基于弛豫GeSn材料的光電探測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于弛豫GeSn材料的光電探測器，包括襯底、弛豫層、n+型區(qū)、光吸收區(qū)、p+型區(qū)、保護(hù)層和金屬電極。弛豫層、n+型區(qū)、光吸收區(qū)、p+型區(qū)均采用GeSn材料；發(fā)射極區(qū)、基極區(qū)、光吸收區(qū)、集電極區(qū)依次豎直分布，鈍化層包圍在器件的外圍。本發(fā)明通過在襯底和n+型區(qū)之間插入一層Sn的組份高于n+型區(qū)、光吸收區(qū)、p+型區(qū)GeSn合金的GeSn層作為應(yīng)變弛豫層，使得采用該材料生長方法和結(jié)構(gòu)的光電探測器較于傳統(tǒng)GeSn探測器有著相同Sn組份下更好的光電特性和更寬的探測范圍。
【專利說明】
基于弛豫GeSn材料的光電探測器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及半導(dǎo)體光電紅外探測技術(shù)領(lǐng)域中的一種基于弛豫GeSn材料的光電探測器。本發(fā)明可在光電紅外探測領(lǐng)域進(jìn)行近中紅外光信號(hào)探測。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，技術(shù)不斷進(jìn)步，快速處理和傳輸大規(guī)模信息數(shù)據(jù)成為現(xiàn)今大規(guī)模電子器件發(fā)展的瓶頸，而將微電子技術(shù)和光電子技術(shù)有效融合成為解決這一難題的有效方式。
[0003]IV族的GeSn材料，隨著GeSn合金中Sn組份的不斷增加，可以使其帶隙不斷減小，由間接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋恫牧?，在O?0.66eV范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，因而在近中紅外波段實(shí)現(xiàn)探測波長的紅移，拓展到3μπι附近。
[0004]Thach Pham等作者在其發(fā)表的 “Systematic study of S1-based GeSnphotod1des with2.6μηι detector cutoff for short-wave infrared detect1n”(Optics Express ,vo1.24 ,pp.4519-4531,2016)論文中公開了一種GeSn二極管型光電探測器。該GeSn 二極管型光電探測器由于采用了具有更窄帶隙和更高光吸收系數(shù)的IV族GeSn新材料，克服了現(xiàn)有技術(shù)制作的II1-V族材料的近中紅外器件難以硅基集成的難題，具有與金屬互補(bǔ)氧化物半導(dǎo)體CM0S(Complementary Metal Oxide Semiconductor)標(biāo)準(zhǔn)工藝相兼容的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)相比于現(xiàn)今使用的IV族Ge探測器探測范圍較窄和光吸收系數(shù)較低的不足，GeSn光電探測器有著探測范圍更寬和光吸收效率更高的優(yōu)點(diǎn)，而且由于該GeSn二極管型光電探測器中Sn組份提升到10%，因而將探測截止波長拓展到了2.6μπι。但是，該GeSn二極管型光電探測器仍然存在的不足之處是，由于GeSn材料生長在晶格常數(shù)小于GeSn合金的Ge材料上，因而在GeSn中引入了較大的壓應(yīng)變，導(dǎo)致其禁帶寬度增大，從而減小了該GeSn二極管型光電探測器的探測波長，并且使得GeSn合金的缺陷增多，質(zhì)量變差。
[0005]由于錫在鍺中的平衡固溶度很低(低于1%)，而且鍺錫材料與硅的晶格失配也很大，并且鍺與錫的晶格常數(shù)相差15%，因而，這些固有屬性對于高組分的鍺錫合金的外延帶來很多困難。即便如此，現(xiàn)今利用分子束外延(MBE)、低溫化學(xué)氣相外延(CVD)、磁控濺射技術(shù)，已經(jīng)成功制備出Sn組份達(dá)到15 %的高質(zhì)量的GeSn合金。但是，Sn組份越高，在Si或Ge襯底上異質(zhì)外延生長GeSn越困難，對襯底以及生長技術(shù)的要求越高，因而充分利用每一組份下材料的最大特性是非常必要的。而現(xiàn)今直接生長在Si或Ge襯底上的GeSn合金，由于Si和Ge的晶格常數(shù)均小于GeSn的晶格常數(shù)，從而在外延的GeSn合金中引入垂直于生長方向平面內(nèi)的面內(nèi)雙軸壓應(yīng)變。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果和理論分析計(jì)算結(jié)論，GeSn合金中面內(nèi)雙軸張應(yīng)變的引入將會(huì)導(dǎo)致其能帶結(jié)構(gòu)的變化，使其禁帶寬度相較于無應(yīng)變存在的相同Sn組份的GeSn合金的禁帶寬度增大很多，并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試，無應(yīng)變存在的GeSn合金在Sn組份為8%?11 %范圍內(nèi)將由間接帶隙材料轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋恫牧稀?br>[0006]現(xiàn)有技術(shù)中的所有的硅基GeSn光電探測器均具有在GeSn光吸收區(qū)中存在壓應(yīng)變，因而使得GeSn合金間接帶隙向直接帶隙轉(zhuǎn)變所對應(yīng)的Sn組份進(jìn)一步增加。而且由于較大的應(yīng)變的存在使得GeSn合金中缺陷增多、材料質(zhì)量變差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)已公開的GeSn光電探測器中，由于GeSn光吸收層中存在壓應(yīng)變導(dǎo)致其探測波長減小、質(zhì)量變差的缺點(diǎn)，采用應(yīng)變較小或沒有應(yīng)變存在的GeSn層作為光吸收區(qū)，制備基于弛豫GeSn材料的光電探測器，從而實(shí)現(xiàn)在同一 Sn組份條件下所制備的GeSn探測器具有更大的探測波長和更好材料質(zhì)量的優(yōu)勢。
[0008]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的具體思路是，根據(jù)材料特性研究表明，IV族復(fù)合材料GeSn合金具有比Ge更高的光吸收系數(shù)，而且隨著GeSn合金中負(fù)帶隙材料Sn的組份的增加，GeSn合金的帶隙不斷減小，理論上可以實(shí)現(xiàn)在O?0.66eV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。但是，由于Sn在Ge中的固溶度很低，因而質(zhì)量很好的高Sn組份含量的GeSn合金難以制備，因而在相同Sn組份下實(shí)現(xiàn)GeSn光電探測器探測波長最大化是可以拓寬探測范圍的有效方式，同時(shí)，盡可能提高同一組份下材料的質(zhì)量是極為必要的。然而，現(xiàn)今已公開的GeSn光電探測器均由于生長在晶格常數(shù)小于GeSn晶格常數(shù)的Ge或Si襯底上，而且由于GeSn中Sn組份越高，GeSn與Ge或Si襯底的晶格失配度越高，因而會(huì)在GeSn中引入大的壓應(yīng)變，使GeSn的禁帶寬度減小，導(dǎo)致其實(shí)際探測范圍的減小，并且，由于較大的壓應(yīng)變的存在，使得GeSn合金的材料質(zhì)量變差。本發(fā)明中的基于弛豫GeSn材料的光電探測器針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，在傳統(tǒng)GeSn探測器結(jié)構(gòu)中引入GeSn弛豫層，在GeSn弛豫層上進(jìn)行同質(zhì)外延生長Sn組份低于弛豫層中Sn組份的GeSn，因而制備得到的GeSn中應(yīng)變將會(huì)減小甚至無應(yīng)變存在，從而使得制備的基于弛豫GeSn材料的光電探測器具有在相同Sn組份條件下具有更大的光探測范圍和更好的質(zhì)量。
[0009]本發(fā)明包括襯底、n+型區(qū)、光吸收區(qū)、P+型區(qū)、保護(hù)層以及金屬電極;襯底和n+型區(qū)之間設(shè)置有弛豫層。弛豫層、n+型區(qū)、光吸收區(qū)、P+型區(qū)在襯底上依次由下至上豎直分布，保護(hù)層環(huán)繞覆蓋在光電探測器的四周;弛豫層、n+型區(qū)、光吸收區(qū)、P+型區(qū)均采用通式為GeSn的IV族復(fù)合材料。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0011]第一，由于本發(fā)明在襯底上引入GeSn弛豫層，克服了現(xiàn)已公開的GeSn光電探測器由于GeSn層中存在較大的壓應(yīng)變作用，導(dǎo)致探測截止波長減小的不足，使得本發(fā)明具有在相同Sn組份的GeSn探測器中探測范圍更大的優(yōu)點(diǎn)，拓寬探測范圍。
[0012]第二，由于本發(fā)明在GeSn弛豫層上同質(zhì)外延生長GeSn材料，采用應(yīng)變減小甚至無應(yīng)變存在的GeSn材料作為光吸收區(qū)，克服現(xiàn)有技術(shù)中GeSn材料生長在晶格常數(shù)小于GeSn合金的Ge材料上，因而在GeSn中引入了較大的壓應(yīng)變，導(dǎo)致其禁帶寬度增大的不足，使得本發(fā)明的光電探測器件的光吸收區(qū)中Ge Sn材料中壓應(yīng)變的減少，Ge Sn材料中的缺陷進(jìn)一步減小，光電性能進(jìn)一步提升。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的剖面圖；
[0014]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中(004)晶面的高分辨率X射線衍射(HRXRD)圖；
[0015]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中(224)晶面的高分辨率X射線衍射(HRXRD)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。
[0017]參照圖1，本發(fā)明基于弛豫GeSn材料的光電探測器包括:襯底1、弛豫層2、n+型區(qū)3、光吸收區(qū)4、p+型區(qū)5、保護(hù)層6以及金屬電極7;弛豫層2、n+型區(qū)3、光吸收區(qū)4、p+型區(qū)5在襯底上依次由下至上豎直分布，且保護(hù)層6環(huán)繞覆蓋在器件的四周；弛豫層2、n+型區(qū)3、光吸收區(qū)
4、p+型區(qū)5均采用通式為GeSn的IV族復(fù)合材料。在襯底I和n+型區(qū)3之間增加弛豫層2，并且弛豫層2中GeSn材料的Sn組份高于n+型區(qū)3、光吸收區(qū)4、p+型區(qū)5中GeSn合金中的Sn組份，使得制備η+型區(qū)3、光吸收區(qū)4、p+型區(qū)5的GeSn材料壓應(yīng)變減小甚至為無應(yīng)變存在的GeSn合金，使得GeSn材料的質(zhì)量進(jìn)一步提尚。襯底I既可以米用單晶Si材料，也可以米用單晶Ge材料。
[0018]本發(fā)明實(shí)施例為在單晶Si襯底I上外延生長Sn的組份為0.4的GeQ.6SnQ.4合金300nm作為弛豫層2，在弛豫層2上外延生長Sn的組份為0.35的Ge0.65Sn0.35合金200nm，并進(jìn)行離子注入形成n+型區(qū)3、光吸收區(qū)4和P+型區(qū)5。
[0019]對本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行高分辨率X射線衍射測試，圖2為本發(fā)明實(shí)施例的(004)晶面的高分辨率X射線衍射(HRXRD)掃描曲線圖，圖3為本發(fā)明實(shí)施例的(224)晶面的高分辨率X射線衍射(HRXRD)圖。
[0020]由圖2和圖3可以看到質(zhì)量良好的單晶Si襯底I具有陡直的尖峰和小的半寬度以及較少的側(cè)峰，而直接外延在單晶Si襯底I上的GeQ.6SnQ.4弛豫層2由于垂直外延生長方向的平面內(nèi)存在由單晶Si襯底I引入的較大的雙軸壓應(yīng)變，因而生長質(zhì)量很差，如圖2和圖3中虛線圓圈所標(biāo)注，存在很多側(cè)峰和寬的半寬度，而且在圖3中虛線圓圈所標(biāo)注的區(qū)域難以找到圖線主峰值，表明Ge0.6Sn0.4弛豫層2中缺陷較多、質(zhì)量較差，存在較大的應(yīng)變。分析圖2和圖3中Ge0.65SnQ.3#；W應(yīng)的高分辨率X射線衍射(HRXRD)掃描曲線，相較于GeQ.6SnQ.4弛豫層2所對應(yīng)的高分辨率X射線衍射(HRXRD)掃描曲線，有著少的側(cè)峰、清晰的主峰以及相對較小的半寬度，表明生長在Ge0.6Sn0.4弛豫層2上的n+型區(qū)3、光吸收區(qū)4和P+型區(qū)5Ge0.65Sn0.35層中缺陷大量減少、材料質(zhì)量極大提升，同時(shí)材料內(nèi)應(yīng)變減小，禁帶寬度相較于相同Sn的組份的GeSn合金減小，所制備的探測器探測波長得到延拓，有著更好的光電特性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于弛豫GeSn材料的光電探測器，包括:襯底(I)、n+型區(qū)(3)、光吸收區(qū)(4)、p+型區(qū)(5)、保護(hù)層(6)以及金屬電極(7);其特征在于，所述的襯底(I)和n+型區(qū)(3)之間設(shè)置有弛豫層(2)，所述的弛豫層(2)、n+型區(qū)(3)、光吸收區(qū)(4)、p+型區(qū)(5)在襯底上依次由下至上豎直分布，所述的保護(hù)層(6)環(huán)繞覆蓋在光電探測器的四周;所述的弛豫層(2)、n+型區(qū)(3)、光吸收區(qū)(4)、p+型區(qū)(5)均采用通式為GeSn的IV族復(fù)合材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于弛豫GeSn材料的光電探測器，其特征在于，所述的襯底(I)米用單晶Si材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于弛豫GeSn材料的光電探測器，其特征在于，所述的襯底(I)米用單晶Ge材料。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于弛豫GeSn材料的光電探測器，其特征在于，所述的弛豫層(2)中GeSn合金的Sn的組份高于n+型區(qū)(3)、光吸收區(qū)(4)、p+型區(qū)(5)中GeSn合金的Sn的組份。
【文檔編號(hào)】H01L31/103GK105895727SQ201610255106
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】張春福, 韓根全, 王軼博, 汪銀花, 張進(jìn)成, 郝躍
【申請人】西安電子科技大學(xué)