CN107871800B - n+-GeSn/i-GeSn/p+-Ge结构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n+‑GeSn/i‑GeSn/p+‑Ge结构光电探测器及其制备方法。该方法包括：选取Si衬底；生长Ge材料，制备保护层；对整个衬底进行加热，并采用激光工艺晶化整个衬底，冷却使Ge材料形成晶化Ge层，去除保护层；对晶化Ge层进行离子注入形成P型晶化Ge层；连续生长本征GeSn层、N型Ge层；在N型Ge层表面分别刻蚀形成水平截面为第一矩形、第二梯形和第二矩形的台状结构；在器件部分制作接触孔，并在接触孔中淀积金属以完成互连制备，最终形成光电探测器。本发明实施例光电探测器可减少暗电流，并克服了垂直入光型光探测器中高速响应与量子效率矛盾，同时保证了高速率和高量子效率。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种n+-GeSn/i-GeSn/p+-Ge结构光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器的原理是由辐射引起被照射材料电导率发生改变。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。
随着光通信技术的发展，具有高响应度、高量子效率、低暗电流以及高响应频率带宽的光电探测器得以实现。然而，市场上大部分的半导体探测器都是使用直接带隙的III-V族材料制作的，如InGaAs和InSb等材料。但其价格昂贵、导热性能和机械性能较差以及与现有的成熟的Si工艺兼容性差等缺点限制了其在Si基光电集成技术中的应用。
因此，如何制作在Si衬底上的波导型光电探测器已成为国内外研究的热点和重点。
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n+-GeSn/i-GeSn/p+-Ge结构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n+-GeSn/i-GeSn/p+-Ge结构光电探测器的制备方法，包括：
选取Si衬底；
在所述Si衬底表面生长Ge材料，并在所述Ge材料表面制备保护层；
对整个衬底进行加热，并采用激光工艺晶化整个衬底，冷却使所述Ge材料形成晶化Ge层，去除所述保护层形成Ge/Si虚衬底；
对所述晶化Ge层进行离子注入形成P型晶化Ge层；
在所述晶化Ge层表面连续生长本征GeSn层、N型Ge层；
在所述N型Ge层表面分别刻蚀形成水平截面为第一矩形、第二梯形和第二矩形的台状结构；其中，所述第一矩形的台状结构形成波导区，所述第二梯形的台状结构形成耦合结构，所述第二矩形的台状结构形成器件部分；
在所述器件部分制作接触孔，并在所述接触孔中淀积金属以完成互连制备，最终形成所述光电探测器。
在本发明的一个实施例中，在所述Si衬底表面生长Ge材料，包括：
在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述Si衬底表面生长厚度为40～50nm的Ge籽晶层；
在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在所述Ge籽晶层表面生长厚度为150～250nm的Ge主体层。
在本发明的一个实施例中，对整个衬底进行加热，并采用激光工艺晶化整个衬底，冷却使所述Ge材料形成晶化Ge层，去除所述保护层形成Ge/Si虚衬底，包括：
将包括所述Si衬底、所述Ge材料及所述保护层的整个衬底加热至650℃～750℃；
采用激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s，对所述整个衬底进行晶化处理，自然冷却形成所述晶化Ge层；
利用干法刻蚀工艺去除所述保护层形成所述Ge/Si虚衬底。
在本发明的一个实施例中，对所述晶化Ge层进行离子注入形成P型晶化Ge层，包括：
利用离子注入工艺，在所述晶化Ge层表面进行掺杂形成掺杂浓度为5×1018cm-3的所述P型晶化Ge层。
在本发明的一个实施例中，在所述晶化Ge层表面连续生长本征GeSn层、N型Ge层，包括：
以SnCl4和GeH4分别作为Sn和Ge源，在H2气氛中，在所述晶化Ge层表面生长所述本征GeSn层；
以PH3作为P型掺杂源，以N2作为运载气体在所述本征GeSn层表面生长形成掺杂浓度为5×1018cm-3-1×1019cm-3的所述N型Ge层。
在本发明的一个实施例中，在所述器件部分制作接触孔，包括：
利用PECVD工艺在所述器件部分表面淀积SiO2材料作为钝化层；
采用第一掩膜版，利用各向异性刻蚀工艺刻蚀所述钝化层形成P型接触孔；
利用离子注入工艺对所述P型接触孔所在位置进行离子注入以在所述P型晶化Ge层内形成P型接触区；
采用第二掩膜版，利用各向异性刻蚀工艺刻蚀所述钝化层以形成N型接触孔。
在本发明的一个实施例中，在所述接触孔中淀积金属以完成互连制备，包括：
利用电子束蒸发淀积工艺，对所述P型接触孔和所述N型接触孔淀积金属材料；
采用CMP工艺平整化处理以刻蚀掉钝化层表面的金属材料。
在本发明的一个实施例中，所述金属材料为Cr或者Au。
本发明的另一个实施例提供了一种n+-GeSn/i-GeSn/p+-Ge结构光电探测器，其中，所述光电探测器由上述实施例中任一所述的方法制备形成。
本发明实施例的光电探测器，相对于现有技术至少具有如下优点：
1)本发明采用的激光晶化工艺具有选择性高，控制精度高，晶化速度快，工艺步骤简单，工艺周期短，热预算低等优点；
2)本发明通过连续激光辅助晶化Ge/Si虚衬底，可有效降低Ge/Si虚衬底的位错密度、表面粗糙度、界面缺陷，提升Ge/Si界面特性从而减小探测器暗电流；
3)本发明使用GeSn材料做光电探测器，其速度快，发光效率高，光谱响应范围广，工艺简单，器件的性能优良；
4)本发明中波导型光电探测器，采用波导型结构，克服了垂直入光型光探测器中高速响应与量子效率矛盾，同时保证了高速率和高量子效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种n+-GeSn/i-GeSn/p+-Ge结构光电探测器的俯视示意图；
图2为本发明实施例提供的一种激光再晶化的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种n+-GeSn/i-GeSn/p+-Ge结构光电探测器的制备方法流程示意图；以及
图4a-图4l为本发明实施例提供的一种n+-GeSn/i-GeSn/p+-Ge结构光电探测器的制备方法示意图。
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n+-GeSn/i-GeSn/p+-Ge结构光电探测器的俯视示意图。该光电探测器包括Si衬底、设置于该Si衬底上的晶化Ge层以及设置于所述晶化Ge层上的波导、耦合结构和器件部分，该器件部分通过半导体工艺形成光电器件，最终形成波导型光电探测器。该晶化Ge层是通过激光再晶化LRC工艺实现的。
具体的原理如下：
同为IV族元素的Ge，不仅与现有的Si工艺完全兼容，而且Ge的能带结构容易通过张应变和N型掺杂来调控，使其变为准直接带隙材料，从而可以大大地提高载流子吸收系数。国内外Ge改性实现的一个重要方法是采用GeSn合金化的手段,其不仅具有易发射和吸收电子，还具有较高的载流子迁移率等优良的电学特性，其工作范围可以覆盖近红外和短波红外(NIR，SWIR)波长。特别是对GeSn探测器设计、制造及其特点的研究已经成为近些年研究的重点与热点。
以Si衬底为基片，制作光电探测器，便于集成，而且可以降低成本，理论上可以实现光信息高速传输，实验上也取得巨大进展。同时Si基GeSn探测器作为一种新型半导体探测器具有灵敏面积准确，体积小，漏电流小，稳定性好的优点，同时，GeSnPiN光电探测器若为波导型结构(俯视图如图1所示)，因为光传输和吸收沿着波导方向，而载流子输运在与之垂直的方向，还可克服垂直入光型光探测器中高速响应与量子效率之间的矛盾。因此Si基GeSnPiN波导型光电探测器在高速光电器件领域得以研究和应用。
因此Si衬底上结晶质量良好的Ge外延层，是制备高质量Si衬底上波导型GeSn PIN光电探测器的物质基础。目前，Si衬底上Ge外延层常规的两步法工艺，存在热预算高、工艺周期长、以及仅能制备厚膜Ge外延层等问题。
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种激光再晶化的示意图。激光再晶化技术(Laser Re-Crystallization，简称LRC)是一种热致相变结晶的方法，通过激光热处理，使Si衬底上Ge外延层熔化再结晶，横向释放Ge外延层的位错缺陷，不仅可获得高质量的Ge外延层，还可以克服常规两步法工艺存在的问题。
请参图3，图3为本发明实施例提供的一种n+-GeSn/i-GeSn/p+-Ge结构光电探测器的制备方法流程示意图。该方法包括如下步骤：
步骤a、选取Si衬底；
步骤b、在所述Si衬底表面生长Ge材料，并在所述Ge材料表面制备保护层；
步骤c、对整个衬底进行加热，并采用激光工艺晶化整个衬底，冷却使所述Ge材料形成晶化Ge层，去除所述保护层形成Ge/Si虚衬底；
步骤d、对所述晶化Ge层进行离子注入形成P型晶化Ge层；
步骤e、在所述晶化Ge层表面连续生长本征GeSn层、N型Ge层；
步骤f、在所述N型Ge层表面分别刻蚀形成水平截面为第一矩形、第二梯形和第二矩形的台状结构；其中，所述第一矩形的台状结构形成波导区，所述第二梯形的台状结构形成耦合结构，所述第二矩形的台状结构形成器件部分；
步骤g、在所述器件部分制作接触孔，并在所述接触孔中淀积金属以完成互连制备，最终形成所述光电探测器。
对于步骤b，可以包括：
步骤b1、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述Si衬底表面生长厚度为40～50nm的Ge籽晶层；
步骤b2、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在所述Ge籽晶层表面生长厚度为150～250nm的Ge主体层。
对于步骤c，可以包括：
步骤c1、将包括所述Si衬底、所述Ge材料及所述保护层的整个衬底加热至650℃～750℃；
步骤c2、采用激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s，对所述整个衬底进行晶化处理，自然冷却形成所述晶化Ge层；
步骤c3、利用干法刻蚀工艺去除所述保护层形成所述Ge/Si虚衬底。
对于步骤d，可以包括：
利用离子注入工艺，在所述晶化Ge层表面进行掺杂形成掺杂浓度为5×1018cm-3的所述P型晶化Ge层。
对于步骤e，可以包括：
步骤e1、以SnCl4和GeH4分别作为Sn和Ge源，在H2气氛中，在所述晶化Ge层表面生长所述本征GeSn层；
步骤e2、以PH3作为P型掺杂源，以N2作为运载气体在所述本征GeSn层表面生长形成掺杂浓度为5×1018cm-3-1×1019cm-3的所述N型Ge层。
对于步骤g，可以包括：
步骤g1、利用PECVD工艺在所述器件部分表面淀积SiO2材料作为钝化层；
步骤g2、采用第一掩膜版，利用各向异性刻蚀工艺刻蚀所述钝化层形成P型接触孔；
步骤g3、利用离子注入工艺对所述P型接触孔所在位置进行离子注入以在所述P型晶化Ge层内形成P型接触区；
步骤g4、采用第二掩膜版，利用各向异性刻蚀工艺刻蚀所述钝化层以形成N型接触孔。
对于步骤g，还可以包括：
步骤g5、利用电子束蒸发淀积工艺，对所述P型接触孔和所述N型接触孔淀积金属材料；
步骤g6、采用CMP工艺平整化处理以刻蚀掉钝化层表面的金属材料。
其中，所述金属材料例如为Cr或者Au。
本发明实施例，通过采用激光再晶化工艺，提高Ge外延层的晶体质量，形成的Ge/Si虚衬底，有效降低Ge/Si虚衬底的位错密度和表面粗糙度以及提高Ge/Si界面特性，有利于减少波导型光电探测器的暗电流，进而可提高其量子效率。另外，采用波导型结构，克服了垂直入光型光探测器中高速响应与量子效率矛盾，同时保证了高速率和高量子效率。
实施例二
请一并参见图4a-图4l，图4a-图4l为本发明实施例提供的一种基于LRC工艺的n-Ge-i-Ge-p-Si结构波导型光电探测器的制备方法示意图。本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的基于LRC工艺的n-Ge-i-Ge-p-Si结构波导型光电探测器的制备方法进行详细说明如下：
S101、衬底选取。如图4a所示，选取掺杂浓度为5×1018cm-3的P型单晶硅(Si)衬底片(001)为初始材料001；
S102、第一Ge外延层生长。如图4b所示，在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述单晶Si衬底上生长40～50nm的Ge籽晶层002；
S103、第二Ge外延层生长。如图4c所示，在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在所述第一Ge籽晶层表面生长150～250nm的Ge主体层003；
S104、保护层的制备。如图4d所示，利用CVD工艺在所述Ge主体层表面上淀积100～150nm SiO2层004；
S105、Ge外延层的晶化及保护层刻蚀。如图4e所示，将包括所述单晶Si衬底、所述Ge籽晶层、所述Ge主体层及所述SiO2层的整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s，自然冷却所述整个衬底材料，利用干法刻蚀工艺刻蚀所述SiO2层004，得到所述Ge/Si虚衬底材料005；
S106、局部离子注入形成器件P型区域。如图4f所示，利用离子注入工艺对晶化Ge层进行掺杂，掺杂浓度为5×1018cm-3，形成P型晶化Ge层006，退火；
S107、i-GeSn层生长。如图4g所示，在H2氛围中将温度降到350℃以下，SnCl4和GeH4分别作为Sn和Ge源。GeH4/SnCl4气体流量比为0.95～0.99(由Ge/Sn组分决定)。生长150～200nm厚的无掺杂的GeSn区域007；
S108、继之前相同温度下，继续淀积Ge层。如图4h所示，P掺杂浓度为1×1019cm-3。在低的生长温度下，用N2作为运载气体可以提高生长速率，1％的PH3作为P掺杂源。生长30～50nm厚的N型Ge层结构008；
S109、波导制备。选择性刻蚀，得到宽200nm高200nm的GeSn波导009、入口宽为400nm的波导器件耦合结构010和器件结构。俯视图如图4i所示，剖面图如4j所示；
S110、金属接触孔制备。如图4k所示，采用等离子体增强化学气象淀积技术，淀积200～250nm厚的SiO2钝化层011，隔离台面与外界电接触。刻蚀接触孔，用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定P型晶化Ge区域的SiO2形成接触孔，同时离子注入，浓度达到5×1019cm-3形成p++-Ge区域012用于金属接触，高温退火。再用用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定n++-Ge区域的SiO2形成接触孔；
S111、金属互联制备。如图4l所示。利用电子束蒸发淀积150～200nm厚的Cr/Au层113。利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的金属Cr/Au，采用化学机械抛光(CMP)进行平坦化处理。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种n+-GeSn/i-GeSn/p+-Ge结构光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
选取Si衬底；
在所述Si衬底表面生长Ge材料，并在所述Ge材料表面制备保护层；
对整个衬底进行加热，并采用激光工艺晶化整个衬底，冷却使所述Ge材料形成晶化Ge层，去除所述保护层形成Ge/Si虚衬底；
对所述晶化Ge层进行离子注入形成P型晶化Ge层；
在所述晶化Ge层表面连续生长本征GeSn层、N型Ge层；
在所述N型Ge层表面分别刻蚀形成水平截面为第一矩形、第二梯形和第二矩形的台状结构；其中，所述第一矩形的台状结构形成波导区，所述第二梯形的台状结构形成耦合结构，所述第二矩形的台状结构形成器件部分；
在所述器件部分制作接触孔，并在所述接触孔中淀积金属以完成互连制备，最终形成所述光电探测器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述Si衬底表面生长Ge材料，包括：
在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述Si衬底表面生长厚度为40～50nm的Ge籽晶层；
在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在所述Ge籽晶层表面生长厚度为150～250nm的Ge主体层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对整个衬底进行加热，并采用激光工艺晶化整个衬底，冷却使所述Ge材料形成晶化Ge层，去除所述保护层形成Ge/Si虚衬底，包括：
将包括所述Si衬底、所述Ge材料及所述保护层的整个衬底加热至650℃～750℃；
采用激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s，对所述整个衬底进行晶化处理，自然冷却形成所述晶化Ge层；
利用干法刻蚀工艺去除所述保护层形成所述Ge/Si虚衬底。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述晶化Ge层进行离子注入形成P型晶化Ge层，包括：
利用离子注入工艺，在所述晶化Ge层表面进行掺杂形成掺杂浓度为5×1018cm-3的所述P型晶化Ge层。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述晶化Ge层表面连续生长本征GeSn层、N型Ge层，包括：
以SnCl4和GeH4分别作为Sn和Ge源，在H2气氛中，在所述晶化Ge层表面生长所述本征GeSn层；
以PH3作为P型掺杂源，以N2作为运载气体在所述本征GeSn层表面生长形成掺杂浓度为5×1018cm-3～1×1019cm-3的所述N型Ge层。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述器件部分制作接触孔，包括：
利用PECVD工艺在所述器件部分表面淀积SiO2材料作为钝化层；
采用第一掩膜版，利用各向异性刻蚀工艺刻蚀所述钝化层形成P型接触孔；
利用离子注入工艺对所述P型接触孔所在位置进行离子注入以在所述P型晶化Ge层内形成P型接触区；
采用第二掩膜版，利用各向异性刻蚀工艺刻蚀所述钝化层以形成N型接触孔。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述接触孔中淀积金属以完成互连制备，包括：
利用电子束蒸发淀积工艺，对所述P型接触孔和所述N型接触孔淀积金属材料；
采用CMP工艺平整化处理以刻蚀掉钝化层表面的金属材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述金属材料为Cr或者Au。
9.一种n+-GeSn/i-GeSn/p+-Ge结构光电探测器，其特征在于，所述光电探测器由权利要求1-8任一项所述的方法制备形成。
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