CN101221996A - 基于虚衬底的硅锗异质结光晶体管 - Google Patents
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Abstract
基于虚衬底的硅锗异质结光晶体管，涉及一种异质结光晶体管。提供一种可极大地增加吸收区SiGe层的锗组分和SiGe层厚度，响应度高，响应波长范围宽，可对各区的Ge组分和厚度自由调节，设计灵活性强，主要用于近红外波段入射光探测的基于虚衬底的硅锗异质结光晶体管。设有硅基硅锗虚衬底，在虚衬底上依次设有集电区、吸收区、基区和发射区，集电区为Si1－yGey层，吸收区为Si1－zGez(y＜z≤1)层或Si1－zGez/Si1－yGey(y＜z≤1)多周期量子阱，基区为压应变的Si1－xGex层(y＜x≤1)，发射区为Si1－yGey层；在集电区、基区和发射区上设电极。
Description
技术领域
本发明涉及一种异质结光晶体管，尤其是涉及一种制备在硅基硅锗虚衬底上、可以根据“能带工程”的理念按照不同的设计需要对集电区、吸收区、基区和发射区的锗组分和厚度进行自由调节的一种异质结光晶体管。
背景技术
随着光通信事业的不断发展和半导体新材料的不断开拓，以光纤通信和光互连为代表的光电子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，其中一个课题就是如何以成熟的硅工艺技术为基础，利用新原理和新材料，在硅衬底上直接制作与硅微电子工艺兼容的、能在近红外波段有效工作的高性能价格比的硅基光电探测器及其集成器件。硅锗异质结光晶体管(HPT)是一种具有内部增益但不放大噪声的光晶体管，主要用于光探测而实现光电转换。它与现有的硅微电子工艺兼容，特别适合于与目前成熟的硅锗异质结晶体管(HBT)集成而实现硅基光电集成电路模块。
Si为间接带隙材料，吸收系数小，室温下禁带宽度为1.12eV，对1.3～1.55μm重要光通信窗口波段的光没有吸收。Ge的禁带宽度较窄，对光的吸收限可扩展至1.55μm以上。因此，具有一定厚度的高质量高组分SiGe合金甚至纯Ge作为SiGe异质结光晶体管的吸收区成为一个理想的选择。但是，由于Si和Ge之间晶格失配较大(4.18％)，直接在Si衬底上很难获得较厚的高质量高组分SiGe层。传统的SiGe异质结光晶体管通常采用以下几种结构，这些结构仍然没有解决SiGe层中组分与厚度的矛盾。
1)采用Si/SiGe/Si异质结晶体管结构，对光的吸收主要在SiGe基区和基区与集电区之间的耗尽区。由于在集电区和基区之间没有额外的吸收区，基区中的SiGe层又受到临界厚度的限制，很薄而且组分较低，很难实现对近红外波段的光响应(J.L.Polleux，F.Moutier，A.L.Billabertet al，“A strained SiGe layer heterojunction bipolar phototransistor for short-range opto-mictowaveapplications”，International topical meeting on microwave photonics，2003，113～116)。
2)在集电区和基区之间增加Sil-xGex/Si多量子阱作为吸收区，在多量子阱中压应变使Sil-xGex带隙变小，平均Ge组份使临界厚度增加，增加了有效吸收。但是，Sil-xGex/Si多量子阱中的Ge组分和Sil-xGex层的厚度由于受到Si上外延SiGe层临界厚度的限制，必须控制在较小的范围内，对近红外波段的光吸收仍然较小(Z.Pei，C.S.Liang，L.S.Lai et al，High efficient 850nm and 1.310 nm multiple quantum well SiGe/Si heterojunction phototransistors with 1.25 plusGHz bandwidth(850nm)，IEDM，2002，297～300；Z.Pei，L.S.Lai，H.P.Hwang et al，Si1-xGex/Simulti-quantum well phototransistor for near-infrared opration，Physica E，2003，16：554～557)。
3)采用多周期的Ge dots/Si作为吸收区，由于Ge量子点与Si形成II型能带结构，吸收限扩展至1.55μm。但是Ge量子点的密度、均匀性等方面很难控制，有效量子效率很低，响应度较低(A.Elfving，G.V.Hansson，W.X.Ni，SiGe(Ge-dot)heterojunction phototransistors for efficientlight detection at 1.3-1.55μm，Physica E，2003，16：528～532；W.H.Shi，R.W.Mao，L.Zhao et al，Fabrication of Ge nano-dot heterojunction phototransistors for improved light detection at 1.55μm，Chin.Phys.Lett.，2006，23(3)：735～737)。
4)以SiGe/Si多量子阱作为吸收区，在器件上下加反射镜形成谐振腔，使光在谐振腔内来回吸收，理论模拟显示这种结构可以获得较大的量子效率和光增益，但是由于器件结构复杂，工艺困难，难以实现，而且吸收区中SiGe层组分和厚度仍然受到较大的限制(Y.Q.Zhu，Q.Q.Yang，Q.M.Wang，Resonant cavity SiGe Si MQW heterojunction phototransistor grown on theSIMOX substrate for 1.3μm operation，Electronic Components and Technology Conference，1997，1199～1204)。
发明内容
本发明的目的在于针对已有的SiGe异质结光晶体管吸收区的SiGe层的组分和厚度所存在的矛盾，提供一种可极大地增加吸收区SiGe层的锗组分和SiGe层厚度，响应度高，响应波长范围宽，可以根据设计需要对各区的Ge组分和厚度进行自由调节，器件的设计灵活性强，主要用于近红外波段入射光探测的基于虚衬底的硅锗异质结光晶体管。
本发明设有硅基硅锗虚衬底，硅基硅锗虚衬底的硅锗层为弛豫Si1-yGey(0＜y≤1)，在硅基硅锗虚衬底上依次设有集电区、吸收区、基区和发射区，在集电区、基区和发射区的台面上设有SiO2绝缘层；集电区为Si1-yGey层，吸收区为Si1-zGez(y＜z≤1)层或Si1-zGez/Si1-yGey(y＜z≤1)多周期量子阱，基区为压应变的Si1-xGex层(y＜x≤1)，发射区为Si1-yGey层；在集电区、基区和发射区上分别设电极。
集电区的厚度最好为300～600μm，集电区与硅基硅锗虚衬底的硅锗层的晶格匹配，使得集电区厚度不受临界厚度的限制并且具有较高的锗组分。所述的多周期量子阱的周期数最好为5～20，Si1-zGez阱层的厚度最好为5～10nm，Si1-yGey垒层的厚度最好为15～25nm，基区的厚度最好为30～60nm。因此多量子阱吸收区中的Si1-zGez阱层的锗组分和厚度能够进一步提高，即吸收区采用Si1-zGez/Si1-yGey(y＜z≤1)多周期量子阱结构。发射区的厚度最好为100～300nm。当集电区和发射区为P型，基区为N型，吸收区为非掺杂层，所得的光晶体管为P-i-N-P型光晶体管；当集电区和发射区为N型，基区为P型，吸收区为非掺杂层，所得的光晶体管为N-i-P-N型光晶体管。
本发明依次将硅锗异质结光晶体管的集电区、吸收区、基区和发射区制作在硅基Si1-yGey(0＜y≤1)虚衬底上，虚衬底表面的晶格常数可以通过锗组分进行调节。然后在其上制作与之晶格匹配的Si1-yGey层作为集电区，使得集电区厚度不受临界厚度的限制并且具有较高的锗组分。因此多量子阱吸收区中的Si1-zGez阱层的锗组分和厚度能够进一步提高，即吸收区采用Si1-zGez/Si1-yGey(y＜z≤1)多周期量子阱结构。基区为压应变的Si1-xGex层(y＜x≤1)。根据集电区、吸收区、基区和发射区掺杂类型的不同可做成N-i-P-N和P-i-N-P两种类型的光晶体管。在集电区、基区和发射区上分别引出电极形成硅锗异质结光晶体管的三个电极。
本发明是一种具有内部增益的高响应度的SiGe光晶体管，主要用于光探测。器件设计自由度大，工作波长从可见光到近红外波段。由于本发明将硅锗异质结光晶体管制作在硅基硅锗虚衬底上，多量子阱吸收区中Si1-zGez阱层的Ge组分可根据虚衬底Ge组分的增加而可提高到最大值1，即纯Ge，极大地提高吸收区的吸收系数。与传统的硅锗异质结光晶体管相比，本发明的光晶体管可获得更高的响应度和更宽的响应波长范围。同时，各个区域的Ge组分可以根据设计要求自由调节，器件设计灵活。
附图说明
图1为本发明实施例基于Si基Si0.5Ge0.5虚衬底的SiGe异质结光晶体管的三维结构示意图。
图2为本发明实施例基于Si基Si0.5Ge0.5虚衬底的SiGe异质结光晶体管的横向截面图(发射区在上面)。
图3为本发明实施例基于Si基Si0.5Ge0.5虚衬底的SiGe异质结光晶体管的横向截面图(集电区在上面)。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例1
参见图1和2，在Si基Si0.5Ge0.5虚衬底(由底部厚为525μm的Si和上面厚为200nm的完全应变弛豫的Si0.5Ge0.5组成)上外延生长400nm厚的N型Si0.5Ge0.5集电区，接着在其上外延本征的Ge/Si0.5Ge0.5多量子阱作吸收区，多量子阱中Ge阱层厚度为5nm，Si0.5Ge0.5垒层厚度为20nm，然后再外延40nm厚的P型Si0.3Ge0.7基区，基区上面为N型的Si0.5Ge0.5发射区，厚度为100nm。分别刻蚀出基区大台面和发射区小台面，引出集电区、基区和发射区电极形成N-i-P-N型光晶体管。在图1和2中的标记分别为：1、Si基Si0.5Ge0.5虚衬底；2、金属电极；3、N型Si0.5Ge0.5集电区；4、Ge/Si0.5Ge0.5多量子阱吸收区；5、P型Si0.3Ge0.7基区；6、N型Si0.5Ge0.5发射区；7、SiO2绝缘层。
实施例2
与实施例1类似，将集电区、基区和发射掺杂类型分别换为P型、N型和P型，形成一个P-i-N-P型光晶体管。
实施例3
与实施例1类似，采用N型多晶硅取代N型Si0.5Ge0.5作为发射区，得到一个多晶硅发射区的SiGe异质结光晶体管。
实施例4
与实施例1类似，如图3所示，在Si0.5Ge0.5虚衬底上先外延N型发射区，再外延P型Si0.3Ge0.7基区，再外延Ge/Si0.5Ge0.5多量子阱吸收区，其上面为Si0.5Ge0.5集电区，形成倒结构的SiGe异质结光晶体管。
Claims (10)
1.基于虚衬底的硅锗异质结光晶体管，其特征在于设有硅基硅锗虚衬底，硅基硅锗虚衬底的硅锗层为弛豫Si1-yGey(0＜y≤1)，在硅基硅锗虚衬底上依次设有集电区、吸收区、基区和发射区，在集电区、基区和发射区的台面上设有SiO2绝缘层；集电区为Si1-yGey层，吸收区为Si1-zGez(y＜z≤1)层或Si1-zGez/Si1-yGey(y＜z≤1)多周期量子阱，基区为压应变的Si1-xGex层(y＜x≤1)，发射区为Si1-yGey层；在集电区、基区和发射区上分别设电极。
2.如权利要求1所述的基于虚衬底的硅锗异质结光晶体管，其特征在于集电区的厚度为300～600μm。
3.如权利要求1或2所述的基于虚衬底的硅锗异质结光晶体管，其特征在于集电区与硅基硅锗虚衬底的硅锗层的晶格匹配。
4.如权利要求1所述的基于虚衬底的硅锗异质结光晶体管，其特征在于所述的多周期量子阱的周期数为5～20。
5.如权利要求1所述的基于虚衬底的硅锗异质结光晶体管，其特征在于Si1-zGez阱层的厚度为5～10nm。
6.如权利要求1所述的基于虚衬底的硅锗异质结光晶体管，其特征在于Si1-yGey垒层的厚度为15～25nm。
7.如权利要求1所述的基于虚衬底的硅锗异质结光晶体管，其特征在于基区的厚度为30～60nm。
8.如权利要求1所述的基于虚衬底的硅锗异质结光晶体管，其特征在于发射区的厚度为100～300nm。
9.如权利要求1所述的基于虚衬底的硅锗异质结光晶体管，其特征在于当集电区和发射区为P型，基区为N型，吸收区为非掺杂层，所得的光晶体管为P-i-N-P型光晶体管。
10.如权利要求1所述的基于虚衬底的硅锗异质结光晶体管，其特征在于当集电区和发射区为N型，基区为P型，吸收区为非掺杂层，所得的光晶体管为N-i-P-N型光晶体管。
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