CN111312827A - 一种单向载流子传输光电探测器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种单向载流子传输光电探测器及其制造方法。该探测器包括：位于衬底表面的阴极接触层，所述阴极接触层用于和阴极电极接触；位于所述阴极接触层表面的电子收集区；位于所述电子收集区表面的缓冲层；位于所述缓冲层表面的光吸收区，所述光吸收区的材料为锗锡，所述光吸收区吸收光并生成电子和空穴；位于所述光吸收区表面的势垒层，所述势垒层与所述光吸收区界面形成导带带阶，所述带阶阻止所述光吸收区生成的电子穿过所述界面；以及位于所述势垒层表面的阳极接触区。本申请有利于实现大功率高速单向载流子传输探测器。

Description

一种单向载流子传输光电探测器及其制造方法
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种单向载流子传输光电探测器及其制造方法。
背景技术
GeSn材料作为一种新型的四族合金材料，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红外探测器受到了广泛的研究。WeiDu等作者在其发表的“Silicon-based Ge0.89Sn0.11photodetector and light emittertowards mid-infrared applications”中公开了一种面接收型GeSn光电探测器，Sn含量的11％的GeSn合金作为吸收层，其光响应范围扩展至3um波段。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
本申请的发明人发现：在传统的pin型光电探测器中，光电探测器的载流子包括空穴和电子，由于空穴在耗尽区迁移速度慢，载流子迁移时间主要取决于空穴的输运时间；并且，当输入电流或者功率增大时，低迁移率空穴在输运中形成堆积，使得电位分布发生变形，阻碍光生载流子收集，输出光电流饱和。
本申请实施例提供一种单向载流子传输光电探测器及其制造方法，由电子作为唯一活性载流子，因而更适用于大入射光强和大电流的高速输出，此外，采用锗锡材料作为光吸收层，能在红外波段具有更广的探测范围，并极大地提高电子迁移率，从而有利于实现大功率高速单向载流子传输探测器。
根据本申请实施例的一个方面，提供一种单向载流子传输光电探测器，包括：
位于衬底表面的阴极接触层，所述阴极接触层用于和阴极电极接触；
位于所述阴极接触层表面的电子收集区；
位于所述电子收集区表面的缓冲层；
位于所述缓冲层表面的光吸收区，所述光吸收区的材料为锗锡(GeSn)，所述光吸收区吸收光并生成电子和空穴；
位于所述光吸收区表面的势垒层，所述势垒层与所述光吸收区界面的导带形成导带带阶，所述带阶阻止所述光吸收区生成的电子穿过所述界面；以及
位于所述势垒层表面的阳极接触区，所述阳极接触层用于和阳极电极接触，其中，所述电子收集区用于收集所述光吸收区产生的电子，所述缓冲层用于缓冲所述电子收集区和所述光吸收区之间的应力。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述电子收集区、所述缓冲层、所述光吸收区、所述势垒层以及所述阳极接触区形成的叠层的横向尺寸小于所述阴极接触区的横向尺寸，所述单向载流子传输光电探测器还具有减反射层，其覆盖于所述叠层的侧壁、所述阳极接触区的表面、以及所述阴极接触层从所述叠层两侧露出的表面。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述阴极电极位于所述阴极接触层从所述叠层两侧露出的表面，所述阳极电极位于所述阳极接触区的表面。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述阴极接触层和所述电子收集区分别是n型掺杂的硅材料和非掺杂的硅材料。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述缓冲层是非掺杂的锗(Ge)材料或非掺杂的锗硅(GeSi)材料。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述势垒层的材料与所述光吸收区的材料的晶格常数相差±10％以内。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述阳极接触层材料为p型掺杂的锗或III-V族材料。
根据本申请实施例的另一个方面，提供一种单向载流子传输光电探测器的制造方法，包括：
在衬底表面沉积阴极接触层；
在所述阴极接触层表面形成叠层，所述叠层自下而上依次包括电子收集区、缓冲层、光吸收区、势垒层和阳极接触区，所述叠层的横向尺寸小于所述阴极接触区的横向尺寸；以及
形成阴极电极和阳极电极，所述阴极电极位于所述阴极接触层从所述叠层两侧露出的表面，所述阳极电极位于所述阳极接触区的表面。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，形成所述叠层的步骤包括：
在所述阴极接触层表面自下而上依次沉积电子收集区材料、缓冲层材料、光吸收区材料、势垒层材料和阳极接触区材料，以形成材料叠层；
刻蚀所述材料叠层，以缩小所述材料叠层的横向尺寸，形成所述叠层，所述叠层和所述阴极接触层之间形成台面。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述方法还包括：
沉积减反射层，其覆盖于所述叠层的侧壁、所述阳极接触区的表面、以及所述阴极接触层从所述叠层两侧露出的表面；
其中，形成阴极电极和阳极电极的步骤包括：
刻蚀所述减反射层的一部分，形成阴极接触孔和阳极接触孔；
在所述减反射层表面沉积导电材料，并刻蚀掉部分所述导电材料，保留在所述阴极接触孔和所述阳极接触孔内的导电材料形成所述阴极电极和所述阳极电极。
本申请的有益效果在于：由电子作为唯一活性载流子，因而更适用于大入射光强和大电流的高速输出，此外，采用锗锡材料作为光吸收层，能在红外波段具有更广的探测范围，并极大地提高电子迁移率，从而有利于实现大功率高速单向载流子传输探测器。
参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1是本申请实施例1的单向载流子传输光电探测器的一个截面示意图；
图2是本申请实施例2的单向载流子传输光电探测器的制造方法的一个示意图；
图3的(a)-图3的(d)是本申请实施例2中各步骤对应的器件截面图。
具体实施方式
参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。
在本申请各实施例的说明中，为描述方便，将平行于衬底的表面的方向称为“横向”，将垂直于衬底的表面的方向称为“纵向”，其中，各部件的“厚度”是指该部件在“纵向”的尺寸，在“纵向”中，从衬底指向阳极接触层的方向称为“上”方向，与“上”方向相反的为“下”方向。
实施例1
本申请实施例提供一种单向载流子传输光电探测器。
图1是本实施例的单向载流子传输光电探测器的一个截面示意图。
如图1所示，单向载流子传输光电探测器1包括：
位于衬底10表面的阴极接触层11，该阴极接触层11用于和阴极电极111接触；
位于阴极接触层11表面的电子收集区12；
位于电子收集区12表面的缓冲层13；
位于缓冲层13表面的光吸收区14，光吸收区14的材料为锗锡(GeSn)，并且光吸收区14吸收光从而生成电子和空穴；
位于光吸收区14表面的势垒层15，势垒层15与光吸收区14界面形成导带带阶，该带阶阻止光吸收区生成的电子穿过该界面；以及
位于势垒层15表面的阳极接触区16，阳极接触区16用于和阳极电极161接触。
在本实施例中，电子收集区12用于收集光吸收区14产生的电子。缓冲层13用于缓冲电子收集区12和光吸收区14之间的应力。
根据本实施例，由于光吸收区14和阳极接触区16之间形成有势垒层，该势垒层阻挡光吸收区14中的电子往阳极电极161扩散，因此，在该光吸收区中，电子只能向阴极电极111的方向，由此，在该单向载流子传输光电探测器1中，电子进行单向流动。在该单向载流子传输光电探测器1中，由电子作为唯一活性载流子，因而更适用于大入射光强和大电流的高速输出。
此外，在本实施例中，采用锗锡材料形成光吸收区14，能在红外波段具有更广的探测范围；并且，电子在锗锡材料中的迁移率非常高，能够进一步提高光探测器的响应速度，从而有利于实现大功率高速单向载流子传输探测器。
在本实施例中，衬底10可以是半导体工艺中常用的衬底，例如，体硅、绝缘体上的硅(SOI)、或锗硅等。
在本实施例中，阴极接触层11和电子收集区12分别是n型掺杂的硅材料和非掺杂的(即，本征)硅材料，其中，阴极接触层11例如可以是重掺杂的n型掺杂的硅材料。此外，阴极接触层11和电子收集区12也可以不限于硅材料，而是其它的半导体材料。
在本实施例中，缓冲层13可以是非掺杂的锗(Ge)材料或非掺杂的锗硅(GeSi)材料，由此，缓冲层13可以用来缓冲电子收集区12和光吸收区14之间的应力，提高材料质量。
在本实施例中，光吸收区14可以是采用p型的Ge(1-x)Snx材料。对于光吸收区14，通过在Ge中掺入Sn，能够增大吸收效率并拓宽探测范围，例如，Sn的组分可以是0～40％，即，0<x<0.4，由此，拓宽探测器在红外波段的探测范围，并提高电子的迁移速率。
在本实施例中，光吸收区14为p型，由此，光吸收区14产生的空穴会在驰豫时间内直接被电极161快速地吸收，而没有空穴在耗尽区漂移(drift)的过程，从而提高光电探测器的响应速度。与之相对，如果光吸收区为本征(即，不掺杂)区，那么光吸收区产生的空穴需要漂移(drift)到p型区域(例如，阳极接触区等)，由此，延长了空穴的输运时间，降低了光电探测器的响应速度。
在本实施例中，势垒层15的材料与光吸收区14的材料的晶格可以匹配或近似匹配，例如，二者的晶格常数可以相差±10％以内。
在一个实施方式中，势垒层15可以采用锗硅(SiGe)，或者与锗锡(GeSn)晶格近似匹配的III-V族材料，该III-V族材料例如可以为铟铝磷(InAlP)，铟铝砷(InAlAs)，铟镓磷(InGaP)或者铟镓砷(InGaAs)，其中，通过调整III-V族材料中各元素的组分，可以使III-V族材料的晶格常数与光吸收区14的锗锡(GeSn)材料的晶格匹配的或近似匹配。
在本实施例中，阳极接触层16的材料为p型掺杂的锗或III-V族材料，其中，掺杂浓度例如可以是重掺杂，即，p+掺杂。
在本实施例中，如图1所示，电子收集区12、缓冲层13、光吸收区14、势垒层15以及阳极接触区16形成的叠层的横向尺寸小于阴极接触区11的横向尺寸，由此，在该叠层和阴极接触区11之间形成台面。
在本实施例中，如图1所示，单向载流子传输光电探测器还具有减反射层17，其覆盖于该叠层的侧壁、阳极接触区16的表面、以及阴极接触区11从该叠层两侧露出的表面。该减反射层17的材料例如可以是氧化硅。通过设置减反射层17，能够将低光的反射率，提高单向载流子传输光电探测器1对光的吸收率。
在本实施例中，如图1所示，阴极电极111位于阴极接触层11从该叠层两侧露出的表面，阳极电极161位于阳极接触区16的表面。
在本实施例中，光吸收区14吸收光子，并生成光生电子和空穴。光生电子扩散进入耗尽的电子收集区12，在电场作用下漂移至阴极，即，电子单向传输。势垒层15和光吸收区14的界面导带处形成了有效的带阶，从而阻止光生电子往阳极扩散。光生空穴则由于光吸收区14为p型而能够在介电驰豫时间内快速被阳极电极161收集。锗锡单向载流子传输光电探测器的光学响应主要由电子输运决定，由于锗锡材料拥有高的电子迁移率，更有利于实现大功率高速光电探测。
通过本实施例，能够提供一种面向红外波段大功率高速应用的锗锡单向载流子传输光电探测器。该单向载流子传输光电探测器具有如下优先：第一，与传统III-V族，II-VI族红外探测器相比，由于本发明采用与Si同为IV族的GeSn材料作为吸收层，因此，能够与现有CMOS工艺兼容；第二，与传统p-i-n光电探测器相比，本发明硅基锗锡单向载流子传输光电探测器，更适用于大入射光强和大电流的高速输出；第三，本发明由于采用了锗锡材料作为光吸收区，能实现更广的探测范围，更大的饱和功率。
实施例2
实施例2提供一种单向载流子传输光电探测器的制造方法，用于制造实施例1所述的单向载流子传输光电探测器。
图2是本实施例的单向载流子传输光电探测器的制造方法的一个示意图，如图2所示，在本实施例中，该制造方法可以包括：
步骤201、在衬底10表面沉积阴极接触层11；
步骤202、在所述阴极接触层11表面形成叠层，所述叠层自下而上依次包括电子收集区12、缓冲层13、光吸收区14、势垒层15和阳极接触区16，所述叠层的横向尺寸小于所述阴极接触区11的横向尺寸；以及
步骤203、形成阴极电极111和阳极电极161，所述阴极电极111位于所述阴极接触层11从所述叠层两侧露出的表面，所述阳极电极161位于所述阳极接触区16的表面。
在本实施例中，光吸收区14的材料为锗锡(GeSn)，光吸收区14吸收光并生成电子和空穴。势垒层15与光吸收区14界面形成导带带阶，该带阶阻止光吸收区14生成的电子穿过该界面。电子收集区12用于收集光吸收区14产生的电子。缓冲层13用于缓冲电子收集区12和光吸收区14之间的应力。
在本实施例中，如图2所述，该方法还可以在步骤203之前包括：
步骤204、沉积减反射层17，其覆盖于所述叠层的侧壁、所述阳极接触区的表面、以及所述阴极接触层从所述叠层两侧露出的表面。
其中，在具有步骤204的情况下，步骤203可以包括：
步骤2031、刻蚀所述减反射层17的一部分，形成阴极接触孔和阳极接触孔；
步骤2032、在所述减反射层17表面沉积导电材料，并刻蚀掉部分导电材料，保留在阴极接触孔和阳极接触孔内的导电材料形成阴极电极111和阳极电极161。
需要说明的是，本实施例也可以不具有步骤204，即，不设置减反射层17。在该情况下，步骤203可以直接在叠层的侧壁、阳极接触区16的表面、以及阴极接触层11从叠层两侧露出的表面沉积导电材料，并通过蚀刻保留部分导电材料，以形成阴极电极111和阳极电极161。
在本实施例中，步骤202可以包括如下步骤：
步骤301、在阴极接触层表面自下而上依次沉积电子收集区材料12a、缓冲层材料13a、光吸收区材料14a、势垒层材料15a和阳极接触区材料16a，以形成材料叠层；
步骤302、刻蚀该材料叠层，以缩小该材料叠层的横向尺寸，形成叠层，该叠层和该阴极接触层11之间形成台面。
下面，结合一个具体的实例来说明本申请的单向载流子传输光电探测器的制造方法，在该实例中，衬底为硅。
图3是该实例中各步骤对应的器件截面图，如图3所示，在该实例中，单向载流子传输光电探测器的制造方法包括如下步骤：
步骤1：清洗衬底10；在衬底10表面外延生长n+掺杂的Si接触层，即，阴极接触层11，掺杂浓度2e19cm-3，厚度约1um；在阴极接触层11表面外延生长本征Si收集层，即，电子收集区材料12a，厚度约300nm；在电子收集区材料12a表面外延生长SiGe缓冲层材料13a，厚度约50nm,Ge组分30％；在缓冲层材料13a表面外延生长p型掺杂的GeSn，即，光吸收区材料14a，其中，Sn组分8％，掺杂浓度约为5e17cm-3，厚度约500nm。参见图3的(a)。
步骤2：在光吸收区材料14a表面外延生长p+掺杂的In(1-y)GayP势垒层材料15a，其中，y＝0.3，掺杂浓度1e19cm-3，厚度约20nm；在势垒层材料15a表面外延生长p+-掺杂的In(1-y)GayP接触层，y＝0.3，掺杂浓度2e19cm-3，厚度约50nm。由此，形成材料叠层，该材料叠层自下而上依次为电子收集区材料12a、缓冲层材料13a、光吸收区材料14a、势垒层材料15a和阳极接触区材料16a。参见图3的(b)。
步骤3：利用光刻及反应离子刻蚀技术刻蚀材料叠层，以形成台面，刻蚀后的材料叠层成为功能区的叠层，该叠层自下而上依次为电子收集区12、缓冲层13、光吸收区14、势垒层15和阳极接触区16。参见图3的(c)。
步骤4：沉积SiO2减反层17，厚度约400nm；利用光刻及干法刻蚀在减反层17中形成阴极接触孔和阳极接触孔，之后使用磁控溅射淀积金属Al，然后通过光刻和干法刻蚀强调部分金属Al，保留的金属Al形成阴极电极111和阳极电机161，完成器件制备。参见图3的(d)。
根据本实施例，由于光吸收区14和阳极接触区16之间形成有势垒层，该势垒层阻挡光吸收区14中的电子往阳极电极161扩散，因此，在该光吸收区中，电子只能向阴极电极111的方向，由此，在该单向载流子传输光电探测器1中，电子进行单向流动。在该单向载流子传输光电探测器1中，由电子作为唯一活性载流子，因而更适用于大入射光强和大电流的高速输出。
以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。

Claims (10)

1.一种单向载流子传输光电探测器，包括：
位于衬底表面的阴极接触层，所述阴极接触层用于和阴极电极接触；
位于所述阴极接触层表面的电子收集区；
位于所述电子收集区表面的缓冲层；
位于所述缓冲层表面的光吸收区，所述光吸收区的材料为锗锡(GeSn)，所述光吸收区吸收光并生成电子和空穴；
位于所述光吸收区表面的势垒层，所述势垒层与所述光吸收区界面形成导带带阶，所述带阶阻止所述光吸收区生成的电子穿过所述界面；以及
位于所述势垒层表面的阳极接触区，所述阳极接触层用于和阳极电极接触，
其中，所述电子收集区用于收集所述光吸收区产生的电子，所述缓冲层用于缓冲所述电子收集区和所述光吸收区之间的应力。
2.如权利要求1所述的单向载流子传输光电探测器，其中，
所述电子收集区、所述缓冲层、所述光吸收区、所述势垒层以及所述阳极接触区形成的叠层的横向尺寸小于所述阴极接触区的横向尺寸，
所述单向载流子传输光电探测器还具有减反射层，其覆盖于所述叠层的侧壁、所述阳极接触区的表面、以及所述阴极接触层从所述叠层两侧露出的表面。
3.如权利要求2所述的单向载流子传输光电探测器，其中，
所述阴极电极位于所述阴极接触层从所述叠层两侧露出的表面，
所述阳极电极位于所述阳极接触区的表面。
4.如权利要求1所述的单向载流子传输光电探测器，其中，
所述阴极接触层和所述电子收集区分别是n型掺杂的硅材料和非掺杂的硅材料。
5.如权利要求4所述的单向载流子传输光电探测器，其中，
所述缓冲层是非掺杂的锗(Ge)材料或非掺杂的锗硅(GeSi)材料。
6.如权利要求4所述的单向载流子传输光电探测器，其中，
所述势垒层的材料与所述光吸收区的材料的晶格常数相差±10％以内。
7.如权利要求4所述的单向载流子传输光电探测器，其中，
所述阳极接触层材料为p型掺杂的锗或III-V族材料。
8.一种单向载流子传输光电探测器的制造方法，包括：
在衬底表面沉积阴极接触层；
在所述阴极接触层表面形成叠层，所述叠层自下而上依次包括电子收集区、缓冲层、光吸收区、势垒层和阳极接触区，所述叠层的横向尺寸小于所述阴极接触区的横向尺寸；以及
形成阴极电极和阳极电极，所述阴极电极位于所述阴极接触层从所述叠层两侧露出的表面，所述阳极电极位于所述阳极接触区的表面，
其中，所述光吸收区的材料为锗锡(GeSn)，所述光吸收区吸收光并生成电子和空穴，
所述势垒层与所述光吸收区界面形成导带带阶，所述带阶阻止所述光吸收区生成的电子穿过所述界面，
所述电子收集区用于收集所述光吸收区产生的电子，所述缓冲层用于缓冲所述电子收集区和所述光吸收区之间的应力。
9.如权利要求8所述的单向载流子传输光电探测器的制造方法，其中，形成所述叠层的步骤包括：
在所述阴极接触层表面自下而上依次沉积电子收集区材料、缓冲层材料、光吸收区材料、势垒层材料和阳极接触区材料，以形成材料叠层；
刻蚀所述材料叠层，以缩小所述材料叠层的横向尺寸，形成所述叠层，所述叠层和所述阴极接触层之间形成台面。
10.如权利要求8所述的单向载流子传输光电探测器的制造方法，其中，所述方法还包括：
沉积减反射层，其覆盖于所述叠层的侧壁、所述阳极接触区的表面、以及所述阴极接触层从所述叠层两侧露出的表面；
其中，形成阴极电极和阳极电极的步骤包括：
刻蚀所述减反射层的一部分，形成阴极接触孔和阳极接触孔；
在所述减反射层表面沉积导电材料，并刻蚀掉部分所述导电材料，保留在所述阴极接触孔和所述阳极接触孔内的导电材料形成所述阴极电极和所述阳极电极。
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