專利名稱：橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及近紅外探測器制作技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測器及其制作方法。
背景技術(shù)：
在目前光纖通信使用的單模光纖中，使用最多的是1. 31 μ m和1. 55 μ m這兩個近紅外波段。Si是信息領(lǐng)域最重要的半導(dǎo)體材料，在微電子領(lǐng)域已獲得了巨大的發(fā)展。但是由于Si是間接帶隙，且?guī)遁^大(室溫下4=1. 12eV)，導(dǎo)致其存在著對近紅外光吸收系數(shù)低、吸收長度長，對1. Iym以上波長沒有響應(yīng)等諸多問題。這些特性限制了其在光纖通信領(lǐng)域的應(yīng)用。通過在Si基上生長Ge量子點(diǎn)能夠拓寬其響應(yīng)波段，從而制作能應(yīng)用于光纖通信領(lǐng)域的近紅外探測器。目前見諸報(bào)道的Si基Ge量子點(diǎn)近紅外探測器主要有縱向PIN 結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)探測器、共振腔增強(qiáng)型(RCE)PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)探測器、波導(dǎo)型Ge量子點(diǎn)探測器、異質(zhì)結(jié)光敏晶體管(HPT型)Ge量子點(diǎn)探測器。上述的這些Ge量子點(diǎn)探測器都具有一個共同特點(diǎn)，就是Ge量子點(diǎn)吸收紅外光后產(chǎn)生的光生載流子是在縱向(跟襯底垂直)上進(jìn)行輸運(yùn)的，簡稱為縱向探測器。但是對于縱向量子點(diǎn)探測器而言，由于多層量子點(diǎn)在垂直方向上表現(xiàn)出耦合特性，即表面的量子點(diǎn)傾向于直接生長在埋層島的正上方，從而使生長的量子點(diǎn)是縱向?qū)R的。當(dāng)光生載流子在縱向上進(jìn)行輸運(yùn)時，很容易被相鄰量子點(diǎn)俘獲和散射，輸運(yùn)效率大大降低，光響應(yīng)度不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測器及其制作方法，該探測器的光生載流子輸運(yùn)效率高，提高了探測器的光響應(yīng)度。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測器，其特征在于包括襯底和設(shè)于襯底上的多層Ge量子點(diǎn)，在所述多層Ge量子點(diǎn)上光刻有P+叉指注入?yún)^(qū)和n+叉指注入?yún)^(qū)，所述ρ+叉指注入?yún)^(qū)和n+叉指注入?yún)^(qū)均包括間隔并排的多個叉指條型區(qū)和設(shè)于叉指條型區(qū)一端且與所有叉指條型區(qū)相連通的叉指連接區(qū)，所述P+叉指注入?yún)^(qū)的叉指條型區(qū)與n+叉指注入?yún)^(qū)的叉指條型區(qū)間隔交叉設(shè)置，所述ρ+叉指注入?yún)^(qū)內(nèi)注入有ρ+ 叉指條和P+叉指連接部，所述n+叉指注入?yún)^(qū)內(nèi)注入有n+叉指條和η+叉指連接部，所述多層 Ge量子點(diǎn)上設(shè)有一層SW2薄膜，所述SW2薄膜正對于P+叉指連接部和η+叉指連接部的位置上分別開設(shè)有一電極引線孔，所述兩電極引線孔內(nèi)分別設(shè)有與所述P+叉指連接部、η+叉指連接部相接觸的金屬電極并向外引出。本發(fā)明還提供了上述橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測器的制作方法，其特征在于首先，在SOI襯底上生長多層Ge量子點(diǎn)材料，然后按如下步驟進(jìn)行橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)探測器的制作
(1)在多層Ge量子點(diǎn)材料上進(jìn)行光刻，并刻蝕至SOI襯底的埋層SW2處，形成探測器所在的臺面及對準(zhǔn)標(biāo)記；(2)在多層Ge量子點(diǎn)材料上光刻形成ρ+叉指注入?yún)^(qū)，非注入?yún)^(qū)用光刻膠擋住；
(3)在ρ+叉指注入?yún)^(qū)中注入硼離子，形成ρ+叉指條和ρ+叉指連接部；然后去膠；
(4)在多層Ge量子點(diǎn)材料上光刻形成n+叉指注入?yún)^(qū)，非注入?yún)^(qū)用光刻膠擋??；
(5)在η+叉指注入?yún)^(qū)中注入磷離子，形成η+叉指條和η+叉指連接部；然后去膠；
(6)在多層Ge量子點(diǎn)材料上生長SW2薄膜；
(7)在S^2薄膜上進(jìn)行光刻，并刻蝕出電極引線孔；
(8)在SW2薄膜上濺射一Al金屬層；
(9)在Al金屬層上進(jìn)行光刻，并刻蝕出Al電極；
(10)合金，形成電極金屬與高摻雜硅之間的歐姆接觸；獲得最終的橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)探測器樣品。本發(fā)明的有益效果是跟已有的縱向結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)探測器相比，本發(fā)明的光生載流子在橫向上進(jìn)行輸運(yùn)，減少了其受其它量子點(diǎn)的勢壘散射或被其它量子點(diǎn)俘獲的幾率， 提高了光生載流子的輸運(yùn)效率，從而提高探測器的光響應(yīng)度。此外，本發(fā)明橫向PIN結(jié)構(gòu)的 Ge量子點(diǎn)探測器的兩個電極位于同一個平面，在工藝上更有利于集成。本產(chǎn)品可以用作光纖通信領(lǐng)域的光電探測器，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。


圖Ia是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)俯視圖(SiO2薄膜、金屬電極未示出)。圖Ib是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)剖視圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的SOI襯底和多層Ge量子點(diǎn)示意圖。圖3a是本發(fā)明實(shí)施例一制作中間過程的結(jié)構(gòu)示意圖。圖北是本發(fā)明實(shí)施例一制作中間過程的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3c是本發(fā)明實(shí)施例一制作中間過程的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3d是本發(fā)明實(shí)施例一制作中間過程的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3e是本發(fā)明實(shí)施例一制作中間過程的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3f是本發(fā)明實(shí)施例一制作中間過程的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3g是本發(fā)明實(shí)施例一制作中間過程的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測器，如圖la、lb所示，包括襯底和設(shè)于襯底上的多層Ge量子點(diǎn)，在所述多層Ge量子點(diǎn)上光刻有P+叉指注入?yún)^(qū)和η.叉指注入?yún)^(qū)， 所述P+叉指注入?yún)^(qū)和η+叉指注入?yún)^(qū)均包括間隔并排的多個叉指條型區(qū)和設(shè)于叉指條型區(qū)一端且與所有叉指條型區(qū)相連通的叉指連接區(qū)，所述P+叉指注入?yún)^(qū)的叉指條型區(qū)與η+叉指注入?yún)^(qū)的叉指條型區(qū)間隔交叉設(shè)置，所述P+叉指注入?yún)^(qū)內(nèi)注入有P+叉指條和P+叉指連接部，所述η+叉指注入?yún)^(qū)內(nèi)注入有η+叉指條和η+叉指連接部，所述多層Ge量子點(diǎn)上設(shè)有一層SiO2薄膜，所述SW2薄膜正對于P+叉指連接部和η+叉指連接部的位置上分別開設(shè)有一電極引線孔，所述兩電極引線孔內(nèi)分別設(shè)有與所述P+叉指連接部、η+叉指連接部相接觸的金屬電極并向外引出。上述襯底為SOI襯底，所述SOI襯底包括由下而上設(shè)置的Si基底、埋層SW2和頂層Si膜。上述ρ+叉指注入?yún)^(qū)和η+叉指注入?yún)^(qū)向下貫通整個多層Ge量子點(diǎn)和頂層Si膜直至所述埋層SW2上側(cè)面。上述ρ+叉指條和ρ+叉指連接部由硼離子注入形成。上述η+叉指條和η+叉指連接部由磷離子注入形成。上述的橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測器的制作方法，其特征在于首先，在 SOI襯底上生長多層Ge量子點(diǎn)材料，然后按如下步驟進(jìn)行橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)探測器的制作
(1)在多層Ge量子點(diǎn)材料上進(jìn)行光刻，并用RIE刻蝕至SOI襯底的埋層SiO2處，形成探測器所在的臺面及對準(zhǔn)標(biāo)記；
(2)在多層Ge量子點(diǎn)材料上光刻形成ρ+叉指注入?yún)^(qū)，非注入?yún)^(qū)用光刻膠擋??；
(3)在ρ+叉指注入?yún)^(qū)中注入硼離子，形成ρ+叉指條和ρ+叉指連接部；然后，氧烘去膠；
(4)在多層Ge量子點(diǎn)材料上光刻形成η+叉指注入?yún)^(qū)，非注入?yún)^(qū)用光刻膠擋??；
(5)在η+叉指注入?yún)^(qū)中注入磷離子，形成η+叉指條和η+叉指連接部；然后，氧烘去膠；
(6)在多層Ge量子點(diǎn)材料上生長SW2薄膜，目標(biāo)厚度為400nm；
(7)在SW2薄膜上進(jìn)行光刻，并用HF溶液刻蝕出電極引線孔；
(8)在SiO2薄膜上濺射一Al金屬層，目標(biāo)厚度為Iym;
(9)在Al金屬層上進(jìn)行光刻，并用H3PO4溶液刻蝕出Al電極；
(10)合金，形成電極金屬與高摻雜硅之間的歐姆接觸；獲得最終的橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)探測器樣品。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)探測器的具體制作工藝流程如下 1、外延生長
采用超高真空化學(xué)氣相淀積(UHV/CVD)或分子束外延(MBE)等方法生長如圖2所示多層Ge量子點(diǎn)材料。為了獲得更好的暗電流特性，我們采用了 SOKSilicon on Insulator) 作為襯底。2、橫向PIN探測器的流水制作
生長完量子點(diǎn)材料后，就要進(jìn)行橫向PIN探測器的流水制作。工藝流程示意圖如圖 3a 3g所示，為了使表達(dá)更加簡單清楚，示意圖做了一些簡化(1)圖中只給出了叉指結(jié)構(gòu)中的一對p-n結(jié)。(2)圖中的“襯底”指的是SOI襯底中的基底和埋層SW2這兩個部分，而 SOI襯底中的頂層Si膜則包含在了圖中的“量子點(diǎn)材料”。具體步驟如下
(1)第一步光刻并用RIE刻蝕至SOI的埋層SW2處，形成探測器所在的臺面及對準(zhǔn)標(biāo)記。這步光刻有兩個目的，一是形成探測器所在的臺面，這樣可以更好地對器件進(jìn)行隔離， 二是刻蝕出對準(zhǔn)標(biāo)記，供后步工藝光刻對準(zhǔn)使用。但是要注意的是，這里所講的臺面和縱向探測器工藝流水過程中的臺面意義是不一樣的。這里的臺面主要是為了對探測器單元有個更好的隔離作用(尤其對于SOI襯底而言，由于埋層SW2的隔離作用，每個探測器單元相當(dāng)于一個孤立的“小島”，能有效地減小暗電流)，但是兩個電極還是在同一個平面內(nèi)的，不存在電極“爬臺階”的問題，對橫向PIN探測器的電極平面性的優(yōu)點(diǎn)沒有影響。該步工藝后的器件示意圖如圖3a所示。
(2)第二步光刻形成探測器的ρ+叉指注入?yún)^(qū)，非注入?yún)^(qū)用光刻膠擋住。(3)進(jìn)行硼(B+)離子注入，形成P+叉指區(qū)。按照離子注入的LSS理論，選擇能量 E=60KeV，劑量D=5 X IO15CnT2。該步工藝后的器件示意圖如圖北所示。(4)氧烘去膠，由于注入的離子劑量和能量較大，用氧烘去膠比較干凈。(5)第三步光刻形成探測器的η+叉指注入?yún)^(qū)，非注入?yún)^(qū)用光刻膠擋住。(6)進(jìn)行磷(P+)離子注入，形成η+叉指區(qū)。同樣，按照離子注入的LSS理論，選擇能量E=140KeV，劑量D=5X1015cnT2。該步工藝后的器件示意圖如圖3c所示。(7)氧烘去膠，由于注入的離子劑量和能量較大，用氧烘去膠比較干凈。(8)采用低壓氣相淀積法(LPCVD)生長SW2薄膜，目標(biāo)厚度400nm。這一步工藝生長的S^2薄膜可以起到鈍化保護(hù)作用，同時可以利用這個生長過程對注入的離子進(jìn)行熱退火。該步工藝后的器件示意圖如圖3d所示。(9)第四步光刻，在SW2薄膜上進(jìn)行光刻，并用HF溶液刻蝕出電極接觸孔。該步工藝后的器件示意圖如圖3e所示。(10)濺射Al金屬層，目標(biāo)厚度lym。該步工藝后的器件示意圖如圖3f所示。(11)第五步光刻，在Al金屬層上進(jìn)行光刻，并用H3PO4溶液刻蝕出電極圖形，從而形成電極。該步工藝后的器件示意圖如圖3g所示。由該示意圖也可以看出，兩個電極是在同一個平面內(nèi)的。(12)合金，形成電極金屬與高摻雜硅之間的歐姆接觸。溫度430°C，時間30min，使用N2保護(hù)。獲得最終的橫向PIN結(jié)構(gòu)探測器。工作時，在如圖la、lb所示的探測器的兩個電極加負(fù)偏壓(η+電極的電位要高于ρ+ 電極的電位)，然后紅外光從探測器的頂部正入射，則在探測器內(nèi)部的Ge量子點(diǎn)會吸收光產(chǎn)生光生載流子，這些光生載流子在兩個電極所施加的電場作用下形成光生電流，從而被外接電路所檢測到。這樣就實(shí)現(xiàn)了光電探測器的功能。從器件結(jié)構(gòu)可以看出，本發(fā)明的橫向PIN結(jié)構(gòu)，當(dāng)給兩個電極加上偏壓時，產(chǎn)生的電場是平行于器件表面的(而縱向PIN結(jié)構(gòu)則是垂直于器件表面的)，這樣產(chǎn)生的光生載流子將在橫向上進(jìn)行輸運(yùn)，可以帶來如下好處
1、由于每一層的量子點(diǎn)在平面內(nèi)的分布是隨機(jī)的，在同一個平面內(nèi)相鄰的量子點(diǎn)不是對齊的。而在縱向上，相鄰的量子點(diǎn)由于應(yīng)力作用是垂直對齊的。這就使光生載流子在橫向輸運(yùn)時，受到較少的散射，具有較低的再次被其他量子點(diǎn)俘獲的幾率。尤其是隨著光刻技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)叉指間的距離W可以做到越來越小，乃至i區(qū)只包含一個或者極少數(shù)幾個量子點(diǎn)時，光生載流子在橫向輸運(yùn)過程中完全有可能不受其它量子點(diǎn)的勢壘散射或被其它量子點(diǎn)俘獲，提高光生載流子的輸運(yùn)效率，從而提高探測器的光響應(yīng)度。2、縱向PIN結(jié)構(gòu)的Ge量子點(diǎn)探測器必須要光刻出一個臺面，兩個電極不是分布在同一個平面上。而橫向PIN結(jié)構(gòu)的Ge量子點(diǎn)探測器的兩個電極位于同一個平面。這樣在工藝上更有利于集成。以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測器，其特征在于包括襯底和設(shè)于襯底上的多層Ge量子點(diǎn)，在所述多層Ge量子點(diǎn)上光刻有P+叉指注入?yún)^(qū)和η+叉指注入?yún)^(qū)，所述P+叉指注入?yún)^(qū)和η+叉指注入?yún)^(qū)均包括間隔并排的多個叉指條型區(qū)和設(shè)于叉指條型區(qū)一端且與所有叉指條型區(qū)相連通的叉指連接區(qū)，所述P+叉指注入?yún)^(qū)的叉指條型區(qū)與η+叉指注入?yún)^(qū)的叉指條型區(qū)間隔交叉設(shè)置，所述P+叉指注入?yún)^(qū)內(nèi)注入有P+叉指條和P+叉指連接部，所述η+ 叉指注入?yún)^(qū)內(nèi)注入有η+叉指條和η+叉指連接部，所述多層Ge量子點(diǎn)上設(shè)有一層S^2薄膜， 所述SW2薄膜正對于P+叉指連接部和η+叉指連接部的位置上分別開設(shè)有一電極引線孔， 所述兩電極引線孔內(nèi)分別設(shè)有與所述P+叉指連接部、η+叉指連接部相接觸的金屬電極并向外引出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測器，其特征在于所述襯底為SOI襯底，所述SOI襯底包括由下而上設(shè)置的Si基底、埋層SW2和頂層Si膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測器，其特征在于所述ρ+ 叉指注入?yún)^(qū)和η+叉指注入?yún)^(qū)向下貫通整個多層Ge量子點(diǎn)和頂層Si膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測器，其特征在于所述ρ+ 叉指條和P+叉指連接部由硼離子注入形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測器，其特征在于所述η+ 叉指條和η+叉指連接部由磷離子注入形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測器的制作方法，其特征在于首先，在SOI襯底上生長多層Ge量子點(diǎn)材料，然后按如下步驟進(jìn)行橫向 PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)探測器的制作(1)在多層Ge量子點(diǎn)材料上進(jìn)行光刻，并刻蝕至SOI襯底的埋層SW2處，形成探測器所在的臺面及對準(zhǔn)標(biāo)記；(2)在多層Ge量子點(diǎn)材料上光刻形成ρ+叉指注入?yún)^(qū)，非注入?yún)^(qū)用光刻膠擋?。?3)在ρ+叉指注入?yún)^(qū)中注入硼離子，形成ρ+叉指條和ρ+叉指連接部，然后去膠；(4)在多層Ge量子點(diǎn)材料上光刻形成η+叉指注入?yún)^(qū)，非注入?yún)^(qū)用光刻膠擋??；(5)在η+叉指注入?yún)^(qū)中注入磷離子，形成η+叉指條和η+叉指連接部，然后去膠；(6)在多層Ge量子點(diǎn)材料上生長SW2薄膜；(7)在S^2薄膜上進(jìn)行光刻，并刻蝕出電極引線孔；(8)在SW2薄膜上濺射一Al金屬層；(9)在Al金屬層上進(jìn)行光刻，并刻蝕出Al電極；(10)合金，形成電極金屬與高摻雜硅之間的歐姆接觸；獲得最終的橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)探測器樣品。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測器的制作方法，其特征在于在步驟(6)中，生長的SiA薄膜的厚度為400nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測器的制作方法，其特征在于在步驟(8)中，濺射的Al金屬層的厚度為1 μ m。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測器及其制作方法，該探測器包括襯底和設(shè)于襯底上的多層Ge量子點(diǎn)，多層Ge量子點(diǎn)上光刻有p+叉指注入?yún)^(qū)和n+叉指注入?yún)^(qū)，兩叉指注入?yún)^(qū)均包括間隔并排的多個叉指條型區(qū)和與各叉指條型區(qū)相連通的叉指連接區(qū)，p+叉指注入?yún)^(qū)與n+叉指注入?yún)^(qū)的叉指條型區(qū)間隔交叉設(shè)置，p+叉指注入?yún)^(qū)內(nèi)設(shè)有p+叉指條和p+叉指連接部，n+叉指注入?yún)^(qū)內(nèi)設(shè)有n+叉指條和n+叉指連接部，多層Ge量子點(diǎn)上設(shè)有SiO2薄膜，SiO2薄膜上開設(shè)有兩電極引線孔，兩電極引線孔內(nèi)分別設(shè)有與p+叉指連接部、n+叉指連接部相接觸的金屬電極并向外引出。該探測器的光生載流子輸運(yùn)效率高，提高了探測器的光響應(yīng)度。
文檔編號H01L31/0352GK102427093SQ20111040558
公開日2012年4月25日 申請日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者何明華, 魏榕山 申請人:福州大學(xué)