本发明公开了一种分子束外延生长短波红外AlInAsSb超晶格的优化方法，其步骤为：测定AlInAsSb中三族元素的源炉温度及相应的束流值，及其五族元素相应的束流值以及分子束外延生长的基准温度Tc，并定义五族元素与三族元素的束流值比值分别为Sb/Al和As/In；设定Sb/Al取值为固定值A，As/In取值为变量值x，通过对比不同x值的Xrd图谱分析确定As/In的最佳值xi；同样地，设定As/In取值为最佳值xi，Sb/Al取值为变量值y，通过对比不同y值的Xrd图谱分析确定Sb/Al的最佳值yi;根据基准温度Tc对AlInAsSb超晶格在GaSb衬底上的生长温度以15°C为步长进行调节，并根据AFM图谱的表面粗糙度确定其最佳生长温度。通过该优化方法可以得到材料质量良好的AlInAsSb材料，所述方法简单，高效。
1.分子束外延生长短波红外探测材料AlInAsSb超晶格的方法，其特征在于，包括以下步骤：A、首先测定生长AlInAsSb材料时三族元素Al、In的源炉温度及相应的束流值，五族元素As、Sb的束流值，以及分子束外延生长的基准温度Tc，并定义五族元素与三族元素的束流值比值分别为Sb/Al和As/In；
B、设定Sb/Al取值为固定值A，As/In取值为变量值x，通过对比不同x值时所制备的AlInAsSb材料的XRD图谱，分析确定As/In的最佳值xi；然后，设定As/In取值为最佳值xi，Sb/Al取值为变量值y，通过对比不同y值时所制备的AlInAsSb材料的XRD图谱，分析确定Sb/Al的最佳值yi;C、以Tc为基准温度，调整AlInAsSb超晶格在GaSb衬底上的生长温度，以15°C为步长进行变化，对所获得的AlInAsSb材料样品进行AFM测试，并根据AFM测得的均方根表面粗糙度确定其最佳生长温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A包括以下步骤：
A1、将GaSb衬底先后在进样室及缓冲室中进行除气；
A2、调整三族元素源炉温度，直到其束流值达到三族元素所需生长速度所对应的束流值；根据三族元素的束流值和生长材料所需的Sb/Al取值和As/In取值，计算出五族元素Sb和As所需要的束流值，进一步测出与其相对应的针阀值；
A3、将经过除气的GaSb衬底送入生长室，在锑气氛保护下升温至620°C并在该温度进行脱氧；
A4、将经过脱氧的GaSb衬底降温到540°C，并在该温度生长锑化镓缓冲层；
A5、待锑化镓缓冲层生长完毕后，将GaSb衬底温度继续降温，观察GaSb衬底表面的再构变化，待GaSb衬底表面的×3再构转变为×5再构并保持不变时，升高GaSb衬底温度直到GaSb衬底表面的×5再构重新转变为×3再构，将该温度定为GaSb衬底的再构转变温度即基准温度Tc。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤A5中，观察GaSb衬底表面的再构变化时，使用反射式高能电子衍射装置。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，编辑生长控制程序生长AlInAsSb超晶格材料，包括如下步骤：①生长高温锑化镓缓冲层，设置GaSb衬底温度为Tc+110°C，开Ga、Sb快门，其余快门关闭；
②将GaSb衬底温度降至材料设置的生长温度，生长AlSb势垒层，开Al、Sb快门，其余快门关闭；
③保持GaSb衬底温度不变，生长40个周期的AlInAsSb超晶格结构，材料生长顺序依次为：AlSb、AlAs、AlSb、Sb、In、InAs、In、Sb；
④保持GaSb衬底温度不变，生长AlSb势垒层，开Al、Sb快门，其余快门关闭；
⑤保持GaSb衬底温度不变，生长GaSb盖层，开Ga、Sb快门，其余快门关闭；
⑥打开Sb快门，在Sb气氛保护下直到衬底温度降至370℃时关闭Sb快门并继续降温，在此期间Sb快门一直打开，直到温度低于370℃，完成生长程序的编辑并运行。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，生长AlInAsSb超晶格材料时采用的生长速率分别为：InAs=0.4原子层/秒，AlSb=AlAs=0.4原子层/秒。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B中，AlInAsSb超晶格材料样品的XRD图谱通过高分辨X射线双晶衍射仪给出。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B中，最佳值xi和最佳值yi确定过程如下：通过对比AlInAsSb超晶格材料的XRD图谱衬底峰和超晶格零级卫星峰，两个峰最接近时的取值为最佳值。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B中，固定值A选自1-20之间任意取值。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B中，变量值x和变量值y的取值范围均为1-20。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C中，AlInAsSb超晶格样品的AFM图谱由原子力显微镜给出。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C中，GaSb衬底的生长温度取值范围在Tc±30℃。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C中，AlInAsSb超晶格材料的最佳生长温度为AlInAsSb超晶格材料的AFM图中均方根表面粗糙度最小时所对应的温度。
分子束外延生长AlInAsSb超晶格材料的方法
技术领域
[0001] 本发明公开了一种利用分子束外延技术生长短波红外探测材料AlInAsSb超晶格的优化方法，属于半导体材料领域。
背景技术
[0002] 如今，1至3微米波段的短波红外（SWIR）探测器在军民领域具有重要的应用前景，这些领域包括保密通讯、天文观测、气体分析、地球科学等。搭载SWIR成像的相机可得到比传统可见光相机更高分辨率的图像。此外，该波段成像可以进行被动和主动成像。因此，它在军事和民用领域有非常重要的应用价值。到目前为止，很多材料体系，如碲镉汞HgCdTe（MCT）和铟镓砷InxGa1-xAs，已经在这个波段内解决了很多问题。他们通过调节材料的组分使材料截止波长响应短波范围。然而，基于InxGa1-xAs红外探测器对截止波长的范围具有一些限制，当截止波长超过1.7μm时，由于晶格失配引起的缺陷使探测器的性能迅速下降。基于HgCdTe的红外探测器可以通过改变Cd的摩尔组分覆盖1-3μm范围。然而这种红外探测器材料生长工艺要求高，还需要复杂的器件制造工艺，材料的大面积均匀性差，使得该类器件的应用受到很大限制。
[0003] 相比之下，基于AlxIn1-xAsySb1-（y 以下称为AlInAsSb）的四元化合物红外探测器是一类很有潜力的光电器件，因为它可以通过调整x、y的值以达到与InP、InAs、GaSb等衬底相匹配。改变铝组分还可以将带隙从0.25 eV（0％的铝）调至1.18 eV（72％的铝），这对应于5至1.05μm的截止波长范围。
[0004] AlInAsSb材料具有许多优点，如材料无毒、生长工艺简单、制造成本低、带宽灵活可调，以及由于其具有很大的电子有效质量从而能有效抑制俄歇复合。该超晶格材料由InAs和AlSb交替生长组成，可显著降低GR暗电流、陷阱辅助和带间隧道暗电流，这将会提高材料的光电性能。但是AlInAsSb是一种四元合金材料，生长难度比三元材料大，所以本发明从优化材料的制备入手，着重解决高质量材料的生长问题。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种分子束外延技术生长短波红外探测材料AlInAsSb超晶格的优化方法。
[0006] 实现本发明的技术方案是：分子束外延生长AlInAsSb超晶格材料的优化方法，包括如下步骤：
[0007] A、首先测定生长AlInAsSb材料时三族元素Al、In的源炉温度及相应的束流值，及五族元素As、Sb的束流值以及分子束外延生长的基准温度，并定义五族元素与三族元素的束流值的比值（五三比值）分别为Sb/Al比值和As/In比值。
[0008] B、设定Sb/Al比值的取值为某一固定值A（A在1-20之间任意固定值），As/In比值的取值为变量值x（x取值在1-20之间变化），通过对比不同x值时所制备的AlInAsSb超晶格材料的XRD图谱，分析确定As/In的最佳值xi，然后，设定As/In的取值为最佳值xi，Sb/Al的取值为变量值y，通过对比不同y值时所制备的AlInAsSb超晶格材料的XRD图谱，分析确定Sb/Al的最佳值yi。
[0009] C、以Tc为基准温度，调整AlInAsSb超晶格在GaSb衬底上的生长温度，以15°C为步长进行变化，对所获得的AlInAsSb样品进行AFM测试，并根据AFM测得的均方根表面粗糙度确定其最佳生长温度，即根据基准温度对GaSb衬底的生长温度以15°C为步长进行调节，根据AFM图谱的均方根表面粗糙度确定AlInAsSb超晶格在GaSb衬底上的最佳生长温度。
[0010] 进一步的，步骤A包括以下步骤：
[0011] A1、将锑化镓衬底先后在进样室及缓冲室中进行除气；
[0012] A2、调整三族元素源炉的tip/base温度值（即源炉温度），直到其束流值达到三族元素所需生长速度所对应的束流值；根据三族元素的束流值和生长材料所需的Sb/Al和As/In比值，计算出五族元素Sb和As所需要的束流值，进一步测出与其相对应的针阀值；
[0013] A3、将经过除气的GaSb衬底送入生长室，在锑气氛保护下升温至620°C，并在该温度进行脱氧；
[0014] A4、将经过脱氧的GaSb衬底降温至540°C，并在该温度生长锑化镓缓冲层；
[0015] A5、待锑化镓缓冲层生长完毕后，将GaSb衬底继续降温，观察锑化镓表面的再构变化，待GaSb衬底表面的×3再构转变为×5再构并保持不变后，升高GaSb衬底温度直到GaSb衬底表面的×5再构重新转变为×3再构时，将该温度定为GaSb衬底的再构转变温度，并将其作为基准温度Tc。
[0016] 更进一步的，步骤A5中，观察锑化镓表面的再构变化时，使用反射式高能电子衍射装置。
[0017] 进一步的，在计算机上编辑AlInAsSb超晶格材料的生长控制程序，包括如下步骤：
[0018] ①生长高温锑化镓缓冲层，设置GaSb衬底温度为Tc+110°C，开Ga、Sb快门，其余快门关闭；
[0019] ②将GaSb衬底温度降至AlInAsSb材料设置的生长温度，生长AlSb势垒层，开Al、Sb快门，其余快门关闭；
[0020] ③保持GaSb衬底温度不变，生长40个周期的AlInAsSb超晶格结构，生长顺序依次为：AlSb、AlAs、AlSb、Sb、In、InAs、In、Sb；
[0021] ④保持GaSb衬底温度不变，生长AlSb势垒层，开Al、Sb快门，其余快门关闭；
[0022] ⑤保持GaSb衬底温度不变，生长GaSb盖层，开Ga、Sb快门，其余快门关闭；
[0023] ⑥打开Sb快门，在Sb气氛保护下直到衬底温度降至370℃时关闭Sb快门，在降温期间Sb快门一直打开，直到温度低于370℃，完成生长程序的编辑并运行。
[0024] 进一步的，生长AlInAsSb超晶格时采用的生长速度分别为：InAs=0.4ML/s（原子层/秒），AlSb=AlAs=0.4ML/s（原子层/秒）。
[0025] 进一步的，步骤B中，XRD图谱通过高分辨X射线双晶衍射仪给出。
[0026] 进一步的，步骤B中，最佳值xi和最佳值yi通过对比XRD图谱衬底峰和超晶格零级卫星峰，两个峰最接近时的取值即为最佳值。
[0027] 进一步的，步骤C中，AFM图谱由原子力显微镜给出。
[0028] 进一步的，步骤C中，GaSb衬底的生长温度取值范围在Tc±30°C。
[0029] 进一步的，步骤C中，对比几个生长温度不同的材料的AFM图谱，其中，均方根表面粗糙度最小的AFM图谱所对应的材料的生长温度即为AlInAsSb材料的最佳生长温度。
[0030] 与现有技术相比，本发明的优点是：本发明系统地提供了AlInAsSb材料的优化生长方法，可以通过该优化方法得到材料质量良好的AlInAsSb材料，为下一步制作AlInAsSb红外探测器打下了基础。
附图说明
[0031] 图1为改变As/In值时制备的AlInAsSb材料的XRD图谱。
[0032] 图2为改变Sb/Al值时制备的AlInAsSb材料的XRD图谱。
[0033] 图3为在不同温度生长的AlInAsSb材料的AFM表面形貌图。
[0034] 图4为利用优化好的条件生长的AlInAsSb的XRD及AFM图谱。
具体实施方式
[0035] 在本实施例中，提供了一种短波AlInAsSb超晶格材料的优化生长方法。材料优化生长方法所采用的结构从下到上依次为：GaSb衬底、200nm厚的GaSb缓冲层、30nm的AlSb势垒层、40个周期的AlInAsSb超晶格、30nm的AlSb势垒层和20nm的GaSb盖层。其中，超晶格上下的AlSb层是为了限制载流子的移动，以便更好地进行PL谱测试所用。本方法采用合金技术制备AlInAsSb超晶格材料，快门顺序依次为：AlSb、AlAs、AlSb、Sb、In、InAs、In、Sb（该界面顺序为已经优化的顺序）。本发明的优化方法包括以下具体步骤：
[0036] （1）衬底预除气：将2英寸双面抛光的GaSb衬底放入intro腔，待真空度降低至1.6×10-6 Torr时，升高intro腔温度至200℃并保持一小时，升温过程中真空度需要≤1.6×10-6Torr。待真空度降至5.0×10-8 Torr时，衬底在intro腔的除气结束。将在intro腔经过除气的衬底转运至buffer腔的除气托盘上，升温至420℃，并保持1小时，待真空度降至5.0×10-8 Torr以下时，buffer腔的除气结束。
[0037] （2）经过在生长室外面两次预除气，一次生长室除气，衬底表面还有一些缺陷，如果此时直接外延异质材料，会产生大量缺陷，所以需要外延生长200nm厚的GaSb缓冲层。
[0038] （3）测定源炉温度及束流：生长过程中使用的GaSb缓冲层、AlSb与InAs的生长速率分别为0.5ML/s、0.4ML/s与0.4ML/s（根据前期实验的数据所确定）。调整Ga、Al、In源炉的温度，使Ga、Al与In的束流值分别为9.47×10-8 Torr、1.80×10-7 Torr与3.84×10-7 Torr，对应的Ga 源炉温度为tip/base=1079/909℃，Al源炉温度为tip/base=1077/1127℃，In源炉温度为tip/base=949/799℃。生长高温GaSb缓冲层所需的Sb束流由Sb/Ga=13.1确定，调整Sb针阀值使Sb束流达到1.24×10-6 Torr满足高温GaSb的生长要求，对应的Sb针阀值为242。其中生长AlInAsSb超晶格结构的所需的As和Sb束流值满足以下关系As/In=6，Sb/Al=6，调-6 -6
整As针阀值与Sb针阀值，使As束流值与Sb束流值分别达到2.31×10 Torr与1.08×10 Torr，对应的As针阀值与Sb针阀值分别为231与210。
[0039] （4）衬底脱氧：将经过预除气的衬底传送至growth腔的衬底托盘，升高衬底温度至620℃并打开衬底托盘旋转（10转/分钟），当衬底温度达到400℃时，调大Sb针阀值至242，并打开Sb开门。当衬底温度达到620℃时，保持衬底温度不变并保持40分钟，完成脱氧。
[0040] （5）生长缓冲层：将完成脱氧的GaSb衬底降温至540℃。打开反射式高能电子衍射仪(RHEED)，调整入射电流至1.4A。当GaSb衬底温度稳定在540℃后在该温度生长厚度为30nm的GaSb缓冲层，之后停止衬底旋转。
[0041] （6）GaSb衬底表面再构温度的确定：调整衬底角度使GaSb衬底表面的×3再构清晰可见，将GaSb衬底温度降至450℃，之后调整变温速率至10℃/min，继续降低衬底温度至420℃，使GaSb衬底表面出现×5再构并保持不变,调整GaSb衬底变温速率至5℃/min，将衬底升温至重新出现×3再构，并记下GaSb衬底从×5再构转变为×3再构时的衬底温度435℃，作为外延生长的基准温度Tc。
[0042] （7）将GaSb衬底温度升高至Tc+110=545℃，等待外延生长。
[0043] （8）编辑并运行生长程序，具体步骤包括：
[0044] ①生长200nm的高温GaSb缓冲层，GaSb衬底温度为Tc+110=545℃，Ga炉温度为1079/909℃，Sb针阀值为242，As针阀值为20。开Ga、Sb快门，其余快门关闭；
[0045] ②设置GaSb衬底温度为Tc=435℃，Sb针阀值为210，As针阀值为20。开Sb快门，其余快门关闭；
[0046] ③保持GaSb衬底温度不变，生长30nm的AlSb层，GaSb衬底温度为Tc=435℃，Al炉温度为1077/1127℃，Sb针阀值为210，As针阀值为20。开Al、Sb快门，其余快门关闭；
[0047] ④保持GaSb衬底温度不变，生长40个周期的AlInAsSb超晶格结构，界面顺序依次为：AlSb、AlAs、AlSb、Sb、In、InAs、In、Sb，设置GaSb衬底温度为Tc=435℃，In炉温度为949/799℃，Sb针阀值为210，As针阀值为231。按界面顺序依次开Al、In、As、Sb快门，其余快门关闭；
[0048] ⑤保持GaSb衬底温度不变，生长30nm的AlSb层，衬底温度为Tc=435℃，Al炉温度为1077/1127℃，Sb针阀值为210，As针阀值为20。开Al、Sb快门，其余快门关闭；
[0049] ⑥保持GaSb衬底温度不变，生长厚度为20nm的GaSb盖层。设置GaSb衬底温度为Tc=435℃，Ga炉温度为1079/909℃，Sb针阀值为210。开Ga、Sb快门，其余快门关闭；
[0050] ⑦打开Sb气氛保护直到衬底温度降至400℃时关闭Sb保护并继续降温。设置GaSb衬底温度为Tc=200℃，Sb针阀值为210。开Sb快门，其余快门关闭；完成生长程序的编辑；
[0051] ⑧运行程序。
[0052] （9）把（2）中的“As/In=6，Sb/Al=6”分别更改为“As/In=4，Sb/Al=5”，“As/In=6，Sb/Al=5”，“As/In=8，Sb/Al=5”，“As/In=6，Sb/Al=4”， “As/In=6，Sb/Al=8”，（7）中的生长温度保持不变，分别生长出五个样品，其对应的XRD图谱如图1、2所示，从图1中可以看出，“As/In=6，Sb/Al=5”所对应的XRD图谱，晶格失配最小。所以选取的最佳五三比值为As/In=6；从图2中可以看出，“As/In=6，Sb/Al=6”对应的XRD图谱，晶格失配达到了零，所以选取材料生长的最佳五三比值为As/In=6，Sb/Al=6。
[0053] （10）将（8）中的生长温度分别改为Tc-15℃，Tc+15℃和Tc+30℃，（2）中的“As/In=6，Sb/Al=6”保持不变，分别生长出四个样品，其对应的AFM图谱如图三所示。从图3可以看出，四个温度，只有Tc温度时，RMS最小，这表明此温度生长的材料表面形貌达到了最好，所以我们选用此温度为AlInAsSb材料的最佳生长温度。
[0054] （11）最后，我们得到材料质量良好的AlInAsSb材料。其XRD和AFM图谱如图4所示。
[0055] 至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述，依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的了解。
