CN106784116B - 用于长波光通信的光电探测器及制备方法 - Google Patents

用于长波光通信的光电探测器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于长波光通信的光电探测器及其制备方法，其中，所述制备方法包括：选取N型Si或SOI衬底；在所述衬底上生长Ge缓冲层；在所述Ge缓冲层上生长N型GeSn缓冲层；在所述GeSn缓冲层上生长GeSn/Ge多量子阱有源层；在所述GeSn/Ge多量子阱有源层上生长GeSn接触层；在所述GeSn接触层上采用等离子体化学气相沉积工艺生长SiO2；光刻引线以制备所述光电探测器。本发明制备的用于长波光通信的光电探测器测器兼容Si CMOS工艺，克服了暗电流大，低于1800nm连续波段探测问题，高效，且能够在GeSn量子阱中引入不同的应变，调节量子阱的带隙结构以扩展光电探测器的吸收波长范围和吸收系数。

Description

用于长波光通信的光电探测器及制备方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制备技术领域，具体涉及一种用于长波光通信的光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器的工作原理是基于光电效应，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。
目前商用III-V族或者II-VI族光电探测器制造成本非常高，价格非常昂贵，并且存在与Si CMOS工艺技术不兼容而降低了器件性能等问题，因而IV族材料的光电探测器是一个研究的方向；现在商用IV族材料光电探测器还无法连续探测到1800nm，作为IV族半导体材料的Ge，只覆盖到部分C波段(1530-1565nm)，不能连续覆盖800～1800nm通信波段。
因此，选择何种材料及工艺来制作用于探测800～1800nm连续波段的光电探测器变得尤为重要。
发明内容
为了解决现有光电探测器技术中不能连续覆盖800～1800nm通信波段的问题，本发明提供了一种用于长波光通信的光电探测器的制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明的实施例提供了一种用于长波光通信的光电探测器的制备方法，其中，所述制备方法包括：
(a)选取N型Si或SOI衬底；
(b)在所述衬底上生长Ge缓冲层；
(c)在所述Ge缓冲层上生长N型GeSn缓冲层；
(d)在所述GeSn缓冲层上生长GeSn/Ge多量子阱有源层；
(e)在所述GeSn/Ge多量子阱有源层上生长GeSn接触层；
(f)在所述GeSn接触层上采用等离子体化学气相沉积工艺生长SiO2；
(g)光刻引线以制备所述光电探测器。
在本发明的一个实施例中，所述的Ge缓冲层的厚度为250～300nm。
在本发明的一个实施例中，所述的GeSn缓冲层的厚度为150～200nm。
在本发明的一个实施例中，所述GeSn/Ge多量子阱有源层的层数为10～20层，厚度为250nm～750nm。
在本发明的一个实施例中，所述GeSn接触层厚度为50～80nm。
在本发明的一个实施例中，步骤(b)包括：
(b1)在230～250℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述衬底上生长第一Ge缓冲层；
(b2)在470～500℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述第一Ge缓冲层表面生长第二Ge缓冲层从而形成所述Ge缓冲层。
在本发明的一个实施例中，步骤(d)包括：
(d1)在280～300℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述GeSn缓冲层上生长本征GeSn单晶层；
(d2)在280～300℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述本征GeSn单晶层上生长本征Ge层；
(d3)在280～300℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述本征Ge层上生长本征GeSn单晶层；
(d4)重复步骤d2、d3得到所述GeSn/Ge多量子阱有源层。
在上述实施例的基础上，所述本征Ge层的厚度为10～15nm；所述本征GeSn单晶层的厚度为15～20nm。
在本发明的一个实施例中，所述GeSn/Ge多量子阱有源层的GeSn单晶层中Sn的组分为2～5％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：兼容了CMOS工艺，克服了暗电流大，低于1800nm连续波段探测问题，且能通过调节多量子阱中GeSn中Sn的组分和调节多量子阱中Ge的厚度以调整带隙结构，从而调节探测范围和探测能力。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种用于长波光通信的光电探测器制备方法流程图；
图2a-图2g为本发明实施例的一种用于长波光通信的光电探测器制备方法示意图；以及
图3为本发明实施例的一种用于长波光通信的光电探测器结构示意图。
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用于长波光通信的光电探测器的制备方法流程图，其中，所述制备方法包括：
(a)选取N型Si或SOI衬底；
(b)在所述衬底上生长Ge缓冲层；
(c)在所述Ge缓冲层上生长N型GeSn缓冲层；
(d)在所述GeSn缓冲层上生长GeSn/Ge多量子阱有源层；
(e)在所述GeSn/Ge多量子阱有源层上生长GeSn接触层；
(f)在所述GeSn接触层上采用等离子体化学气相沉积工艺生长SiO2；
(g)光刻引线以制备所述光电探测器。
优选地，所述的Ge缓冲层的厚度为250～300nm。
优选地，所述的GeSn缓冲层的厚度为150～200nm。
优选地，所述GeSn/Ge多量子阱有源层的层数为10～20层，厚度为250nm～750nm。
其中，所述GeSn/Ge多量子阱有源层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。
进一步的，所述长波光通信的光电探测器的吸收层为所述GeSn/Ge量子阱有源层，所述长波光通信的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。
优选地，所述GeSn接触层厚度为50～80nm。
优选地，步骤(b)包括：
(b1)在230～250℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述衬底上生长第一Ge缓冲层；
(b2)在470～500℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述第一Ge缓冲层表面生长第二Ge缓冲层从而形成所述Ge缓冲层。
优选地，步骤(d)包括：
(d1)在280～300℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述GeSn缓冲层上生长本征GeSn单晶层；
(d2)在280～300℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述本征GeSn单晶层上生长本征Ge层；
(d3)在280～300℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述本征Ge层上生长本征GeSn单晶层；
(d4)重复步骤d2、d3得到所述GeSn/Ge多量子阱有源层。
其中，所述本征Ge层的厚度为10～15nm；所述本征GeSn单晶层的厚度为15～20nm。
优选地，所述GeSn/Ge多量子阱有源层的GeSn单晶层中Sn的组分为2～5％。
其中，通过调节所述GeSn/Ge多量子阱有源层的GeSn单晶层中Sn的组分和调节所述GeSn/Ge多量子阱有源层中Ge的厚度以调节量子阱中的应力，以此来调节带隙结构从而扩展探测波长和增强探测能力。
采用本实施方式的用于长波光通信的光电探测器兼容了CMOS工艺，克服了暗电流大，低于1800nm连续波段探测问题，且能通过调节多量子阱中GeSn中Sn的组分和调节多量子阱中Ge的厚度以调整带隙结构，从而调节探测范围和探测能力。
实施例二
请参照图2a-图2g，图2a-图2g为本发明实施例的一种用于长波光通信的光电探测器的制备方法示意图，该制备方法包括如下步骤：
S1、如图2a所示，选取型N型Si或SOI衬底；
S2、如图2b所示，在230～250℃下，利用分子束外延生长工艺，在衬底上250℃生长一层低温Ge缓冲层后，升温至470～500℃生长高温Ge缓冲层；
S3、如图2c所示，在280～300℃下，利用分子束外延生长工艺，在S2得到的Ge缓冲层上生长N型GeSn作为缓冲层；
如图2d所示：
S4、在280～300℃下，利用分子束外延生长工艺，在S3得到的N型GeSn缓冲层上生长本征GeSn单晶；
S5、在280～300℃下，利用分子束外延生长工艺，在S4得到的本征GeSn单晶上生长本征Ge层；
S6、在280～300℃下，利用分子束外延生长工艺，在S5得到的本征Ge层上生长本征GeSn单晶；
S7、重复步骤S5、S6得到GeSn/Ge多量子阱有源层；
S8、如图2e所示，在280～300℃下，利用分子束外延生长工艺，在S7得到的GeSn/Ge多量子阱有源层上生长GeSn接触层；
S9、如图2f所示，在S8得到的结构上沉积SiO2；
如图2g所示：
S10、在S9得到的结构上光刻出金属接触窗口；
S11、在S10得到的结构上沉积金属；
S12、在S11得到的结构上光刻引线，形成用于长波光通信的光电探测器。
本实施例中，上述各种工艺参数均为举例说明，依据本领域技术人员的常规手段所做的变换均为本申请之保护范围。
实施例三
请参照图3，图3为本发明实施例提供的一种用于长波光通信的光电探测器结构示意图。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：Si或SOI衬底、Ge缓冲层、GeSn缓冲层、GeSn/Ge多量子阱有源层、GeSn接触层、氧化层以及金属电极。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。
本发明制备的用于长波光通信的光电探测器，首先，作为IV族半导体材料的Ge，在1.3-1.55μm波段范围内有很高的吸收系数，并且可直接在Si衬底上外延生长高质量Ge薄膜，因此Ge被认为近红外探测器的理想备选材料。在室温下，Ge直接带隙为0.8eV，对应的探测器吸收边界在1.55μm左右，只覆盖到部分C波段(1530-1565nm)，不能覆盖800～1800nm通信波段。本发明实施例在Ge中掺入2％的Sn组分可以覆盖的波段从1550nm扩展到1800nm。通过增加Ge中的Sn组分，扩展了GeSn光电探测器的吸收波长，并且增强了对波长的吸收系数，提高了探测能力；通过调节GeSn量子阱中的Ge层的厚度，在GeSn量子阱中引入不同的应力，调节量子阱的带隙结构，可以有效地调节器件的吸收波长范围，增强吸收能力。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明一种用于长波光通信的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)

1.一种用于长波光通信的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
(a)选取N型Si或SOI衬底；
(b)在所述衬底上生长Ge缓冲层；
(c)在所述Ge缓冲层上生长N型GeSn缓冲层；
(d)在所述GeSn缓冲层上生长GeSn/Ge多量子阱有源层；
(e)在所述GeSn/Ge多量子阱有源层上生长GeSn接触层；
(f)在所述GeSn接触层上采用等离子体化学气相沉积工艺生长SiO2；
(g)光刻引线以制备所述光电探测器。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的Ge缓冲层的厚度为250～300nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的GeSn缓冲层的厚度为150～200nm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述GeSn/Ge多量子阱有源层的层数为10～20层，厚度为250nm～750nm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述GeSn接触层厚度为50～80nm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(b)包括：
(b1)在230～250℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述衬底上生长第一Ge缓冲层；
(b2)在470～500℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述第一Ge缓冲层表面生长第二Ge缓冲层从而形成所述Ge缓冲层。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(d)包括：
(d1)在280～300℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述GeSn缓冲层上生长本征GeSn单晶层；
(d2)在280～300℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述本征GeSn单晶层上生长本征Ge层；
(d3)在280～300℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述本征Ge层上生长本征GeSn单晶层；
(d4)重复步骤d2、d3得到所述GeSn/Ge多量子阱有源层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述本征Ge层的厚度为10～15nm；所述本征GeSn单晶层的厚度为15～20nm。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述本征GeSn单晶层中Sn的组分为2～5％。
10.一种用于长波光通信的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器由权利要求1～9任一项所述的方法制备。
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