[发明专利]双本征Ge阻挡层GeSn合金PIN光电探测器

说明书

本发明涉及一种双本征Ge阻挡层GeSn合金PIN光电探测器及其制备方法，该方法包括：选取Si衬底；生长Ge籽晶层；生长Ge主体层；生长SiO₂层；将整个衬底材料加热至700℃，采用连续激光工艺晶化，激光波长为808nm，光斑尺寸10mm×1mm，功率为1.5kW/cm²，移动速度为25mm/s，形成晶化Ge层；去除SiO₂层；连续生长N型Ge层、本征Ge阻挡层、本征GeSn层、本征Ge阻挡层、P型Ge层及Si帽层；刻蚀形成台阶，在整体衬底表面生长Ni材料，刻蚀所述Ni材料，最终形成该光电探测器。采用GeSn材料做光电探测器，其速度快，发光效率高，光谱响应范围广，工艺简单，器件的性能优良；另外，双本征Ge阻挡层实现了GeSn层与掺杂的Ge层的分离，从而减少了掺杂对有源层质量的影响。

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种双本征Ge阻挡层GeSn合金PIN光电探测器。

背景技术

目前，市场上大部分的半导体探测器都是使用直接带隙的III-V族材料制作的，如InGaAs和InSb等材料。由于这类器件价格昂贵且工艺步骤复杂，人们希望利用成熟的Si工艺技术来降低成本。同为IV族元素的Ge，由于可以和Si的工艺完全兼容，近年来逐渐成为Si基探测器研究的热点。虽然Ge与Si同属于间接带隙材料，但是在室温下其直接带隙为0.8eV，仅比间接带隙大0.134ev，而且Ge的能带结构容易通过张应变和N型掺杂来调控，使其变为准直接带隙材料，从而可以大大地提高载流子吸收系数。

国内外Ge改性实现的一个重要方法是采用GeSn合金化的手段：当Sn含量达到一定组分时，可获得直接带隙改性Ge半导体。GeSn合金材料是近年兴起的新型半导体材料，载流子迁移率高、能带结构可调，将转变为直接带隙半导体材料，易发射和吸收光，特别是与成熟硅微电子工艺的兼容性，使其在硅基光电子器件如发光器件、光电探测器、光调制器以及高迁移率场效应晶体管等方面得到了广泛的研究与应用。改性后的Ge半导体可应用于光电子器件，其转换效率高，直接带隙光吸收效率与Ⅲ-Ⅴ族半导体相当。在探测器设计方面，优选具有高的Sn的组份和低暗电流的GeSn光电探测器，可显著提高在光谱响应和特殊检测率方面器件性能。GeSn光电探测器工作范围可以覆盖近红外和短波红外(NIR，SWIR)波长，不会像Ge探测器那样，在波长大于1550nm后，响应迅速下降，截止于1600nm。2009年12月美国亚利桑那州立大学(ASU)首次报导了UHV/CVD生长的硅基GeSn光电探测器。该探测器只引入2％的Sn，但是其响应范围覆盖了所有的光通信波段，在1700nm左右仍然具有响应。GeSn光电探测器以其灵敏面积准确，体积小，漏电流小，稳定性好等优点，在当前国内外有广阔的应用前景。

因此，对GeSn合金材料实现方式及GeSn探测器的相关研究已成为当前国内外研究的热点和重点。

Si基光电集成技术已日趋成熟，Si在地壳中储量巨大，获取方便且便宜，其机械强度和热性质好。以Si衬底为基片，制作光电探测器，便于集成，而且可以降低成本，理论上就能实现光信息高速传输。但Si与GeSn之间存在着很大的晶格失配问题，制备出的GeSn材料质量往往比较差。一个常见的解决方法是在Si衬底上利用低温-高温两步法生长Ge缓冲层。但两步法制备Ge缓冲层无法解决Ge/Si界面存在螺位错和表面粗糙度的问题，从而限制了GeSn探测器的探测效率。为了避免位错缺陷在外延的过程中沿纵向扩展而导致Ge/Si虚衬底晶体质量降低，可采用Ge/Si横向结晶生长的方法，抑制缺陷的扩展从而获得高质量的Ge/Si虚衬底。激光晶化技术是一种热致相变横向结晶的方法，是解决该问题的有效方案。

此外，影响GeSn层质量的因素还有来自PIN探测器中Ge层的掺杂源的无意掺杂，这会降低本征GeSn层的晶体质量。因此，本发明提出了本征阻挡层结构来解决这一问题。由于本征Ge阻挡层的存在，实现了GeSn层与其他掺杂Ge层的隔离，有利于实现高质量的GeSn层，从而使GeSn探测器获得优良的器件性能。

发明内容