CN106024922B - 基于GeSn材料的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材料的光电晶体管及其制作方法，解决现有III‑V族中红外光电探测器件难以硅基集成和IV族硅、锗探测器探测范围窄的问题。本发明晶体管的集电极区、光吸收区、基极区、发射极区均采用IV族GeSn合金。衬底、集电极区、光吸收区、基极区、发射极区依次竖直分布，保护层包裹在集电极区、光吸收区、基极区、发射极区外围。本发明采用标准CMOS工艺制备。本发明通过采用具有带隙、高光吸收系数的GeSn材料，有着比Ge探测器更广的中红外探测范围，具有高的光灵敏度和光电流。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，更进一步涉及半导体光电技术领域中的一种GeSn材料的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 photodetectorswith bandwidths 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GeSn p-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-Tin Multiple Quantum Wells on Silicon:Extending Photodetection to Wavelengthsof 2μm and Beyond”(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光电晶体管结构可以实现光电流的增益，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。
本发明基于GeSn材料的光电晶体管包括：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器件的四周；集电极区、光吸收区、基极区、和发射极区均采用通式为Ge1-xSnx的IV族合金；其中，x为GeSn中Sn的组份，Sn组份的取值范围为0＜x＜0.15。
本发明基于GeSn材料的光电晶体管的制作方法，包括如下步骤：
(1)生长集电极区：
(1a)利用低温固源分子束外延工艺，在衬底上外延生成一层厚度为200nm的Ge缓冲层，在生成的Ge缓冲层上外延生长一层厚度为100nm的GeSn层；
(1b)在生长的GeSn层中进行磷离子注入，形成GeSn N+集电极区；
(2)制备GeSn光吸收区：
(2a)利用低温固源分子束外延工艺，在GeSn N+集电极区上，外延生长一层220nm厚的GeSn，形成GeSn光吸收区；
(2b)利用反应离子刻蚀工艺，刻蚀GeSn光吸收区，形成台面；
(3)制备基极区：
在刻蚀GeSn光吸收区形成的台面中进行硼离子注入，制成GeSn P+型基极区；
(4)制备发射极区：
(4a)在GeSn P+型基极区上部进行磷离子注入，形成GeSn N+型发射极区；
(4b)在400℃条件下热退火5min进行激活处理，得到激活后的器件；
(5)淀积保护层：
(5a)对激活后的器件进行GeSn表面钝化处理，得到表面钝化处理后的器件；
(5b)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；
(6)制备金属电极：
(6a)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，
(6b)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，由于本发明采用光电晶体管结构，实现光电流的增益，有着可观的放大倍数，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为本发明的GeSn材料的光电晶体管的剖面图；
图2为本发明GeSn材料的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，本发明中基于GeSn材料的光电晶体管包括：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，集电极区2、光吸收区3、基极区4和发射极区5均采用通式为Ge1-xSnx的IV族复合材料；其中，x为GeSn中Sn的组份，Sn组份的取值范围为0＜x＜0.15。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材料的光电晶体管制作方法。对本发明基于GeSn材料的光电晶体管中GeSn中Sn的组份的取值范围0＜x＜0.15给出如下三种实施例。
实施例1：制作Ge0.935Sn0.065npn型光电晶体管。
步骤1：生长集电极区。
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，外延生长无掺杂的纯Ge材料200nm作为Ge缓冲层。
在Ge缓冲层上用高纯Ge和Sn源在150℃条件下，外延生成100nm Ge0.935Sn0.065层。
在能量为30Ke3V、注入剂量为1015cm-2、衬底倾斜角度7°条件下向生成的GeSn层中注入离子P(31)+，形成GeSn N+型集电极区2，如图2(a)。
步骤2：制作光吸收区。
利用固源分子束外延工艺，在GeSn N+集电极区2上在150℃条件下，用高纯Ge和Sn源生长220nm本征Ge0.935Sn0.065外延层作为光吸收区3，如图2(b)。
利用反应离子刻蚀技术刻蚀出所需台面，如图2(c)。
步骤3：制备基极区。
利用离子注入工艺，在Ge0.935Sn0.065光吸收区3中进行能量为30KeV、注入剂量为1014cm-2的BF2 +离子注入，形成GeSn P+型基极区4，如图2(d)。
步骤4：生长发射极区。
利用离子注入工艺，在GeSn P+型基极区4中进行能量为20KeV、注入剂量为1015cm-2的P(31)+注入，形成GeSn N+型发射极区5，如图2(e)。
在400℃条件下热退火2min进行激活。
步骤5：淀积保护层。
利用24％(NH4)2S溶液对表面进行钝化，之后利用磁控溅射设备在常温、200-300W交流电条件下，淀积SiO2层350nm，作为保护层6，如图2(f)。
步骤6：制备金属电极。
利用干法刻蚀刻蚀出电极沟槽，之后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Ge0.97Sn0.03pnp型光电晶体管
步骤一：生长集电极区。
利用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，外延生长无掺杂的纯Ge材料200nm作为缓冲层。
用高纯Ge和Sn源在150℃条件下外延生长100nm Ge0.97Sn0.03。
在能量为30KeV、注入剂量为1015cm-2、衬底倾斜角度7°条件下向该GeSn层中注入离子BF2 +，形成GeSn P+型集电极区2，如图2(a)。
步骤二：制作光吸收区。
利用固源分子束外延工艺，在GeSn P+集电极区2上在150℃条件下外延生长220nm本征Ge0.97Sn0.03外延层作为GeSn光吸收区3，如图2(b)。
利用反应离子刻蚀技术刻蚀所需台面，如图2(c)。
步骤三：制备基极区。
利用离子注入工艺，在GeSn光吸收区3中进行能量为30KeV、注入剂量为1014cm-2的P(31)+离子注入，形成GeSn N+型基极区4，如图2(d)。
步骤四：生长发射极区。
利用离子注入工艺，在GeSn N+型基极区4中进行能量为20KeV、注入剂量为1015cm-2的BF2 +注入，形成GeSn P+型发射极区5，如图2(e)。
在400℃条件下热退火2min进行激活。
步骤五：淀积保护层。
利用24％(NH4)2S溶液对表面进行钝化，之后利用磁控溅射设备在常温、200-300W交流电条件下，淀积SiO2层350nm，作为保护层6，如图2(f)。
步骤六：制备金属电极。
利用干法刻蚀刻蚀出电极沟槽，之后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Ge0.9Sn0.1npn型光电晶体管
步骤A：生长集电极区。
利用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，外延生长无掺杂的纯Ge材料200nm作为缓冲层。
使用相同条件在缓冲层上外延100nm Ge0.9Sn0.1。
在能量为30KeV、注入剂量为1015cm-2、片子倾斜角度7°条件下向GeSn层中注入离子P(31)+形成GeSn N+型集电极区2，如图2(a)。
步骤B：制作光吸收区。
利用分子束外延工艺，在GeSn N+集电极区2上在150℃条件下生长220nm本征Ge0.9Sn0.1外延层作为光吸收区3，如图2(b)。
利用反应离子刻蚀技术刻蚀出所需图案，如图2(c)。
步骤C：制备基极区。
利用离子注入工艺，在Ge0.9Sn0.1光吸收区3中进行能量为30KeV、注入剂量为1014cm-2的BF2 +离子注入，形成GeSn P+型基极区4，如图2(d)。
步骤D：生长发射极区。
利用离子注入工艺，在GeSn P+型基极区4中进行能量为20KeV、注入剂量为1015cm-2的P(31)+注入，形成GeSn N+型发射极区5，如图2(e)。
在400℃条件下热退火2min进行激活。
步骤E：淀积保护层。
利用24％(NH4)2S溶液对表面进行钝化，之后利用磁控溅射设备在常温、200-300W交流电条件下，淀积SiO2层350nm，作为保护层6，如图2(f)。
步骤F：制备金属电极。
利用干法刻蚀刻蚀出电极沟槽，之后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材料的光电晶体管，包括：衬底(1)、GeSn N+集电极区(2)、GeSn光吸收区(3)、GeSn P+型基极区(4)、GeSn N+型发射极区(5)、保护层(6)以及金属电极(7)；所述的GeSn N+集电极区(2)、GeSn光吸收区(3)、GeSn P+基极区(4)、GeSn N+型发射极区(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GeSn N+集电极区(2)、GeSn光吸收区(3)、GeSn P+基极区(4)、GeSn N+型发射极区(5)的四周；其特征在于：所述GeSn N+集电极区(2)、GeSn光吸收区(3)、GeSn P+型基极区(4)和GeSn N+型发射极区(5)均采用通式为Ge1- xSnx的IV族合金；其中，x表示GeSn中Sn的组份，Sn组份的取值范围为0＜x＜0.15。
2.根据权利要求1所述基于GeSn材料的光电晶体管，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所述基于GeSn材料的光电晶体管，其特征在于，所述的衬底(1)采用单晶Ge材料。
4.一种基于GeSn材料的光电晶体管制作方法，包括如下步骤：
(1)生长GeSn N+集电极区：
(1a)利用低温固源分子束外延工艺，在衬底(1)上外延生成一层厚度为200nm的Ge缓冲层，在生成的Ge缓冲层上外延生长一层厚度为100nm的GeSn层；
(1b)在生长的GeSn层中进行磷离子注入，形成GeSn N+集电极区(2)；
(2)制备GeSn光吸收区：
(2a)利用低温固源分子束外延工艺，在GeSn N+集电极区(2)的上方，外延生长一层220nm厚的GeSn，形成GeSn光吸收区(3)；
(2b)利用反应离子刻蚀工艺，刻蚀GeSn光吸收区(3)，形成台面；
(3)制备GeSn P+型基极区：
在刻蚀GeSn光吸收区(3)形成的台面中进行硼离子注入，制成GeSn P+型基极区(4)；
(4)制备GeSn N+型发射极区：
(4a)在GeSn P+型基极区(4)上部进行磷离子注入，形成GeSn N+型发射极区(5)；
(4b)在400℃条件下热退火5min进行激活处理，得到激活后的器件；
(5)淀积保护层：
(5a)对激活后的器件进行GeSn表面钝化处理，得到表面钝化处理后的器件；
(5b)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；
(6)制备金属电极：
(6a)在形成保护层(6)的器件的集电极区(2)上和发射极区(5)上刻蚀沟槽；
(6b)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材料的光电晶体管制作方法，其特征在于，步骤(1a)、步骤(2a)中所述的低温固源分子束外延工艺是在温度150℃条件下进行的。
6.根据权利要求4所述的基于GeSn材料的光电晶体管制作方法，其特征在于，步骤(1b)中所述磷离子注入工艺的条件为：能量30KeV；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材料的光电晶体管制作方法，其特征在于，步骤(3)中所述的硼离子注入条件是能量为30KeV、注入剂量为1014cm-2。
8.根据权利要求4所述的基于GeSn材料的光电晶体管制作方法，其特征在于，步骤(4a)中所述的磷离子注入条件是能量为20KeV、注入剂量为1015cm-2。
9.根据权利要求4所述的基于GeSn材料的光电晶体管制作方法，其特征在于，步骤(5a)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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