[发明专利]一种硅基锗外延结构及其应用

说明书

技术领域

本发明属于半导体集成技术领域，主要涉及基于硅基锗外延的近红外探测器的衬底结构设计，是一种能够对某种特定波长实现完全禁带效应，并显著提高红外探测器性能的制造技术，尤其是一种基于硅基锗外延的波导近红外探测器及其制备方法。

背景技术

随着现代信息技术的广泛应用和对其深入研究，以光纤通信、光互连为代表的光电集成技术对半导体光电子器件和电路提出了越来越迫切的要求。制备响应波长为1.3μm和1.55μm，并具有高速率、高量子效率和低暗电流的光电探测器以及实现光电集成接收机芯片一直是人们追求的目标。

虽然采用III-V族材料制备的光电探测器在这方面的工艺已经比较成熟并且已经进入产业化阶段，但其存在以下几个问题：1)成本高，难以实现“光纤到户”；2)热学机械性能较差；3)晶体质量较差；4)不能与现有的成熟的硅工艺兼容。而采用Si/Ge材料制备的光电探测器的成本低，与成熟的硅工艺兼容，易于集成，并且带隙宽度可以由Ge组分来调节，通过调节Ge组分和引入表面起伏可以使探测器的响应波长工作在1.3μm和1.6μm。

对于光电子学来讲，高性能器件的制备是以高质量材料的生长为前提的。Si、Ge材料之间存在4.2％的失配，直接在Si材料上生长Ge层会产生较大的应力，引入较高的位错密度，不能满足制备高性能探测器的要求。生长高质量的Si/Ge合金多量子阱是一种可行方法，并已经成功制备了响应波长为1.3μm的探测器。但由于受临界厚度和量子限制效应的限制，难于制作1.6μm的探测器，为此，人们尝试了不同的解决方案。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述目前存在的问题和不足，本发明的目的主要提供一种基于硅基锗外延的波导近红外探测器及其制备方法，以解决现有近红外探测器中二维光子晶体光子禁带效应的应用，以及Ge与Si晶格失配所产生的应力的释放等问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于硅基锗外延的波导近红外探测器，包括：n型Si衬底101；于该n型Si衬底101形成的Ge/Si缓冲层102；于该Ge/Si缓冲层102上沉积的SiO₂层中制备的空气孔型或介质柱型光子晶体104；在该光子晶体104上形成的Ge基外延薄膜105；于刻蚀该Ge基外延薄膜105的外侧直至该Ge/Si缓冲层102中而形成的台阶上制备的n型Si接触电极Al103；于该Ge基外延薄膜105的上表面中心部分制备的P型Si接触电极107；以及在被刻蚀后的该Ge基外延薄膜105上形成的钝化层106。

为达到上述目的，本发明还提供了一种基于硅基锗外延的波导近红外探测器的制备方法，包括：选择n型Si衬底101；在该n型Si衬底101上形成Ge/Si缓冲层102；在该Ge/Si缓冲层102上沉积SiO₂层，在该SiO₂层中制备空气孔型或介质柱型光子晶体104；在该光子晶体104上形成Ge基外延薄膜105；刻蚀该Ge基外延薄膜105的外侧直至该Ge/Si缓冲层102中形成台阶，于该台阶上制备n型Si接触电极Al103；于该Ge基外延薄膜105的上表面中心部分制备P型Si接触电极107；在被刻蚀后的该Ge基外延薄膜105、该n型Si接触电极Al103及该P型Si接触电极107表面形成钝化层106；以及对该n型Si接触电极Al103及该P型Si接触电极107表面形成的钝化层106进行刻蚀，直至露出该n型Si接触电极Al103及该P型Si接触电极107。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的基于硅基锗外延的波导近红外探测器及其制备方法，为制作1.6μm的探测器提供了一种新的思路，主要体现在两方面：一方面当在Si基底上生长Ge基外延层时，光子晶体结构可以有效地释放Si与Ge晶格失配所产生的应力，进而获得较高质量的Ge基外延薄膜；另一方面光子晶体的结构参数均能根据近红外光波段的要求分别独立自由调节，以实现非完全光子禁带或完全光子禁带，从而将原本射向衬底的光限制并耦合回Ge基外延薄膜层。

2、本发明提供的基于硅基锗外延的波导近红外探测器及其制备方法，能够对某种特定波长实现完全光子禁带效应，并显著提高Ge基外延薄膜质量。

3、本发明提供的基于硅基锗外延的波导近红外探测器及其制备方法，光子晶体结构参数可以根据衬底材料的介电常数及某种波长进行独立地的设计与调节。

附图说明