CN110767766B - 应变平衡GeSn红外光电探测器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种应变平衡GeSn红外光电探测器及其制造方法。所述应变平衡GeSn红外光电探测器，包括硅衬底以及依次层叠于所述硅衬底上的Ge缓冲层和吸收层；所述吸收层，包括沿垂直于所述硅衬底的方向交替堆叠的拉应变Si1‑x‑yGexSny层与压应变Ge1‑aSna层，以达到应变平衡；其中，0<x<1，0≤y<1，0<a<1。本发明解除了临界厚度对吸收层厚度的限制，大幅度提高了GeSn红外光电探测器的探测灵敏度。

Description

应变平衡GeSn红外光电探测器及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种应变平衡GeSn红外光电探测器及其制造方法。
背景技术
红外光电探测器在通信技术、军事、国防、医疗、自动影像等方面有着重要的应用。目前，用于制造红外光电探测器的半导体材料，包括III-V族材料的InGaAs、GaInAsSb、InGaSb等，II-VI族材料的HgCdTe和IV族材料的Ge、GeSn等。III-V族红外光电探测器在近红外波段性能优异，II-VI族红外光电探测器则主要应用于中远红外波段。然而，无论是III-V族材料还是II-VI族材料，其成本都非常的高昂，同时，这些材料不仅与Si基CMOS技术不兼容，还会引起严重的环境问题。
Si基近红外光电探测器具有易集成、低成本、高性能等潜在优势。由于与Si基CMOS技术兼容、在1.3μm-1.55μm的光通信波段内具有较高的吸收系数，Ge红外光电探测器获得了广泛的应用。然而，受限于Ge材料能带结构，Ge红外光电探测器的响应度在波长大于1.55μm时急剧下降。在Ge中引入Sn，不仅可以延伸其探测范围，还可以提高吸收系数。随着Sn组分的增加，GeSn合金的禁带宽度变窄。当引入6.5％左右的Sn组分，GeSn红外光电探测器的响应范围可以扩展到2μm波段；当引入16％左右的Sn组分，GeSn红外光电探测器的响应范围可以延伸至3μm波段。然而，在Ge缓冲层上外延生长GeSn合金时，由于GeSn材料晶格常数大于Ge，GeSn薄膜将处于压应变状态。GeSn薄膜应变自由能随着膜厚增加而增加。当厚度增加到一定程度(即临界厚度)时，共格的薄膜将处于不稳定状态，薄膜向应变自由能降低的方向演化，发生应变驰豫。应变驰豫会在GeSn材料中引入位错，导致GeSn光电探测器中暗电流的增加，探测灵敏度降低。随着GeSn合金中Sn组分的增加，临界厚度不断减小。当Sn组分增加至17％左右时，临界厚度减小至低于30nm。然而，光电探测器的响应度随吸收区厚度的增加而增加，因此，临界厚度的存在极大的限制了GeSn光电探测器吸收区的厚度，特别是对于高Sn组分的GeSn光电探测器，从而限制了GeSn光电探测器的应用范围。
因此，如何避免临界厚度对GeSn光电探测器吸收区厚度的限制，实现高灵敏度、宽探测波段的GeSn红外光电探测器，是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种应变平衡GeSn红外光电探测器及其制造方法，用以解决现有的GeSn红外光电探测器的探测范围和灵敏度易受吸收区厚度限制的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种应变平衡GeSn红外光电探测器，包括硅衬底以及依次层叠于所述硅衬底上的Ge缓冲层和吸收层；
所述吸收层，包括沿垂直于所述硅衬底的方向交替堆叠的拉应变Si1-x-yGexSny层与压应变Ge1-aSna层，以达到应变平衡；其中，0<x<1，0≤y<1，0<a<1。
优选的，0<x<1，0≤y<0.25。
优选的，0<a<0.25。
优选的，还包括：
位于所述硅衬底上的下接触层；
沿垂直于所述硅衬底的方向层叠于所述吸收层表面的上接触层；
位于所述下接触层表面的第一电极；
位于所述上接触层表面的第二电极。
优选的，所述下接触层为沿垂直于所述硅衬底的方向层叠与所述硅衬底与所述Ge缓冲层之间的n-型Si接触层，所述上接触层为p-型Ge接触层。
优选的，所述下接触层为沿垂直于所述硅衬底的方向层叠于所述Ge缓冲层与所述吸收层之间的n-型Ge接触层，所述上接触层为p-型Ge接触层。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种应变平衡GeSn红外光电探测器的制造方法，包括如下步骤：
提供硅衬底；
形成Ge缓冲层于所述硅衬底上；
形成吸收层于所述Ge缓冲层上，所述吸收层包括沿垂直于所述硅衬底的方向交替堆叠的拉应变Si1-x-yGexSny层与压应变Ge1-aSna层，以达到应变平衡；其中，0<x<1，0≤y<1，0<a<1。
优选的，形成Ge缓冲层于所述硅衬底上的具体步骤包括：
沉积n-型Si材料层于所述硅衬底表面，形成下接触层；
沉积Ge材料层于所述下接触层表面，形成Ge缓冲层。
优选的，形成Ge缓冲层于所述硅衬底上的具体步骤包括：
沉积Ge材料层于所述硅衬底表面，形成Ge缓冲层；
沉积n-型Ge材料层于所述Ge缓冲层表面，形成下接触层。
优选的，还包括如下步骤：
沉积p-型Ge材料层于所述吸收层表面，形成上接触层；
沉积第一导电材料于所述下接触层表面，形成n-电极；
沉积第二导电材料于所述上接触层表面，形成p-电极。
本发明提供的应变平衡GeSn红外光电探测器及其制造方法，采用拉应变Si1-x- yGexSny层与压应变Ge1-aSna层交替堆叠构成的多层结构作为吸收层，以使得吸收层达到应变平衡状态，解除临界厚度对吸收层厚度的限制，大幅度提高了GeSn红外光电探测器的探测灵敏度。
附图说明
附图1是本发明第一具体实施方式中应变平衡GeSn红外光电探测器的结构示意图；
附图2是本发明第一具体实施方式中吸收层的结构示意图；
附图3是本发明第一具体实施方式中应变平衡GeSn红外光电探测器的制造方法流程图；
附图4A-4G是本发明第一具体实施方式中应变平衡GeSn红外光电探测器制造过程中的主要工艺结构示意图；
附图5是本发明第二具体实施方式中应变平衡GeSn红外光电探测器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的应变平衡GeSn红外光电探测器及其制造方法的具体实施方式做详细说明。
第一具体实施方式
本具体实施方式提供了一种应变平衡GeSn红外光电探测器，附图1是本发明第一具体实施方式中应变平衡GeSn红外光电探测器的结构示意图，附图2是本发明第一具体实施方式中吸收层的结构示意图。
如图1、图2所示，本具体实施方式提供的应变平衡GeSn红外光电探测器，包括硅衬底10以及依次层叠于所述硅衬底10上的Ge缓冲层11和吸收层12；所述吸收层12，包括沿垂直于所述硅衬底10的方向交替堆叠的拉应变Si1-x-yGexSny层21与压应变Ge1-aSna层22，以达到应变平衡；其中，0<x<1，0≤y<1，0<a<1。其中，所述Ge缓冲层11可以为驰豫Ge缓冲层，也可以为拉应变Ge缓冲层。
本具体实施方式提供的应变平衡GeSn红外光电探测器中，吸收层12包括沿垂直于所述硅衬底10的方向交替堆叠的拉应变Si1-x-yGexSny层21与压应变Ge1-aSna层22，其中，由于Si1-x-yGexSny的晶格常数小于Ge，处于拉应变；Ge1-aSna的晶格常数大于Ge，处于压应变。通过合理调整拉应变Si1-x-yGexSny层21与压应变Ge1-aSna层22交替堆叠的层数、每一拉应变Si1-x-yGexSny层21与压应变Ge1-aSna层22的厚度、以及拉应变Si1-x-yGexSny层21与压应变Ge1- aSna层22的具体组分，使得所述吸收层12达到应变平衡状态，应变自由能不再随吸收层厚度的增加而积累，解除了临界厚度对吸收层厚度的限制，大幅度提高了GeSn红外光电探测器的探测灵敏度。
本领域技术人员可以根据需要调整拉应变Si1-x-yGexSny层21与压应变Ge1-aSna层22中各组分的具体含量。在压应变Ge1-aSna层22中，随着Sn组分的增加，GeSn合金带隙变小，探测范围扩大。因此，为了获得较大的探测范围，优选的，0<a<0.25。为了进一步提高应变平衡GeSn红外光电探测器的响应度，优选的，0<x<1，0≤y<0.25。
优选的，本具体实施方式提供的应变平衡GeSn红外光电探测器还包括：
位于所述硅衬底10上的下接触层13；
沿垂直于所述硅衬底10的方向层叠于所述吸收层12表面的上接触层14；
位于所述下接触层13表面的第一电极16；
位于所述上接触层14表面的第二电极17。
具体来说，所述下接触层13为沿垂直于所述硅衬底10的方向层叠与所述硅衬底10与所述Ge缓冲层11之间的n-型Si接触层，所述上接触层14为p-型Ge接触层。所述下接触层13形成一台阶结构，所述台阶结构包括下台面以及凸出于所述下台面的上台面，所述Ge缓冲层11、所述吸收层12、所述上接触层14沿垂直于所述硅衬底10的方向依次层叠于所述下接触层13的所述上台面；所述第一电极16位于所述下接触层13的下台面。其中，所述第一电极16为n-电极，所述第二电极17为p-电极。
优选的，所述应变平衡GeSn红外光电探测器还包括保护层15，所述保护层15覆盖于由所述下接触层13、所述Ge缓冲层11、所述吸收层12和所述上接触层14构成的堆叠结构的表面，所述第一电极16贯穿所述保护层15与所述下接触层13接触，所述第二电极17贯穿所述保护层15与所述上接触层14接触。其中，所述保护层15的材质优选为二氧化硅。
不仅如此，本具体实施方式还提供了一种应变平衡GeSn红外光电探测器的制造方法，附图3是本发明第一具体实施方式中应变平衡GeSn红外光电探测器的制造方法流程图，附图4A-4G是本发明第一具体实施方式中应变平衡GeSn红外光电探测器制造过程中的主要工艺结构示意图，本具体实施方式形成的应变平衡GeSn红外光电探测器的具体结构参见图1、图2。如图1、图2、图3、图4A-4G所示，本具体实施方式提供的应变平衡GeSn红外光电探测器的制造方法，包括如下步骤：
步骤S31，提供硅衬底10。
步骤S32，形成Ge缓冲层11于所述硅衬底10上。优选的，形成Ge缓冲层11于所述硅衬底10上的具体步骤包括：
(S32-1)沉积n-型Si材料层于所述硅衬底10表面，形成下接触层13。具体来说，可以采用化学气相沉积方法于所述硅衬底10表面生长一层硅材料层，然后对所述硅材料层进行n-型离子掺杂，形成所述下接触层13。其中，所述下接触层13的具体厚度，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如500nm，本具体实施方式对此不作限定。
(S32-2)沉积Ge材料层于所述下接触层13表面，形成Ge缓冲层11，如图4A所示。具体来说，可以采用低温、高温两步法生成所述Ge缓冲层11。其中，所述Ge材料层可以为驰豫Ge材料层，也可以为拉应变Ge材料层。
步骤S33，形成吸收层12于所述Ge缓冲层11上，所述吸收层12包括沿垂直于所述硅衬底10的方向交替堆叠的拉应变Si1-x-yGexSny层21与压应变Ge1-aSna层22，以达到应变平衡；其中，0<x<1，0≤y<1，0<a<1，如图4B所示。
具体来说，可以采用化学气相沉积交替生长若干层拉应变Si1-x-yGexSny层21与压应变Ge1-aSna层22。其中，交替生长的具体层数，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，举例来说：交替生长20层拉应变Si1-x-yGexSny层21与压应变Ge1-aSna层22，其中，压应变Ge1-aSna层22的厚度为30nm、Sn组分为8％，拉应变Si1-x-yGexSny层21的厚度为40nm、Sn组分为0、Ge组分为82％，所述吸收层12的总厚度为600nm；或者，交替生长30层拉应变Si1-x-yGexSny层21与压应变Ge1-aSna层22，其中，压应变Ge1-aSna层22的厚度为30nm、Sn组分为10％，拉应变Si1-x-yGexSny层21的厚度为50nm、Sn组分为2％、Ge组分为76％，所述吸收层12的总厚度为900nm。本具体实施方式中的组分均为摩尔分数。
优选的，所述应变平衡GeSn红外光电探测器的制造方法还包括如下步骤：
(a)沉积p-型Ge材料层于所述吸收层12表面，形成上接触层14，如图4C所示。具体来说，可以采用化学气相沉积方法于所述吸收层12表面沉积一层Ge材料层，然后对所述Ge材料层进行p-型离子掺杂，形成所述上接触层14。其中，所述上接触层14的具体厚度，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如100nm，本具体实施方式对此不作限定。
(b)沉积第一导电材料于所述下接触层13表面，形成n-电极16；
(c)沉积第二导电材料于所述上接触层14表面，形成p-电极17。
具体来说，在形成所述上接触层14之后，对所述上接触层14、所述吸收层12、所述Ge缓冲层11与所述下接触层13进行刻蚀，形成如图4D所示的台面结构；然后，于由所述下接触层13、所述Ge缓冲层11、所述吸收层12和所述上接触层14构成的堆叠结构的表面沉积钝化层材料，形成保护层15，如图4E所示；接着，采用干法刻蚀工艺对所述保护层15进行刻蚀，形成第一电极沟槽161和第二电极沟槽171，如图4F所示；最后采用磁控溅射分别沉积第一导电材料于所述第一电极沟槽161、第二导电材料于所述第二电极沟槽171，并结合光刻和干法刻蚀工艺，形成第一电极16和第二电极17，如图4G所示。其中，所述钝化层材料可以为二氧化硅。所述第一导电材料与所述第二导电材料可以为相同的导电材料，例如金属铝，使得所述第一电极16与所述第二电极17同步形成。
本具体实施方式提供的应变平衡GeSn红外光电探测器及其制造方法，采用拉应变Si1-x-yGexSny层与压应变Ge1-aSna层交替堆叠构成的多层结构作为吸收层，以使得吸收层达到应变平衡状态，解除临界厚度对吸收层厚度的限制，大幅度提高了GeSn红外光电探测器的探测灵敏度。
第二具体实施方式
本具体实施方式提供了一种应变平衡GeSn红外光电探测器，附图5是本发明第二具体实施方式中应变平衡GeSn红外光电探测器的结构示意图。对于与第一具体实施方式相同之处，本具体实施方式不再赘述，以下主要叙述与第一具体实施方式不同之处。
如图5所示，本具体实施方式提供的应变平衡GeSn红外光电探测器，包括硅衬底50以及依次层叠于所述硅衬底50上的Ge缓冲层51和吸收层52；所述吸收层52，包括沿垂直于所述硅衬底50的方向交替堆叠的拉应变Si1-x-yGexSny层与压应变Ge1-aSna层，以达到应变平衡；其中，0<x<1，0≤y<1，0<a<1。其中，所述Ge缓冲层51可以为驰豫Ge缓冲层，也可以为拉应变Ge缓冲层。
优选的，本具体实施方式提供的应变平衡GeSn红外光电探测器还包括：位于所述硅衬底50上的下接触层53；沿垂直于所述硅衬底50的方向层叠于所述吸收层52表面的上接触层54；位于所述下接触层53表面的第一电极56；位于所述上接触层54表面的第二电极57；覆盖于由所述下接触层53、所述吸收层52和所述上接触层54构成的堆叠结构的表面的保护层55。所述下接触层53为沿垂直于所述硅衬底50的方向层叠于所述Ge缓冲层51与所述吸收层52之间的n-型Ge接触层，所述上接触层54为p-型Ge接触层。其中，所述第一电极56为n-电极，所述第二电极57为p-电极。
本具体实施方式还提供了一种应变平衡GeSn红外光电探测器的制造方法，包括如下步骤：提供硅衬底50；形成Ge缓冲层51于所述硅衬底50上；形成吸收层52于所述Ge缓冲层51上，所述吸收层52包括沿垂直于所述硅衬底50的方向交替堆叠的拉应变Si1-x-yGexSny层与压应变Ge1-aSna层，以达到应变平衡；其中，0<x<1，0≤y<1，0<a<1。
其中，形成Ge缓冲层51于所述硅衬底50上的具体步骤包括：
沉积Ge材料层于所述硅衬底50表面，形成Ge缓冲层51；
沉积n-型Ge材料层于所述Ge缓冲层51表面，形成下接触层53。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，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 (6)

1.一种应变平衡GeSn红外光电探测器，其特征在于，包括硅衬底以及依次层叠于所述硅衬底上的Ge缓冲层和吸收层，所述Ge缓冲层为驰豫Ge材料层或者拉应变Ge材料层；
所述吸收层，位于所述Ge缓冲层表面，且与所述Ge缓冲层直接接触，包括沿垂直于所述硅衬底的方向交替堆叠的拉应变Si1-x-yGexSny层与压应变Ge1-aSna层，Si1-x-yGexSny的晶格常数小于Ge，Ge1-aSna的晶格常数大于Ge，以达到应变平衡，从而解除临界厚度对生长于所述Ge缓冲层上的所述吸收层厚度的限制；其中，0<x<1，0≤y<0.25，0<a<0.25；
所述压应变Ge1-aSna层的厚度为30nm、Sn组分为8％，所述拉应变Si1-x-yGexSny层的厚度为40nm、Sn组分为0、Ge组分为82％，所述吸收层的总厚度为600nm；或者，所述压应变Ge1- aSna层的厚度为30nm、Sn组分为10％，所述拉应变Si1-x-yGexSny层的厚度为50nm、Sn组分为2％、Ge组分为76％，所述吸收层的总厚度为900nm。
2.根据权利要求1所述的应变平衡GeSn红外光电探测器，其特征在于，还包括：
位于所述硅衬底上的下接触层；
沿垂直于所述硅衬底的方向层叠于所述吸收层表面的上接触层；
位于所述下接触层表面的第一电极；
位于所述上接触层表面的第二电极。
3.根据权利要求2所述的应变平衡GeSn红外光电探测器，其特征在于，所述下接触层为沿垂直于所述硅衬底的方向层叠于 所述硅衬底与所述Ge缓冲层之间的n-型Si接触层，所述上接触层为p-型Ge接触层。
4.一种应变平衡GeSn红外光电探测器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供硅衬底；
形成Ge缓冲层于所述硅衬底上，所述Ge缓冲层为驰豫Ge材料层或者拉应变Ge材料层；
形成吸收层于所述Ge缓冲层表面、且与所述Ge缓冲层直接接触，所述吸收层包括沿垂直于所述硅衬底的方向交替堆叠的拉应变Si1-x-yGexSny层与压应变Ge1-aSna层，Si1-x-yGexSny的晶格常数小于Ge，Ge1-aSna的晶格常数大于Ge，以达到应变平衡，从而解除临界厚度对生长于所述Ge缓冲层上的所述吸收层厚度的限制；其中，0<x<1，0≤y<0.25，0<a<0.25；所述压应变Ge1-aSna层的厚度为30nm、Sn组分为8％，所述拉应变Si1-x-yGexSny层的厚度为40nm、Sn组分为0、Ge组分为82％，所述吸收层的总厚度为600nm；或者，所述压应变Ge1-aSna层的厚度为30nm、Sn组分为10％，所述拉应变Si1-x-yGexSny层的厚度为50nm、Sn组分为2％、Ge组分为76％，所述吸收层的总厚度为900nm。
5.根据权利要求4所述的应变平衡GeSn红外光电探测器的制造方法，其特征在于，形成Ge缓冲层于所述硅衬底上的具体步骤包括：
沉积n-型Si材料层于所述硅衬底表面，形成下接触层；
沉积Ge材料层于所述下接触层表面，形成Ge缓冲层。
6.根据权利要求5所述的应变平衡GeSn红外光电探测器的制造方法，其特征在于，还包括如下步骤：
沉积p-型Ge材料层于所述吸收层表面，形成上接触层；
沉积第一导电材料于所述下接触层表面，形成n-电极；
沉积第二导电材料于所述上接触层表面，形成p-电极。
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