CN105789347A - 基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于GeSn‑GeSi材料的异质型光电晶体管及其制作方法，晶体管的集电极和发射极区均采用GeSi材料；光吸收区、基极区均采用GeSn材料。发射极区、基极区、光吸收区、集电极区依次竖直分布，钝化层包围在发射极区、基极区、光吸收区、集电极区的外围。本发明晶体管的制作方法采用低温固源分子束外延生长工艺生长GeSn材料，标准CMOS制作工艺。本发明通过使用有高光吸收系数的GeSn材料在光吸收区，分别和GeSi发射极区、集电极区构成异质结，实现晶体管在探测红外光信号时光灵敏度和光电流的提升，具有高的光吸收效率。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，更进一步涉及半导体红外探测领域中的一种基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管及其制作方法。本发明可在光电近中红外探测领域进行近中红外光信号探测。
背景技术
随着集成电路技术的迅猛发展，技术不断进步，快速处理和传输大规模信息数据成为现今大规模电子器件发展的瓶颈，而将微电子技术和光电子技术有效融合成为解决这一难题的有效方式。
M Oehme等作者在其发表的“GeSn-on-Si normal incidence photodetectors withbandwidths more than 40GHz”(Optics express,vol.22,pp.839-846,2014)论文中公开了一种GeSn p-i-n型光电探测器。该GeSn p-i-n型光电探测器由于采用了具有更窄带隙和更高光吸收系数的IV族GeSn新材料，较于现有技术制作的III-V族材料的近中红外器件，解决了其难以硅基集成的难题，可以实现与金属互补氧化物半导体CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)标准工艺相兼容；同时相比于现今使用的Ge探测器探测范围较窄和较低的光吸收系数的不足，GeSn光电探测器有着探测波长更宽和光吸收效率更高的优点，但是，该GeSnp-i-n型光电探测器存在的不足之处是，低的光灵敏度和光电流。
Yuan Dong等作者在其发表的“Avalanche Photodiode featuring Germanium-TinMultiple Quantum Wells on Silicon:Extending Photodetection to Wavelengths of 2μm andBeyond”(IEDM 2015,pp.787)中公开了一种GeSn雪崩二极管型光电探测器。该GeSn雪崩二极管型光电探测器虽然在传统GeSn光电探测器优点基础上，采用光电子倍增方法实现了较高的光灵敏度和较大的光电流。但是，该GeSn雪崩二极管型光电探测器存在的不足之处是，由于在倍增过程中将噪声放大和产生的额外噪声严重干扰光信号，以及实现倍增所需偏置电压极高的缺陷，因而该GeSn雪崩二极管型光电探测器在实际应用中受到严重的限制。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中Ge光电探测器探测范围相对较窄和传统p-i-n型GeSn光电探测器的光灵敏度和光电流较低的缺点，采用GeSn-GeSi异质型光电晶体管结构，在实现探测波长红移及与现代CMOS标准工艺兼容的优势基础上进一步提升光电流和光灵敏度。
实现本发明目的的具体思路是，根据材料特性研究表明，在常见IV族间接带隙材料Ge中引入同为IV族的负带隙金属材料Sn，可以有效改善材料性质。随着GeSn合金中Sn组份的不断增加，可以使GeSn合金由间接带隙转变为直接带隙材料，使其在较宽的波段(0～0.66eV)范围内实现连续可调，因而在近中红外波段实现探测波长的红移，拓展到3μm附近，比Ge探测器有更宽的探测范围。同时，由于GeSn-GeSi异质型光电晶体管结构中光生空穴使得在基极区积累更多的空穴进而降低发射极-基极异质结势垒，电子由发射极区注入基极区变得更为容易，从而放大固有光电流；而异质结处的固有带阶对发射极区电子和基极区空穴的复合起到阻碍作用，从而进一步提升电子的注入效率，使光电流和光吸收效率及灵敏度得到进一步的提升，因而较于常见的GeSn p-i-n探测器可以实现更高的光电流和光灵敏度及光吸收效率。
本发明基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管，包括：衬底、集电极区、光吸收区、基极区、发射极区、钝化层以及金属电极；集电极区、光吸收区、基极区、发射极区在衬底上依次由下至上竖直分布，且钝化层环绕覆盖在集电极区、光吸收区、基极区、发射极区的四周。光吸收区和基极区均采用通式为Ge1-xSnx的IV族复合材料；集电极区和发射极区采用IV族材料Ge1-zSiz，从而分别在Ge1-xSnx光吸收区和Ge1-zSiz发射极区、集电极区之间的界面处形成异质结；其中，x表示GeSn中Sn的组份，Sn组份的取值范围为0＜x＜0.15；z表示GeSi中Si的组份，Si组份的取值范围为0≤z≤0.5。
本发明基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管制作方法，包括如下步骤：
(1)制备GeSi层：
利用低温固源分子束外延工艺，在衬底(1)上外延生成一层800nm厚的GeSi层；
(2)磷离子注入：
在GeSi层中进行磷离子注入工艺，形成GeSi N+集电极区；
(3)制备GeSn光吸收区：
(3a)利用低温固源分子束外延工艺，在GeSi N+集电极区上，外延生长一层100nm厚的GeSn，形成GeSn光吸收区；
(3b)在GeSn光吸收区外延生长一层60nm厚GeSn层，将GeSn层作为基极区；
(4)硼离子注入：
在基极区中进行硼离子注入工艺，形成GeSn P+基极区；
(5)制备GeSi层：
利用低温固源分子束外延工艺，在GeSn P+型基极区上外延一层60nm厚的GeSi层；
(6)磷离子注入：
在GeSi层中进行磷离子注入工艺，形成GeSi N+型发射极区；
(7)激活处理：
在400℃条件下热退火5min进行激活处理，得到激活后的器件；
(8)刻蚀台面：
利用反应离子刻蚀工艺，刻蚀激活后的器件，刻蚀所需台面，得到刻蚀后的器件；
(9)表面钝化处理：
对刻蚀后的器件进行GeSn表面钝化处理，得到表面钝化处理后的器件；
(10)制备保护层：
利用磁控溅射工艺，在表面钝化处理后的器件外围淀积一层SiO2/SiN，形成保护层，得到形成保护层的器件；
(11)刻蚀沟槽：
在形成保护层的器件的集电极区上部和发射极区上刻蚀沟槽，
(12)制备金属电极：
在刻蚀的沟槽中淀积金属TiN/Al，形成金属电极。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
第一，由于本发明采用在IV族间接带隙材料Ge中，引入同为IV族的负带隙材料Sn而形成的GeSn合金，其具有更小的带隙和更高的吸收系数，克服了现有技术中同为IV族的Si和Ge探测器，在近中红外探测波长范围较窄和较低的光吸收系数的缺点，因而使得本发明的GeSn探测器探测波长较于Ge探测器在近中红外波段发生红移，具有更宽的探测范围和更高的光吸收效率。
第二，由于本发明采用异质型光电晶体管结构，光吸收区中光生空穴使得在基极区积累更多的空穴，进而降低发射极-基极异质结势垒，电子由发射极区注入基极区变得更为容易，从而放大固有光电流，而异质结处的固有带阶对发射极区电子和基极区空穴的复合起到阻碍作用，从而进一步提升电子的注入效率，使光电流和光吸收效率及灵敏度得到进一步的提升，克服了现今已公开的GeSn p-i-n光电探测器低的光灵敏度和光电流的缺点，因而使得本发明的GeSn光电晶体管可以实现更高的探测光电流和光灵敏度。
第三，由于本发明采用同为IV族的GeSn材料，克服了现有技术中III-V族中红外探测器难以硅基集成的不足，使得本发明的GeSn光电晶体管制备工艺可以与传统标准CMOS工艺相兼容，在现今广泛应用的主流CMOS工艺中进行制备，有利于其成本的降低。
附图说明
图1为本发明GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管的剖面图；
图2为本发明GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管制作方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。
参照图1，基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管包括：衬底1、集电极区2、光吸收区3、基极区4、发射极区5、钝化层6以及金属电极7；集电极区2、光吸收区3、基极区4、发射极区5在衬底1上依次由下至上竖直分布，且钝化层6环绕覆盖在器件的四周；光吸收区3和基极区4均采用通式为Ge1-xSnx的IV族复合材料，集电极区2和发射极区5采用IV族材料Ge1-zSiz，从而分别在Ge1-xSnx光吸收区和Ge1-zSiz发射极区、集电极之间的界面处形成异质结；其中，x为GeSn中Sn的组份，Sn组份的范围为0＜x＜0.15；z为GeSi中Si的组份，Si组份的范围为0≤z≤0.5。虽然GeSn合金中随着Sn组份的不断增加，使GeSn合金由间接带隙转变可以转变为直接带隙材料，使其在较宽的波段(0～0.66eV)范围内实现带隙的连续可调，但是，由于Sn在Ge中固溶度较低，因而Sn组份难以实现大量掺杂，现今技术实现的最大掺杂Sn组份为0.15，Sn组份越高，实现技术难度越大，所以Sn组份的取值范围为0＜x＜0.15。
衬底1既可以采用单晶Si材料，也可以采用单晶Ge材料。
参照图2，本发明中基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管的制作方法。对本发明基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管中GeSn中Sn组份的取值范围0＜x＜0.15和GeSi中Si组份的取值范围0≤z≤0.5给出如下三种实施例。
实施例1：制作Ge0.935Sn0.065-Ge npn异质型光电晶体管及其制作方法。
步骤1：制备Ge层。
利用低温固源分子束外延工艺，在无掺杂(100)向Ge衬底1上，在温度为150℃条件下，外延生长无掺杂的厚度为800nm的纯Ge层，如图2(a)。
步骤2：磷离子注入。
在能量为50KeV、注入剂量为1015cm-2、衬底倾斜角度7°条件下进行注入离子为P(31)+的磷离子注入工艺，形成Ge N+型集电极区2。
步骤3：制备GeSn光吸收区。
利用低温固源分子束外延工艺，在Ge N+型集电极区上，在150℃、高纯Ge和Sn源条件下，外延生长厚度为100nm的本征Ge0.935Sn0.065外延层作为GeSn光吸收区3，如图2(b)。
利用低温固源分子束外延工艺，在GeSn光吸收区上，在与步骤2中相同工艺条件下外延生长60nm厚的Ge0.99Sn0.01层，如图2(c)。
步骤4：硼离子注入。
利用硼离子注入工艺，在Ge0.99Sn0.01层中进行能量为20KeV、注入剂量为1014cm-2的BF2 +离子注入，形成GeSn P+型基极区4。
步骤5：制备Ge层。
利用低温固源分子束外延工艺，在GeSn P+型基极区上，在150℃条件下生长60nm厚的Ge层，如图2(d)。
步骤6：磷离子注入。
在Ge层中进行能量为20KeV、注入剂量为1015cm-2的磷离子注入，形成GeSn N+型发射极区5。
步骤7：激活处理。
在400℃条件下热退火5min进行激活处理。
步骤8：刻蚀台面。
利用反应离子刻蚀设备根据所设计图形对发射极区、基极区、光吸收区进行刻蚀，形成台面，如图2(e)。
步骤9：表面钝化处理。
利用24％(NH4)2S溶液对GeSn表面进行钝化处理；
步骤10：制备保护层。
利用磁控溅射设备在常温、200-300W交流电条件下，淀积SiO2层350nm，制备保护层6，如图2(f)。
步骤11：刻蚀沟槽。
利用干法刻蚀刻蚀出电极沟槽。
步骤12：制备金属电极。
使用磁控溅射淀积金属TiN/Al，形成金属电7，完成器件制备，如图2(g)。
实施例2：制作Ge0.97Sn0.03-Ge0.9Si0.1npn异质型光电晶体管及其制作方法。
步骤一：制备GeSi。
利用低温固源分子束外延工艺，在无掺杂(100)向Si衬底1上，在温度为150℃条件下，外延生长无掺杂的厚度为800nm的Ge0.9Si0.1层。
步骤二：磷离子注入。
在能量为50KeV、注入剂量为1015cm-2、衬底倾斜角度7°条件下进行注入离子为P(31)+的磷离子注入工艺，形成GeSi N+型集电极区2，如图2(a)。
步骤三：制备GeSn光吸收区。
利用低温固源分子束外延工艺，在GeSi N+型集电极区上，在150℃、高纯Ge和Sn源条件下，外延生长厚度为100nm的本征Ge0.97Sn0.03外延层作为GeSn光吸收区3，如图2(b)。
利用低温固源分子束外延工艺，在GeSn光吸收区上，在与步骤二中相同工艺条件下外延生长60nm厚的Ge0.97Sn0.03层，如图2(c)。
步骤四：硼离子注入。
利用硼离子注入工艺，在Ge0.97Sn0.03层中进行能量为20KeV、注入剂量为1014cm-2的BF2 +离子注入，形成GeSn P+型基极区4。
步骤五：制备GeSi层。
利用低温固源分子束外延工艺，在GeSn P+型基极区上，在150℃条件下生长60nm厚的Ge0.9Si0.1层，如图2(d)。
步骤六：磷离子注入。
在Ge0.9Si0.1层中进行能量为20KeV、注入剂量为1015cm-2的磷离子注入，形成GeSnN+型发射极区5。
步骤七：激活处理。
在400℃条件下热退火5min进行激活处理。
步骤八：刻蚀台面。
利用反应离子刻蚀设备根据所设计图形对发射极区、基极区、光吸收区进行刻蚀，形成台面，如图2(e)。
步骤九：表面钝化处理。
利用24％(NH4)2S溶液对GeSn表面进行钝化处理。
步骤十：制备保护层。
利用磁控溅射设备在常温、200-300W交流电条件下，淀积SiO2层350nm，制备保护层6，如图2(f)。
步骤十一：刻蚀沟槽。
利用干法刻蚀刻蚀出电极沟槽。
步骤十二：制备金属电极。
使用磁控溅射淀积金属TiN/Al，形成金属电7，完成器件制备，如图2(g)。
实施例3：制作Ge0.9Sn0.1-Ge0.6Si0.4pnp异质型光电晶体管及其制作方法。
步骤A：制备GeSi层。
利用低温固源分子束外延工艺，在无掺杂(100)向Si衬底1上，在温度为150℃条件下，外延生长无掺杂的厚度为800nm的Ge0.6Si0.4层，如图2(a)。
步骤B：硼离子注入。
在能量为50KeV、注入剂量为1015cm-2、衬底倾斜角度7°条件下进行注入离子为BF2 +的硼离子注入工艺，形成GeSi P+型集电极区2。
步骤C：制备GeSn光吸收区。
利用低温固源分子束外延工艺，在GeSi P+型集电极区上，在150℃、高纯Ge和Sn源条件下，外延生长厚度为100nm的本征Ge0.9Sn0.1外延层作为GeSn光吸收区3，如图2(b)。
利用低温固源分子束外延工艺，在GeSn光吸收区上，在与步骤B中相同工艺条件下外延生长60nm厚的Ge0.935Sn0.065层，如图2(c)。
步骤D：磷离子注入。
利用磷离子注入工艺，在Ge0.935Sn0.065层中进行能量为20KeV、注入剂量为1014cm-2的P(31)+离子注入，形成GeSn N+型基极区4。
步骤E：制备GeSi层。
利用低温固源分子束外延工艺，在GeSn N+型基极区上，在150℃条件下生长60nm厚的Ge0.6Si0.4层，如图2(d)。
步骤F：硼离子注入。
在Ge0.6Si0.4层中进行能量为20KeV、注入剂量为1015cm-2的硼离子注入，形成GeSnP+型发射极区5。
步骤G：激活处理。
在400℃条件下热退火5min进行激活处理。
步骤H：刻蚀台面。
利用反应离子刻蚀设备根据所设计图形对发射极区、基极区、光吸收区进行刻蚀，形成台面，如图2(e)。
步骤I：表面钝化处理。
利用24％(NH4)2S溶液对GeSn表面进行钝化处理。
步骤J：制备保护层。
制备金属电极利用磁控溅射设备在常温、200-300W交流电条件下，淀积SiO2层350nm，制备保护层6，如图2(f)。
步骤K：刻蚀沟槽。
利用干法刻蚀刻蚀出电极沟槽。
步骤L：制备金属电极。
使用磁控溅射淀积金属TiN/Al，形成金属电7，完成器件制备，如图2(g)。
以上所述仅是本发明的几个优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管，包括：衬底(1)、集电极区(2)、光吸收区(3)、基极区(4)、发射极区(5)、保护层(6)以及金属电极(7)；所述的集电极区(2)、光吸收区(3)、基极区(4)、发射极区(5)在衬底(1)上依次由下至上竖直分布，且保护层(6)环绕覆盖在集电极区(2)、光吸收区(3)、基极区(4)、发射极区(5)的四周；其特征在于：所述光吸收区(3)和基极区(4)均采用通式为Ge1-xSnx的IV族复合材料；集电极区(2)和发射极区(5)采用IV族材料Ge1-zSiz，从而分别在Ge1-xSnx光吸收区和Ge1-zSiz发射极区、集电极区之间的界面处形成异质结；其中，x表示GeSn中Sn的组份，Sn组份的取值范围为0＜x＜0.15；z表示GeSi中Si的组份，Si组份的取值范围为0≤z≤0.5。
2.根据权利要求1所述的基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管，其特征在于，所述的衬底(1)采用单晶Si材料。
3.根据权利要求1所述的基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管，其特征在于，所述的衬底(1)采用单晶Ge材料。
4.一种基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管制作方法，包括如下步骤：
(1)制备GeSi层：
利用低温固源分子束外延工艺，在衬底(1)上外延生成一层800nm厚的GeSi层；
(2)磷离子注入：
在GeSi层中进行磷离子注入工艺，形成GeSi N+集电极区(2)；
(3)制备GeSn光吸收区：
(3a)利用低温固源分子束外延工艺，在GeSi N+集电极区上，外延生长一层100nm厚的GeSn，形成GeSn光吸收区(3)；
(3b)在GeSn光吸收区外延生长一层60nm厚GeSn层，将GeSn层作为基极区；
(4)硼离子注入：
在基极区中进行硼离子注入工艺，形成GeSn P+基极区(4)；
(5)制备GeSi层：
利用低温固源分子束外延工艺，在GeSn P+型基极区上外延一层60nm厚的GeSi层；
(6)磷离子注入：
在GeSi层中进行磷离子注入工艺，形成GeSi N+型发射极区(5)；
(7)激活处理：
在400℃条件下热退火5min进行激活处理，得到激活后的器件；
(8)刻蚀台面：
利用反应离子刻蚀工艺，刻蚀激活后的器件，刻蚀所需台面，得到刻蚀后的器件；
(9)表面钝化处理：
对刻蚀后的器件进行GeSn表面钝化处理，得到表面钝化处理后的器件；
(10)制备保护层：
利用磁控溅射工艺，在表面钝化处理后的器件外围淀积一层SiO2/SiN，形成保护层(6)的器件；
(11)刻蚀沟槽：
在形成保护层(6)的器件的集电极区(2)上部和发射极区(5)上刻蚀沟槽，
(12)制备金属电极：
在刻蚀的沟槽中淀积金属TiN/Al，形成金属电极(7)。
5.根据权利要求4所述的基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管制作方法，其特征在于，步骤(1)、步骤(3)、步骤(5)中所述的低温固源分子束外延工艺均在150℃温度条件下进行；步骤(1)、步骤(5)以高纯Ge和Si为源，步骤(3)以高纯Ge和Sn为源。
6.根据权利要求4所述的基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管制作方法，其特征在于，步骤(2)中所述磷离子注入工艺的条件为：能量50KeV；注入剂量1015cm-2；注入离子P(31)+；衬底倾斜角度7°。
7.根据权利要求4所述的基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管制作方法，其特征在于，步骤(4)中所述硼离子注入工艺的条件为：能量20KeV；注入剂量1014cm-2；注入离子BF2 +；衬底倾斜角度7°。
8.根据权利要求4所述的基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管制作方法，其特征在于，步骤(6)中所述的磷离子注入工艺条件是能量为20KeV、注入剂量为1015cm-2。
9.根据权利要求4所述的基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管制作方法，其特征在于，步骤(9)中所述的GeSn表面钝化处理是采用(NH4)2S(24％)水溶液进行的。
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