CN110828603A - 基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种基于III‑V族材料发射极区的GeSn光电晶体管及其制造方法。所述基于III‑V族材料发射极区的GeSn光电晶体管，包括衬底以及沿垂直于所述衬底的方向依次层叠于所述衬底表面的集电极区、吸收层、基极区和发射极区；所述吸收层与所述基极区采用Ge1‑xSnx材料构成，其中，0<x<1；所述发射极区采用III‑V族材料构成；所述III‑V族材料与所述Ge1‑xSnx材料的晶格失配度小于预设值，且所述III‑V族材料的能带带隙大于所述Ge1‑xSnx材料。本发明使得光电晶体管有着大的光电流放大倍数和高的灵敏度，且更容易实现高的光学增益。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管及其制造方法。
背景技术
GeSn作为一种新型的Ⅳ族合金材料，在近红外乃至短波红外有着大的吸收系数，是制备Si红外光电探测器的理想材料。近年来，GeSn红外光电探测器受到了广泛的研究。Wei Du等作者在其发表的题为“Silicon-based Ge0.89Sn0.11photodetector and lightemitter towards mid-infrared applications”中公开了一种面接收型GeSn光电探测器，Sn组分含量为11％的GeSn合金作为吸收层，其光响应范围扩展至3um波段。
然而，传统的GeSn p-i-n型光电探测器因缺少内部增益机制，灵敏度受到限制。Wei Wang等作者在其发表的题为“Floating-base germanium-tin heterojunctionphototransistor for high-efficiency photodetection in short-wave infraredrange”中公开了一种基于Ge/GeSn异质结的光电晶体管。相较于传统的Ge探测器，GeSn光电晶体管探测波段延伸至2μm波段；相较于传统的p-i-n型光电探测器，GeSn光电晶体管有着10倍的光电流增益，在1.55μm波长处光响应度高达1.8A/W。然而，GeSn光电晶体管还有这很大的改善空间。尽管Ge和GeSn界面处有着大的价带带阶，但其导带带阶非常小，这限制了PNP型光电晶体管的制备。同时，Ge和GeSn之间存在着晶格失配，且晶格失配随着Sn组分的增加而增大，使得外延生长高质量的Ge/GeSn异质结构具有较大难度。
因此，如何增大GeSn光电晶体管的探测灵敏度，以改善GeSn光电晶体管的性能，是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管及其制造方法，用于解决现有技术中GeSn光电晶体管探测灵敏度较低的问题，以提高GeSn光电晶体管的性能。
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管，包括衬底以及沿垂直于所述衬底的方向依次层叠于所述衬底表面的集电极区、吸收层、基极区和发射极区；
所述吸收层与所述基极区采用Ge1-xSnx材料构成，其中，0<x<1；
所述发射极区采用III-V族材料构成；
所述III-V族材料与所述Ge1-xSnx材料的晶格失配度小于预设值，且所述III-V族材料的能带带隙大于所述Ge1-xSnx材料。
优选的，所述III-V族材料为InAlP、InAlAs、InGaP、InGaAs中的一种或几种的组合。
优选的，所述发射极区的厚度为100nm-500nm。
优选的，所述集电极区为n-型Si材料层或者n-型Ge材料层；
所述基极区为p-型Ge1-xSnx材料层；
所述发射区为n-型III-V族材料层。
优选的，所述集电极区为p-型Si材料层或者p-型Ge材料层；
所述基极区为n-型Ge1-xSnx材料层；
所述发射区为p-型III-V族材料层。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管的制造方法，包括如下步骤：
提供衬底；
形成器件结构于所述衬底上，所述器件结构包括沿垂直于所述衬底的方向依次层叠于所述衬底表面的集电极区、吸收层、基极区和发射极区；所述吸收层与所述基极区采用Ge1-xSnx材料构成，其中，0<x<1；所述发射极区采用III-V族材料构成；所述III-V族材料与所述Ge1-xSnx材料的晶格失配度小于预设值，且所述III-V族材料的能带带隙大于所述Ge1- xSnx材料。
优选的，所述III-V族材料为InAlP、InAlAs、InGaP、InGaAs中的一种或几种的组合。
优选的，所述发射极区的厚度为100nm-500nm。
优选的，形成器件结构于所述衬底上的具体步骤包括：
外延生长n-型Si材料层或n-型Ge材料层于所述衬底表面，形成集电极区；
外延生长本征Ge1-xSnx材料层于所述集电极区表面，形成吸收层；
外延生长p-型Ge1-xSnx材料层于所述吸收层表面，形成基极区；
外延生长n-型III-V族材料层于所述基极区表面，形成发射极区。
优选的，形成器件结构于所述衬底上的具体步骤包括：
外延生长p-型Si材料层或p-型Ge材料层于所述衬底表面，形成集电极区；
外延生长本征Ge1-xSnx材料层于所述集电极区表面，形成吸收层；
外延生长n-型Ge1-xSnx材料层于所述吸收层表面，形成基极区；
外延生长p-型III-V族材料层于所述基极区表面，形成发射极区。
本发明提供的基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管及其制造方法，具有以下三个方面的优势：第一，与传统的III-V族、II-VI族红外探测器相比，本发明采用GeSn材料作为吸收层，能够与CMOS工艺兼容；第二，与传统的GeSn p-i-n型光电探测器相比，本发明采用由III-V族材料构成的发射极区与由GeSn材料构成的基极区结构，使得光电晶体管有着大的光电流放大倍数和高的灵敏度；第三，与基于Ge/GeSn异质结的光电晶体管相比，本发明提供的结构有着更大的设计灵活度，更容易实现高的光学增益。
附图说明
附图1是本发明第一具体实施方式中基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管的结构示意图；
附图2是本发明第一具体实施方式中基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管的制造方法流程图；
附图3A-3G是本发明第一具体实施方式中基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管在制造过程中的主要工艺结构示意图；
附图4是本发明第二具体实施方式中基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管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基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管，附图1是本发明第一具体实施方式中基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管的结构示意图。
如图1所示，本具体实施方式提供的基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管，包括衬底10以及沿垂直于所述衬底10的方向依次层叠于所述衬底10表面的集电极区11、吸收层12、基极区13和发射极区14；所述吸收层12与所述基极区13采用Ge1-xSnx材料构成，其中，0<x<1；所述发射极区14采用III-V族材料构成；所述III-V族材料与所述Ge1-xSnx材料的晶格失配度小于预设值，且所述III-V族材料的能带带隙大于所述Ge1-xSnx材料。
在本具体实施方式中，采用Ge1-xSnx材料来构成所述吸收层12，一方面能够与CMOS工艺兼容，另一方面也扩大了光电晶体管的探测范围。构成所述发射极区14的所述III-V族材料与构成所述基极区13的Ge1-xSnx材料之间的晶格失配度小于预设值，同时，所述III-V族材料的能带带隙大于所述Ge1-xSnx材料，使得在所述发射极区14与所述基极区13的界面价带和导带处形成了有效的带阶。光子经所述吸收层12吸收，生成光生载流子，所述光生载流子在电场作用下漂移至所述基极区13。所述光生载流子在所述基极区13积累，引起所述发射极区14与所述基极区13之间界面带阶的下降，载流子自所述发射极区14注入到所述基极区13，形成光电流的放大，从而实现高灵敏度的探测，有效提高了GeSn光电晶体管的性能。
其中，所述预设值的具体数值，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。优选的，所述预设值为1％。即所述III-V族材料与所述Ge1-xSnx材料晶格匹配或近似匹配。一般来说，所述III-V族材料与所述Ge1-xSnx材料的晶格失配度越小，越有利于提高发射极/基极界面质量，提高GeSn光电晶体管的性能。但由于在实际的生长过程中，会存在一定的组分误差。因此，本具体实施方式优选将所述III-V族材料与所述Ge1-xSnx材料的晶格失配度设置为小于1％。
本领域技术人员可以根据实际需要调整所述吸收层12中Ge组分与Sn组分的相对含量。一般来说，在所述吸收层12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<x<0.4。
所述发射极区14的具体材质，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如根据所述基极区13的材料等。优选的，所述III-V族材料为InAlP、InAlAs、InGaP、InGaAs中的一种或几种的组合。本领域技术人员通过合理调整所述III-V族材料中各元素组分的含量，使得所述III-V族材料与所述Ge1-xSnx材料的晶格失配度小于预设值，且所述III-V族材料的能带带隙大于所述Ge1-xSnx材料。更优选的，所述发射极区14的厚度为100nm-500nm。
本具体实施方式提供的基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管可以为NPIN型光电晶体管。具体来说，所述集电极区11为n-型Si材料层或者n-型Ge材料层；所述基极区13为p-型Ge1-xSnx材料层；所述发射区14为n-型III-V族材料层。
优选的，本具体实施方式提供的基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管还包括覆盖于由所述集电极区11、所述吸收层12、所述基极区13与所述发射极区14构成的堆叠结构的表面的减反层15。本具体实施方式中的所述集电极区11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，所述吸收层12、所述基极区13和所述发射极区14沿垂直于所述衬底10的方向依次层叠于所述集电极区11的所述上台面；集电极16贯穿所述减反层15与所述集电极区11的下台面接触；发射电极17贯穿所述减反层15与所述发射极区14接触。
在其他实施方式中，除与所述集电极区11接触的集电极16、与所述发射极区14接触的发射电极17之外，还可以设置贯穿所述减反层15与所述基极区13接触的基电极，从而构成具有三端结构的光电晶体管。
不仅如此，本具体实施方式还提供了一种基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管的制造方法，附图2是本发明第一具体实施方式中基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管的制造方法流程图，附图3A-3G是本发明第一具体实施方式中基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管在制造过程中的主要工艺结构示意图，本具体实施方式制造的基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管的结构参见图1。如图1、图2、图3A-图3G所示，本具体实施方式提供的基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管的制造方法包括如下步骤：
步骤S21，提供衬底10。所述衬底10优选为Si衬底或者SOI(Silicon OnInsulator，绝缘体上硅)衬底。
步骤S22，形成器件结构于所述衬底10上，所述器件结构包括沿垂直于所述衬底10的方向依次层叠于所述衬底10表面的集电极区11、吸收层12、基极区13和发射极区14；所述吸收层12与所述基极区13采用Ge1-xSnx材料构成，其中，0<x<1；所述发射极区14采用III-V族材料构成；所述III-V族材料与所述Ge1-xSnx材料的晶格失配度小于预设值，且所述III-V族材料的能带带隙大于所述Ge1-xSnx材料。
优选的，所述III-V族材料为InAlP、InAlAs、InGaP、InGaAs中的一种或几种的组合。
优选的，所述发射极区的厚度为100nm-500nm。
具体来说，形成器件结构于所述衬底上的具体步骤包括：
(S22-1-1)外延生长n-型Si材料层或n-型Ge材料层于所述衬底10表面，形成集电极区11，如图3A所示。具体来说，在对所述衬底10进行清洗之后，于所述衬底10表面外延生长重n-型离子掺杂(n+)的Si材料层，形成所述集电极区11。其中，所述集电极区11中n-型离子的掺杂浓度可以为2×1019/cm3，其厚度为1μm。
(S22-1-2)外延生长本征Ge1-xSnx材料层于所述集电极区11表面，形成吸收层12，如图3B所示。具体来说，所述集电极区11表面外延生长本征Ge1-xSnx材料层，以形成所述吸收层12。
在其他实施方式中，也可以采用外延生长轻n-型离子掺杂(n-)的Si材料于所述集电极区11表面，形成所述吸收层。例如，当所述Ge1-xSnx材料层中Sn组分含量为8％时，所述吸收层中n-型离子的掺杂浓度为5×1016/cm3，其厚度为500nm。
(S22-1-3)外延生长p-型Ge1-xSnx材料层于所述吸收层12表面，形成基极区13，如图3C所示。举例来说，所述基极区13的Ge1-xSnx材料层中Sn组分的含量为8％时，所述基极区13中p-型离子的掺杂浓度可以为2×1018/cm3，其厚度为100nm。
(S22-1-4)外延生长n-型III-V族材料层于所述基极区13表面，形成发射极区14，如图3D所示。举例来说，当所述发射极区14的材料为重n-型离子掺杂(n+)的In1-yGayP，其中y＝0.3，所述发射极区14中n-型离子的掺杂浓度可以为2×1019/cm3，其厚度为300nm。
本具体实施方式提供的基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管的制造方法，在形成所述发射极区14之后，还包括如下步骤：首先，对所述集电极区11、所述吸收层12、所述基极区13和所述发射极区14进行刻蚀，形成台面结构；然后，于由所述集电极区11、所述吸收层12、所述基极区13和所述发射极区14构成的堆叠结构表面沉积钝化层材料，形成减反层15，如图3E所示；接着，采用光刻及干法刻蚀工艺对所述减反层15进行刻蚀，形成第一电极沟槽161和第二电极沟槽171，如图3F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，形成集电极16和发射电极17，如图3G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，使得所述集电极16与所述发射电极17同步形成。
在其他实施方式中，可以在形成所述第一电极沟槽161与所述第二电极沟槽171的同时，形成贯穿所述减反层15、且与所述基极区13对应的第三电极沟槽；采用磁控溅射工艺沉积第三导电材料于所述第三电极沟槽，形成与所述基极区13接触的基电极。所述第一导电材料、所述第二导电材料与所述第三导电材料可以为相同的导电材料，例如金属铝，使得所述集电极16、所述发射电极17与所述基电极同步形成。
本具体实施方式提供的基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管及其制造方法，具有以下三个方面的优势：第一，与传统的III-V族、II-VI族红外探测器相比，本发明采用GeSn材料作为吸收层，能够与CMOS工艺兼容；第二，与传统的GeSn p-i-n型光电探测器相比，本发明采用由III-V族材料构成的发射极区与由GeSn材料构成的基极区结构，使得光电晶体管有着大的光电流放大倍数和高的灵敏度；第三，与基于Ge/GeSn异质结的光电晶体管相比，本发明提供的结构有着更大的设计灵活度，更容易实现高的光学增益。
第二具体实施方式
本具体实施方式提供了一种基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管，附图4是本发明第二具体实施方式中基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管的结构示意图。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的不同之处。
如图4所示，本具体实施方式提供的基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管，包括衬底40以及沿垂直于所述衬底40的方向依次层叠于所述衬底40表面的集电极区41、吸收层42、基极区43和发射极区44；所述吸收层42与所述基极区43采用Ge1-xSnx材料构成，其中，0<x<1；所述发射极区44采用III-V族材料构成；所述III-V族材料与所述Ge1-xSnx材料的晶格失配度小于预设值，且所述III-V族材料的能带带隙大于所述Ge1-xSnx材料。
本具体实施方式提供的基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管可以为PNIP型光电晶体管。具体来说，所述集电极区41为p-型Si材料层或者p-型Ge材料层；所述基极区43为n-型Ge1-xSnx材料层；所述发射区44为p-型III-V族材料层。
本具体实施方式提供的基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管还包括覆盖于由所述集电极区41、所述吸收层42、所述基极区43与所述发射极区44构成的堆叠结构的表面的保护层45。本具体实施方式中的所述集电极区41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，所述吸收层42、所述基极区43和所述发射极区44沿垂直于所述衬底40的方向依次层叠于所述集电极区41的所述上台面；集电极46贯穿所述保护层45与所述集电极区41的下台面接触；发射电极47贯穿所述保护层45与所述发射极区44接触。
本具体实施方式还提供了一种基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管的制造方法。其中，形成器件结构于所述衬底上的具体步骤包括：
(S22-2-1)外延生长p-型Si材料层或p-型Ge材料层于所述衬底40表面，形成集电极区41。具体来说，在对所述衬底10进行清洗之后，于所述衬底10表面外延生长重p-型离子掺杂(p+)的Si材料层，形成所述集电极区11。其中，所述集电极区11中p-型离子的掺杂浓度为2×1019/cm3，其厚度为1μm。
(S22-2-2)外延生长本征Ge1-xSnx材料层于所述集电极区41表面，形成吸收层42。具体来说，所述集电极区41表面外延生长本征Ge1-xSnx材料层，以形成所述吸收层42。
在其他实施方式中，也可以采用外延生长轻p-型离子掺杂的Si材料于所述集电极区41表面，形成所述吸收层。例如，当所述Ge1-xSnx材料层中Sn组分含量为8％时，所述吸收层中p-型离子的掺杂浓度为5×1016/cm3，其厚度为500nm。
(S22-2-3)外延生长n-型Ge1-xSnx材料层于所述吸收层42表面，形成基极区43。举例来说，所述基极区13的Ge1-xSnx材料层中Sn组分的含量为8％时，所述基极区13中n-型离子的掺杂浓度可以为2×1018/cm3，其厚度为100nm。
(S22-2-4)外延生长p-型III-V族材料层于所述基极区表面，形成发射极区。举例来说，当所述发射极区14的材料为重p-型离子掺杂(p+)的In1-yGayP，其中y＝0.3，所述发射极区14中p-型离子的掺杂浓度可以为2×1019/cm3，其厚度为300nm。
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 (10)
1.一种基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管，其特征在于，包括衬底以及沿垂直于所述衬底的方向依次层叠于所述衬底表面的集电极区、吸收层、基极区和发射极区；
所述吸收层与所述基极区采用Ge1-xSnx材料构成，其中，0<x<1；
所述发射极区采用III-V族材料构成；
所述III-V族材料与所述Ge1-xSnx材料的晶格失配度小于预设值，且所述III-V族材料的能带带隙大于所述Ge1-xSnx材料。
2.根据权利要求1所述的基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管，其特征在于，所述III-V族材料为InAlP、InAlAs、InGaP、InGaAs中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求2所述的基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管，其特征在于，所述发射极区的厚度为100nm-500nm。
4.根据权利要求1所述的基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管，其特征在于，所述集电极区为n-型Si材料层或者n-型Ge材料层；
所述基极区为p-型Ge1-xSnx材料层；
所述发射区为n-型III-V族材料层。
5.根据权利要求1所述的基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管，其特征在于，所述集电极区为p-型Si材料层或者p-型Ge材料层；
所述基极区为n-型Ge1-xSnx材料层；
所述发射区为p-型III-V族材料层。
6.一种基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供衬底；
形成器件结构于所述衬底上，所述器件结构包括沿垂直于所述衬底的方向依次层叠于所述衬底表面的集电极区、吸收层、基极区和发射极区；所述吸收层与所述基极区采用Ge1- xSnx材料构成，其中，0<x<1；所述发射极区采用III-V族材料构成；所述III-V族材料与所述Ge1-xSnx材料的晶格失配度小于预设值，且所述III-V族材料的能带带隙大于所述Ge1-xSnx材料。
7.根据权利要求6所述的基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管的制造方法，其特征在于，所述III-V族材料为InAlP、InAlAs、InGaP、InGaAs中的一种或几种的组合。
8.根据权利要求7所述的基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管的制造方法，其特征在于，所述发射极区的厚度为100nm-500nm。
9.根据权利要求6所述的基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管的制造方法，其特征在于，形成器件结构于所述衬底上的具体步骤包括：
外延生长n-型Si材料层或n-型Ge材料层于所述衬底表面，形成集电极区；
外延生长本征Ge1-xSnx材料层于所述集电极区表面，形成吸收层；
外延生长p-型Ge1-xSnx材料层于所述吸收层表面，形成基极区；
外延生长n-型III-V族材料层于所述基极区表面，形成发射极区。
10.根据权利要求6所述的基于III-V族材料发射极区的GeSn光电晶体管的制造方法，其特征在于，形成器件结构于所述衬底上的具体步骤包括：
外延生长p-型Si材料层或p-型Ge材料层于所述衬底表面，形成集电极区；
外延生长本征Ge1-xSnx材料层于所述集电极区表面，形成吸收层；
外延生长n-型Ge1-xSnx材料层于所述吸收层表面，形成基极区；
外延生长p-型III-V族材料层于所述基极区表面，形成发射极区。
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