CN106784075B - 探测范围可调的iv族红外光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种探测范围可调的IV族红外光电探测器及其制备方法。所述制备方法包括步骤：(a)选取N型Ge衬底；(b)在280℃～300℃，利用UHV‑CVD工艺，在所述N型Ge衬底上形成N型GeSiSn缓冲层；(c)在280℃～300℃，利用UHV‑CVD工艺，在所述N型GeSiSn缓冲层上形成所述Ge/GeSiSn量子阱结构；(d)在280℃～300℃，利用UHV‑CVD工艺，在所述Ge/GeSiSn量子阱结构上形成P型Ge接触层；(e)在280℃～300℃，利用UHV‑CVD工艺，在所述P型Ge接触层上形成SiO2层；(f)金属化并光刻引线形成所述红外光电探测器。本发明实施例制备并提供探测范围可调的IV族红外光电探测器。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种探测范围可调的IV族红外光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器通常在低温环境下工作，其对环境温度非常敏感。温度较小的增加将引起暗电流的急剧增大，影响探测器的应用。故一般需要对其进行冷却，以提高准确度。高质量Ge单晶材料作为高灵敏近红外光电探测器的主要材料已经有很多年了，但是其对环境要求十分苛刻，对于这样的探测器一般需要冷却到77K以减小暗电流，这就使得其非常昂贵并且限制了其使用。
现今常用的近红外光电探测器为III-V族材料光电探测器，III-V族和硅混合集成是一个比较好的方案。然而III-V族材料存在与Si CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor,互补金属氧化物半导体)标准工艺平台不兼容，降低了器件性能。即使实现了在Si片上集成了III-V族材料光电探测器，但是这增加了成本，并且增加了工艺复杂度。
因此，如何制作一种低成本，工艺简单，可在高温下连续稳定工作，且探测范围可调的红外光电探测器就变得尤为重要。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种探测范围可调的IV族红外光电探测器及其制备方法。
本发明的一个实施例提供了一种探测范围可调的IV族红外光电探测器的制备方法，所述红外光电探测器包括Ge/GeSiSn量子阱结构。所述制备方法包括步骤：
(a)选取N型Ge衬底；
(b)在280℃～300℃，利用UHV-CVD(Ultrahigh Vacuum Chemical VaporDeposition，超高真空化学汽相淀积)工艺，在所述N型Ge衬底上形成N型GeSiSn缓冲层；
(c)在280℃～300℃，利用UHV-CVD工艺，在所述N型GeSiSn缓冲层上形成所述Ge/GeSiSn量子阱结构；
(d)在280℃～300℃，利用UHV-CVD工艺，在所述Ge/GeSiSn量子阱结构上形成P型Ge接触层；
(e)在280℃～300℃，利用UHV-CVD工艺，在所述P型Ge接触层上形成氧化层；
(f)金属化并光刻引线形成所述红外光电探测器。
在本发明的一个实施例中，所述N型GeSiSn缓冲层包括组分为0～0.15的Ge，组分为0～0.20的Sn，所述Ge和所述Sn的组分从下到上组分依次增加。例如，该组分可以按照厚度成均匀梯度组分变化。
在本发明的一个实施例中，所述N型GeSiSn缓冲层掺杂杂质为磷元素，掺杂浓度为1×1018～1×1019cm-3。
在本发明的一个实施例中，所述Ge/GeSiSn量子阱结构层包括组分为0.05～0.15的Si，组分为0.10～0.20的Sn，所述Si、所述Sn的组分可调。
在本发明的一个实施例中，所述Ge/GeSiSn量子阱结构层中的Ge为本征Ge。
在本发明的一个实施例中，所述Ge/GeSiSn量子阱结构层数为10～25 层，厚度为200～750nm。
在本发明的一个实施例中，所述P型Ge接触层厚度为50～100nm。
在本发明的一个实施例中，步骤(c)包括：
(c1)在280℃～300℃，利用UHV-CVD生长工艺，在所述N型GeSiSn缓冲层上形成Ge层；
(c2)在280℃～300℃，利用UHV-CVD生长工艺，在所述Ge层上形成GeSiSn层；
(c3)重复生长所述Ge层和所述GeSiSn层，最终在所述N型GeSiSn缓冲层上形成所述Ge层、所述GeSiSn层周期排列的所述Ge/GeSiSn量子阱结构。
在本发明的一个实施例中，步骤(f)包括:
(f1)在所述氧化层上光刻形成金属接触窗口；
(f2)在所述金属接触窗口内沉积金属材料；
(f3)在所述沉积金属材料上光刻引线以形成所述红外光电探测器。
此外，本发明另一实施例提出的一种探测范围可调的IV族红外光电探测器，包括Ge/GeSiSn量子阱结构，所述红外光电探测器采用上述任意方法实施例制得。
由上可知，本发明实施例通过采用Ge/GeSiSn量子阱结构制备红外光电探测器，能够克服目前异质材料晶格失配的问题，高效解决了近红外光电探测器大暗电流、无法在高温下连续工作问题，并且通过调节Si、Sn的组分以此在量子阱中引入应力调节带隙扩展了探测范围和探测能力。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种探测范围可调的IV族红外光电探测器的制作方法流程图；
图2a-图2f为本发明实施例提供的一种中红外波段探范围可调的IV族光电探测器制备方法示意图；
图3为本发明实施例提供的一种中红外波段探范围可调的IV族光电探测器器件结构示意图；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种探测范围可调的IV族红外光电探测器的制作方法流程图，该制备方法包括如下步骤：
(a)选取N型Ge衬底；
(b)在280℃～300℃，利用UHV-CVD工艺，在所述N型Ge衬底上形成N型GeSiSn缓冲层；
其中，所述N型GeSiSn缓冲层包括组分为0～0.15的Ge，组分为0～0.20的Sn，所述Ge和所述Sn的组分从下到上组分依次增加，提高了晶格质量能有效地抑制暗电流。N型GeSiSn缓冲层掺杂杂质为磷元素，掺杂浓度为1×1018～1×1019cm-3。例如，所述N型GeSiSn缓冲层中Ge的组分从下到上依次为0.05、0.08，0.15，所述N型GeSiSn缓冲层中Sn的组分从下到上依次为0.02、0.10、0.15。
(c)在280℃～300℃，利用UHV-CVD工艺，在所述N型GeSiSn缓冲层上形成所述Ge/GeSiSn量子阱结构；
其中，对于步骤(c)所述Ge/GeSiSn量子阱结构为光电探测器的吸收层，是器件工作的主要区域。所述Ge/GeSiSn多量子阱将载流子限制在量子阱中，大大减小了电子空穴对的复合作用，从而减小了光电探测器的暗电流。
另外，所述Ge/GeSiSn量子阱结构层包括组分为0.05～0.15的Si，组分为0.10～0.20的Sn，根据具体应用场景，可以分别调节所述Si、所述Sn的组分，通过调节Si、Sn的组分以此在量子阱中引入应力调节带隙而进一步调节探测波长和扩展探测能力。
再者，所述Ge/GeSiSn量子阱结构层中的Ge为本征Ge。
再者，所述Ge/GeSiSn量子阱结构层数为10～25层，厚度为200～750nm。
(d)在280℃～300℃，利用UHV-CVD工艺，在所述Ge/GeSiSn量子阱结构上形成P型Ge接触层；
其中，所述P型Ge接触层厚度为50～100nm。
(e)在280℃～300℃，利用UHV-CVD工艺，在所述P型Ge接触层上形成SiO2层；
(f)金属化并光刻引线形成所述红外光电探测器。
其中，步骤(c)包括：
(c1)在280℃～300℃，利用UHV-CVD生长工艺，在所述N型GeSiSn缓冲层上形成Ge层；
(c2)在280℃～300℃，利用UHV-CVD生长工艺，在所述Ge层上形成GeSiSn层；
(c3)重复生长所述Ge层和所述GeSiSn层，，最终在所述N型GeSiSn缓冲层上形成所述Ge层、所述GeSiSn层周期排列的所述Ge/GeSiSn量子阱结构。
其中，所述Ge层的厚度为10～12nm。
其中，所述GeSiSn层的厚度为12～15nm。
其中，步骤(f)包括:
(f1)在所述SiO2上光刻形成金属接触窗口；
(f2)在所述金属接触窗口内沉积金属材料；
(f3)在所述金属材料上光刻引线以形成所述红外光电探测器。
本发明实施例能够制备并提供适用于形成探测范围可调的IV族红外光电探测器。
实施例二
请参见图2a-图2f，图2a-图2f为本发明实施例提供的一种中红外波段探范围可调的IV族光电探测器制备方法示意图；在上述实施例一的基础上，包括如下步骤：
S1、请参见图2a，选取型N型Ge衬底。
S2、请参见图2b,在280℃～300℃，利用超高真空化学气相沉积(UHV-CVD)生长工艺，在衬底上生长N型GeSiSn材料作为缓冲层。
S3、请参见图2c,在280℃～300℃，利用超高真空化学气相沉积(UHV-CVD)生长工艺，在S2得到的N型Ge缓冲层上生长Ge层；
S4、在280℃～300℃，利用超高真空化学气相沉积(UHV-CVD)生长工艺，在S3得到的Ge层上生长GeSiSn层；
S5、在280℃～300℃，利用超高真空化学气相沉积(UHV-CVD)生长工艺，在S4得到的GeSiSn上生长Ge层；
S6、重复生长Ge层和GeSiSn层，得到多层Ge/GeSiSn量子阱结构；
S7、请参见图2d，在280℃～300℃，利用超高真空化学气相沉积(UHV-CVD)生长工艺，在S6得到的Ge/GeSiSn多量子阱结构上P型Ge接触层；
S8、请参见图2e，在280℃～300℃，利用超高真空化学气相沉积(UHV-CVD)生长工艺，在S7得到的P型Ge接触层上沉积氧化层；
S9、请参见图2d,在S8得到的结构上光刻出金属接触窗口；
S10、在S9得到的结构内沉积金属材料；
S11、在S10得到的结构上光刻引线，形成探测范围可调的IV族红外光电探测器。
实施例三
请参照图3，图3为本发明实施例提供的一种中红外波段探范围可调的IV族光电探测器器件结构示意图。该IV族光电探测器采用上述如图1所示的制备方法制成。具体地，该IV族光电探测器从下往上依次包括：Ge支撑衬底、N型GeSiSn缓冲层、Ge/GeSiSn多量子阱结构、氧化层、金属电极。如图所述，所述探测范围可调的IV族红外光电探测器电场方向和入射光方向是相互垂直的，这避免了电场对入射光的影响，提高了效率。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明一种探测范围可调的IV族红外光电探测器及制备方法的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (10)
1.一种探测范围可调的IV族红外光电探测器的制备方法，其特征在于，所述红外光电探测器包括Ge/GeSiSn量子阱结构，所述制备方法包括步骤：
(a)选取N型Ge衬底；
(b)在280℃～300℃，利用UHV-CVD工艺，在所述N型Ge衬底上形成N型GeSiSn缓冲层；
(c)在280℃～300℃，利用UHV-CVD工艺，在所述N型GeSiSn缓冲层上形成所述Ge/GeSiSn量子阱结构；
(d)在280℃～300℃，利用UHV-CVD工艺，在所述Ge/GeSiSn量子阱结构上形成P型Ge接触层；
(e)在280℃～300℃，利用UHV-CVD工艺，在所述P型Ge接触层上形成氧化层；
(f)金属化并光刻引线形成所述红外光电探测器。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述N型GeSiSn缓冲层包括组分为0～0.15的Ge，组分为0～0.20的Sn，所述Ge和所述Sn的组分从下到上组分依次增加。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Ge/GeSiSn量子阱结构层包括组分为0.05～0.15的Si，组分为0.10～0.20的Sn，所述Si、所述Sn的组分可调。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Ge/GeSiSn量子阱结构层数为10～25层，厚度为200～750nm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述P型Ge接触层厚度为50～100nm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(c)包括：
(c1)在280℃～300℃，利用UHV-CVD生长工艺，在所述N型GeSiSn缓冲层上形成Ge层；
(c2)在280℃～300℃，利用UHV-CVD生长工艺，在所述Ge层上形成GeSiSn层；
(c3)重复生长所述Ge层和所述GeSiSn层，最终在所述N型GeSiSn缓冲层上形成所述Ge层、所述GeSiSn层周期排列的所述Ge/GeSiSn量子阱结构。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述Ge层的厚度为10～12nm。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述GeSiSn层的厚度为12～15nm。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(f)包括:
(f1)在所述氧化层上光刻形成金属接触窗口；
(f2)在所述金属接触窗口内沉积金属材料；
(f3)在所述金属材料上光刻引线以形成所述红外光电探测器。
10.一种探测范围可调的IV族红外光电探测器，其特征在于，所述红外光电探测器采用如权利要求1-9中任一项所述的方法制得。
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