CN110890436B - 波导型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，尤其涉及一种波导型GeSn光电晶体管及其制造方法。所述波导型GeSn光电晶体管包括：SOI衬底，具有由所述SOI衬底的顶层硅形成的波导层；器件结构，位于所述SOI衬底表面，包括吸收区、集电极区、基极区和发射极区，其中：所述集电极区、所述吸收区和所述基极区均采用Ge1‑xSnx材料构成、且沿平行于所述SOI衬底的方向依次排列；所述发射极区沿垂直于所述SOI衬底的方向层叠设置于所述基极区表面，以在所述发射极区与所述基极区之间形成异质结；其中，0<x<1；所述波导层中的光信号以消逝波耦合的方式进入所述吸收区。本发明显著提高了GeSn光电晶体管的探测灵敏度以及响应度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种波导型GeSn光电晶体管及其制造方法。
背景技术
GeSn作为一种新型的第IV主族材料，因其能带带隙随Sn组分调节，在短波红外到中红外波段有着大的吸收系数，是制备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。
传统p-i-n型光电探测器因为缺少内部光学增益，其探测灵敏度受到限制。雪崩光电二极管可以通过雪崩倍增效应实现光电流的放大，从而实现高灵敏度的探测。然而，产生雪崩效应需要施加大的偏压，这限制了雪崩光电二极管在便携式设备中的应用。光电晶体管利用晶体管效应，能够在小的偏压下实现大的增益，是实现低功耗、便携式光电探测器的理想结构。Wei Wang等作者在其发表的题为“Floating-base germanium-tinheterojunction phototransistor for high-efficiency photodetection in short-wave infrared range”文章中公开了一种垂直面入射型GeSn光电晶体管。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处光响应度高达1.8A/W。然而，Ge缓冲层上外延生长GeSn时，临界厚度(应力驰豫)限制了GeSn吸收层的厚度，从而限制了探测器的响应度。
因此，如何提高GeSn光电晶体管的响应度和灵敏度，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
本发明提供一种波导型GeSn光电晶体管，用于解决现有的GeSn光电晶体管探测灵敏度较低的问题，以改善GeSn光电晶体管的性能。
为了解决上述问题，本发明提供了一种波导型GeSn光电晶体管，包括：
SOI衬底，具有由所述SOI衬底的顶层硅形成的波导层；
器件结构，位于所述SOI衬底表面，包括吸收区、集电极区、基极区和发射极区，其中：
所述集电极区、所述吸收区和所述基极区均采用Ge1-xSnx材料构成、且沿平行于所述SOI衬底的方向依次排列；所述发射极区沿垂直于所述SOI衬底的方向层叠设置于所述基极区表面，以在所述发射极区与所述基极区之间形成异质结；其中，0<x<1；
所述波导层中的光信号以消逝波耦合的方式进入所述吸收区。
优选的，所述集电极区由采用第一类型离子掺杂的Ge1-xSnx材料构成，所述基极区由采用第二类型离子掺杂的Ge1-xSnx材料构成，所述吸收区由本征Ge1-xSnx材料构成；且所述集电极区的离子掺杂浓度大于所述基极区的离子掺杂浓度。
优选的，所述发射极区由采用第一类型离子掺杂的Ge材料或者多晶硅材料构成，且所述发射极区的离子掺杂浓度大于所述基极区的离子掺杂浓度。
优选的，还包括：
集电极，位于所述集电极区表面；
基电极，位于所述基极区表面；
发射电极，位于所述发射极区表面。
优选的，0<x<0.4。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种波导型GeSn光电晶体管的制造方法，包括如下步骤：
提供一SOI衬底；
刻蚀所述SOI衬底的顶层硅，形成所述波导层；
形成器件结构于所述SOI衬底表面，所述器件结构包括吸收区、集电极区、基极区和发射极区，其中：所述集电极区、所述吸收区和所述基极区均采用Ge1-xSnx材料构成、且沿平行于所述SOI衬底的方向依次排列；所述发射极区沿垂直于所述SOI衬底的方向层叠设置于所述基极区表面，以在所述发射极区与所述基极区之间形成异质结；其中，0<x<1；所述波导层中的光信号以消逝波耦合的方式进入所述吸收区。
优选的，形成所述波导层的具体步骤包括：
刻蚀所述SOI衬底的顶层硅，形成所述波导层、并在所述波导层中定义出器件区域。
优选的，形成器件结构于所述SOI衬底表面之前还包括如下步骤：
外延生长Ge材料层于所述器件区域表面，形成缓冲层。
优选的，形成器件结构于所述SOI衬底表面的具体步骤包括：
外延生长Ge1-xSnx材料层于所述缓冲层表面，形成所述吸收区；
注入第一类型离子于所述吸收区中的第一区域，形成所述集电极区；
注入第二类型离子于所述吸收区中的第二区域，形成所述基极区。
优选的，形成所述基极区之后还包括如下步骤：
外延生长第一类型离子掺杂的Ge材料层或者多晶硅材料层于所述基极区表面，形成所述发射极区。
本发明提供的波导型GeSn光电晶体管及其制造方法，具有如下优势：第一，与传统的III-V族或II-VI族红外光电探测器相比，本发明采用同为第IV主族的GeSn材料作为吸收层，能够与现有的CMOS工艺兼容；第二，与传统的p-i-n型红外光电探测器相比，本发明采用光电晶体管结构，有着大的光电流放大倍数和高的灵敏度；第三，与传统的垂直入射型GeSn光电探测器相比，基于波导结构的光电探测器能够增加吸收距离，避免临界厚度的限制，从而实现更高的探测灵敏度以及响应度。
附图说明
附图1是本发明具体实施方式中波导型GeSn光电晶体管的整体结构示意图；
附图2是本发明具体实施方式中器件结构的截面示意图；
附图3是本发明具体实施方式中波导型GeSn光电晶体管的制造方法流程图；
附图4A-4F是本发明具体实施方式中波导型GeSn光电晶体管在制造过程中的主要工艺结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的波导型GeSn光电晶体管及其制造方法的具体实施方式做详细说明。
本具体实施方式提供了一种波导型GeSn光电晶体管，附图1是本发明具体实施方式中波导型GeSn光电晶体管的整体结构示意图，附图2是本发明具体实施方式中器件结构的截面示意图。
如图1、图2所示，本具体实施方式提供的波导型GeSn光电晶体管，包括SOI衬底以及位于所述SOI衬底表面的器件结构。所述SOI衬底，具有由所述SOI衬底的顶层硅形成的波导层11；所述器件结构包括吸收区15、集电极区13、基极区16和发射极区17，其中：所述集电极区13、所述吸收区15和所述基极区16均采用Ge1-xSnx材料构成、且沿平行于所述SOI衬底的方向依次排列；所述发射极区17沿垂直于所述SOI衬底的方向层叠设置于所述基极区16表面，以在所述发射极区17与所述基极区16之间形成异质结；其中，0<x<1；所述波导层11中的光信号以消逝波耦合的方式进入所述吸收区15。
具体来说，所述SOI衬底包括底层硅101、层叠于所述底层硅101表面的埋氧化层102以及层叠于所述埋氧化层102表面的顶层硅，通过对所述顶层硅进行刻蚀，形成所述波导层11。通过设置所述波导层11，增加了GeSn光电晶体管的吸收距离，从而实现更高的响应度。
通过在所述发射极区17与所述基极区16之间引入所述异质结，能够实现高的光学增益。具体来说，所述波导层11中的光信号以消逝波耦合的方式进入所述吸收区15，生成光生载流子。所述光生载流子在电场的作用下漂移至所述基极区16，由于所述基极区16与所述发射极区17之间形成异质结，使得光生载流子更有效的在所述基极区16积累，引起异质结界面电子势垒的下降，载流子从所述发射极区17注入到所述基极区16，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光电晶体管的探测性能。
优选的，所述集电极区13由采用第一类型离子掺杂的Ge1-xSnx材料构成，所述基极区16由采用第二类型离子掺杂的Ge1-xSnx材料构成，所述吸收区15由本征Ge1-xSnx材料构成；且所述集电极区13的离子掺杂浓度大于所述基极区16的离子掺杂浓度。
具体来说，所述第一类型离子为n-型离子或p-型离子，相应的，所述第二类型离子为p-型离子或n-型离子。举例来说，所述集电极区13由重掺杂的n-型Ge1-xSnx材料构成，所述基极区16由轻掺杂的p-型Ge1-xSnx材料构成，所述吸收区15由本征Ge1-xSnx材料构成；或者，所述集电极区13由重掺杂的p-型Ge1-xSnx材料构成，所述基极区16由轻掺杂的n-型Ge1- xSnx材料构成，所述吸收区15由本征Ge1-xSnx材料构成。其中，所述集电极区13与所述基极区16的具体掺杂浓度，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。
为了进一步提高探测灵敏度，优选的，所述发射极区17由采用第一类型离子掺杂的Ge材料或者多晶硅材料构成，且所述发射极区17的离子掺杂浓度大于所述基极区16的离子掺杂浓度。
具体来说，通过采用第一类型离子掺杂的Ge材料或者多晶硅材料构成所述发射极区17，构成Ge/GeSn异质结或者Si/GeSn异质结，从而更有利于光生载流子在所述基极区16的积累。所述发射极区17例如可以由重掺杂的n-型Ge材料或者重掺杂的n-型多晶硅材料构成，或者可以由重掺杂的p-型Ge材料或者重掺杂的p-型多晶硅材料构成。
优选的，所述波导型GeSn光电晶体管还包括：集电极14，位于所述集电极区13表面；基电极19，位于所述基极区16表面；发射电极18，位于所述发射极区17表面。
具体来说，所述波导型GeSn光电晶体管还包括位于所述波导层11表面的缓冲层12，所述集电极区13、所述吸收区15和所述基极区16位于所述缓冲层12表面。其中，所述缓冲层12的材料可以为Ge。所述波导型GeSn光电晶体管还包括覆盖所述集电极区13、所述吸收区15、所述基极区16以及所述发射极区17表面的减反层，所述集电极14贯穿所述减反层与所述集电极区13电连接，所述基电极19贯穿所述减反层与所述基极区16电连接，所述发射电极18贯穿所述减反层与所述发射极区17电连接。
本领域技术人员可以根据实际需要调整所述Ge1-xSnx材料中Ge组分与Sn组分的相对含量。一般来说，在所述Ge1-xSnx材料中，随着Sn组分的增加，GeSn合金的带隙变小，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。
不仅如此，本具体实施方式还提供了一种波导型GeSn光电晶体管的制造方法，附图3是本发明具体实施方式中波导型GeSn光电晶体管的制造方法流程图，附图4A-4F是本发明具体实施方式中波导型GeSn光电晶体管在制造过程中的主要工艺结构示意图。如图3、图4A-图4F所示，本具体实施方式提供的波导型GeSn光电晶体管的制造方法，包括如下步骤：
步骤S31，提供一SOI衬底，如图4A所示。所述SOI衬底包括底层硅101、埋氧化层102和顶层硅103。
步骤S32，刻蚀所述SOI衬底的顶层硅103，形成所述波导层11，如图4B所示。
优选的，形成所述波导层11的具体步骤包括：
刻蚀所述SOI衬底的顶层硅103，形成所述波导层11、并在所述波导层11中定义出器件区域111。
具体来说，通过对所述顶层硅103进行光刻以及干法刻蚀，形成所述波导层11。本领域技术人员可以根据实际需要设置所述波导层11的宽度，例如所述波导层11中的所述器件区域111的宽度为10μm左右，所述波导层11中光信号接收端的宽度为500nm左右。
步骤S33，形成器件结构于所述SOI衬底表面，所述器件结构包括吸收区15、集电极区13、基极区16和发射极区17，其中：所述集电极区13、所述吸收区15和所述基极区16均采用Ge1-xSnx材料构成、且沿平行于所述SOI衬底的方向依次排列；所述发射极区17沿垂直于所述SOI衬底的方向层叠设置于所述基极区16表面，以在所述发射极区17与所述基极区16之间形成异质结；其中，0<x<1；所述波导层11中的光信号以消逝波耦合的方式进入所述吸收区15，如图4E所示。
优选的，形成器件结构于所述SOI衬底表面之前还包括如下步骤：
外延生长Ge材料层于所述器件区域111表面，形成缓冲层12。
优选的，形成器件结构于所述SOI衬底表面的具体步骤包括：
外延生长Ge1-xSnx材料层于所述缓冲层12表面，形成所述吸收区15，如图4C所示；
注入第一类型离子于所述吸收区15中的第一区域，形成所述集电极区13；
注入第二类型离子于所述吸收区15中的第二区域，形成所述基极区16，如图4D所示。
具体来说，在所述器件区域11表面采用SiO2硬掩模定义光电晶体管的范围，然后采用化学气相沉积的方法选择性的依次外延生长Ge材料层、Ge1-xSnx材料层于所述器件区域111表面，先后形成所述缓冲层12与所述吸收区15。然后，在所述吸收区15表面通过光刻工艺定义所述第一区域，并采用离子注入及高温退火方法制备所述集电极区13；同时，在所述吸收区15表面通过光刻工艺定义所述第二区域，并采用离子注入及高温退火方法制备所述基极区16。
所述第一类型离子为n-型离子或p-型离子，相应的，所述第二类型离子为p-型离子或n-型离子。举例来说，可以对所述第一区域进行重n-型离子掺杂(n+)，以形成所述集电极区13；对所述第二区域进行轻p-型离子掺杂(p-)，以形成所述基极区16；或者，对所述第一区域进行重p-型离子掺杂(p+)，以形成所述集电极区13；对所述第二区域进行轻n-型离子掺杂(n-)，以形成所述基极区16。未掺杂的区域为所述吸收区15。其中，所述集电极区13与所述基极区16的具体掺杂浓度，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。
优选的，形成所述基极区16之后还包括如下步骤：
外延生长第一类型离子掺杂的Ge材料层或者多晶硅材料层于所述基极区16表面，形成所述发射极区17，如图4E所示。
具体来说，在所述基极区16表面采用SiO2硬掩模定义发射极区范围，然后采用化学气相沉积的方法选择性的外延生长第一类型离子掺杂的Ge材料层或者多晶硅材料层于所述基极区16表面，形成所述发射极区17。之后，于所述集电极区13、所述吸收区15、所述基极区16以及所述发射极区17表面沉积钝化层材料，形成减反层；接着，采用光刻及干法刻蚀工艺对所述减反层进行刻蚀，形成集电极沟槽、基电极沟槽和发射电极沟槽；最后采用磁控溅射分别沉积金属材料于所述集电极沟槽、所述基电极沟槽和所述发射电极沟槽，并结合光刻和干法刻蚀工艺，形成所述集电极14、基电极19和发射电极18，如图4F所示。其中，所述金属材料可以为金属铝。
本具体实施方式提供的波导型GeSn光电晶体管及其制造方法，具有如下优势：第一，与传统的III-V族或II-VI族红外光电探测器相比，本发明采用同为第IV主族的GeSn材料作为吸收层，能够与现有的CMOS工艺兼容；第二，与传统的p-i-n型红外光电探测器相比，本发明采用光电晶体管结构，有着大的光电流放大倍数和高的灵敏度；第三，与传统的垂直入射型GeSn光电探测器相比，基于波导结构的光电探测器能够增加吸收距离，避免临界厚度的限制，从而实现更高的探测灵敏度以及响应度。
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)
1.一种波导型GeSn光电晶体管，其特征在于，包括：
SOI衬底，具有由所述SOI衬底的顶层硅形成的波导层；
器件结构，位于所述SOI衬底表面，包括吸收区、集电极区、基极区和发射极区，其中：
所述集电极区、所述吸收区和所述基极区均采用Ge1-xSnx材料构成、且沿平行于所述SOI衬底的方向依次排列；所述发射极区沿垂直于所述SOI衬底的方向层叠设置于所述基极区表面，以在所述发射极区与所述基极区之间形成异质结；其中，0<x<1；所述集电极区的离子掺杂浓度大于所述基极区的离子掺杂浓度，所述发射极区的离子掺杂浓度大于所述基极区的离子掺杂浓度；
所述波导层中的光信号以消逝波耦合的方式进入所述吸收区。
2.根据权利要求1所述的波导型GeSn光电晶体管，其特征在于，所述集电极区由采用第一类型离子掺杂的Ge1-xSnx材料构成，所述基极区由采用第二类型离子掺杂的Ge1-xSnx材料构成，所述吸收区由本征Ge1-xSnx材料构成。
3.根据权利要求2所述的波导型GeSn光电晶体管，其特征在于，所述发射极区由采用第一类型离子掺杂的Ge材料或者多晶硅材料构成。
4.根据权利要求1所述的波导型GeSn光电晶体管，其特征在于，还包括：
集电极，位于所述集电极区表面；
基电极，位于所述基极区表面；
发射电极，位于所述发射极区表面。
5.根据权利要求1所述的波导型GeSn光电晶体管，其特征在于，0<x<0.4。
6.一种波导型GeSn光电晶体管的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一SOI衬底；
刻蚀所述SOI衬底的顶层硅，形成波导层；
形成器件结构于所述SOI衬底表面，所述器件结构包括吸收区、集电极区、基极区和发射极区，其中：所述集电极区、所述吸收区和所述基极区均采用Ge1-xSnx材料构成、且沿平行于所述SOI衬底的方向依次排列；所述发射极区沿垂直于所述SOI衬底的方向层叠设置于所述基极区表面，以在所述发射极区与所述基极区之间形成异质结；其中，0<x<1；所述集电极区的离子掺杂浓度大于所述基极区的离子掺杂浓度，所述发射极区的离子掺杂浓度大于所述基极区的离子掺杂浓度；所述波导层中的光信号以消逝波耦合的方式进入所述吸收区。
7.根据权利要求6所述的波导型GeSn光电晶体管的制造方法，其特征在于，形成所述波导层的具体步骤包括：
刻蚀所述SOI衬底的顶层硅，形成所述波导层、并在所述波导层中定义出器件区域。
8.根据权利要求7所述的波导型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SOI衬底表面之前还包括如下步骤：
外延生长Ge材料层于所述器件区域表面，形成缓冲层。
9.根据权利要求8所述的波导型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SOI衬底表面的具体步骤包括：
外延生长Ge1-xSnx材料层于所述缓冲层表面，形成所述吸收区；
注入第一类型离子于所述吸收区中的第一区域，形成所述集电极区；
注入第二类型离子于所述吸收区中的第二区域，形成所述基极区。
10.根据权利要求9所述的波导型GeSn光电晶体管的制造方法，其特征在于，形成所述基极区之后还包括如下步骤：
外延生长第一类型离子掺杂的Ge材料层或者多晶硅材料层于所述基极区表面，形成所述发射极区。
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