CN114613872A - 一种全光谱探测场效应晶体管及制备方法 - Google Patents
一种全光谱探测场效应晶体管及制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114613872A CN114613872A CN202210209621.5A CN202210209621A CN114613872A CN 114613872 A CN114613872 A CN 114613872A CN 202210209621 A CN202210209621 A CN 202210209621A CN 114613872 A CN114613872 A CN 114613872A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- photonic crystal
- effect transistor
- field effect
- full
- electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 7
- 238000002353 field-effect transistor method Methods 0.000 title description 2
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 claims abstract description 79
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 53
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims abstract description 52
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 37
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 26
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 24
- 239000010408 film Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 20
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 17
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 claims description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 7
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 6
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 6
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 6
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 claims description 6
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 6
- 229910005898 GeSn Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 4
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 5
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 10
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 9
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 9
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 5
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 5
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000036211 photosensitivity Effects 0.000 description 3
- 238000004497 NIR spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 2
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 2
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 2
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 1
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 206010012601 diabetes mellitus Diseases 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 1
- 238000006213 oxygenation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005375 photometry Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000001931 thermography Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/112—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistor
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0216—Coatings
- H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
- H01L31/02167—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
- H01L31/02168—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells the coatings being antireflective or having enhancing optical properties for the solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0236—Special surface textures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/1804—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic Table
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
本发明公开了一种全光谱探测场效应晶体管及制备方法，在p型硅衬底的顶部间隔预设距离形成有两个高掺杂N+型区；在两个高掺杂N+型区之间的p型硅衬底顶部刻蚀有周期性的空气光子晶体，在所有空气光子晶体内生长吸收红外光波段的半导体光子晶体；p型硅衬底上形成有抗反射薄膜绝缘层；抗反射薄膜绝缘层上形成有表面等离子激元、与一高掺杂N+型区相连的源极、栅极和与另一高掺杂N+型区相连的漏极，栅极形成在源极与漏极之间，等离子激元形成在源极与栅极以及栅极与漏极之间。本发明的场效应晶体管具有全光谱覆盖、强感光性能、高响应度和高集成度等优点，适用波长范围为可见光和红外光波段，且制造工艺简单，以硅作为器件主要材料成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件技术领域，具体涉及一种全光谱探测场效应晶体管及制备方法。
背景技术
光电探测器作为光电子器件的重要成员之一，广泛应用于国民经济、军事、医疗等各个领域，在可见光或红外波段主要用于光度计量、射线测量和探测、工业自动控制等方面，在红外波段主要用于红外热成像、红外遥感、导弹制导等方面。随着光电子技术和红外技术的迅速发展，近红外光谱在制药工业和临床医学中的应用日趋广泛，在制药方面可用于药物中活性组分的测定，固体药剂的非破坏性表征，药物生产过程各个阶段的在线监控，原料和产品的鉴定等；在临床医学方面可用于糖尿病血糖的检测，人体大脑和其他器官氧合作用的测定等。而作为近红外光谱仪的重要组成部分，红外光电探测器的性能直接决定了光谱仪的测试精准度，因此低成本、高性能的红外光电探测器一直被作为研究的焦点。
场效应晶体管(FET)作为重要的电子元器件，已被广泛应用于光电集成电路、数据存储电路、放大电路、整流电路和逻辑电路中。在光电探测方面，将场效应晶体管应用于光电探测器，可通过栅压的调制作用，提高光生电子–空穴对的解离率，降低自由载流子的复合率，从而获得更大的增益、更高的响应度和良好的信噪比；刚好克服了常见光电二极管光电探测器激子快速湮灭、光增益较小等缺点，使其不但具有信号放大功能以实现优良的光电探测性能，而且更易于集成在光电子电路中。
但，普通的场效应晶体管可吸收光谱范围很小，吸收效率低；因此，亟需研究一种覆盖可见光波段、红外波段且具有强感光性能、高响应度和高集成度的场效应晶体管。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种覆盖可见光波段、红外波段且具有强感光性能、高响应度和高集成度的全光谱探测场效应晶体管及制备方法。
本发明公开了一种全光谱探测场效应晶体管，包括：p型硅衬底、双光子晶体和表面等离子激元；
所述p型硅衬底的顶部间隔预设距离形成有两个高掺杂N+型区；
在两个所述高掺杂N+型区之间的p型硅衬底顶部刻蚀形成周期性的空气光子晶体，在所有所述空气光子晶体内生长吸收红外光波段的半导体光子晶体，且所述半导体光子晶体未完全填充所述空气光子晶体(即刻蚀的周期性孔的下部分为生长的半导体光子晶体、上部分为空气光子晶体)，以形成双光子晶体；
在所述p型硅衬底的高掺杂N+型区与空气光子晶体上方形成有抗反射薄膜绝缘层；
所述抗反射薄膜绝缘层上形成有表面等离子激元、源极、栅极和漏极，所述源极穿过所述抗反射薄膜绝缘层与一所述高掺杂N+型区相连，所述漏极穿过所述抗反射薄膜绝缘层与另一所述高掺杂N+型区相连，所述栅极形成在所述源极与漏极之间的抗反射薄膜绝缘层顶部，所述表面等离子激元形成在所述源极与栅极以及所述栅极与漏极之间。
作为本发明的进一步改进，所述双光子晶体结构分别针对不同光波段，所述空气光子晶体作为改变光传输方向的结构，所述半导体光子晶体作为限制光的结构；具体的：两种光子晶体在器件中针对不同波长入射光起不同作用：空气光子晶体针对可见光波段，空气光子晶体的设计满足其可将垂直入射的光转为横向传输被场效应晶体管的Si材料充分吸收；Ge等半导体光子晶体针对红外光波段，半导体光子晶体的设计满足使其具有限光效应，可将垂直入射的红外光限制在Ge等半导体材料中充分吸收，产生大量光生载流子，增强场效应晶体管对红外光的吸收。
作为本发明的进一步改进，所述空气光子晶体为通过电子束曝光和干法刻蚀技术，在所述衬底层上纵向(z向)形成的周期性圆柱孔阵列或周期性圆锥孔阵列；其中，空气光子晶体具体的周期、孔半径和刻蚀深度，是根据将垂直入射的可见光转为横向传输而计算得出；Ge等半导体光子晶体具体的周期、孔半径和刻蚀深度，是根据将垂直入射的红外光限制在Ge等半导体材料中而计算得出。
作为本发明的进一步改进，所述半导体光子晶体的半导体材料为能在硅上外延生长且吸收红外光波段的材料，其包括Ge、或GeSn中的一种；其中，半导体光子晶体是通过光刻胶作掩膜和选择性外延生长技术将Ge等半导体材料外延生长在空气光子晶体的圆柱孔或圆锥孔中，由于Ge材料只能外延生长在硅材料上，故可以精准地将Ge材料填充到空气光子晶体的圆柱孔或圆锥孔中。
作为本发明的进一步改进，所述双光子晶体在Y方向上的周期间隔大于X方向上的周期间隔，以在两个所述高掺杂N+型区之间形成多个电流传输通道；其中，所述X方向为一所述高掺杂N+型区至另一所述高掺杂N+型区的方向；增强了源极和漏极之间的载流子输运，优化场效应晶体管的电学性能。
作为本发明的进一步改进，所述表面等离子激元不需要加偏压，直接增强器件对红外光的吸收；表面等离子激元的尺寸经过设计，可以将红外光波段的光限制在场效应晶体管的表面，增强器件对红外光的吸收。
作为本发明的进一步改进，所述抗反射薄膜绝缘层的厚度设计依据为：使所述抗反射薄膜绝缘层作为绝缘栅场效应晶体管的绝缘层以及光敏面的抗反射层，减小垂直入射光在器件表面的反射，增强器件的光耦合能力，间接增强光吸收。
作为本发明的进一步改进，所述场效应晶体管采用两种禁带宽度不同的材料Si、Ge同时进行光吸收。
作为本发明的进一步改进，所述场效应晶体管对光生载流子具有倍增效应，可大幅提高器件的光响应度。
作为本发明的进一步改进，所述场效应晶体管适用波长范围为可见光和红外光波段。
本发明还公开了一种全光谱探测场效应晶体管的制备方法，包括：
步骤1、在p型硅衬底的顶部，间隔预设距离扩散形成两个高掺杂N+型区；
步骤2、清洗、干燥之后做RTA快速退火，激活离子；
步骤3、电子束曝光形成光子晶体图形，ICP刻蚀p型硅衬底，形成空气光子晶体，清洗并干燥；
步骤4、利用UHV-CVD在空气光子晶体中选择性外延生长半导体材料，形成半导体光子晶体；
步骤5、利用PECVD生长SiO2薄膜做抗反射薄膜绝缘层；
步骤6、在抗反射薄膜绝缘层上形成球状表面等离子激元；
步骤7、在抗反射薄膜绝缘层上光刻源极和漏极区域图形，选择性干法刻蚀抗反射薄膜绝缘层至N+型掺杂区形成源极和漏极的电极孔；
步骤8、光刻，溅射金属并剥离形成源极、栅极、漏极电极，RTA快速退火合金。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的场效应晶体管具有全光谱覆盖、强感光性能、高响应度和高集成度等优点，适用波长范围为可见光和红外光波段，且制造工艺简单，以硅作为器件主要材料成本较低。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的全光谱探测场效应晶体管的三维结构示意图；
图2为本发明一种实施例公开的全光谱探测场效应晶体管的x-z轴剖视结构示意图；
图3为本发明一种实施例公开的在p型硅衬底上形成N+型掺杂区的结构示意图；
图4为在图3的结构上形成空气光子晶体和电流传输通道的结构示意图；
图5为在图4的光子晶体中填充吸收红外光波段的半导体材料，形成半导体光子晶体的结构示意图；
图6为在图5的结构上形成抗反射薄膜绝缘层的结构示意图；
图7为在图6的结构上形成表面等离子激元的结构示意图；
图8为在图7的结构上刻蚀抗反射薄膜绝缘层生长电极的结构示意图；
图9为在图8的结构上形成源、栅、漏三个电极的结构示意图；
图10为图9的剖视结构示意图。
图中：
101、p型硅衬底；102、高掺杂N+型区；103、空气光子晶体；104、半导体光子晶体；105、抗反射薄膜绝缘层；106、表面等离子激元；107、源极；108、栅极；109、漏极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1、2所示，本发明提供一种全光谱探测场效应晶体管，其具有全光谱覆盖、强感光性能、高响应度和高集成度等优点，适用波长范围为可见光和红外光波段；该全光谱探测场效应晶体管为绝缘栅型场效应晶体管，根据导电沟道类型可分为n沟道和p沟道两类，每一类又分为增强型和耗尽型两种。以Si材料的n沟道增强型场效应晶体管为例，其包括：p型硅衬底101、高掺杂N+型区102、空气光子晶体103、半导体光子晶体104、抗反射薄膜绝缘层105、表面等离子激元106、源极107、栅极108和漏极109；其中，
本发明的p型硅衬底101的顶部间隔预设距离形成有两个高掺杂N+型区102，用于引出源极107和漏极109；在两个高掺杂N+型区102之间的p型硅衬底101顶部刻蚀形成周期性的空气光子晶体103，在所有空气光子晶体103内生长吸收红外光波段的半导体光子晶体104且半导体光子晶体104未完全填充空气光子晶体103，以形成双光子晶体；即刻蚀的周期性孔的下部分为生长的半导体光子晶体104、上部分为空气光子晶体103。具体的：
本发明的双光子晶体结构分别针对不同光波段，空气光子晶体103作为改变光传输方向的结构，半导体光子晶体104作为限制光的结构；其中，两种光子晶体在器件中针对不同波长入射光起不同作用：空气光子晶体103针对可见光波段，空气光子晶体103的设计满足其可将垂直入射的光转为横向传输被场效应晶体管的Si材料充分吸收；Ge等半导体光子晶体104针对红外光波段，半导体光子晶体104的设计满足其具有限光效应，可将垂直入射的红外光限制在Ge等半导体材料中充分吸收，产生大量光生载流子，增强场效应晶体管对红外光的吸收。
进一步，空气光子晶体104为通过电子束曝光和干法刻蚀技术，在衬底层上纵向(z向)形成的周期性圆柱孔阵列或周期性圆锥孔阵列；其中，空气光子晶体103具体的周期、孔半径和刻蚀深度，是根据将垂直入射的可见光转为横向传输而计算得出；Ge等半导体光子晶体104具体的周期、孔半径和刻蚀深度，是根据将垂直入射的红外光限制在Ge等半导体材料中而计算得出。
进一步，半导体光子晶体104的半导体材料为能在硅上外延生长且吸收红外光波段的材料，其选择Ge或GeSn；其中，半导体光子晶体104是通过光刻胶作掩膜和选择性外延生长技术将Ge等半导体材料外延生长在空气光子晶体103的圆柱孔或圆锥孔中，由于Ge材料只能外延生长在硅材料上，故可以精准地将Ge材料填充到空气光子晶体的圆柱孔或圆锥孔中。
进一步，双光子晶体Y方向上的周期经过电学设计，Y方向上的周期间隔大于X方向上的周期间隔，在两个高掺杂N+型区之间形成多个电流传输通道；其中，X方向为一高掺杂N+型区至另一高掺杂N+型区的方向；增强了源极和漏极之间的载流子输运，优化场效应晶体管的电学性能；在本发明中：双光子晶体针对不同入射光波长，协同作用，尽可能的覆盖更大波长范围使器件具有极强的感光性能。同时，双光子晶的周期设计兼顾了场效应管的电学特性，多电流传输通道增强了源极和漏极之间的载流子输运，优化了器件的电学性能。
本发明在p型硅衬底101的高掺杂N+型区102与空气光子晶体103上方形成有抗反射薄膜绝缘层105，在抗反射薄膜绝缘层105上形成有表面等离子激元106、源极107、栅极108和漏极109；其中，源极107穿过抗反射薄膜绝缘层105与一高掺杂N+型区102相连，漏极109穿过抗反射薄膜绝缘层105与另一高掺杂N+型区102相连，栅极108形成在源极107与漏极109之间的抗反射薄膜绝缘层105顶部，105表面等离子激元形成在源极107与栅极108以及栅极108与漏极109之间。具体的：
本发明的表面等离子激元106不需要加偏压且表面等离子激元106的尺寸经过光学设计，可以将红外光波段的光限制在场效应晶体管的表面，增强器件对红外光的吸收，然后被双光子晶体中的Ge/GeSn等材料充分吸收产生大量光生载流子，并且表面等激元不需要加偏压就可直接工作，直接增强器件对红外光的吸收。
本发明的抗反射薄膜绝缘层105的厚度设计依据为：使所述抗反射薄膜绝缘层作为绝缘栅场效应晶体管的绝缘层以及光敏面的抗反射层，减小垂直入射光在器件表面的反射，间接增强光吸收，增强器件的光耦合能力。
由于Si、Ge两种半导体材料的禁带宽度不同，故对应的吸收波长也不同；场效应晶体管采用两种禁带宽度不同的材料Si、Ge同时进行光吸收。本发明正是利用了半导体材料的这一特性，在Si衬底上选择性外延生长Ge单晶，从而在场效应晶体管的光吸收区实现了硅、锗两种不同半导体材料同时吸收光，实现了更宽的吸收光谱覆盖，有效地增大了光吸收效率。
本发明全光谱探测场效应晶体管的工作原理为：
由于光子晶体的引入使得有足够多的光被场效应晶体管充分吸收，平均光吸收效率达到80％以上。解决了光吸收的同时，还由于在光吸收区采用两种不同禁带宽度半导体材料(或者写成：两种针对不同波段入射光的半导体材料)进行光吸收，实现了可见光到红外的全光谱覆盖。
本发明场效应晶体管的光吸收在器件表面，两种光子晶体在器件中针对不同波长入射光起不同作用。空气光子晶体针对可见光波段，空气光子晶体将垂直入射的光转为横向传输，从而被场效应晶体管的Si材料充分吸收；半导体光子晶体针对红外光波段，半导体光子晶体具有限光效应将垂直入射的红外光限制在Ge/GeSn等材料中充分吸收，产生大量光生载流子，增强场效应晶体管对红外光的吸收。并且由于增加了表面等离子激元，在不需要加偏压且设计厚度的情况下就可以直接增强器件对红外光的吸收。同时场效应晶体管对载流子具有倍增效应，可以将光生载流子进行倍增，从而实现极高的光响应度。
本发明场效应晶体管能够和微电子集成电路大面积单片集成，能够使用CMOS工艺制作完成。
本发明还提供一种全光谱探测场效应晶体管的制备方法，包括：
步骤1、在p型硅衬底101的顶部，间隔预设距离扩散形成两个高掺杂N+型区102，如图3所示；
步骤2、清洗、干燥之后做RTA快速退火，激活离子；
步骤3、电子束曝光形成光子晶体图形，ICP刻蚀p型硅衬底101，形成空气光子晶体103，清洗并干燥，如图4所示；
步骤4、利用UHV-CVD在空气光子晶体103中选择性外延生长半导体材料，形成半导体光子晶体104，如图5所示；
步骤5、利用PECVD生长SiO2薄膜做抗反射薄膜绝缘层105，如图6所示；
步骤6、在抗反射薄膜绝缘层105上制作表面等离子激元106，如图7所示；
步骤7、在抗反射薄膜绝缘层上光刻源极和漏极区域图形，选择性干法刻蚀抗反射薄膜绝缘层至N+型掺杂区形成源极和漏极的电极孔，如图8所示；
步骤8、光刻，溅射金属并剥离形成源极107、栅极108、漏极电极109，RTA快速退火合金，如图9、10所示。
本发明的优点为：
本发明的双光子晶体针对不同入射光波长，协同作用，尽可能的覆盖更大波长范围使器件具有极强的感光性能；同时，双光子晶的周期设计兼顾了场效应管的电学特性，多电流传输通道增强了源极和漏极之间的载流子输运，优化了器件的电学性能。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种全光谱探测场效应晶体管，其特征在于，包括：p型硅衬底、双光子晶体和表面等离子激元；
所述p型硅衬底的顶部间隔预设距离形成有两个高掺杂N+型区；
在两个所述高掺杂N+型区之间的p型硅衬底顶部刻蚀形成周期性的空气光子晶体，在所有所述空气光子晶体内生长吸收红外光波段的半导体光子晶体，且所述半导体光子晶体未完全填充所述空气光子晶体，以形成所述双光子晶体；
在所述p型硅衬底的高掺杂N+型区与空气光子晶体上方形成有抗反射薄膜绝缘层；
所述抗反射薄膜绝缘层上形成有所述表面等离子激元、源极、栅极和漏极，所述源极穿过所述抗反射薄膜绝缘层与一所述高掺杂N+型区相连，所述漏极穿过所述抗反射薄膜绝缘层与另一所述高掺杂N+型区相连，所述栅极形成在所述源极与漏极之间的抗反射薄膜绝缘层顶部，所述表面等离子激元形成在所述源极与栅极以及所述栅极与漏极之间。
2.如权利要求1所述的全光谱探测场效应晶体管，其特征在于，所述空气光子晶体，用于将垂直入射的可见光转为横向传输被场效应晶体管的Si材料充分吸收；所述半导体光子晶体具有陷光效应，用于将垂直入射的红外光限制在半导体材料中充分吸收。
3.如权利要求1所述的全光谱探测场效应晶体管，其特征在于，所述空气光子晶体为周期性圆柱孔阵列或周期性圆锥孔阵列，所述半导体光子晶体的半导体材料为Ge或GeSn。
4.如权利要求1所述的全光谱探测场效应晶体管，其特征在于，所述双光子晶体在Y方向上的周期间隔大于X方向上的周期间隔，以在两个所述高掺杂N+型区之间形成多个电流传输通道；其中，所述X方向为一所述高掺杂N+型区至另一所述高掺杂N+型区的方向。
5.如权利要求1所述的全光谱探测场效应晶体管，其特征在于，所述抗反射薄膜绝缘层的厚度设计依据为：使所述抗反射薄膜绝缘层作为绝缘栅场效应晶体管的绝缘层以及光敏面的抗反射层。
6.如权利要求1～5中任一项所述的全光谱探测场效应晶体管，其特征在于，所述空气光子晶体具体的周期、孔半径和刻蚀深度，是根据将垂直入射的可见光转为横向传输而计算得出。
7.如权利要求1～5中任一项所述的全光谱探测场效应晶体管，其特征在于，所述半导体光子晶体具体的周期、孔半径和刻蚀深度，是根据将垂直入射的红外光限制在半导体材料中而计算得出。
8.如权利要求1所述的全光谱探测场效应晶体管，其特征在于，所述表面等离子激元不需要加偏压。
9.如权利要求1所述的全光谱探测场效应晶体管，其特征在于，所述表面等离子激元的尺寸设计满足：将红外光波段的光限制在场效应晶体管的表面。
10.一种如权利要求1～9中任一项所述的全光谱探测场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1、在p型硅衬底的顶部，间隔预设距离扩散形成两个高掺杂N+型区；
步骤2、清洗、干燥之后做RTA快速退火，激活离子；
步骤3、电子束曝光形成光子晶体图形，ICP刻蚀p型硅衬底，形成空气光子晶体，清洗并干燥；
步骤4、利用UHV-CVD在空气光子晶体中选择性外延生长半导体材料，形成半导体光子晶体；
步骤5、利用PECVD生长SiO2薄膜做抗反射薄膜绝缘层；
步骤6、在抗反射薄膜绝缘层上形成表面等离子激元；
步骤7、在抗反射薄膜绝缘层上光刻源极和漏极区域图形，选择性干法刻蚀抗反射薄膜绝缘层至N+型掺杂区形成源极和漏极的电极孔；
步骤8、光刻，溅射金属并剥离形成源极、栅极、漏极电极，RTA快速退火合金。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210209621.5A CN114613872B (zh) | 2022-03-04 | 2022-03-04 | 一种全光谱探测场效应晶体管及制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210209621.5A CN114613872B (zh) | 2022-03-04 | 2022-03-04 | 一种全光谱探测场效应晶体管及制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114613872A true CN114613872A (zh) | 2022-06-10 |
| CN114613872B CN114613872B (zh) | 2023-10-13 |
Family
ID=81860633
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210209621.5A Active CN114613872B (zh) | 2022-03-04 | 2022-03-04 | 一种全光谱探测场效应晶体管及制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114613872B (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100025836A (ko) * | 2008-08-28 | 2010-03-10 | 한국과학기술연구원 | 나노선 다중채널 ｆｅｔ 소자의 제조방법 |
| JP2010530063A (ja) * | 2007-06-08 | 2010-09-02 | バラス アール． タクラパリ， | ナノ構造電界効果型センサならびに同センサを形成する方法および使用する方法 |
| US20140239249A1 (en) * | 2013-02-28 | 2014-08-28 | University Of Southern California | Rapid biological synthesis process to produce semiconducting chalcogenide nanostructures for transistor or solar cell applications |
| CN104300013A (zh) * | 2014-05-05 | 2015-01-21 | 重庆大学 | 带有应变源的GeSn红外探测器 |
| CN105023950A (zh) * | 2015-06-11 | 2015-11-04 | 上海电力学院 | 一种具有高开关电流比的石墨烯晶体管及其制备方法 |
| US9368667B1 (en) * | 2013-02-01 | 2016-06-14 | Sung Jin Kim | Plasmon field effect transistor |
| CN106257692A (zh) * | 2016-07-29 | 2016-12-28 | 东南大学 | 一种偏振敏感型光电探测器 |
| CN109659436A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-04-19 | 福州大学 | 一种全透明异质结光晶体管及其制备方法 |
-
2022
- 2022-03-04 CN CN202210209621.5A patent/CN114613872B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010530063A (ja) * | 2007-06-08 | 2010-09-02 | バラス アール． タクラパリ， | ナノ構造電界効果型センサならびに同センサを形成する方法および使用する方法 |
| KR20100025836A (ko) * | 2008-08-28 | 2010-03-10 | 한국과학기술연구원 | 나노선 다중채널 ｆｅｔ 소자의 제조방법 |
| US9368667B1 (en) * | 2013-02-01 | 2016-06-14 | Sung Jin Kim | Plasmon field effect transistor |
| US20140239249A1 (en) * | 2013-02-28 | 2014-08-28 | University Of Southern California | Rapid biological synthesis process to produce semiconducting chalcogenide nanostructures for transistor or solar cell applications |
| CN104300013A (zh) * | 2014-05-05 | 2015-01-21 | 重庆大学 | 带有应变源的GeSn红外探测器 |
| CN105023950A (zh) * | 2015-06-11 | 2015-11-04 | 上海电力学院 | 一种具有高开关电流比的石墨烯晶体管及其制备方法 |
| CN106257692A (zh) * | 2016-07-29 | 2016-12-28 | 东南大学 | 一种偏振敏感型光电探测器 |
| CN109659436A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-04-19 | 福州大学 | 一种全透明异质结光晶体管及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114613872B (zh) | 2023-10-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10484855B2 (en) | Process module for increasing the response of backside illuminated photosensitive imagers and associated methods | |
| US10361232B2 (en) | Photosensitive imaging devices and associated methods | |
| US7629661B2 (en) | Semiconductor devices with photoresponsive components and metal silicide light blocking structures | |
| US9054008B2 (en) | Solar blind ultra violet (UV) detector and fabrication methods of the same | |
| US8476681B2 (en) | Photosensitive imaging devices and associated methods | |
| CN109935639B (zh) | 可降低电学串扰的单光子探测器阵列及制备方法 | |
| US12057464B2 (en) | Photosensitive imaging devices and associated methods | |
| US9960299B2 (en) | Avalanche photodiode using silicon nanowire and silicon nanowire photomultiplier using the same | |
| KR101579548B1 (ko) | 패시베이션된 기립 나노구조물 및 이의 제조 방법 | |
| CN115377242B (zh) | 一种soi上单片光电集成的台面型雪崩光电探测阵列芯片及其制备方法 | |
| CN114613872B (zh) | 一种全光谱探测场效应晶体管及制备方法 | |
| US7462920B2 (en) | Verification architecture of infrared thermal imaging array module | |
| US9960308B2 (en) | Photoelectric conversion element | |
| CN115295683A (zh) | 一种单载流子输运的平衡探测器及其制备方法 | |
| CN115377241A (zh) | 一种soi上单片光电集成的平面型雪崩光电探测阵列芯片及其制备方法 | |
| CN110896115B (zh) | 光电晶体管、红外探测器和光电晶体管的制作方法 | |
| RU221645U1 (ru) | Полупроводниковый фотодиод для инфракрасного излучения | |
| KR102142885B1 (ko) | 어레이형 광검출기를 제조하는 방법 | |
| CN113629159B (zh) | 硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器及其制作方法 | |
| US11374040B1 (en) | Pixel arrays including heterogenous photodiode types | |
| CN118352435A (zh) | 一种高增益带宽积碲镉汞异质结雪崩探测器结构的制备方法 | |
| CN116936653A (zh) | 片上集成硅单光子探测器及其制备方法 | |
| CN117913175A (zh) | 一种WS2-As0.6P0.4−hBN异质结构中的双栅可调的光电探测器及其制备方法 | |
| Fang et al. | PIN photodiode bandwidth optimization in integrated CMOS process | |
| CN116417526A (zh) | 一种改善apd响应度均匀性的方法和光电二极管 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |