。；
[0012]三、充填，通過(guò)推桿推動(dòng)滑塊，使原料井位于襯底槽上方,使InASl_xSbx的生長(zhǎng)熔液與襯底接觸，再通過(guò)推桿推動(dòng)滑塊，使原料井中的InASl_xSbx生長(zhǎng)熔液殘留部分在襯底的表面，并使原料井與襯底槽錯(cuò)開(kāi)，滑塊尾部的壓塊完全蓋住襯底槽；
[0013]四、熔體外延生長(zhǎng)，以0.5°C /分鐘的降溫速率降溫10°C，使襯底上殘留的InASl_xSbx生長(zhǎng)熔液在滑塊尾部的壓塊下降溫結(jié)晶，即可生長(zhǎng)出長(zhǎng)波銦砷銻材料。
[0014]在上述長(zhǎng)波銦砷銻材料的生長(zhǎng)方法中，襯底材料為砷化銦(InAs)、砷化鎵(GaAs)、銻化鎵(GaSb)、磷化銦(InP)中的一種。
[0015]由于InASl_xSbx生長(zhǎng)熔液的結(jié)晶過(guò)程在滑塊后端的壓制下進(jìn)行，因此抑制了熔液的自由膨脹，外延層的厚度取決于襯底材料的厚度與襯底槽的深度之差，外延層的厚度可以達(dá)到40?200 Pm。經(jīng)掃描電子顯微鏡(SEM，S-4700)檢測(cè)，本發(fā)明所述方法生長(zhǎng)的InASl_xSbx外延層的厚度達(dá)到235 iim，此厚度足以消除外延層與襯底之間晶格失配的影響，使外延層中的位錯(cuò)密度(IO4CnT2量級(jí))明顯低于用常規(guī)技術(shù)生長(zhǎng)的InASl_xSbx材料的位錯(cuò)密度(IO7?IOW2量級(jí))。
[0016]用傅里葉變換紅外儀(FTIR，Nicolet Nexus670)測(cè)量的InAs1Jbx材料的透射光譜，見(jiàn)圖2。本發(fā)明的組份X = 0.90時(shí)(曲線a),截止波長(zhǎng)達(dá)到12.5 ii m。而過(guò)去的組份x=0.95時(shí)(曲線b),截止波長(zhǎng)僅為10.5 u m,無(wú)法達(dá)到前述的截止波長(zhǎng)指標(biāo)。
[0017]用范德華法(Van der Pauw)測(cè)量了 InAShSbx外延層的電學(xué)性質(zhì),在電學(xué)測(cè)量之前，通過(guò)磨、拋，徹底去除了 InAs襯底。測(cè)量出外延層的室溫電子遷移率>5X IO4Cm2 /Vs,由于室溫下載流子的輸運(yùn)主要受晶格散射支配，因此較高的電子遷移率指示材料具有較好的晶格完整性，這可能得益于外延層的厚度達(dá)到200 ym，此厚度降低了外延層中的位錯(cuò)密度，改善了材料的晶體質(zhì)量。而不用本發(fā)明，InASl_xSbx外延層的室溫電子遷移率<4X IO4Cm2 / Vs，無(wú)法達(dá)到前述的電學(xué)指標(biāo)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]附圖中，圖1是本發(fā)明專(zhuān)用生產(chǎn)設(shè)備滑動(dòng)舟的示意圖，其中:
[0019]1-底板，2-滑塊，3-推桿，4-原料井，5-空井，6-井蓋，7_襯底槽。
[0020]圖2是本發(fā)明的InAsaitlSba9tl (a)及InAsatl5Sba95 (b)材料的傅里葉變換紅外透射光譜，其中，橫軸為紅外透射光波長(zhǎng)，單位為微米，縱軸為透過(guò)率。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0022]實(shí)施例1:
[0023]一、生產(chǎn)準(zhǔn)備，通過(guò)推桿3移動(dòng)滑動(dòng)舟的滑塊2，使滑動(dòng)舟的空井5與襯底槽7對(duì)齊，打開(kāi)原料井4的井蓋6，然后將InAsa35Sba65生產(chǎn)原料放入滑動(dòng)舟的原料井4中，將將襯底(基板)放入底板I上的襯底槽7內(nèi)；
[0024]二、原料溶化，將滑動(dòng)舟放入液相外延系統(tǒng)，在680 °C下停留I小時(shí)，使InAsa35Sba65的原料溶化成生長(zhǎng)熔液，然后，使系統(tǒng)的溫度以1°C /分的降溫速率下降至生長(zhǎng)溫度510°C ;
[0025]三、充填，通過(guò)推桿3推動(dòng)滑塊2，使原料井4位于襯底槽7上方，使InAsa 35SbQ 65的生長(zhǎng)熔液與襯底接觸，再通過(guò)推桿3推動(dòng)滑塊2，使原料井4中的生長(zhǎng)熔液殘留部分在襯底的表面，并使原料井4與襯底槽7錯(cuò)開(kāi)，滑塊2尾部的壓塊完全蓋住襯底槽7 ；
[0026]四、熔體外延生長(zhǎng)，以0.50C /分鐘的降溫速率降溫10°C，使襯底槽7上殘留的InAsa35Sba65生長(zhǎng)熔液在滑塊2尾部的壓塊下降溫結(jié)晶，即可生長(zhǎng)出長(zhǎng)波銦砷銻材料。
[0027]實(shí)施例2
[0028]一、生產(chǎn)準(zhǔn)備，通過(guò)推桿3移動(dòng)滑動(dòng)舟的滑塊2，使滑動(dòng)舟的空井5與襯底槽7對(duì)齊，打開(kāi)原料井4的井蓋6，然后將InAsaitlSba9tl生產(chǎn)原料放入滑動(dòng)舟的原料井4中，將將襯底(基板)放入底板I上的襯底槽7內(nèi)；
[0029]二、原料溶化，將滑動(dòng)舟放入液相外延系統(tǒng)，在680 °C下停留I小時(shí)，使InAsaitlSba9tl的原料溶化成生長(zhǎng)熔液，然后，使系統(tǒng)的溫度以1°C /分的降溫速率下降至生長(zhǎng)溫度510°C ; [0030]三、充填，通過(guò)推桿3推動(dòng)滑塊2，使原料井4位于襯底槽7上方，使InAsa lSbtl 9tl的生長(zhǎng)熔液與襯底接觸，再通過(guò)推桿3推動(dòng)滑塊2，使原料井4中的生長(zhǎng)熔液殘留部分在襯底的表面，并使原料井4與襯底槽7錯(cuò)開(kāi)，滑塊2尾部的壓塊完全蓋住襯底槽7 ；
[0031]四、熔體外延生長(zhǎng)，以0.50C /分鐘的降溫速率降溫10°C，使襯底槽7上殘留的InAsaitlSba9tl生長(zhǎng)熔液在滑塊2尾部的壓塊下降溫結(jié)晶，即可生長(zhǎng)出長(zhǎng)波銦砷銻材料。
【權(quán)利要求】
1.一種長(zhǎng)波銦砷銻材料，按以下化學(xué)式組成:InASl_xSbx，其特征在于組份X滿足以下條件:0.60 ≤X ≤0.90，外延層的厚度為40?200 iim。
2.一種制備上述長(zhǎng)波銦砷銻材料的專(zhuān)用滑動(dòng)舟，包括底板、滑塊、推桿、原料井、空井、井蓋、襯底槽，其特征在于原料井、空井設(shè)置在滑塊前部，原料井、空井為貫通的中空結(jié)構(gòu)，滑塊的尾部為平底的壓塊，原料井、空井上設(shè)置井蓋，滑塊后端連接推桿，滑塊放置在底板上并可以在底板上移動(dòng)，底板上設(shè)置有襯底槽，滑塊尾部的壓塊與底板接觸部分大于襯底槽橫截面。
3.一種長(zhǎng)波銦砷銻材料的生長(zhǎng)方法，主要包括以下步驟: 一、生長(zhǎng)準(zhǔn)備，把滑塊放置在底板上，打開(kāi)原料井的井蓋，然后將InASl_xSbx的原料放入原料井中，將襯底(基板)放入底板上的襯底槽內(nèi)，把空井放置在襯底槽的上方； 二、原料溶化，將滑動(dòng)舟放入液相外延系統(tǒng)，在680°C下停留I小時(shí)，使InASl_xSbx的原料溶化成生長(zhǎng)熔液，然后，使系統(tǒng)的溫度以1°C /分鐘的降溫速率下降至生長(zhǎng)溫度510°C ； 三、充填，通過(guò)推桿推動(dòng)滑塊，使原料井位于襯底槽上方，使InASl_xSbx的生長(zhǎng)熔液與襯底接觸，再通過(guò)推桿推動(dòng)滑塊，使原料井中的InASl_xSbx生長(zhǎng)熔液殘留部分在襯底的表面，并使原料井與襯底槽錯(cuò)開(kāi)，滑塊尾部的壓塊完全蓋住襯底槽； 四、熔體外延生長(zhǎng)，以0.5°C /分鐘的降溫速率降溫10°C，使襯底上殘留的長(zhǎng)熔液在滑塊尾部的壓塊下降溫結(jié)晶，即可生長(zhǎng)出長(zhǎng)波銦砷銻材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求 3所述一種長(zhǎng)波銦砷銻材料的生長(zhǎng)方法，其特征在于所述襯底材料為砷化銦(InAs)、砷化鎵(GaAs)、銻化鎵(GaSb)、磷化銦(InP)中的一種。
5.一種長(zhǎng)波銦砷銻材料的后處理過(guò)程，其特征在于生長(zhǎng)后的銦砷銻樣品通過(guò)使用三氧化二鋁(Al2O3)粉末研磨、拋光，即可獲得具有鏡面光滑、平整的表面的長(zhǎng)波銦砷銻材料。
【文檔編號(hào)】C30B29/52GK103436964SQ201310397546
【公開(kāi)日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月4日
【發(fā)明者】高玉竹 申請(qǐng)人:高玉竹