CN104300013B - 带有应变源的GeSn红外探测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带有应变源的GeSn红外探测器，其结构为：在n⁺型衬底101上面为n型GeSn弛豫层102，弛豫层上面的SiGe应变源阵列104生长在GeSn光吸收阵列103的光吸收单元的周围区域，GeSn光吸收阵列的顶部为p⁺型GeSn金属接触阵列105，应变源阵列的顶部为p⁺型SiGe金属接触阵列106，第一电极107环绕在探测器的光照区金属接触阵列之上，第二电极108在n⁺型衬底之上。其中应变源阵列104的材料的晶格常数比光吸收阵列103的材料小，形成对光吸收区的应变，该应变在xy平面内为双轴张应变，在z方向为单轴压应变。这种应变有利于GeSn沟道Γ点下移，使直接带隙E_{g Γ}宽度减小，从而展宽探测器的光响应范围。

Description

带有应变源的GeSn红外探测器

技术领域

本发明涉及红外探测技术领域，具体涉及一种GeSn红外探测器。

背景技术

红外技术发展的先导是红外探测器的发展，一个国家红外探测器的发展水平代表着其红外技术的发展水平。红外探测器在军事、国防、消防、医疗、气候监测、资源勘探、天文观测等很多方面有着重要的应用。二战使红外探测技术得到了迅速的发展。先后出现了InSb、HgCdTe、掺杂Si、PtSi等材料的红外探测器。但是InSb和PtSi都没有波长可调性。虽然掺杂Si有很宽的光谱带宽，但是也不具备波长可调性，而且必须工作在很低的温度。碲镉汞（Hg _x Cd_1-x Te）长波长红外探测器是目前性能最好的红外探测器，通过调节Hg的组分x可以实现带隙0-0.8eV的连续可调。但是由于碲镉汞本身的性质导致其对环境极不友好，加之其不能满足Si基大规模集成这一当代光通信光互联的技术要求。而利用外延生长的IV族材料体系无毒、廉价、且易实现大规模的硅基集正好可以弥补碲镉汞方面的不足。

在过去的十几年中，由于Ge在1.3-1.55um波段范围内有很高的吸收效率，且可以直接在Si基长出高质量Ge薄膜，使得高性能Ge被认为近红外探测器的最佳备选材料。但是Ge为间接带隙半导体E _gl =0.67eV、E _gΓ =0.80eV，由于E _gΓ 为0.8eV使得Ge探测器效率在1550nm以上的波段骤然下降，而不能覆盖L（1565-1625nm）波段和U（1625-1675nm）波段通讯窗口，即使引入张应变，Ge探测器也不能完全覆盖L（1565-1625nm）波段通讯窗口[Optical Society of America, 19(7), pp.6401, 2011]。理论计算显示第IV族GeSn材料是另一备选材料，因为它能带的可调性，通过调节GeSn中Sn的组分和改变GeSn结构的应变情况，可以实现对GeSn能带E _gΓ 的连续调节。

对于弛豫的GeSn材料，若Sn的组分为2%就能覆盖所有通讯窗口，在C与L波段光吸收比Ge探测器增加近10倍[Semicond. Sci. Technol., 24(11), pp.115006, 2009]，当Sn的组分达到6.5%~11%的时候，GeSn就会变成直接带隙(E _gΓ <E _gl )（Journal of Applied Physics, 113,073707, 2013以及其中的参考文献）。但由于Sn在Ge中的固溶度很低（< 1%）,因此制备高质量、无缺陷的GeSn很难。现在用外延生长的方法可制备出Sn组分达到20%的GeSn材料[ECS Transactions, 41(7), pp.231, 2011; ECS Transactions, 50(9), pp.885, 2012]。因此通过改变Sn的组分可以改变GeSn半导体的带隙。但是随着Sn组分的增加，材料质量和热稳定型都会变差，因此单纯依靠提高Sn的组分实现较大范围带隙的调节比较困难。理论计算显示，在GeSn中引入双轴张应变有利于从间接带隙到直接带隙的转变，即在Sn组分比较低时带隙就可以有较大的改变。因此通过Sn的组分及张应变的控制可以较大范围的调制GeSn带隙宽度E _gΓ 。

为实现张应变GeSn，有人在晶格常数比较大的衬底材料上生长GeSn外延层，衬底材料可以是III-V族材料，比如InGaAs或者Sn组分更高的GeSn。本发明采用此新结构引入双轴张应变。

发明内容

本发明的目的是提出一种带有应变源的GeSn红外探测器的结构。其中应变源材料的晶格常数比光吸收区域材料的小，对光吸收阵列GeSn材料形成沿z方向的单轴压应变，在xy平面内形成双轴张应变。这种应变状态有利于GeSn材料带隙E_gΓ的变化，从而实现GeSn红外探测器波长的可调。

本发明用以实现上述目的的技术方案如下：

一种带有应变源的GeSn红外探测器，其包括：

一n⁺型衬底101，采用Si材料；

一弛豫层102，位于n⁺型衬底101之上；

一光吸收阵列103，为单晶GeSn材料，分布于弛豫层102之上，每个光吸收单元为方形柱；

一应变源阵列104，为单晶SiGe材料，每个应变源单元为矩形柱，四个应变源单元分布于一个光吸收单元的四面，连接相邻的光吸收单元；

一p⁺型GeSn金属接触阵列105，为单晶p⁺型GeSn，对应位于光吸收阵列上；

一p⁺型SiGe金属接触阵列106，为单晶p⁺型SiGe，对应位于应变源阵列上；

一探测第一电极107，环绕在探测器的光照区金属接触阵列105和106顶端，将p⁺型金属接触阵列连接起来；

一探测第二电极108，位于n⁺型衬底之上；

其关键是，应变源阵列材料的晶格常数比光吸收阵列材料的晶格常数小，从而形成对光吸收区材料的应变，使光吸收区GeSn的带隙E _gΓ 变小。

本发明的优点分析如下：

由于本发明的光吸收阵列材料为单晶GeSn，应变源阵列材料为单晶SiGe，通过改变GeSn中Sn的组分和SiGe中Ge的组分，使得应变源材料的晶格常数比光吸收区域材料的晶格常数小，从而对光吸收阵列GeSn材料形成沿z轴方向的单轴压应变，沿xy平面的双轴张应变，这种应变状态有利于GeSn材料带隙E _gΓ 的减小，从而实现能带可调。

附图说明

图1 为GeSn红外探测器的立体模式图。

图2 为GeSn红外探测器的YZ面剖面图。

图3为GeSn红外探测器制备的第一步。

图4为GeSn红外探测器制备的第二步。

图5为GeSn红外探测器制备的第三步。

图6为GeSn红外探测器制备的第四步。

图7为GeSn红外探测器制备的第五步。

图8为GeSn红外探测器制备的第六步。

图9为GeSn红外探测器制备的第七步。

具体实施方式

为了更为清晰地了解本发明的技术实质，以下结合附图和实施例详细说明本发明的结构和工艺实现：

其中，光吸收阵列为单晶GeSn材料，应变源阵列为单晶SiGe材料分布在光吸收单元周围，GeSn金属接触阵列、SiGe金属接触阵列分别位于光吸收阵列与应变源阵列之上，第一电极环绕在金属接触阵列顶端，第二电极在衬底之上。

参见图1和图2所示的带有应变源的GeSn红外探测器，其具有n⁺型Si衬底101、弛豫层102、光吸收阵列103、应变源阵列104、GeSn金属接触阵列105、SiGe金属接触阵列106、第一电极107、第二电极108。

   其中，光吸收阵列103、弛豫层102、金属接触矩阵105，采用单晶GeSn材料，材料通式为Ge_1-x Sn _x （0≤x≤0.25），如可采用Ge_0.947Sn_0.053，。

   应变源阵列104、金属接触阵列106，采用单晶SiGe材料，材料通式为Si_1-y Ge _y （0≤y≤0.4），如可采用Si_0.7Ge_0.3。

它们的结构位置关系为：弛豫层102位于n⁺型衬底101之上；单晶GeSn材料的光吸收阵列103，分布于弛豫层102之上，每个光吸收单元为方形柱；单晶SiGe材料的应变源阵列104的每个应变源单元为矩形柱，四个应变源单元分布于一个光吸收单元的四面，连接相邻的光吸收单元；单晶p⁺型GeSn金属接触阵列105对应位于光吸收阵列上；单晶p⁺型SiGe金属接触阵列106对应位于应变源阵列上；探测第一电极107，环绕在探测器的光照区金属接触阵列105和106的顶端，将p⁺型金属接触阵列连接起来；探测第二电极108，位于n⁺型衬底之上。

参见图3-图9，为带有应变源的GeSn红外探测器10的制备过程：

第一步如图3所示，在n⁺型Si 衬底101上，利用外延生长的技术，依次生长一层弛豫的n型Ge_1-x Sn _x （0< x <0.25）材料，形成弛豫层102，一层Ge_1-x Sn _x 材料，作为制备光吸收阵列103的基础。

第二步如图4所示，利用光刻和刻蚀使Ge_1-x Sn _x 材料成为阵列形式，每个单元为正方形柱，形成光吸收阵列103。

第三步如图5所示，利用外延生长技术，在GeSn材料的光吸收阵列103周围，生长Si_1-y Ge _y （0≤y≤0.4）材料填满第二部刻掉GeSn材料的位置，作为制备应变源阵列104的基础。

第四步如图6所示，利用原位掺杂技术对GeSn材料光吸收阵列103及Si_1-x Ge _x 材料的顶端特定深度进行p型掺杂，形成p型重掺杂层， 得到p⁺型GeSn材料的金属接触阵列105和p⁺型SiGe材料的金属接触阵列106。

第五步如图7所示，利用光刻和刻蚀，在探测器边缘刻蚀掉部分GeSn及SiGe，形成暴露衬底的台阶。

第6步如图8所示，利用光刻和刻蚀，将GeSn光吸收阵列103的每个单元的对角线上的Si_1-x Ge _x 刻蚀掉，形成阵列形式的SiGe应变源阵列104，p⁺型SiGe金属接触阵列106。

第7步如图9所示，在探测器的光照区金属接触阵列105和106的顶端，形成环形第一金属电极107，将p⁺型金属接触阵列连接起来；同时在暴露衬底101的台阶之上粘上片状第二金属电极108。

以上，一个完整的探测器接制备完成。

虽然本发明已以实例公开如上，然其并非用以限定本发明，本发明的保护范围当视权利要求为准。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (3)

1.一种带有应变源的GeSn红外探测器，其特征在于，包括：

一n⁺型Si衬底（101）；

一弛豫层（102），位于n⁺型Si衬底（101）之上；

一光吸收阵列（103），为单晶GeSn材料，分布于弛豫层（102）之上，每个光吸收单元为方形柱；

一应变源阵列（104），为单晶SiGe材料，每个应变源单元为矩形柱，四个应变源单元围绕分布于一个光吸收单元的四面，连接相邻的光吸收单元；

一p⁺型GeSn金属接触阵列（105），为单晶p⁺型GeSn，对应位于光吸收阵列上；

一p⁺型SiGe金属接触阵列（106），为单晶p⁺型SiGe，对应位于应变源阵列上；

一探测第一电极（107），环绕在探测器的光照区金属接触阵列顶端，将p⁺型金属接触阵列连接起来；

一探测第二电极（108），位于n⁺型衬底之上；

其中应变源阵列材料的晶格常数比光吸收阵列材料的晶格常数小；

所述光吸收阵列的单晶GeSn材料通式为Ge_1-x Sn _x ,其中0≤x≤0.25；

所述应变源阵列的单晶SiGe材料通式为Si_1-y Ge _y ，其中0≤y≤0.3。

2.如权利要求1所述的带有应变源的GeSn红外探测器，其特征在于，所述金属接触阵列（105和106）是利用原位掺杂技术对光吸收阵列（103）及应变源阵列（104）顶端一定深度进行p型掺杂，形成p型重掺杂层， 即p⁺型GeSn材料的金属接触阵列（105）和p⁺型SiGe材料的金属接触阵列（106）。

3. 如权利要求1或2所述的带有应变源的GeSn红外探测器，其特征在于，其中应变源通过半导体外延生长技术生长在光吸收单元周围区域。