CN103985788A - 张应变锗msm光电探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种张应变锗光电探测器及其制作方法，该方法至少包括以下步骤：S1：提供一衬底并在其上依次形成牺牲层及锗层；S2：在所述锗层上形成一金属层，所述金属层对所述锗层提供应力；S3：将所述金属层图形化，形成一对金属主基座及一对金属次基座；S4：将所述锗层图形化以在所述金属主基座及金属次基座下分别形成锗主基座及锗次基座，并在每一对锗次基座之间形成至少一条锗桥线；S5：腐蚀掉所述锗桥线下方及所述锗次基座下方的牺牲层，以使所述锗桥线及所述锗次基座悬空，该悬空的锗次基座在所述金属层的应力作用下卷曲使所述锗桥线拉伸，得到张应变锗MSM光电探测器。本发明可提高MSM光电探测器的光电探测性能。
Description
技术领域
本发明属于光电器件领域，涉及一种张应变锗MSM光电探测器及其制作方法。
背景技术
金属-半导体-金属光电探测器(MSM-PD)具有响应速度快、电容小、工艺简单、平面结构及容易集成等优点，它在光纤通信中具有广泛的应用。由于MSM探测器的结构为两个背对背的二极管，工作时，总有一支二极管为反向偏置。所以器件本征电容小，而且随电压变化不大。同时MSM探测器为金属-半导体结构器件，没有少子效应，串联电阻小，RC时间常数也小，其速度主要取决于产生载流子在两电极之间的渡越时间(即与电极间距成反比)，所以响应速度高。
硅基光电集成在近年来的迅速发展被认为能够有效延续摩尔定律的延伸。目前，阻碍硅基光电集成技术的主要障碍是如何解决与硅基兼容的光源以及光探测问题。
锗(Ge)与硅(Si)都为间接带隙材料，但是Ge的直接带隙与间接带隙的差值仅为0.136eV，可以通过应力来调整Ge的能带结构，使其变为准直接带隙。当Ge薄膜的张应力到达～2％，Ge就会由原来的间接带隙转变为直接带隙，用来制作激光器，就可以满足光电集成的要求。应变锗可以提高金属-半导体-金属光电探测器的辐射复合几率，将发光波段调制在光通讯与光互连波段(1.55um)，并提高器件在光通讯与光互连波段(1.55um)的光吸收系数。当应变锗的应力足够大，甚至可将器件的光吸收波段提高至2um波段。此外Ge器件的制作与硅工艺几乎完全兼容，易于实现硅基光电器件的集成，降低制作成本。
制备张应变Ge有许多方法：1、利用Ge与Si的热膨胀系数的差异在Si上直接外延Ge，可以得到～0.3％的张应变；2、利用Ⅲ-Ⅴ族材料作为缓冲层，可以得到大张应力的Ge。但是由于外延Ⅲ-Ⅴ族材料需要MBE或者MOCVD，价格昂贵，生长速度慢，从而增加了成本。
因此，提供一种具有高张应变锗的光电探测器及其制作方法，以提高Ge的发光或光电探测性能并降低制作成本实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种张应变锗光电探测器及其制作方法，用于解决现有技术中金属-半导体-金属光电探测器光电探测性能不佳的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种张应变锗MSM光电探测器的制作方法，至少包括以下步骤：
S1：提供一衬底，在所述衬底上依次形成一牺牲层及一锗层；
S2：在所述锗层上形成一金属层，所述金属层对所述锗层提供应力；
S3：将所述金属层图形化，形成一对金属主基座及与该一对金属主基座相连的至少一对金属次基座；
S4：将所述锗层图形化以在所述金属主基座及金属次基座下分别形成锗主基座及锗次基座，并在每一对锗次基座之间形成至少一条锗桥线；
S5：腐蚀掉所述锗桥线下方及所述锗次基座下方的牺牲层，以使所述锗桥线及所述锗次基座悬空，该悬空的锗次基座在所述金属层的应力作用下卷曲使所述锗桥线拉伸，得到张应变锗MSM光电探测器。
可选地，于所述步骤S3中，将所述金属层图形化，形成横向和纵向的两对金属主基座，每一对金属主基座之间连接一对金属次基座；于所述步骤S4中，在两对锗次基座之间形成两条垂直连接的锗桥线；且于所述步骤S5中，两条锗桥线的连接处在横向及纵向两个方向上拉伸，形成双轴应力张应变锗。
可选地，所述锗桥线两端上方分别形成有与所述金属次基座相连的金属线。
可选地，所述金属次基座与所述锗桥线均为长条状，所述金属次基座与所述锗桥线的宽度比例范围是1:1～50:1。
可选地，所述金属次基座的长宽比大于或等于2。
可选地，所述锗桥线为纳米线或微米线。
可选地，所述金属层的材料包括W、Cr、Ti、Pt、Au、Ag、Pd及Fe中的至少一种。
可选地，所述牺牲层为SiO2、Si3N4、光刻胶、PDMS或PMMA。
可选地，所述金属层对所述锗层提供张应力，悬空的锗次基座在所述金属层的应力的作用下向上卷曲。
可选地，所述金属层对所述锗层提供压应力，悬空的锗次基座在所述金属层的应力作用下向下卷曲。
可选地，通过溅射法或蒸发法在所述锗层上形成所述金属层。
本发明还提供张应变锗MSM光电探测器的另一种制作方法，至少包括以下步骤：
S1：提供一衬底，在所述衬底上依次形成一牺牲层及一锗层；
S2：将所述锗层图形化，形成一对锗主基座及与该一对锗主基座相连的至少一对锗次基座，且每一对锗次基座之间连接有至少一条锗桥线；
S3：在所述锗主基座及锗次基座上形成一金属层，所述金属层对所述锗层提供应力；
S4：腐蚀掉所述锗桥线下方及所述锗次基座下方的牺牲层，以使所述锗桥线及所述次基座悬空，该悬空的锗次基座在所述金属层的应力的作用下卷曲使所述锗桥线拉伸，得到张应变锗MSM光电探测器。
可选地，于所述步骤S2中，将所述锗层图形化，形成横向和纵向的两对锗主基座，每一对锗主基座之间连接一对锗次基座；两对锗次基座之间形成两条垂直连接的锗桥线；于所述步骤S4中，两条锗桥线的连接处在横向及纵向两个方向上拉伸，形成双轴应力张应变锗。
本发明还提供一种张应变锗MSM光电探测器，包括：
衬底；
形成于所述衬底表面的牺牲层；
图形化的锗层，形成于所述牺牲层表面；该图形化的锗层包括一对锗主基座及与该一对锗主基座相连的至少一对锗次基座，且每一对锗次基座之间形成有至少一条锗桥线；
形成于所述锗主基座及锗次基座表面的金属层，所述金属层对所述锗层提供应力；
所述锗桥线及所述锗次基座悬空，且该悬空的锗次基座在所述金属层的应力作用下卷曲，使所述锗桥线呈拉伸状态，形成张应变锗MSM光电探测器。
可选地，所述锗桥线两端上方分别形成有与所述金属层相连的金属线。
可选地，所述锗桥线为纳米线或微米线。
本发明还提供另一种张应变锗MSM光电探测器，包括：
衬底；
形成于所述衬底表面的牺牲层；
图形化的锗层，形成于所述牺牲层表面；该图形化的锗层包括横向及纵向的两对锗主基座，每一对锗主基座之间连接有一对锗次基座，且两对锗次基座之间形成有两条垂直连接的锗桥线；
形成于所述锗主基座及锗次基座表面的金属层，所述金属层对所述锗层提供应力；
所述锗桥线及所述锗次基座悬空，且该悬空的锗次基座在所述金属层的应力作用下卷曲，使两条锗桥线的连接处在横向及纵向两个方向上呈拉伸状态，形成双轴张应变锗MSM光电探测器。
可选地，所述锗桥线两端上方分别形成有与所述金属层相连的金属线。
可选地，所述锗桥线为纳米线或微米线。
如上所述，本发明的张应变锗MSM光电探测器及其制作方法，具有以下有益效果：(1)本发明通过在锗桥线两端的锗次基座及锗主基座表面形成提供应力的金属层，并将所述锗桥线及所述锗次基座下的牺牲层完全腐蚀掉，以使所述锗次基座在所述金属层的应力作用下卷曲，从而将所述锗桥线拉伸得到高张应变锗。(2)所述金属层与张应变锗桥线形成金属-半导体-金属(MSM)光电探测器，由于锗桥线的高张应变，可以提高锗的光电探测性能，将光探测波段调制在光通讯与光互连波段(1.55微米)，提高MSM光电探测器在光通讯与光互连波段的吸收系数，并可进一步扩大器件的光吸收波段，使其在更高波段如2微米波段的吸收系数提高。(3)本发明的张应变锗MSM光电探测器的制作工艺与硅工艺几乎完全兼容，易于实现硅基光电器件的集成，降低制作成本。(4)本发明中，锗桥线与锗主基座之间形成有锗次基座及金属次基座，金属次基座与锗桥线的宽度比范围为1:1～50:1，可以减小薄膜形变过程中产生的剪切力，有效防止锗桥线断裂；且锗次基座下方的牺牲层完全被去掉，可以提升薄膜弯曲程度，进一步增强锗桥线的张应变。(5)在锗桥线两端上方形成金属线可以进一步减小薄膜形变过程中对所述锗桥线产生的剪切力，保护锗桥线不致断裂，提高MSM光电探测器的稳定性。(6)本发明还通过改变图形化锗层的结构，使两条锗桥线的连接处在横向及纵向两个方向上呈拉伸状态，形成双轴张应变锗MSM光电探测器。
附图说明
图1显示为本发明的张应变锗MSM光电探测器的制作方法中在衬底上依次形成牺牲层及锗层的示意图。
图2显示为本发明的张应变锗MSM光电探测器的制作方法中在锗层上形成金属层的示意图。
图3显示为本发明的张应变锗MSM光电探测器的制作方法中将金属层图形化后得到的结构的俯视图。
图4显示为本发明的张应变锗MSM光电探测器的制作方法中将锗层图形化后得到的结构的俯视图。
图5显示为图4所示结构腐蚀之后的A-A向剖视图。
图6显示为本发明的张应变锗MSM光电探测器的制作方法中将锗桥线下方及锗次基座下方的牺牲层腐蚀后锗桥线被拉伸的光学显微镜图。
图7显示为本发明的张应变锗MSM光电探测器的制作方法中锗桥线两端上方分别形成有与金属次基座相连的金属线的示意图。
图8显示为本发明的张应变锗MSM光电探测器的制作方法中形成双轴应力张应变锗MSM光电探测器的示意图。
元件标号说明
1 衬底
2 牺牲层
3 锗层
31 锗主基座
32 锗次基座
33 锗桥线
4 金属层
41 金属主基座
42 金属次基座
43 金属线
W1 金属次基座的宽度
W2 锗桥线的宽度
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本发明提供一种张应变锗MSM光电探测器的制作方法，至少包括以下步骤：
步骤S1：提供一衬底，在所述衬底上依次形成一牺牲层及一锗层；
步骤S2：在所述锗层上形成一金属层，所述金属层对所述锗层提供应力；
步骤S3：将所述金属层图形化，形成一对金属主基座及与该一对金属主基座相连的至少一对金属次基座；
步骤S4：将所述锗层图形化以在所述金属主基座及金属次基座下分别形成锗主基座及锗次基座，并在每一对锗次基座之间形成至少一条锗桥线；
步骤S5：腐蚀掉所述锗桥线下方及所述锗次基座下方的牺牲层，以使所述锗桥线及所述锗次基座悬空，该悬空的锗次基座在所述金属层的应力作用下卷曲使所述锗桥线拉伸，得到张应变锗MSM光电探测器。
首先请参阅图1，执行步骤S1：提供一衬底1，在所述衬底1上依次形成一牺牲层2及一锗层3。
具体的，所述衬底1为常规的半导体衬底，如Si、Ge、III-V材料等，本实施例中，所述衬底1优选为Si衬底。
所述牺牲层2包括但不限于SiO2、Si3N4、光刻胶、PDMS或PMMA。其中SiO2可采用热氧化方法在Si衬底上直接形成，或采用化学气相沉积在其它类型衬底上形成；Si3N4可利用低压化学气相沉积技术或等离子体增强化学气相沉积技术在所述衬底上形成；PDMS(聚二甲基硅氧烷)是一种聚合物材料，与硅片之间具有良好的粘附性，可通过旋涂等方法形成于所述衬底上，PDMS易溶于甲苯等有机溶剂；PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，溶于有机溶剂，如苯酚，苯甲醚等，可以通过旋涂可以形成良好的薄膜，具有良好的介电性能。本实施例中，所述牺牲层2优选为SiO2，采用热氧化方法直接在Si衬底上形成，牺牲层采用SiO2，有利于在后续腐蚀步骤中采用氢氟酸溶液对其进行湿法腐蚀。
然后请参阅图2，执行步骤S2：在所述锗层3上形成一金属层4，所述金属层4对所述锗层3提供应力。
具体的，采用溅射法或蒸发法在所述锗层3上形成所述金属层4。通过调节生长金属层4时的工艺参数，如温度、功率、气压等，使得所述金属层4中产生热应力，从而对所述锗层3施加张应力或压应力。所述金属层4的材料包括但不限于W、Cr、Ti、Pt、Au、Ag、Pd及Fe中的至少一种。
接着请参阅图3，执行步骤S3：将所述金属层4图形化，形成一对金属主基座41及与该一对金属主基座41相连的至少一对金属次基座42。
具体的，通过光刻、显影、刻蚀等常规半导体工艺将所述金属层4图形化。所述金属主基座41的尺寸大于所述所述金属次基座42的尺寸，所述金属主基座41的作用与锚类似，起固定作用。所述金属次基座42为长条状，其长宽比优选为大于或等于2。所述金属次基座42一方面作为MSM光电探测器中半导体两侧的金属层，另一方面在后续工艺过程中拉伸所述锗桥线33。
再请参阅图4，执行步骤S4：将所述锗层3图形化以在所述金属主基座41及金属次基座42下分别形成锗主基座31及锗次基座32，并在每一对锗次基座32之间形成至少一条锗桥线33。
具体的，通过光刻、显影、刻蚀等常规半导体工艺将所述锗层3图形化。所述锗桥线33为长条状。所述锗桥线可以为纳米线(宽度小于1微米)或微米线(宽度小于1毫米)。所述金属次基座的宽度W1与所述锗桥线的宽度W2的比例范围是W1:W2＝1:1～50:1，优选为1:1～20:1。所述金属次基座的宽度W1与所述锗桥线的宽度W2的比例越小，所述锗桥线33在形变过程中受到的剪切力就越小，不容易断裂。
最后执行步骤S5：腐蚀掉所述锗桥线33下方及所述锗次基座32下方的牺牲层2，以使所述锗桥线33及所述锗次基座32悬空，该悬空的锗次基座32在所述金属层的应力作用下卷曲使所述锗桥线33拉伸，得到张应变锗MSM光电探测器。
具体的，可通过液相或气相腐蚀去除所述牺牲层2。本实施例中，优选采用HF溶液腐蚀掉所述锗桥线33下方及所述锗次基座32下方的牺牲层，使所述锗桥线33及所述锗次基座32悬空。在其它实施例中，若所述牺牲层为光刻胶，则可以采用显影液等去除，若所述牺牲层PDMS或PMMA，则可以采用有机溶液去除。
请参阅图5，显示为将图4所示结构腐蚀之后的A-A向剖视图。图5中的箭头示出了所述金属次基座42的卷曲方向，所述金属次基座42卷曲的同时拉动其下的锗次基座32卷曲，从而将所述锗桥线33从两端拉伸，得到张应变锗MSM光电探测器。
具体的，若所述金属层4对所述锗层提供张应力，则悬空的锗次基座32在所述金属层的应力的作用下向上卷曲。若所述金属层对所述锗层提供压应力，则悬空的锗次基座32在所述金属层的应力作用下向下卷曲。本实施例中以所述金属层4对所述锗层提供张应力为例，所述锗次基座32在应力作用下向上卷曲。请参阅图6，显示为本发明的张应变锗MSM光电探测器的制作方法中将锗桥线下方及锗次基座下方的牺牲层腐蚀后锗桥线被拉伸的光学显微镜图。
本发明中，锗桥线与锗主基座之间形成有锗次基座及金属次基座，金属次基座与锗桥线的宽度比范围为1:1～50:1，可以减小薄膜形变过程中产生的剪切力，有效防止锗桥线断裂；所述金属次基座42为长条状，其长宽比优选为大于或等于2，高的长宽比有利于所述金属次基座42完全悬空，且有利于控制卷曲的方向。锗次基座下方的牺牲层完全被去掉，可以提升薄膜弯曲程度，进一步增强锗桥线的张应变。
至此，采用本发明的方法完成了应变锗MSM光电探测器的制作，每一对金属次基座42及其之间的锗桥线33构成金属-半导体-金属光电探测器结构，高张应变锗可以提高锗的发光和光电探测性能，将发光波段调制在光通讯与光互连波段(1.55微米)，提高MSM光电探测器在光通讯与光互连波段的吸收系数，并可进一步扩大器件的光吸收波段，使其在更高波段如2微米波段的吸收系数提高。本发明的张应变锗MSM光电器件探测器的制作工艺与硅工艺几乎完全兼容，易于实现硅基光电器件的集成，降低制作成本。
实施例二
本实施例与实施例一采用基本相同的技术方案，不同之处在于，本实施例中，所述锗桥线两端上方分别形成有与所述金属次基座相连的金属线。
请参阅图7，显示为所述锗桥线33两端上方分别形成有与所述金属次基座42相连的金属线43的结构俯视图。所述金属线43在所述金属层4的图形化过程中与所述金属主基座41及金属次基座42同步形成。所述金属线的宽度优选为与所述锗桥线的宽度相等。
在锗桥线33两端上方形成金属线43可以进一步减小薄膜形变过程中对所述锗桥线产生的剪切力，保护锗桥线不致断裂，提高MSM光电探测器的稳定性，同时所述金属线43外侧的金属次基座42仍可保留较大的尺寸，以提供较大的应力，得到高张应变锗。
实施例三
本实施例与实施例一或实施例二采用基本相同的方案，不同之处在于实施例一及实施例二中形成的是单轴应力张应变锗，而本实施例中可以形成双轴应力张应变锗，只需在所述金属层4及所述锗层3的图形化过程中改变图形的样式即可实现。
具体的，于所述步骤S3中，将所述金属层图形化，形成横向和纵向的两对金属主基座，每一对金属主基座之间连接一对金属次基座；于所述步骤S4中，在两对锗次基座之间形成两条垂直连接的锗桥线；且于所述步骤S5中，腐蚀之后，两条锗桥线的连接处在横向及纵向两个方向上拉伸，形成双轴应力张应变锗。
请参阅图8，显示为通过本发明的方法制作得到的双轴应力张应变锗MSM光电探测器的俯视结构图。金属-半导体-金属结构中，半导体具有双轴应力，可以进一步提升光电探测器的发光及光吸收性能。
实施例四
本实施例与实施例一、实施例二或实施例三采用基本相同的技术方案，不同之处在于金属层及锗层的图形化顺序不一样，实施例一、实施例二及实施例三中均先对所述金属层进行图形化之后再对所述锗层进行图形化，而本实施例中先将锗层图形化，然后再形成金属层并将金属层图形化。
具体的，本实施例中张应变锗MSM光电探测器的制作方法，至少包括以下步骤：
步骤S1：提供一衬底，在所述衬底上依次形成一牺牲层及一锗层；
步骤S2：将所述锗层图形化，形成一对锗主基座及与该一对锗主基座相连的至少一对锗次基座，且每一对锗次基座之间连接有至少一条锗桥线；
步骤S3：在所述锗主基座及锗次基座上形成一金属层，所述金属层对所述锗层提供应力；
步骤S4：腐蚀掉所述锗桥线下方及所述锗次基座下方的牺牲层，以使所述锗桥线及所述次基座悬空，该悬空的锗次基座在所述金属层的应力的作用下卷曲使所述锗桥线拉伸，得到张应变锗MSM光电探测器。
本实施例中改变金属层与锗层的图形化顺序并不影响器件的制作，同样可得到高性能的张应变锗MSM光电探测器。
其中，于所述步骤S2中，将所述锗层图形化，形成横向和纵向的两对锗主基座，每一对锗主基座之间连接一对锗次基座；两对锗次基座之间形成两条垂直连接的锗桥线；于所述步骤S4中，两条锗桥线的连接处在横向及纵向两个方向上拉伸，形成双轴应力张应变锗，进一步可得到双轴应力张应变锗MSM光电探测器。
实施例五
请参阅图4、图5及图6，本发明提供一种张应变锗MSM光电探测器，包括：
衬底1；
形成于所述衬底1表面的牺牲层2；
图形化的锗层，形成于所述牺牲层2表面；该图形化的锗层包括一对锗主基座31及与该一对锗主基座31相连的至少一对锗次基座32，且每一对锗次基座32之间形成有至少一条锗桥线33；
形成于所述锗主基座31及锗次基座32表面的金属层4，所述金属层4对所述锗层提供应力；
所述锗桥线33及所述锗次基座32悬空，且该悬空的锗次基座32在所述金属层4的应力作用下卷曲，使所述锗桥线33呈拉伸状态，形成张应变锗MSM光电探测器。
具体的，所述衬底1为常规的半导体衬底，如Si、Ge、III-V材料等，本实施例中，所述衬底1优选为Si衬底。所述牺牲层2包括但不限于SiO2、Si3N4、光刻胶、PDMS或PMMA。所述金属层4的材料包括但不限于W、Cr、Ti、Pt、Au、Ag、Pd及Fe中的至少一种。所述金属层4对所述锗层的应力来源于所述金属层4中的热应力，该热应力于所述金属层4的形成过程中得到。所述锗桥线可以为纳米线(宽度小于1微米)或微米线(宽度小于1毫米)。所述金属次基座的宽度W1与所述锗桥线的宽度W2的比例范围是W1:W2＝1:1～50:1，优选为1:1～20:1。所述金属次基座的宽度W1与所述锗桥线的宽度W2的比例越小，所述锗桥线33在形变过程中受到的剪切力就越小，不容易断裂。所述金属次基座42为长条状，其长宽比优选为大于或等于2，高的长宽比有利于所述金属次基座42完全悬空，且有利于控制卷曲的方向。锗次基座完全悬空，可以提升薄膜弯曲程度，进一步增强锗桥线的张应变。高张应变锗可以提高锗的发光和光电探测性能，将发光波段调制在光通讯与光互连波段(1.55微米)，提高MSM光电探测器在光通讯与光互连波段的吸收系数，并可进一步扩大器件的光吸收波段，使其在更高波段如2微米波段的吸收系数提高。
实施例六
本实施例与实施例五采用基本相同的技术方案，不同之处在于，本实施例中，所述锗桥线两端上方分别形成有与所述金属次基座相连的金属线。
请参阅图7，显示为所述锗桥线33两端上方分别形成有与所述金属次基座42相连的金属线43的结构俯视图。在锗桥线33两端上方形成金属线43可以进一步减小薄膜形变过程中对所述锗桥线产生的剪切力，保护锗桥线不致断裂，提高MSM光电探测器的稳定性，同时所述金属线43外侧的金属次基座42仍可保留较大的尺寸，以提供较大的应力，得到高张应变锗。
实施例七
本实施例与实施例五或实施例六采用基本相同的技术方案，不同之处在于实施例五及实施例六中为单轴应力张应变锗MSM光电探测器，而本实施例中为双轴应力张应变锗MSM光电探测器。
请参阅图8，显示为本发明的双轴应力张应变锗MSM光电探测器的俯视结构图，包括：
衬底1；
形成于所述衬底1表面的牺牲层2；
图形化的锗层，形成于所述牺牲层2表面；该图形化的锗层包括横向及纵向的两对锗主基座31，每一对锗主基座31之间连接有一对锗次基座32，且两对锗次基座32之间形成有两条垂直连接的锗桥线33；
形成于所述锗主基座31及锗次基座32表面的金属层，所述金属层对所述锗层提供应力；
所述锗桥线33及所述锗次基座32悬空，且该悬空的锗次基座32在所述金属层的应力作用下卷曲，使两条锗桥线33的连接处在横向及纵向两个方向上呈拉伸状态，形成双轴张应变锗MSM光电探测器。
所述锗桥线为纳米线或微米线。进一步的，所述锗桥线两端上方可以分别形成有与所述金属层相连的金属线43，可以进一步减小薄膜形变过程中对所述锗桥线产生的剪切力，保护锗桥线不致断裂，提高MSM光电探测器的稳定性，同时所述金属线43外侧的金属次基座42仍可保留较大的尺寸，以提供较大的应力，得到高张应变锗。
综上所述，本发明的张应变锗MSM光电探测器及其制作方法，具有以下有益效果：(1)本发明通过在锗桥线两端的锗次基座及锗主基座表面形成提供应力的金属层，并将所述锗桥线及所述锗次基座下的牺牲层完全腐蚀掉，以使所述锗次基座在所述金属层的应力作用下卷曲，从而将所述锗桥线拉伸得到高张应变锗。(2)所述金属层与张应变锗桥线形成金属-半导体-金属(MSM)光电探测器，由于锗桥线的高张应变，可以提高锗的光电探测性能，将光探测波段调制在光通讯与光互连波段(1.55微米)，提高MSM光电探测器在光通讯与光互连波段的吸收系数，并可进一步扩大器件的光吸收波段，使其在更高波段如2微米波段的吸收系数提高。(3)本发明的张应变锗MSM光电探测器的制作工艺与硅工艺几乎完全兼容，易于实现硅基光电器件的集成，降低制作成本。(4)本发明中，锗桥线与锗主基座之间形成有锗次基座及金属次基座，金属次基座与锗桥线的宽度比范围为1:1～50:1，可以减小薄膜形变过程中产生的剪切力，有效防止锗桥线断裂；且锗次基座下方的牺牲层完全被去掉，可以提升薄膜弯曲程度，进一步增强锗桥线的张应变。(5)在锗桥线两端上方形成金属线可以进一步减小薄膜形变过程中对所述锗桥线产生的剪切力，保护锗桥线不致断裂，提高MSM光电探测器的稳定性。(6)本发明还通过改变图形化锗层的结构，使两条锗桥线的连接处在横向及纵向两个方向上呈拉伸状态，形成双轴张应变锗MSM光电探测器。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (19)
1.一种张应变锗MSM光电探测器的制作方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
S1：提供一衬底，在所述衬底上依次形成一牺牲层及一锗层；
S2：在所述锗层上形成一金属层，所述金属层对所述锗层提供应力；
S3：将所述金属层图形化，形成一对金属主基座及与该一对金属主基座相连的至少一对金属次基座；
S4：将所述锗层图形化以在所述金属主基座及金属次基座下分别形成锗主基座及锗次基座，并在每一对锗次基座之间形成至少一条锗桥线；
S5：腐蚀掉所述锗桥线下方及所述锗次基座下方的牺牲层，以使所述锗桥线及所述锗次基座悬空，该悬空的锗次基座在所述金属层的应力作用下卷曲使所述锗桥线拉伸，得到张应变锗MSM光电探测器。
2.根据权利要求1所述的张应变锗MSM光电探测器的制作方法，其特征在于：于所述步骤S3中，将所述金属层图形化，形成横向和纵向的两对金属主基座，每一对金属主基座之间连接一对金属次基座；于所述步骤S4中，在两对锗次基座之间形成两条垂直连接的锗桥线；且于所述步骤S5中，两条锗桥线的连接处在横向及纵向两个方向上拉伸，形成双轴应力张应变锗。
3.根据权利要求1或2所述的张应变锗MSM光电探测器的制作方法，其特征在于：所述锗桥线两端上方分别形成有与所述金属次基座相连的金属线。
4.根据权利要求1所述的张应变锗MSM光电探测器的制作方法，其特征在于：所述金属次基座与所述锗桥线均为长条状，所述金属次基座与所述锗桥线的宽度比例范围是1:1～50:1。
5.根据权利要求1所述的张应变锗MSM光电探测器的制作方法，其特征在于：所述金属次基座的长宽比大于或等于2。
6.根据权利要求1所述的张应变锗MSM光电探测器的制作方法，其特征在于：所述锗桥线为纳米线或微米线。
7.根据权利要求1所述的张应变锗MSM光电探测器的制作方法，其特征在于：所述金属层的材料包括W、Cr、Ti、Pt、Au、Ag、Pd及Fe中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的张应变锗MSM光电探测器的制作方法，其特征在于：所述牺牲层为SiO2、Si3N4、光刻胶、PDMS或PMMA。
9.根据权利要求1所述的张应变锗MSM光电探测器的制作方法，其特征在于：所述金属层对所述锗层提供张应力，悬空的锗次基座在所述金属层的应力的作用下向上卷曲。
10.根据权利要求1所述的张应变锗MSM光电探测器的制作方法，其特征在于：所述金属层对所述锗层提供压应力，悬空的锗次基座在所述金属层的应力作用下向下卷曲。
11.根据权利要求1所述的张应变锗MSM光电探测器的制作方法，其特征在于：通过溅射法或蒸发法在所述锗层上形成所述金属层。
12.一种张应变锗MSM光电探测器的制作方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
S1：提供一衬底，在所述衬底上依次形成一牺牲层及一锗层；
S2：将所述锗层图形化，形成一对锗主基座及与该一对锗主基座相连的至少一对锗次基座，且每一对锗次基座之间连接有至少一条锗桥线；
S3：在所述锗主基座及锗次基座上形成一金属层，所述金属层对所述锗层提供应力；
S4：腐蚀掉所述锗桥线下方及所述锗次基座下方的牺牲层，以使所述锗桥线及所述次基座悬空，该悬空的锗次基座在所述金属层的应力的作用下卷曲使所述锗桥线拉伸，得到张应变锗MSM光电探测器。
13.根据权利要求12所述的张应变锗MSM光电探测器的制作方法，其特征在于：于所述步骤S2中，将所述锗层图形化，形成横向和纵向的两对锗主基座，每一对锗主基座之间连接一对锗次基座；两对锗次基座之间形成两条垂直连接的锗桥线；于所述步骤S4中，两条锗桥线的连接处在横向及纵向两个方向上拉伸，形成双轴应力张应变锗。
14.一种张应变锗MSM光电探测器，包括：
衬底；
形成于所述衬底表面的牺牲层；
图形化的锗层，形成于所述牺牲层表面；该图形化的锗层包括一对锗主基座及与该一对锗主基座相连的至少一对锗次基座，且每一对锗次基座之间形成有至少一条锗桥线；
形成于所述锗主基座及锗次基座表面的金属层，所述金属层对所述锗层提供应力；
其特征在于：
所述锗桥线及所述锗次基座悬空，且该悬空的锗次基座在所述金属层的应力作用下卷曲，使所述锗桥线呈拉伸状态，形成张应变锗MSM光电探测器。
15.根据权利要求14所述的张应变锗MSM光电探测器，其特征在于：所述锗桥线两端上方分别形成有与所述金属层相连的金属线。
16.根据权利要求14所述的张应变锗MSM光电探测器，其特征在于：所述锗桥线为纳米线或微米线。
17.一种张应变锗MSM光电探测器，包括：
衬底；
形成于所述衬底表面的牺牲层；
图形化的锗层，形成于所述牺牲层表面；该图形化的锗层包括横向及纵向的两对锗主基座，每一对锗主基座之间连接有一对锗次基座，且两对锗次基座之间形成有两条垂直连接的锗桥线；
形成于所述锗主基座及锗次基座表面的金属层，所述金属层对所述锗层提供应力；
其特征在于：
所述锗桥线及所述锗次基座悬空，且该悬空的锗次基座在所述金属层的应力作用下卷曲，使两条锗桥线的连接处在横向及纵向两个方向上呈拉伸状态，形成双轴张应变锗MSM光电探测器。
18.根据权利要求17所述的张应变锗MSM光电探测器，其特征在于：所述锗桥线两端上方分别形成有与所述金属层相连的金属线。
19.根据权利要求17所述的张应变锗MSM光电探测器，其特征在于：所述锗桥线为纳米线或微米线。
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| Publication number | Publication date |
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| CN103985788B (zh) | 2016-08-17 |
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