CN104157741B - 一种光电探测器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光电探测器的制备方法，包括步骤：1）提供一硅衬底，于所述硅衬底表面形成Ge底层；2）在所述Ge底层上生长SiGe/Ge周期结构，最上一层用Ge覆盖；3）于所述SiGe/Ge周期结构及Ge底层中刻蚀出直至所述硅衬底的至少两个间隔排列的凹槽；4）采用选择性腐蚀工艺去除凹槽之间的SiGe/Ge周期结构中的SiGe，形成具有间隔的多层Ge结构；5）采用溶液法在所述多层Ge结构的表面附着金属颗粒；6）于所述SiGe/Ge周期结构表面制作电极。本发明利用金属粒子产生局域表面等离子体共振，制备出了高效率的硅基光电探测器，并且，通过多个表面的引入，进一步提高光电探测的效率。本发明步骤简单，适用于工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体探测器件的制备方法，特别是涉及一种硅基Ge光电探测器的制备方法。
背景技术
光信号的探测是光谱测量中的重要一环，在不同的场合和针对不同的目的所采用的探测器也不同，最重要的考虑是探测器的应用波长范围、探测灵敏度以及响应时间。光探测器是将光辐射能转变为另一种便于测量的物理量的器件，它的门类繁多，一般来说可以按照在探测器上所产生的物理效应，分成光热探测器、光电探测器和光压探测器。
光电探测器是将光辐射能转变为电流或电压信号进行测量，是最常使用的光信号探测器。它的主要特点是：探测灵敏度高，时间响应快，可以对光辐射功率的瞬时变化进行测量，但它具有明显的光波长选择特性。光电探测器又分内光电效应器件和外光电效应器件，内光电效应是通过光与探测器靶面固体材料的相互作用，引起材料内电子运动状态的变化，进而引起材料电学性质的变化。
光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。
硅(Si)基光电子集成采用成熟价廉的微电子加工工艺，将光学器件与多种功能的微电子电路集成，是实现光通信普及发展和光互连的有效途径。硅基光电探测器是硅基光通信系统的关键器件之一。随着近年来硅基Ge材料外延技术的突破性进展，硅基Ge光电探测器因为兼顾了硅基光电子集成和对光通讯波段(1.31和1.55μm)的高效探测，成为了当今研究的一大热点。
局域表面等离子体效应的工作原理是：当光作用于金属纳米粒子并产生局域表面等离子体共振时，与等离子体共振频率相当的光会被增强吸收。共振频率可以通过金属种类，金属颗粒的大小等调节。然而，现有的硅基Ge光电探测器在近红外波段的探测效率不高，且暗电流较大。
鉴于以上原因，提供一种可以有效提高硅基Ge光电探测器探测效率的光电探测器的制备方法实属必要。
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光电探测器的制备方法，用于解决现有技术中硅基Ge光电探测器探测效率不高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种光电探测器的制备方法，所述制备方法包括步骤：
1)提供一硅衬底，于所述硅衬底表面形成Ge底层；
2)在所述Ge底层上生长SiGe/Ge周期结构，最上一层用Ge覆盖；
3)于所述SiGe/Ge周期结构及Ge底层中刻蚀出直至所述硅衬底的至少两个间隔排列的凹槽；
4)采用选择性腐蚀工艺去除凹槽之间的SiGe/Ge周期结构中的SiGe，形成具有间隔的多层Ge结构；
5)采用溶液法在所述多层Ge结构的表面附着金属颗粒；
6)于所述SiGe/Ge周期结构表面制作电极。
作为本发明的光电探测器的制备方法的一种优选方案，步骤1)中，采用渐变缓冲层化学气相沉积工艺于所述硅衬底表面形成Ge底层，所述渐变缓冲层为渐变的Si1-xGex层，其中，x为逐渐增大。
作为本发明的光电探测器的制备方法的一种优选方案，步骤1)中，采用低温-高温化学气相沉积工艺于所述硅衬底表面形成Ge底层。
进一步地，所述低温-高温化学气相沉积工艺中，低温的温度范围为300～400℃，高温的温度范围为550～650℃。
作为本发明的光电探测器的制备方法的一种优选方案，步骤3)中，于所述SiGe/Ge周期结构及Ge底层中刻蚀出直至所述硅衬底的多个矩形凹槽，且所述多个矩形凹槽平行排列。
作为本发明的光电探测器的制备方法的一种优选方案，所述SiGe/Ge周期结构中SiGe的厚度为10～200nm。
作为本发明的光电探测器的制备方法的一种优选方案，所述SiGe/Ge周期结构中Ge的厚度为10～200nm。
作为本发明的光电探测器的制备方法的一种优选方案，步骤5)中，通过控制溶液中的金属浓度及附着温度以控制所述金属颗粒的大小。
作为本发明的光电探测器的制备方法的一种优选方案，步骤5)所述金属颗粒的材料包括Au及Ag。
如上所述，本发明提供一种光电探测器的制备方法，所述制备方法包括步骤：1)提供一硅衬底，于所述硅衬底表面形成Ge底层；2)在所述Ge底层上生长SiGe/Ge周期结构，最上一层用Ge覆盖；3)于所述SiGe/Ge周期结构及Ge底层中刻蚀出直至所述硅衬底的至少两个间隔排列的凹槽；4)采用选择性腐蚀工艺去除凹槽之间的SiGe/Ge周期结构中的SiGe，形成具有间隔的多层Ge结构；5)采用溶液法在所述多层Ge结构的表面附着金属颗粒；6)于所述SiGe/Ge周期结构表面制作电极。本发明利用金属粒子产生局域表面等离子体共振，制备出了高效率的硅基光电探测器，并且，通过多个表面的引入，进一步提高光电探测的效率。本发明步骤简单，适用于工业生产。
附图说明
图1显示为本发明的光电探测器的制备方法的步骤流程示意图。
图2～3显示为本发明的光电探测器的制备方法步骤1)所呈现的结构示意图。
图4显示为本发明的光电探测器的制备方法步骤2)所呈现的结构示意图。
图5a～5b显示为本发明的光电探测器的制备方法步骤3)所呈现的结构示意图，其中，图5b为图5a的俯视结构示意图。
图6显示为本发明的光电探测器的制备方法步骤4)所呈现的结构示意图。
图7显示为本发明的光电探测器的制备方法步骤5)所呈现的结构示意图。
图8显示为本发明的光电探测器的制备方法步骤6)所呈现的结构示意图，该图为器件的俯视结构示意图。
元件标号说明
10硅衬底
20Ge底层
30SiGe/Ge周期结构
301Ge层
302SiGe层
40凹槽
50金属颗粒
60电极
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～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。
如图1～图8所示，本实施例提供一种光电探测器的制备方法，所述制备方法包括步骤：
如图1～图3所示，首先进行步骤1)S11，提供一硅衬底10，于所述硅衬底10表面形成Ge底层20。
作为示例，可以采用渐变缓冲层化学气相沉积工艺于所述硅衬底10表面形成Ge底层20，所述渐变缓冲层为渐变的Si1-xGex层，其中，x的取值为0～1之间，且x为逐渐增大。采用渐变缓冲层的工艺可以获得高质量的Ge底层20。
另外，也可以采用低温-高温化学气相沉积工艺于所述硅衬底10表面形成Ge底层20。进一步地，所述低温-高温化学气相沉积工艺中，低温的温度范围为300～400℃，高温的温度范围为550～650℃。在本实施例中，所述低温的温度为350℃，所述高温的温度为600℃。采用低温-高温化学气相沉积工艺同样可以获得高质量的Ge底层20。
如图4所示，然后进行步骤2)S12，在所述Ge底层20上生长SiGe/Ge周期结构30，最上一层用Ge覆盖。
作为示例，采用化学气相沉积法在所述Ge底层20上生长SiGe/Ge周期结构30。所述SiGe/Ge周期结构30包括多层交替层叠的Ge层301和SiGe层302。在本实施例中，所述SiGe/Ge周期结构30的最底层和最顶层都为Ge。
需要说明的是，所述SiGe/Ge周期结构30中SiGe表示Si1-xGex，其中，0<x<1，即SiGe为含任意比例的Ge的SiGe合金。
作为示例，所述SiGe/Ge周期结构30中SiGe的厚度为10～200nm。
作为示例，所述SiGe/Ge周期结构30中Ge的厚度为10～200nm。
在本步骤中，通过调节SiGe层的厚度，可以调控多层Ge结构之间的间隔大小，以利于金属颗粒50的附着以及光电探测效率的提高。
如图5a～5b所示，接着进行步骤3)S13，于所述SiGe/Ge周期结构30及Ge底层20中刻蚀出直至所述硅衬底10的至少两个间隔排列的凹槽40。
作为示例，于所述SiGe/Ge周期结构30及Ge底层20中刻蚀出直至所述硅衬底10的多个矩形凹槽40，且所述多个矩形凹槽40平行排列。
如图6所示，接着进行步骤4)S14，采用选择性腐蚀工艺去除凹槽40之间的SiGe/Ge周期结构30中的SiGe，形成具有间隔的多层Ge结构。
如图7所示，接着进行步骤5)S15，采用溶液法在所述多层Ge结构的表面附着金属颗粒50。
在本实施例中，本步骤可以通过控制溶液中的金属浓度及附着温度以控制所述金属颗粒50的大小。
作为示例，所述金属颗粒50的材料包括Au及Ag。
如图8所示，最后进行步骤6)S16，于所述SiGe/Ge周期结构30表面制作电极60。
作为示例，所述电极60的材料可以为Au等，但并不限于此。所述电极60制作于各个凹槽40的两端，如图8所示。
如上所述，本发明提供一种光电探测器的制备方法，所述制备方法包括步骤：1)提供一硅衬底10，于所述硅衬底10表面形成Ge底层20；2)在所述Ge底层20上生长SiGe/Ge周期结构30，最上一层用Ge覆盖；3)于所述SiGe/Ge周期结构30及Ge底层20中刻蚀出直至所述硅衬底10的至少两个间隔排列的凹槽40；4)采用选择性腐蚀工艺去除凹槽40之间的SiGe/Ge周期结构30中的SiGe，形成具有间隔的多层Ge结构；5)采用溶液法在所述多层Ge结构的表面附着金属颗粒50；6)于所述SiGe/Ge周期结构30表面制作电极60。本发明利用金属粒子产生局域表面等离子体共振，制备出了高效率的硅基光电探测器，并且，通过多个表面的引入，进一步提高光电探测的效率。本发明步骤简单，适用于工业生产。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 (9)
1.一种光电探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括步骤：
1)提供一硅衬底，于所述硅衬底表面形成Ge底层；
2)在所述Ge底层上生长SiGe/Ge周期结构，最上一层用Ge覆盖；
3)于所述SiGe/Ge周期结构及Ge底层中刻蚀出直至所述硅衬底的至少两个间隔排列的凹槽；
4)采用选择性腐蚀工艺去除凹槽之间的SiGe/Ge周期结构中的SiGe，形成具有间隔的多层Ge结构；
5)采用溶液法在所述多层Ge结构的表面附着金属颗粒；
6)于所述SiGe/Ge周期结构表面制作电极。
2.根据权利要求1所述的光电探测器的制备方法，其特征在于：步骤1)中，采用渐变缓冲层化学气相沉积工艺于所述硅衬底表面形成Ge底层，所述渐变缓冲层为渐变的Si1-xGex层，其中，0<x<1，且x为逐渐增大。
3.根据权利要求1所述的光电探测器的制备方法，其特征在于：步骤1)中，采用低温-高温化学气相沉积工艺于所述硅衬底表面形成Ge底层。
4.根据权利要求3所述的光电探测器的制备方法，其特征在于：所述低温-高温化学气相沉积工艺中，低温的温度范围为300～400℃，高温的温度范围为550～650℃。
5.根据权利要求1所述的光电探测器的制备方法，其特征在于：步骤3)中，于所述SiGe/Ge周期结构及Ge底层中刻蚀出直至所述硅衬底的多个矩形凹槽，且所述多个矩形凹槽平行排列。
6.根据权利要求1所述的光电探测器的制备方法，其特征在于：所述SiGe/Ge周期结构中SiGe的厚度为10～200nm。
7.根据权利要求1所述的光电探测器的制备方法，其特征在于：所述SiGe/Ge周期结构中Ge的厚度为10～200nm。
8.根据权利要求1所述的光电探测器的制备方法，其特征在于：步骤5)中，通过控制溶液中的金属浓度及附着温度以控制所述金属颗粒的大小。
9.根据权利要求1所述的光电探测器的制备方法，其特征在于：步骤5)所述金属颗粒的材料包括Au及Ag。
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| CN104157741A (zh) | 2014-11-19 |
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