CN102427093A

CN102427093A - 横向PIN结构Ge量子点近红外探测器及其制作方法

Info

Publication number: CN102427093A
Application number: CN2011104055832A
Authority: CN
Inventors: 魏榕山; 何明华
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2031-12-08
Also published as: CN102427093B

Abstract

本发明涉及一种横向PIN结构Ge量子点近红外探测器及其制作方法，该探测器包括衬底和设于衬底上的多层Ge量子点，多层Ge量子点上光刻有p⁺叉指注入区和n⁺叉指注入区，两叉指注入区均包括间隔并排的多个叉指条型区和与各叉指条型区相连通的叉指连接区，p⁺叉指注入区与n⁺叉指注入区的叉指条型区间隔交叉设置，p⁺叉指注入区内设有p⁺叉指条和p⁺叉指连接部，n⁺叉指注入区内设有n⁺叉指条和n⁺叉指连接部，多层Ge量子点上设有SiO₂薄膜，SiO₂薄膜上开设有两电极引线孔，两电极引线孔内分别设有与p⁺叉指连接部、n⁺叉指连接部相接触的金属电极并向外引出。该探测器的光生载流子输运效率高，提高了探测器的光响应度。

Description

横向PIN结构Ge量子点近红外探测器及其制作方法

技术领域

本发明涉及近红外探测器制作技术领域，特别是一种横向PIN结构Ge量子点近红外探测器及其制作方法。

背景技术

在目前光纤通信使用的单模光纤中，使用最多的是1.31μm和1.55μm这两个近红外波段。Si是信息领域最重要的半导体材料，在微电子领域已获得了巨大的发展。但是由于Si是间接带隙，且带隙较大（室温下E _g=1.12eV），导致其存在着对近红外光吸收系数低、吸收长度长，对1.1μm以上波长没有响应等诸多问题。这些特性限制了其在光纤通信领域的应用。通过在Si基上生长Ge量子点能够拓宽其响应波段，从而制作能应用于光纤通信领域的近红外探测器。目前见诸报道的Si基Ge量子点近红外探测器主要有纵向PIN结构Ge量子点探测器、共振腔增强型（RCE）PIN结构Ge量子点探测器、波导型Ge量子点探测器、异质结光敏晶体管（HPT型）Ge量子点探测器。上述的这些Ge量子点探测器都具有一个共同特点，就是Ge量子点吸收红外光后产生的光生载流子是在纵向（跟衬底垂直）上进行输运的，简称为纵向探测器。但是对于纵向量子点探测器而言，由于多层量子点在垂直方向上表现出耦合特性，即表面的量子点倾向于直接生长在埋层岛的正上方，从而使生长的量子点是纵向对齐的。当光生载流子在纵向上进行输运时，很容易被相邻量子点俘获和散射，输运效率大大降低，光响应度不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种横向PIN结构Ge量子点近红外探测器及其制作方法，该探测器的光生载流子输运效率高，提高了探测器的光响应度。

本发明的目的是这样实现的：一种横向PIN结构Ge量子点近红外探测器，其特征在于：包括衬底和设于衬底上的多层Ge量子点，在所述多层Ge量子点上光刻有p⁺叉指注入区和n⁺叉指注入区，所述p⁺叉指注入区和n⁺叉指注入区均包括间隔并排的多个叉指条型区和设于叉指条型区一端且与所有叉指条型区相连通的叉指连接区，所述p⁺叉指注入区的叉指条型区与n⁺叉指注入区的叉指条型区间隔交叉设置，所述p⁺叉指注入区内注入有p⁺叉指条和p⁺叉指连接部，所述n⁺叉指注入区内注入有n⁺叉指条和n⁺叉指连接部，所述多层Ge量子点上设有一层SiO₂薄膜，所述SiO₂薄膜正对于p⁺叉指连接部和n⁺叉指连接部的位置上分别开设有一电极引线孔，所述两电极引线孔内分别设有与所述p⁺叉指连接部、n⁺叉指连接部相接触的金属电极并向外引出。

本发明还提供了上述横向PIN结构Ge量子点近红外探测器的制作方法，其特征在于：首先，在SOI衬底上生长多层Ge量子点材料，然后按如下步骤进行横向PIN结构Ge量子点探测器的制作：

（1）在多层Ge量子点材料上进行光刻，并刻蚀至SOI衬底的埋层SiO₂处，形成探测器所在的台面及对准标记；

（2）在多层Ge量子点材料上光刻形成p⁺叉指注入区，非注入区用光刻胶挡住；

（3）在p⁺叉指注入区中注入硼离子，形成p⁺叉指条和p⁺叉指连接部；然后去胶；

（4）在多层Ge量子点材料上光刻形成n⁺叉指注入区，非注入区用光刻胶挡住；

（5）在n⁺叉指注入区中注入磷离子，形成n⁺叉指条和n⁺叉指连接部；然后去胶；

（6）在多层Ge量子点材料上生长SiO₂薄膜；

（7）在SiO₂薄膜上进行光刻，并刻蚀出电极引线孔；

（8）在SiO₂薄膜上溅射一Al金属层；

（9）在Al金属层上进行光刻，并刻蚀出Al电极；

（10）合金，形成电极金属与高掺杂硅之间的欧姆接触；获得最终的横向PIN结构Ge量子点探测器样品。

本发明的有益效果是：跟已有的纵向结构Ge量子点探测器相比，本发明的光生载流子在横向上进行输运，减少了其受其它量子点的势垒散射或被其它量子点俘获的几率，提高了光生载流子的输运效率，从而提高探测器的光响应度。此外，本发明横向PIN结构的Ge量子点探测器的两个电极位于同一个平面，在工艺上更有利于集成。本产品可以用作光纤通信领域的光电探测器，具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1a是本发明实施例的结构俯视图（SiO₂薄膜、金属电极未示出）。

图1b是本发明实施例的结构剖视图。

图2是本发明实施例的SOI衬底和多层Ge量子点示意图。

图3a是本发明实施例一制作中间过程的结构示意图。

图3b是本发明实施例一制作中间过程的结构示意图。

图3c是本发明实施例一制作中间过程的结构示意图。

图3d是本发明实施例一制作中间过程的结构示意图。

图3e是本发明实施例一制作中间过程的结构示意图。

图3f是本发明实施例一制作中间过程的结构示意图。

图3g是本发明实施例一制作中间过程的结构示意图。

具体实施方式

本发明横向PIN结构Ge量子点近红外探测器，如图1a、1b所示，包括衬底和设于衬底上的多层Ge量子点，在所述多层Ge量子点上光刻有p⁺叉指注入区和n⁺叉指注入区，所述p⁺叉指注入区和n⁺叉指注入区均包括间隔并排的多个叉指条型区和设于叉指条型区一端且与所有叉指条型区相连通的叉指连接区，所述p⁺叉指注入区的叉指条型区与n⁺叉指注入区的叉指条型区间隔交叉设置，所述p⁺叉指注入区内注入有p⁺叉指条和p⁺叉指连接部，所述n⁺叉指注入区内注入有n⁺叉指条和n⁺叉指连接部，所述多层Ge量子点上设有一层SiO₂薄膜，所述SiO₂薄膜正对于p⁺叉指连接部和n⁺叉指连接部的位置上分别开设有一电极引线孔，所述两电极引线孔内分别设有与所述p⁺叉指连接部、n⁺叉指连接部相接触的金属电极并向外引出。

上述衬底为SOI衬底，所述SOI衬底包括由下而上设置的Si基底、埋层SiO₂和顶层Si膜。

上述p⁺叉指注入区和n⁺叉指注入区向下贯通整个多层Ge量子点和顶层Si膜直至所述埋层SiO₂上侧面。

上述p⁺叉指条和p⁺叉指连接部由硼离子注入形成。

上述n⁺叉指条和n⁺叉指连接部由磷离子注入形成。

上述的横向PIN结构Ge量子点近红外探测器的制作方法，其特征在于：首先，在SOI衬底上生长多层Ge量子点材料，然后按如下步骤进行横向PIN结构Ge量子点探测器的制作：

（1）在多层Ge量子点材料上进行光刻，并用RIE刻蚀至SOI衬底的埋层SiO₂处，形成探测器所在的台面及对准标记；

（3）在p⁺叉指注入区中注入硼离子，形成p⁺叉指条和p⁺叉指连接部；然后，氧烘去胶；

（5）在n⁺叉指注入区中注入磷离子，形成n⁺叉指条和n⁺叉指连接部；然后，氧烘去胶；

（6）在多层Ge量子点材料上生长SiO₂薄膜，目标厚度为400nm；

（7）在SiO₂薄膜上进行光刻，并用HF溶液刻蚀出电极引线孔；

（8）在SiO₂薄膜上溅射一Al金属层，目标厚度为1μm；

（9）在Al金属层上进行光刻，并用H₃PO₄溶液刻蚀出Al电极；

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明横向PIN结构Ge量子点探测器的具体制作工艺流程如下：

1、外延生长

采用超高真空化学气相淀积（UHV/CVD）或分子束外延（MBE）等方法生长如图2所示多层Ge量子点材料。为了获得更好的暗电流特性，我们采用了SOI（Silicon on Insulator）作为衬底。

2、横向PIN探测器的流水制作

生长完量子点材料后，就要进行横向PIN探测器的流水制作。工艺流程示意图如图3a~3g所示，为了使表达更加简单清楚，示意图做了一些简化：（1）图中只给出了叉指结构中的一对p-n结。（2）图中的“衬底”指的是SOI衬底中的基底和埋层SiO₂这两个部分，而SOI衬底中的顶层Si膜则包含在了图中的“量子点材料”。具体步骤如下：

（1）第一步光刻并用RIE刻蚀至SOI的埋层SiO₂处，形成探测器所在的台面及对准标记。这步光刻有两个目的，一是形成探测器所在的台面，这样可以更好地对器件进行隔离，二是刻蚀出对准标记，供后步工艺光刻对准使用。但是要注意的是，这里所讲的台面和纵向探测器工艺流水过程中的台面意义是不一样的。这里的台面主要是为了对探测器单元有个更好的隔离作用（尤其对于SOI衬底而言，由于埋层SiO₂的隔离作用，每个探测器单元相当于一个孤立的“小岛”，能有效地减小暗电流），但是两个电极还是在同一个平面内的，不存在电极“爬台阶”的问题，对横向PIN探测器的电极平面性的优点没有影响。该步工艺后的器件示意图如图 3a所示。

（2）第二步光刻形成探测器的p⁺叉指注入区，非注入区用光刻胶挡住。

（3）进行硼（B⁺）离子注入，形成p⁺叉指区。按照离子注入的LSS理论，选择能量E=60KeV，剂量D=5×10¹⁵cm^-2。该步工艺后的器件示意图如图3b所示。

（4）氧烘去胶，由于注入的离子剂量和能量较大，用氧烘去胶比较干净。

（5）第三步光刻形成探测器的n⁺叉指注入区，非注入区用光刻胶挡住。

（6）进行磷（P⁺）离子注入，形成n⁺叉指区。同样，按照离子注入的LSS理论，选择能量E=140KeV，剂量D=5×10¹⁵cm^-2。该步工艺后的器件示意图如图3c所示。

（7）氧烘去胶，由于注入的离子剂量和能量较大，用氧烘去胶比较干净。

（8）采用低压气相淀积法（LPCVD）生长SiO₂薄膜，目标厚度400nm。这一步工艺生长的SiO₂薄膜可以起到钝化保护作用，同时可以利用这个生长过程对注入的离子进行热退火。该步工艺后的器件示意图如图3d所示。

（9）第四步光刻，在SiO₂薄膜上进行光刻，并用HF溶液刻蚀出电极接触孔。该步工艺后的器件示意图如图3e所示。

（10）溅射Al金属层，目标厚度1μm。该步工艺后的器件示意图如图3f所示。

（11）第五步光刻，在Al金属层上进行光刻，并用H₃PO₄溶液刻蚀出电极图形，从而形成电极。该步工艺后的器件示意图如图3g所示。由该示意图也可以看出，两个电极是在同一个平面内的。

（12）合金，形成电极金属与高掺杂硅之间的欧姆接触。温度430℃，时间30min，使用N₂保护。获得最终的横向PIN结构探测器。

工作时，在如图1a、1b所示的探测器的两个电极加负偏压（n⁺电极的电位要高于p⁺电极的电位），然后红外光从探测器的顶部正入射，则在探测器内部的Ge量子点会吸收光产生光生载流子，这些光生载流子在两个电极所施加的电场作用下形成光生电流，从而被外接电路所检测到。这样就实现了光电探测器的功能。

从器件结构可以看出，本发明的横向PIN结构，当给两个电极加上偏压时，产生的电场是平行于器件表面的（而纵向PIN结构则是垂直于器件表面的），这样产生的光生载流子将在横向上进行输运，可以带来如下好处：

1、由于每一层的量子点在平面内的分布是随机的，在同一个平面内相邻的量子点不是对齐的。而在纵向上，相邻的量子点由于应力作用是垂直对齐的。这就使光生载流子在横向输运时，受到较少的散射，具有较低的再次被其他量子点俘获的几率。尤其是随着光刻技术的进步，当叉指间的距离W可以做到越来越小，乃至i区只包含一个或者极少数几个量子点时，光生载流子在横向输运过程中完全有可能不受其它量子点的势垒散射或被其它量子点俘获，提高光生载流子的输运效率，从而提高探测器的光响应度。

2、纵向PIN结构的Ge量子点探测器必须要光刻出一个台面，两个电极不是分布在同一个平面上。而横向PIN结构的Ge量子点探测器的两个电极位于同一个平面。这样在工艺上更有利于集成。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种横向PIN结构Ge量子点近红外探测器，其特征在于：包括衬底和设于衬底上的多层Ge量子点，在所述多层Ge量子点上光刻有p⁺叉指注入区和n⁺叉指注入区，所述p⁺叉指注入区和n⁺叉指注入区均包括间隔并排的多个叉指条型区和设于叉指条型区一端且与所有叉指条型区相连通的叉指连接区，所述p⁺叉指注入区的叉指条型区与n⁺叉指注入区的叉指条型区间隔交叉设置，所述p⁺叉指注入区内注入有p⁺叉指条和p⁺叉指连接部，所述n⁺叉指注入区内注入有n⁺叉指条和n⁺叉指连接部，所述多层Ge量子点上设有一层SiO₂薄膜，所述SiO₂薄膜正对于p⁺叉指连接部和n⁺叉指连接部的位置上分别开设有一电极引线孔，所述两电极引线孔内分别设有与所述p⁺叉指连接部、n⁺叉指连接部相接触的金属电极并向外引出。

2.根据权利要求1所述的横向PIN结构Ge量子点近红外探测器，其特征在于：所述衬底为SOI衬底，所述SOI衬底包括由下而上设置的Si基底、埋层SiO₂和顶层Si膜。

3.根据权利要求2所述的横向PIN结构Ge量子点近红外探测器，其特征在于：所述p⁺叉指注入区和n⁺叉指注入区向下贯通整个多层Ge量子点和顶层Si膜。

4.根据权利要求1所述的横向PIN结构Ge量子点近红外探测器，其特征在于：所述p⁺叉指条和p⁺叉指连接部由硼离子注入形成。

5.根据权利要求1所述的横向PIN结构Ge量子点近红外探测器，其特征在于：所述n⁺叉指条和n⁺叉指连接部由磷离子注入形成。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的横向PIN结构Ge量子点近红外探测器的制作方法，其特征在于：首先，在SOI衬底上生长多层Ge量子点材料，然后按如下步骤进行横向PIN结构Ge量子点探测器的制作：

（3）在p⁺叉指注入区中注入硼离子，形成p⁺叉指条和p⁺叉指连接部，然后去胶；

（5）在n⁺叉指注入区中注入磷离子，形成n⁺叉指条和n⁺叉指连接部，然后去胶；

（6）在多层Ge量子点材料上生长SiO₂薄膜；

（7）在SiO₂薄膜上进行光刻，并刻蚀出电极引线孔；

（8）在SiO₂薄膜上溅射一Al金属层；

（9）在Al金属层上进行光刻，并刻蚀出Al电极；

7.根据权利要求6所述的横向PIN结构Ge量子点近红外探测器的制作方法，其特征在于：在步骤（6）中，生长的SiO₂薄膜的厚度为400nm。

8.根据权利要求6所述的横向PIN结构Ge量子点近红外探测器的制作方法，其特征在于：在步骤（8）中，溅射的Al金属层的厚度为1μm。