[0001] 本发明属于半导体薄膜材料领域，特别是涉及一种基于大过冲快速递变的铟镓砷材料结构及其制备方法。

[0002] 铟镓砷(InGaAs)材料具备较好的光学和电学性质，是一种优良的短波红外光电探测材料。基于铟镓砷材料制备的焦平面探测器，是短波红外探测领域理想选择之一。目前市面上常见的铟镓砷材料是与磷化铟衬底晶格匹配的铟镓砷材料，其截止波长为1.7微米，主要是通过分子束外延技术或金属有机化学气相沉积技术外延制备的。然而，以国家对温室气体精确监测的重大需求为例，CO2作为最重要的温室气体之一，其主要的两个透过率光谱分别位于1.6微米(弱吸收带)和2.06微米(强吸收带)，这两个波段配合完成高精度反演，可以进行高精度定量化的自上而下碳监测。基于截止波长为1.7微米的铟镓砷材料制备的探测器不足以实现CO2强吸收带的特征峰探测，因此需要通过增加铟镓砷材料中的铟组分来实现波长拓展。

[0003] 随着铟镓砷材料中的铟组分增加，与磷化铟衬底之间的失配也逐渐增大，导致材料内部存在失配应力。随着外延生长过程进行，这些失配应力将以晶圆翘曲或位错缺陷的形式释放，这将分别导致光刻对准难度增加、倒焊互联成品率降低、器件暗电流增加、盲元率增大等不良影响，限制了铟镓砷短波红外焦平面探测器向更大规模、更高性能的方向发展。目前主要通过在磷化铟衬底与波长拓展铟镓砷外延材料之间插入缓冲层来实现应力调节和缺陷抑制，从而获得高质量波长拓展铟镓砷材料外延生长。而本专利正是提供了一种基于大过冲快速递变缓冲层的高质量波长拓展铟镓砷材料结构及其制备方法。

[0042] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，该实施例仅用于说明本发明而不用于限定本发明的范围。应当指出的是，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

[0043] 实施例1

[0044] 本实施例的目的是以实现截止波长约为1800nm的高质量延伸波长In0.57Ga0.43As焦平面探测器材料的有效制备。本实施例所展示的包含本发明的大过冲快速递变的铟镓砷材料结构是一种常见的背照射台面型PIN结构，自上而下依次包括以下材料：

[0045] 1.P型In0.57Al0.43As固定组分接触层，掺Be，厚度为1000nm，掺杂浓度为5×1018cm‑3；

[0046] 2.N型In0.57Ga0.43As固定组分吸收层，掺Si，厚度1600nm，掺杂浓度为5×1016cm‑3；

[0047] 3.N型In0.57Al0.43As固定组分缓冲层，掺Si，厚度1000nm，掺杂浓度为5×1018cm‑3；

[0048] 4.N型In0.64Al0.36As固定组分弛豫层，掺Si，厚度110nm，掺杂浓度为5×1016cm‑3；

[0049] 5.N型InzAl1‑zAs大过冲快速递变线性缓冲层，组分z由0.52线性递变至0.64，组分16 ‑3
递变速率为0.4/h，掺Si，厚度500nm，掺杂浓度为5×10 cm ；

[0050] 6.N型In0.52Al0.48As晶格匹配缓冲层，掺Si，厚度200nm，掺杂浓度为5×1016cm‑3；

[0051] 7.N型InP同质缓冲层，掺Si，厚度40nm，掺杂浓度为5×1016cm‑3。

[0052] 本实施例采用分子束外延技术生长，生长过程如下：

[0053] 通过预实验确定在掺Fe的半绝缘InP(001)上以约1μm/h的生长速率生长InP、In0.52Al0.48As、InzAl1‑zAs组分z由0.52线性递变至0.64、In0.64Al0.36As、In0.57Al0.43As和In0.57Ga0.43As，校准各束源炉温度、同时校准各层生长温度、V/III比等条件，确定InzAl1‑zAs组分z由0.52线性递变至0.64的In炉和Al炉所变温度和升降温速率，确定N型掺杂浓度为516 ‑3 18 ‑3 18 ‑3
×10 cm 和5×10 cm 的Si束源炉温度，确定P型掺杂浓度为5×10 cm 的Be束源炉温度；

[0054] 将一片掺Fe的半绝缘InP(001)衬底放入分子束外延设备预处理室加热器上，设定加热温度为300℃，到达设定温度后，维持40min，进行衬底预处理；

[0055] 将预处理后的半绝缘InP(001)衬底传入生长室，设定样品架温度为300℃，到达设‑7定温度后，立即开启As束流，此时生长真空为3×10 Torr，继续升温至650℃，可见清晰明亮的4×2构条纹，放置10min，充分脱氧后依次生长上述材料7至材料1，每层材料种类、厚度和浓度均如上所述；

[0056] InP同质缓冲层的生长温度为530℃，In0.52Al0.48As晶格匹配缓冲层的生长温度为570℃，InzAl1‑zAs大过冲快速递变线性缓冲层和In0.64Al0.36As固定组分弛豫层的生长温度为560℃，In0.57Al0.43As固定组分缓冲层的生长温度为550℃，In0.57Ga0.43As固定组分吸收层和In0.57Al0.43As固定组分接触层的生长温度为540℃；

[0057] 外延生长完成后，在As气氛保护下将样品架降至300℃，温度达到300℃后关闭As‑9束流，继续降温至室温，待生长室真空＜1×10 Torr后，取出外延材料。

[0058] 实施例2

[0059] 本实施例的目的是以实现截止波长约为2300nm的高质量延伸波长In0.77Ga0.23As焦平面探测器材料的有效制备。本实施例所展示的包含本发明的大过冲快速递变的铟镓砷材料结构是一种常见的背照射平面型NIN结构，自上而下依次包括以下材料：

[0060] 1.N型In0.77Al0.23As固定组分接触层，掺Si，厚度为600nm，掺杂浓度为1×1016cm‑3；

[0061] 2.N型In0.77Ga0.23As固定组分吸收层，掺Si，厚度2500nm，掺杂浓度为1×1015cm‑3；

[0062] 3.N型In0.77Al0.23As固定组分缓冲层，掺Si，厚度200nm，掺杂浓度为5×1017cm‑3；

[0063] 4.非故意掺杂InzAl1‑zAs大过冲快速递变线性缓冲层，组分z由0.52线性递变至14 ‑3
0.85，组分递变速率为0.5/h，厚度1000nm，浓度为8×10 cm ；

[0064] 5.非故意掺杂In0.52Al0.48As晶格匹配缓冲层，厚度400nm，浓度为8×1014cm‑3；

[0065] 6.非故意掺杂InP同质缓冲层，厚度200nm，浓度为8×1014cm‑3。

[0066] 本实施例采用分子束外延技术生长，生长过程如下：

[0067] 通过预实验确定在掺Fe的半绝缘InP(001)上以约1μm/h的生长速率生长InP、In0.52Al0.48As、InzAl1‑zAs组分z由0.52线性递变至0.85、In0.77Al0.23As和In0.77Ga0.23As，校准各束源炉温度、同时校准各层生长温度、V/III比等条件，确定InzAl1‑zAs组分z由0.52线性15 ‑3
递变至0.85的In炉和Al炉所变温度和升降温速率，确定N型掺杂浓度为1×10 cm 和3×
16 ‑3
10 cm 的Si束源炉温度；

[0068] 将一片掺Fe的半绝缘InP(001)衬底放入分子束外延设备预处理室加热器上，设定加热温度为400℃，到达设定温度后，维持20min，进行衬底预处理；

[0069] 将预处理后的半绝缘InP(001)衬底传入生长室，设定样品架温度为300℃，到达设‑8定温度后，立即开启P束流，此时生长真空为8×10 Torr，继续升温至600℃，可见清晰明亮的4×2构条纹，放置5min，充分脱氧后依次生长上述材料6至材料1，每层材料种类、厚度和浓度均如上所述；

[0070] InP同质缓冲层的生长温度为550℃，In0.52Al0.48As晶格匹配缓冲层的生长温度为610℃，InzAl1‑zAs大过冲快速递变线性缓冲层的生长温度为600℃，In0.77Al0.23As固定组分缓冲层的生长温度为580℃，In0.77Ga0.23As固定组分吸收层和In0.77Al0.23As固定组分接触层的生长温度为570℃；

[0071] 外延生长完成后，在As气氛保护下将样品架降至300℃，温度达到300℃后关闭As‑9束流，继续降温至室温，待生长室真空＜1×10 Torr后，取出外延材料。

[0072] 图2为现有技术生长的截止波长为2300nm的延伸波长铟镓砷焦平面探测器材料的少子寿命测试及拟合结果。

[0073] 图中红线为指数拟合结果，插图表格为对应的拟合参数，拟合得到的少子寿命为85.04ns。

[0074] 图3为采用本发明的一种基于大过冲快速递变的铟镓砷材料结构生长的截止波长为2300nm的延伸波长铟镓砷焦平面探测器材料的少子寿命测试及拟合结果。

[0075] 图中红线为指数拟合结果，插图表格为对应的拟合参数，拟合得到的少子寿命为329.9ns。

[0076] 对比图2和图3少子寿命测试拟合结果可知，本发明的一种基于大过冲快速递变的铟镓砷材料结构可以显著提高截止波长为2300nm的延伸波长铟镓砷焦平面探测器材料的少子寿命，有利于获得更高的器件量子效率。

[0077] 图4为现有技术生长的截止波长为2300nm的延伸波长铟镓砷焦平面探测器材料的晶圆翘曲测试及伪3D作图结果。

[0078] 图5为采用本发明的一种基于大过冲快速递变的铟镓砷材料结构生长的截止波长为2300nm的延伸波长铟镓砷焦平面探测器材料的晶圆翘曲测试及伪3D作图结果。

[0079] 图中PV值为计算获得的峰值高度与谷值高度之间的差值，可以反映晶圆的翘曲度。对比图4和图5中的PV值结果可知，本发明的一种基于大过冲快速递变的铟镓砷材料结构可以显著优化截止波长为2300nm的延伸波长铟镓砷焦平面探测器材料的晶圆翘曲，有利于获得更大规模的延伸波长铟镓砷焦平面探测器制备。

[0080] 实施例3

[0081] 本实施例的目的是以实现截止波长约为2600nm的高质量延伸波长In0.85Ga0.15As焦平面探测器材料的有效制备。本实施例所展示的包含本发明的大过冲快速递变的铟镓砷材料结构是一种常见的背照射平面型NIN结构，自上而下依次包括以下材料：

[0082] 1.N型In0.85Al0.15As固定组分接触层，掺Si，厚度为600nm，掺杂浓度为5×1016cm‑3；

[0083] 2.N型In0.85Ga0.15As固定组分吸收层，掺Si，厚度2000nm，掺杂浓度为5×1015cm‑3；

[0084] 3.N型In0.85Al0.15As固定组分缓冲层，掺Si，厚度500nm，掺杂浓度为8×1017cm‑3；

[0085] 4.N型InAs固定组分弛豫层，掺Si，厚度50nm，掺杂浓度为1×1015cm‑3；

[0086] 5.N型InzAl1‑zAs大过冲快速递变线性缓冲层，组分z由0.52线性递变至1，组分递15 ‑3
变速率为0.6/h，掺Si，厚度300nm，浓度为1×10 cm ；

[0087] 6.N型In0.52Al0.48As晶格匹配缓冲层，掺Si，厚度300nm，浓度为1×1015cm‑3；

[0088] 7.N型InP同质缓冲层，掺Si，厚度100nm，浓度为1×1015cm‑3。

[0089] 本实施例采用分子束外延技术生长，生长过程如下：

[0090] 通过预实验确定在掺Fe的半绝缘InP(001)上以约1μm/h的生长速率生长InP、In0.52Al0.48As、InAs、In0.85Al0.15As和In0.85Ga0.15As，校准各束源炉温度、同时校准各层生长温度、V/III比等条件，确定InzAl1‑zAs组分z由0.52线性递变至1的In炉和Al炉所变温度和15 ‑3 15 ‑3 16 ‑3 17 ‑3
升降温速率，确定N型掺杂浓度为1×10 cm 、5×10 cm 、5×10 cm 和8×10 cm 的Si束源炉温度；

[0091] 将一片掺Fe的半绝缘InP(001)衬底放入分子束外延设备预处理室加热器上，设定加热温度为400℃，到达设定温度后，维持20min，进行衬底预处理；

[0092] 将预处理后的半绝缘InP(001)衬底传入生长室，设定样品架温度为300℃，到达设‑8定温度后，立即开启P束流，此时生长真空为8×10 Torr，继续升温至600℃，可见清晰明亮的4×2构条纹，放置5min，充分脱氧后依次生长上述材料6至材料1，每层材料种类、厚度和浓度均如上所述；

[0093] InP同质缓冲层的生长温度为540℃，In0.52Al0.48As晶格匹配缓冲层的生长温度为600℃，InzAl1‑zAs大过冲快速递变线性缓冲层和InAs固定组分弛豫层的生长温度为580℃，In0.85Al0.23As固定组分缓冲层的生长温度为560℃，In0.77Ga0.23As固定组分吸收层和In0.77Al0.23As固定组分接触层的生长温度为550℃；

[0094] 外延生长完成后，在As气氛保护下将样品架降至300℃，温度达到300℃后关闭As‑9束流，继续降温至室温，待生长室真空＜1×10 Torr后，取出外延材料。