生長用于紅外光檢測器的異質結構的方法
【專利摘要】本發明涉及用于通過分子束外延（MBE）生長具有多個量子阱的半導體異質結構的技術，所述技術可用于制造基于靈敏性在深紅外范圍（8-12μm）內的光接收矩陣的設備。該方法采用分子束外延、通過在真空中加熱襯底并交替地將試劑流饋送到量子阱以及量子勢壘中并且還將摻雜劑（Si）饋送到量子阱中，來生長包括襯底以及覆蓋的半導體層（即接觸層以及形成包含多個量子阱以及量子勢壘的活性區的層）的紅外光檢測器異質結構，其中試劑Ga和As被饋送到量子阱中并且Al、Ga以及As被饋送到量子勢壘中，附加地Al被饋送到量子阱中，饋送量在量子阱中提供0.02-0.10摩爾分數。在形成活性區的層的生長過程中，襯底溫度被保持在700-750℃范圍內，并且量子阱的摻雜度被保持在(2-5)x1017cm-3的范圍內。這減少了晶體缺陷的數量，從而提高了靈敏性（信噪比）以及檢測率（光檢測器的最小可檢測信號）。
【專利說明】生長用于紅外光檢測器的異質結構的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于通過分子束外延(MBE)生長具有多個量子阱的半導體異質結構的技術，該技術可用于制造基于在深紅外范圍(8-12 μ m)上具靈敏性的光接收矩陣的設備。通過在載流子在由交替的量子阱(具有較小帶隙寬度的材料)和量子勢壘(具有較大帶隙寬度的材料)對所組成的異質結構的活性區分區之間間接躍遷過程中吸收能量，可以在低溫(低于77° K)下提供所述光譜范圍上的光敏性。在生長這樣的異質結構的過程中，必須解決幾個互相關聯的問題:
[0002]-在單個量子阱中的吸收絕對值相對較低，因此在異質結構活性區內使用了數十(從20至50)對量子阱和量子勢壘，這些量子阱和量子勢壘的化學成分和厚度必須盡可能保持精確，以確保所需的光譜靈敏性。
[0003]-為了提高吸收效率，量子阱經常被調制摻雜(例如，用施主雜質一Si)直到達到高濃度(特別地，使用所謂的德爾塔摻雜)，然而必須考慮表面偏析(segregation)的影響，這會導致不均勻的雜質濃度，在高生長溫度下最為突出。
[0004]-為了確保活性區中所保持的層成分和厚度的精確以及其間異質邊界的尖銳，優選地是降低生長溫度，然而這將導致在層材料中形成的晶體缺陷(移位以及深雜質，主要是氧)的數量增多，這會構成復合中心(DX中心)，降低量子阱中的吸收效率。
[0005]-增加量子阱中摻雜劑的濃度會提高活性區的靈敏性，然而它也會導致光檢測器的“暗電流”增加，結果需要降低工作溫度。
【背景技術】
[0006]在一種用于生長紅外光檢測器異質結構的已知方法中，該異質結構包括襯底以及上面覆蓋的半導體層，即接觸層以及形成包含50個GaAs量子阱以及AlGaAs量子勢壘的活性區的層。該量子阱被Si摻雜，摻雜度為3.3X1018cm_3。襯底溫度被保持在690°C，見D.K.Sengupta 等人發表在 Journal of Electronic Materials (美國)的 1998 年第 27 卷、第7期、858859頁的“GaAs-on_Si襯底上η型GaAs/AlGaAs量子阱紅外光檢測器的生長和特性(Growth and Characterization of n-Type GaAs/AlGaAs Quantum Well InfraredPhotodetector on GaAs-on-Si Substrate)”(附復印件)。由于 GaAs 在溫度 690°C下的熱不穩定性，所述方法不能確保異質邊界的尖銳。此外，在高摻雜度并在該溫度下，由于Si原子的表面偏析，不能確保量子阱的摻雜均勻性。這導致光檢測器光譜靈敏性的降低以及暗電流的增加。
[0007]在另一種用于生長紅外光檢測器異質結構的已知方法中，該異質結構包括襯底以及覆蓋的半導體層，半導體層形成包含多個硅摻雜量子阱以及多個量子勢壘的活性區。所述方法采用MBE，通過在真空中在580°C加熱襯底來實施，其中試劑Ga及As被饋送到量子阱中，并且Al、Ga及As被饋送到量子勢壘中。量子阱的Si摻雜度為I X 1018cm_3，見K.L.Tsai等人發表在Journal of Applied Physics的1994年7月I日第76卷第I期274-277頁上的“氧對GaAs/AlGaAs量子講紅外光檢測器性能的影響(Influence of oxygen on theperformance of GaAs/AlGaAs quantum well infrared photodetectors)，，(附復印件X
[0008]該技術方案已被視為本發明的原型。在該方法中過程溫度相對于上述類似方法被降低，以防止GaAs的熱不穩定性并確保異質邊界的尖銳，然而過程的低溫導致了晶體缺陷(移位以及深雜質，例如氧)的數量增加，構成復合中心(DX中心)，復合中心降低量子阱中的吸收效率并且相應地，降低紅外檢測器的靈敏性以及檢測率。

【發明內容】

[0009]本發明的一個目的是減少晶體缺陷的數量并從而提高靈敏性(信噪比)以及檢測率(光檢測器的最小可檢測信號)。
[0010]根據本發明，一種方法采用分子束外延通過在真空中加熱襯底并交替將試劑流饋送到量子阱以及量子勢壘中以及將摻雜劑(Si)饋送到量子阱中，來生長包括襯底以及覆蓋的半導體層(即接觸層以及形成包含多個量子阱和量子勢壘的活性區層)的紅外光檢測器異質結構，其中試劑Ga和As被饋送到量子阱中并且Al、Ga以及As被饋送到量子勢壘中，此外Al被饋送到量子阱中，饋送量在量子阱中提供0.02-0.10摩爾分數。在這些形成活性區的層的生長過程中，襯底溫度被保持在700-750°C范圍內，并且量子阱的摻雜度被保持在(2-5) XlO17CnT3 的范圍內。
[0011]該申請尚未找到任何包含關于與本發明相同技術方案的數據的信息源，這可以推斷本發明符合“新穎性”(N)標準。
[0012]本發明特征的實施為要求保護的方法提供了重要的新特性:確保異質邊界的尖銳，而且同時降低晶體缺陷的數量。將Al饋送到量子阱中，饋送量在量子阱中提供0.02-0.10摩爾分數，這提高了量子阱材料的熱穩定性，并且防止即使在相對高溫(700-750°C)下異質邊界尖銳的降低，在該溫度下晶體缺陷的數量大幅下降。由于在700°C以上的溫度下可忽略雜質(氧原子)的吸收的事實，選擇700°C作為下限，而由于不提供任何額外效果，將溫度提高到750°C以上并不理想。另外由于摻雜度被降到(2-5) X IO17CnT3 (它實際上比原型中少一個數量級)，Si原子的表面偏析也被減少，這降低了雜質濃度的不均勻性。
[0013]由于當過程溫度被提高到700-750°C時，缺陷數量減少并且相應地，異質結構活性區靈敏性提高，這補償了摻雜度所造成的靈敏性降低，因此將摻雜度減少到上述值成為可倉泛。
[0014]根據 申請人:的看法，上述本發明的新特性可以推斷出本發明符合“創造性”(IS)標準。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]參考示出MBE裝置圖的附圖，以示例的方式進一步解釋本發明。
優選實施例
[0016]用于生長異質結構的晶體襯底2被放置在真空室I中。具有液氮的低溫板3被用于在過程中維持高真空。對襯底2的操控和加熱依靠操控器4完成。原子束形式的III族金屬(Al、Ga)及摻雜劑(S1、Mg)源試劑從蒸發器5被饋送到襯底2，并且As (砷)通過具有裂解器的源6來饋送。
[0017]首先襯底2被加熱至580-600°C的溫度，以依靠其熱分解去除原生氧化物。之后來自源6的As流以及來自蒸發器5的Ga和Si原子流被同時饋送到襯底2的已加熱表面，以按所需的厚度和載流子濃度生長下接觸層。之后在短時間段內同時完成下述動作:襯底的溫度被加熱到700-750°C范圍內的溫度，Si原子流被切斷并且Al原子流被饋送到襯底以生長第一勢壘層。得到所需的勢壘層厚度后，Al原子流被切斷以使鋁的摩爾分數在0.02-0.10的范圍內并且Si原子流被打開，提供在(2-5) X IO17CnT3范圍內的量子阱摻雜度。在該模式下生長所需的量子阱厚度，此時裝置被切換回勢壘層生長模式。該“量子阱/勢壘”對的生長循環被重復所需次數，之后Al原子流被關閉，并且生長GaAs上接觸層。
[0018]從而，根據本發明方法生長的紅外光檢測器異質結構在勢壘層中具有明顯降低的深復合中心濃度，并且在確保異質邊界的尖銳時，相應地，具有高入射輻射轉換效率。
[0019]工業實用性
[0020]本方法可以依靠已知設備和材料實施。根據 申請人:的看法，這可以推斷出本發明符合“工業實用性”(IA)標準。
【權利要求】
1.一種用于生長紅外光檢測器異質結構的方法，所述異質結構包括襯底以及覆蓋的半導體層，即接觸層以及形成包含多個量子阱以及量子勢壘的活性區的層，所述方法采用分子束外延，并通過在真空中加熱襯底并交替地將試劑流饋送到量子阱以及量子勢壘中以及將摻雜劑(Si)饋送到量子阱中來生長所述異質結構，其中試劑Ga和As被饋送到量子阱中并且Al、Ga以及As被饋送到量子勢壘中，其特征在于，附加地將Al饋送到量子阱中，饋送量在量子阱中提供0.02-0.10摩爾分數，在形成活性區的層的生長過程中，襯底溫度被保持在700-750°C范圍內，并且量子阱的摻雜度被保持在(2-5)XlO17cnT3的范圍內。
【文檔編號】H01L21/205GK103959441SQ201280047193
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年7月27日 優先權日:2011年7月28日
【發明者】D·M·科拉索維特斯基, V·P·查爾里, N·I·卡特賽弗茨, A·L·達丁 申請人:"斯韋特蘭娜-羅斯特"股份公司