[发明专利]带有应变源的GeSn红外探测器

说明书

技术领域

本发明涉及红外探测技术领域，具体涉及一种GeSn红外探测器。

背景技术

红外技术发展的先导是红外探测器的发展，一个国家红外探测器的发展水平代表着其红外技术的发展水平。红外探测器在军事、国防、消防、医疗、气候监测、资源勘探、天文观测等很多方面有着重要的应用。二战使红外探测技术得到了迅速的发展。先后出现了InSb、HgCdTe、掺杂Si、PtSi等材料的红外探测器。但是InSb和PtSi都没有波长可调性。虽然掺杂Si有很宽的光谱带宽，但是也不具备波长可调性，而且必须工作在很低的温度。碲镉汞（Hg_xCd_1-xTe）长波长红外探测器是目前性能最好的红外探测器，通过调节Hg的组分x可以实现带隙0-0.8eV的连续可调。但是由于碲镉汞本身的性质导致其对环境极不友好，加之其不能满足Si基大规模集成这一当代光通信光互联的技术要求。而利用外延生长的IV族材料体系无毒、廉价、且易实现大规模的硅基集正好可以弥补碲镉汞方面的不足。

在过去的十几年中，由于Ge在1.3-1.55um波段范围内有很高的吸收效率，且可以直接在Si基长出高质量Ge薄膜，使得高性能Ge被认为近红外探测器的最佳备选材料。但是Ge为间接带隙半导体E_gl=0.67eV、E_gΓ=0.80eV，由于E_gΓ为0.8eV使得Ge探测器效率在1550nm以上的波段骤然下降，而不能覆盖L（1565-1625nm）波段和U（1625-1675nm）波段通讯窗口，即使引入张应变，Ge探测器也不能完全覆盖L（1565-1625nm）波段通讯窗口[Optical Society of America, 19(7), pp.6401, 2011]。理论计算显示第IV族GeSn材料是另一备选材料，因为它能带的可调性，通过调节GeSn中Sn的组分和改变GeSn结构的应变情况，可以实现对GeSn能带E_gΓ的连续调节。

对于弛豫的GeSn材料，若Sn的组分为2%就能覆盖所有通讯窗口，在C与L波段光吸收比Ge探测器增加近10倍[Semicond. Sci. Technol., 24(11), pp.115006, 2009]，当Sn的组分达到6.5%~11%的时候，GeSn就会变成直接带隙(E_gΓ<E_gl)（Journal of Applied Physics, 113,073707, 2013以及其中的参考文献）。但由于Sn在Ge中的固溶度很低（< 1%）,因此制备高质量、无缺陷的GeSn很难。现在用外延生长的方法可制备出Sn组分达到20%的GeSn材料[ECS Transactions, 41(7), pp.231, 2011; ECS Transactions, 50(9), pp.885, 2012]。因此通过改变Sn的组分可以改变GeSn半导体的带隙。但是随着Sn组分的增加，材料质量和热稳定型都会变差，因此单纯依靠提高Sn的组分实现较大范围带隙的调节比较困难。理论计算显示，在GeSn中引入双轴张应变有利于从间接带隙到直接带隙的转变，即在Sn组分比较低时带隙就可以有较大的改变。因此通过Sn的组分及张应变的控制可以较大范围的调制GeSn带隙宽度E_gΓ。

为实现张应变GeSn，有人在晶格常数比较大的衬底材料上生长GeSn外延层，衬底材料可以是III-V族材料，比如InGaAs或者Sn组分更高的GeSn。本发明采用此新结构引入双轴张应变。

发明内容

本发明的目的是提出一种带有应变源的GeSn红外探测器的结构。其中应变源材料的晶格常数比光吸收区域材料的小，对光吸收阵列GeSn材料形成沿z方向的单轴压应变，在xy平面内形成双轴张应变。这种应变状态有利于GeSn材料带隙E_gΓ的变化，从而实现GeSn红外探测器波长的可调。

本发明用以实现上述目的的技术方案如下：

一种带有应变源的GeSn红外探测器，其包括：

一n⁺型衬底101，采用Si材料；

一弛豫层102，位于n⁺型衬底101之上；