CN100492675C - 一种包含量子点的光探测场效应晶体管及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包含量子点的光探测场效应晶体管及制备方法，其特点在于：一，不同于其他光-电集成器件的横向耦合结构，本器件的结构，是将化合物半导体光探测器和金属-半导体场效应晶体管纵向集成生长在同一衬底材料上。二，在器件制备过程中，将栅极下方的砷化铟量子点有源区台面与源、漏电极区隔断开，使量子点层下方的调制掺杂导电沟道与源、漏电极连通，构成场效应器件的导电回路。本发明提出了一种纵向结构上将光探测器和金属-半导体场效应晶体管集成在一起的器件结构及制备方法，实现了光器件和电学器件的有效集成，结构简单，制备工艺简便有效，是光-电集成器件光探测器组件部分的一种更好的实现方法。

Description

一种包含量子点的光探测场效应晶体管及制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言是属于化合物半导体场效应晶体管器件。

背景技术

半导体场效应晶体管(FET)是现代超大规模集成电路(ULSI)的基本器件单元，在信息技术及微电子学领域占有极其重要的地位。场效应晶体管(FET)的基本结构是一个三电极器件，包括源极、漏极和栅极，通过施加在栅极上电压的变化可以调节源极和漏极间沟道电流的大小，从而实现器件的基本功能。

场效应晶体管器件通常分为金属—氧化物—半导体型(MOSFET)和金属—半导体型(MESFET)晶体管。现在大多数金属—氧化物—半导体型(MOSFET)是由元素半导体硅(Si)制成的，这是因为硅材料具有低廉的价格及成熟的器件工艺等优良特点。而III—V族化合物半导体材料(如砷化镓(GaAs))具有高电子迁移率，因此具有比硅基金属—氧化物—半导体型(MOSFET)高的开关速度和截止频率，在高速、高频应用领域占有很重要地位。此外，由于直接带隙的砷化镓(GaAs)等化合物半导体材料具有良好的光电特性，也是实现光—电集成电路(OEIC)的优选材料。

光—电集成电路(OEIC)是光电子学和微电子学相结合的产物，是信息社会未来发展的需要。在单片光—电集成电路(OEIC)结构中，一般在同一衬底材料上同时包含有光器件、电子器件以及各器件间的互连，不论是光器件(如半导体激光器、光探测器、光波导)还是电子元器件(如场效应晶体管(FET)、电阻、电容)都通常采用化合物半导体材料制作。从实用化角度看，光—电集成电路(OEIC)尚处在初期阶段，其主要原因在于；光器件和电子元器件的结构、器件基本动作特点、制造工艺及与其他元器件的互连不同，因此还有许多困难需要克服。具体而言，在光—电集成电路(OEIC)结构光探测组件中，通常将半导体光探测器(PD)与金属—半导体场效应晶体管(MESFET)生长在同一衬底材料上，并通过横向波导层及电子电路耦合，实现光信号到电信号的转变和传输。由于光探测器结构(如PIN管、雪崩光电二极管APD等)和金属—半导体场效应晶体管(MESFET)的制作工艺不同，因此需要采用相对独立的工艺步骤，增加了光—电集成电路(OEIC)的制造难度和复杂度。而且，耦合波导层的加工制备也不易控制。此外，由于半导体光探测器结构本身固有的噪声来源(如暗电流噪声、量子噪声等)，也使得实现高质量的光—电集成电路(OEIC)集成难度较大。

发明内容

本发明目的是针对光—电集成电路(OEIC)光探测组件制备过程中存在的问题，提出一种包含量子点的光探测器场效应晶体管(PD-MESFET)及其制备方法，其特点是在器件纵向结构上将化合物半导体光探测器(PD)与调制掺杂金属—半导体场效应晶体管(MESFET)集成在一起。该器件基本结构是在GaAs MESFET有源区沟道层附近生长一层或多层自组织生长的砷化铟(InAs)量子点(QD)，这层类似于浮栅结构的量子点能够响应近红外波段的入射光并束缚光生载流子，可以作为调制掺杂金属—半导体场效应晶体管(MESFET)二维电子气导电沟道层附近的库仑电子散射中心。在栅极电压的调制作用下，当砷化铟(InAs)量子点吸收入射的红外光子，量子点层的能量状态发生改变，引起周围库仑势场的变化，对近邻的金属—半导体场效应晶体管(MESFET)源漏极导电沟道电流会产生显著的影响，从而实现光探测吸收对金属—半导体场效应晶体管(MESFET)沟道电流的控制作用。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种包含量子点的光探测场效应晶体管，其为纵向多层结构：在衬底上表面顺序生长一层缓冲层，缓冲层上表面生长调制掺杂结构层，结构层上表面生长一层势垒层，再生长一层包含自组织量子点的有源层以及一层覆盖层，最后在覆盖层上生长高掺杂的欧姆接触层；

在样品材料表面制备场效应晶体管结构，源区和漏区位于包含量子点的有源区台面两侧，并与有源区隔断；有源区表面制备栅电极，源区上表面制备源电极，漏区上表面制备漏电极。

所述的光探测场效应晶体管，其所述衬底，为N型砷化镓(100)晶向衬底；缓冲层为砷化镓层；掺杂结构层为掺杂硅的铝镓砷层，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；势垒层为砷化铝层；量子点层，为自组织生长的砷化铟量子点层；覆盖层，为本征铝镓砷层；接触层，为掺杂硅的砷化镓层，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；栅电极为肖特基栅极，半透明金栅极的栅长≤5μm；源、漏电极用金镍锗/金做为欧姆接触电极。

所述的光探测场效应晶体管，其所述调制掺杂结构层，包括一层掺杂层，以及其上生长的一层量子阱导电沟道层，导电沟道层，为本征砷化镓量子阱层；沟道层上表面生长势垒层。

所述的光探测场效应晶体管，其所述场效应导电沟道及其上方，为包含量子点的有源区台面结构，台面长为≤20μm，宽为≤5μm。

所述的光探测场效应晶体管，其所述隔离出的含有砷化铟量子点的有源区台面，使得量子点层形成与源、漏电极不导通的内嵌浮栅结构。

所述的光探测场效应晶体管，其所述源、漏电极，用金镍锗/金制备并合金化，与砷化镓量子阱构成的导电沟道层连通，形成场效应器件源区和漏区的导电回路。

所述的包含量子点的光探测场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括：

第一步、样品材料生长，生长过程中衬底样品保持匀速旋转：

a、在衬底上，于600℃温度下外延生长一层砷化镓缓冲层；

b、在缓冲层上，沉积一层厚度≤40nm，掺杂硅浓度为1×10¹⁸cm^-3的铝镓砷掺杂层；

c、在掺杂层上，生长厚度≤20nm本征砷化镓量子阱沟道层；

d、在沟道层上，生长厚度≤20nm砷化铝势垒层；

e、在势垒层上，于500℃温度下以S-K模式生长一层或多层自组织砷化铟量子点层；

f、在量子点层上，生长厚度≤60nm铝镓砷本征覆盖层；

g、在覆盖层上，最后生长厚度≤30nm掺杂硅浓度为1×10¹⁸cm^-3的砷化镓欧姆接触层；

第二步、器件结构制备：

a、采用光刻和湿法腐蚀工艺刻蚀出包含砷化铟量子点层的有源区台面，台面长为≤20μm，宽为≤5μm；

b、砷化铝势垒层作为湿法刻蚀的选择性腐蚀停止层，以保证将砷化铟量子点层和源、漏电极区隔断开；

c、在有源区台面两侧，与台面相隔离的源区、漏区上采用常规欧姆接触工艺制备金镍锗/金源电极和漏电极；

d、通过合金化使源区、漏区与调制掺杂砷化镓量子阱层连通，形成场效应器件的导电沟道通路；

e、在有源区台面上制备金属—半导体整流接触的肖特基栅极，栅长为≤5μm；

f、在栅极上，蒸镀厚度为≤10nm半透明金膜；

g、焊接三电极引脚，得成品。

所述的方法，其所述湿法腐蚀工艺用的湿法腐蚀液，配比为柠檬酸:水:双氧水＝1:7:8，腐蚀时间为≤40秒，腐蚀深度达到砷化铝势垒层。

本发明器件结构利用了化合物半导体不同材料层对入射光的选择性吸收，以及量子点中束缚光生电子而引起库仑场变化的量子效应的作用。因此，具有结构简单、制备工艺相对容易、串扰小、噪声低、器件响应效率高等特点，是光—电集成电路(OEIC)光探测器组件部分一种更为切实可行的实现方法。

附图说明

图1.是本发明的样品材料结构侧视示意图；

图2.是图1所示的材料能带结构示意图；

图3.是图1所示器件的电学连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

1.样品材料生长：

本发明器件材料是在固态源分子束外延(MBE)设备上生长的。图1所示的器件结构是在N型砷化镓(GaAs)(100)晶向衬底1上，在600℃温度下外延生长一层砷化镓(GaAs)缓冲层2；然后生长调制掺杂结构AlGaAs/GaAs层，首先是沉积一层40nm厚掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3(Si)的AlGaAs层3，随后生长20nm本征砷化镓(GaAs)量子阱(QW)沟道层4。调制掺杂层生长完毕后，以20nm砷化铝(AlAs)作为势垒层5，接着在500℃温度下以S-K模式生长一层自组织砷化铟(InAs)量子点(QD)层6，量子点生长完毕后，再生长60nm AlGaAs本征覆盖层7和30nm高掺杂砷化镓(GaAs)(1×10¹⁸cm^-3)欧姆接触层8。生长过程中衬底样品保持匀速旋转，以获得高质量均匀量子点和其他外延层结构。

如上所述，本发明的材料制备生长主要包括了两种结构，其一是由砷化铟(InAs)量子点和表面栅极构成的近红外光探测器结构；其二是调制掺杂的GaAs/AlGaAs导电沟道和表面栅极构成的金属—半导体场效应晶体管(MESFET)结构；两种结构纵向集成生长在同一衬底材料上。

2.器件结构制备：

常规的金属—半导体场效应晶体管(MESFET)器件，源电极和漏电极可以直接通过栅极下方的导电沟道连通。而在本发明中必须采用独特的制备工艺技术，如图3所示，将栅极13下方的砷化铟(InAs)量子点层6台面和源9、漏11电极区隔离开，并使源—漏电流通过量子点层6下方的砷化镓(GaAs)量子阱导电沟道层4连通(如图1所示)，以实现本发明的基本器件功能。

本发明场效应器件结构在制备过程中，首先采用光刻和湿法腐蚀工艺(柠檬酸:水:双氧水＝1:7:8)刻蚀出包含砷化铟(InAs)量子点层6的有源区台面，腐蚀时间为40秒，腐蚀深度达到砷化铝势垒层，有源区台面的面积为5×20μm²。结构中采用了高势垒的砷化铝(AlAs)层5不仅可以作为砷化铟(InAs)量子点层6和导电沟道层4的间隔阻挡层，同时也利用砷化铝(AlAs)作为湿法刻蚀的选择性腐蚀停止层，以保证将砷化铟(InAs)量子点层6和源漏电极区隔断开。与台面相隔离的源区9、漏区11上采用常规欧姆接触工艺制备镍锗金/金(AuGeNi/Au)源电极10和漏电极12，通过合金化使源区9、漏区11与调制掺杂沟道层砷化镓(GaAs)量子阱层4联通，形成场效应器件的导电沟道回路。然后在包含量子点的有源区台面上制备金属—半导体整流接触的肖特基栅极13，栅长为5μm，为了保证器件良好的透光响应率，蒸镀厚度为10nm半透明金(Au)膜作为栅电极13。

下面结合场效应晶体管的特性和本发明的器件能带结构图(图2)与器件电学连接图(图3)，说明本发明的基本工作原理。

按照一种实施方式，在近红外光(λ_ex＝1.3μm)光照测试之前，图3金属—半导体场效应晶体管(MESFET)的源电极10和漏电极12外接电流源15，栅极13上外接电压源设备14。此时，沟道层4中通过外电路注入的电流在栅极13电压调制作用下，可以获得通常的场效应晶体管器件的I-V输出特性曲线。

保持栅电极13处于一恒定负偏压状态，沟道饱和电流将基本维持为一恒定值。此时，当近红外光(λ_ex＝1.3μm)入射到器件有源区表面时(如图2所示)，由于入射光子能量(E＝0.954eV)小于器件其他材料层的带隙能量，而只在砷化铟(InAs)量子点层6产生光生电子—空穴对。光生空穴在外加负向栅压的调制作用下，隧穿出铝镓砷(AlGaAs)覆盖层7被栅电极13抽取走，而光生电子则由于砷化铝(AlAs)层5的高势垒阻挡层的限制作用而被限制束缚在砷化铟(InAs)量子点层6中。

具有纳米尺度的量子点的电容值C_QD通常很小，束缚载流子后其静电能可以表示为：

$E={\∫}_0^Q\frac{q}{C}\mathrm{dq}=\frac{Q}{2C}---\left(1\right)$

Q表示电子电荷量，C为量子点层6与覆盖层7间电容值；这个量子点中电子的静电库仑排斥能E比低温下电子热运动能量大很多。

因此，在光照和栅压调制作用下，砷化铟(InAs)量子点层6中的各电子态逐渐被光生电子填充，使得量子点层6各能量状态上电子的波函数相互耦合并扩展，从而引起量子点层6及周围静电势场的显著变化；在一定条件下，持续光照射形成量子点中载流子的注入将耗尽近邻金属—半导体场效应晶体管(MESFET)的导电沟道砷化镓(GaAs)层4中的二维电子气(2DEG)，使沟道层4中电流被夹断，从而实现了在近红外光作用下该器件由“开”状态到光致“关”状态的切换，“开”和“关”的临界阈值条件可以根据该光电集成器件应用的实际需要而加以选择确定。

因此，本器件在结构上将近红外光的探测和金属—半导体场效应晶体管(MESFET)纵向集成在一起，可以实现近红外光照射对金属—半导体场效应晶体管导通状态的控制，是一种包含量子点的光电集成(OEIC)化合物半导体场效应晶体管器件。

Claims (8)

1.一种包含量子点的光探测场效应晶体管，其特征在于，为纵向多层结构：在衬底上表面顺序生长一层缓冲层，缓冲层上表面生长调制掺杂结构层，结构层上表面生长一层势垒层，再生长一层包含自组织量子点的有源层以及一层覆盖层，最后在覆盖层上生长高掺杂的欧姆接触层；所述调制掺杂结构层，包括一层掺杂层，以及其上生长的一层量子阱导电沟道层，导电沟道层，为本征砷化镓量子阱层；

所述光探测场效应晶体管的源区和漏区位于包含量子点的有源区台面两侧，并与有源区隔断；有源区表面制备栅电极，源区上表面制备源电极，漏区上表面制备漏电极。

2.如权利要求1所述的光探测场效应晶体管，其特征在于，所述衬底，为N型砷化镓(100)晶向衬底；缓冲层为砷化镓层；掺杂结构层为掺杂硅的铝镓砷层，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；势垒层为砷化铝层；量子点层，为自组织生长的砷化铟量子点层；覆盖层，为本征铝镓砷层；接触层，为掺杂硅的砷化镓层，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；栅电极为肖特基栅极，半透明金膜栅极的栅长≤5μm；源、漏电极用金镍锗/金做为欧姆接触电极。

3.如权利要求1所述的光探测场效应晶体管，其特征在于，场效应导电沟道及其上方，为包含量子点的有源区台面结构，台面长为≤20μm，宽为≤5μm。

4.如权利要求1或2所述的光探测场效应晶体管，其特征在于，隔离出的含有砷化铟量子点的所述有源区台面，使得量子点层形成与源、漏电极不导通的内嵌浮栅结构。

5.如权利要求1或2所述的光探测场效应晶体管，其特征在于，所述源、漏电极，用金镍锗/金制备并合金化，从而与砷化镓量子阱构成的导电沟道层连通，形成场效应器件源区和漏区的导电回路。

6.一种如权利要求1所述的包含量子点的光探测场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括：

第一步、样品材料生长，生长过程中衬底样品保持匀速旋转：

a、在衬底上，于600℃温度下外延生长一层砷化镓缓冲层；

b、在缓冲层上，沉积一层厚度≤40nm，掺杂硅浓度为1×10¹⁸cm^-3的铝镓砷掺杂层；

c、在掺杂层上，生长厚度≤20nm本征砷化镓量子阱沟道层；

d、在沟道层上，生长厚度≤20nm砷化铝势垒层；

e、在势垒层上，于500℃温度下以S-K模式生长一层或多层自组织砷化铟量子点层；

f、在量子点层上，生长厚度≤60nm铝镓砷本征覆盖层；

g、在覆盖层上，最后生长厚度≤30nm掺杂硅浓度为1×10¹⁸cm^-3的砷化镓欧姆接触层；

第二步、器件结构制备：

a、采用光刻和湿法腐蚀工艺刻蚀出包含砷化铟量子点层的有源区台面，台面长为≤20μm，宽为≤5μm；

b、砷化铝势垒层作为湿法刻蚀的选择性腐蚀停止层，以保证将砷化铟量子点层和源、漏电极区隔断开；

c、在有源区台面两侧，与台面相隔离的源区、漏区上采用常规欧姆接触工艺制备金镍锗/金源电极和漏电极；

d、通过合金化使源区、漏区与调制掺杂砷化镓量子阱层连通，形成场效应器件的导电沟道通路；

e、在有源区台面上制备金属—半导体整流接触的肖特基栅极，栅长为≤5μm；

f、在栅极上，蒸镀厚度为≤10nm半透明金膜；

g、焊接三电极引脚，得成品。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述湿法腐蚀工艺用的湿法腐蚀液，配比为柠檬酸:水:双氧水＝1:7:8，腐蚀时间为≤40秒，腐蚀深度达到砷化铝势垒层。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述湿法腐蚀工艺用的湿法腐蚀液，配比为柠檬酸:水:双氧水＝1:7:8，腐蚀时间为≤40秒，腐蚀深度达到砷化铝势垒层。

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