一种基于分子束外延的硅掺杂镓甚长波红外探测材料制备方法

本发明涉及半导体材料制备领域，具体涉及一种基于分子束外延的硅掺杂镓甚长波红外探测材料制备方法。

背景技术：

1、硅掺镓甚长波红外阻挡杂质带(blocked impurityband,bib)是一种典型的非本征硅基半导体材料，其中吸收波长可以达到5-20μm，其波长是实现低温目标探测的重要技术手段，在低温红外目标探测以及深空探测扮演重要角色。硅掺镓bib是实现甚长波红外探测的核心。目前常见bib的制备方法有：

2、化学气相沉积法(cvd)。cvd是国内外实现硅基甚长波红外探测器的主流方法。如通过硅烷和三乙基镓的化学反应，实现高掺杂的阻挡杂质带吸收层和本征阻挡层。但是cvd的缺点为在高温下反应，从而会引起高浓度区的掺杂原子向低浓度区扩散，导致器件界面层变宽，引入杂质缺陷，从而使器件暗电流和噪声增加。

3、分子束外延方法(mbe)。通过掺杂元素束源炉热蒸发和硅的电子束源蒸发，调节衬底温度最终获得具备阻挡杂质带晶圆。但受限于硅的电子束源炉的容量以及在腔体的记忆效应作用。阻挡层外延存在掺杂浓度高的现象，导致器件无法成为阻挡杂质带结构而更像光导型器件结构。

4、离子注入方法。离子注入通常用于平面阻挡杂质带的制备。ning dai课题组通过离子注入形成平面的高掺杂吸收层，这种方法存在吸收层纵向深度浅以及纵向浓度分布不均匀，量子效率无法提高的缺点。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于分子束外延的硅掺杂镓甚长波红外探测材料制备方法，基于分子束外延技术，在分子束外延系统外延生长时，以纯硅块(电阻率＞10000ω·cm)为外延硅源材料，以镓源(7n)为掺杂源材料。将表面离子注入的4英寸的(100)高阻硅衬底或者低阻硅衬底放入生长腔中。通过晶振(qcm)和电子碰撞发射光谱(eies)互联，调控电子束蒸发源的电流电压和镓蒸发源的温度，最后在外延过程中实现阻挡杂质带的结构。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、一种基于分子束外延的硅掺杂镓甚长波红外探测材料制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将衬底放入mbe腔体内，控制腔体内真空低于1×10-10torr，将衬底加热至940-960℃后，保持28-32min，然后将衬底温度降低至550-570℃，设置ga源温度为680-700℃，调节硅源的电子束流为

5、(2)打开硅源电子束挡板和ga源挡板，生长吸收层；

6、(3)在吸收层外延结束后，衬底温度升高80-100℃，在此期间保持硅源电子束流不变，生长900-1100s后，停止生长，将外延片送入缓冲腔体，等待生长腔体的真空低于1×10-10torr，再送入生长腔体进行阻挡层生长。

7、优选地，所述衬底的电阻率为0.0005-0.001ω·cm。

8、优选地，所述吸收层的厚度为6-10μm；进一步优选地，所述吸收层的厚度为8μm。

9、优选地，所述阻挡层的厚度为4-6μm；进一步优选地，所述阻挡层的厚度为5μm。

10、优选地，步骤(1)中，将衬底温度加热至950℃后，保持30min，然后将衬底温度降低至560℃，设置ga源温度为690℃。

11、优选地，步骤(2)中，生长吸收层的时间为75000-85000s。

12、优选地，步骤(3)中，再送入生长腔体的生长时间为45000-55000s。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

14、本发明利用高纯真空外延，有效地降低补偿杂质浓度。真空低于1×10-10torr，在原子从源蒸发沉积在衬底的过程中，避免腔体残余气体进行沉积，这种过程有助于抑制补偿杂质浓度。

15、本发明利用低温bib结构全外延手段。相对于cvd等其他外延手段，在低温下，相应的ga源的扩散系数得到最低。进而避免高浓度到低浓度之间梯度扩散。

16、本发明控制吸收层和阻挡层之间不同的生长温度。在外延过程中，有助于原子表面扩散，提高外延本征硅衬底时，优化硅原子沉积在表面的扩散，提高晶圆质量。将样片传入缓冲腔体，避免腔体的记忆效应，从而实现本征阻挡层。

17、本发明通过对比不同生长束流下晶格质量，确定生长bib时生长束流为并以这样的生长速度获得了4英寸的单晶硅。

18、本发明通过精确控制衬底温度和ga的温度，探索了本发明范围内最佳的生长温度，从而确保掺杂浓度均一并符合阻挡杂质带的扩散浓度。

19、本发明为了避免记忆效应的影响，在吸收层外延结束后，温度提高100℃，在外延1000s以后，将外延的晶圆片放置在缓冲腔内，等待生长腔体真空恢复后，按照原有衬底温度进行生长，降低本征层中的掺杂浓度，从而有效抑制器件暗电流。

技术特征：

1.一种基于分子束外延的硅掺杂镓甚长波红外探测材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于分子束外延的硅掺杂镓甚长波红外探测材料制备方法，其特征在于，所述衬底的电阻率为0.0005-0.001ω·cm。

3.根据权利要求1所述的基于分子束外延的硅掺杂镓甚长波红外探测材料制备方法，其特征在于，所述吸收层的厚度为6-10μm。

4.根据权利要求1所述的基于分子束外延的硅掺杂镓甚长波红外探测材料制备方法，其特征在于，所述阻挡层的厚度为4-6μm。

5.根据权利要求1所述的基于分子束外延的硅掺杂镓甚长波红外探测材料制备方法，其特征在于，步骤(1)中，将衬底温度加热至950℃后，保持30min，然后将衬底温度降低至560℃，设置ga源温度为690℃。

6.根据权利要求1所述的基于分子束外延的硅掺杂镓甚长波红外探测材料制备方法，其特征在于，步骤(2)中，生长吸收层的时间为75000-85000s。

7.根据权利要求1所述的基于分子束外延的硅掺杂镓甚长波红外探测材料制备方法，其特征在于，步骤(3)中，再送入生长腔体的生长时间为45000-55000s。

技术总结本发明公开了一种基于分子束外延的硅掺杂镓甚长波红外探测材料制备方法，所述方法包括以下步骤：将衬底放入MBE腔体内，控制腔体内真空低于1×10<supgt;‑10</supgt;Torr，将衬底加热至940‑960℃后，保持28‑32min，然后将衬底温度降低至550‑570℃，设置Ga源温度为680‑700℃，调节硅源的电子束流为打开硅源电子束挡板和Ga源挡板，生长吸收层；在吸收层外延结束后，衬底温度升高80‑100℃，在此期间保持硅源电子束流不变，生长900‑1100s后，停止生长，将外延片送入缓冲腔体，等待生长腔体的真空低于1×10<supgt;‑</supgt;<supgt;10</supgt;Torr，再送入生长腔体进行阻挡层生长。本发明通过控制生长束流、生长温度、阻挡层的生长方式，实现阻挡杂质带的结构。技术研发人员：胡伟达,郭家祥,王鹏,张坤,张涛,邓科,肖云龙,李宁,陆卫受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/11/4