CN206595266U - 用于长波光通信的光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于长波光通信的光电探测器，其中，所述光电探测器包括：衬底层；依次层叠于所述衬底层的Ge缓冲层、GeSn缓冲层、GeSn/Ge多量子阱有源层和GeSn接触层；位于所述GeSn接触层和所述GeSn缓冲层上的氧化层；位于所述GeSn接触层和所述GeSn缓冲层上的金属电极；本实用新型提供的用于长波光通信的光电探测器测器克服了暗电流大，低于1800nm连续波段探测问题，高效，且能够在GeSn量子阱中引入不同的应变，调节量子阱的带隙结构以扩展光电探测器的吸收波长范围和吸收系数。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种用于长波光通信的光电探测器。
背景技术
光电探测器的工作原理是基于光电效应，光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。
目前商用III-V族或者II-VI族光电探测器制造成本非常高，价格非常昂贵，并且存在与Si CMOS工艺技术不兼容而降低了器件性能等问题，因而IV族材料的光电探测器是一个研究的方向；现在商用IV族材料光电探测器还无法连续探测到1800nm，作为IV族半导体材料的Ge，只覆盖到部分C波段(1530-1565nm)，不能连续覆盖800～1800nm通信波段。
因此，如何制作一种低成本，工艺简单，可探测800～1800nm连续波段的光电探测器变得尤为重要。
实用新型内容
为了解决现有光电探测器技术中不能连续覆盖800～1800nm通信波段的问题，本实用新型提供了一种用于长波光通信的光电探测器。
具体地，本实用新型的一个实施例提供了一种用于长波光通信的光电探测器，所述光电探测器包括：衬底层；依次层叠于所述衬底层的Ge缓冲层、GeSn缓冲层、GeSn/Ge多量子阱有源层和GeSn接触层；位于所述GeSn接触层和所述GeSn缓冲层上的氧化层；位于所述GeSn接触层和所述GeSn缓冲层上的金属电极。
在本实用新型的一个实施例中，所述Ge缓冲层的厚度为250～300nm。
在本实用新型的一个实施例中，所述GeSn缓冲层的厚度为150～200nm。
在本实用新型的一个实施例中，所述GeSn/Ge多量子阱有源层厚度为 250nm～750nm。
在本实用新型的一个实施例中，所述GeSn/Ge多量子阱有源层包括 10～20层的GeSn/Ge量子阱有源层。
在本实用新型的一个实施例中，所述GeSn/Ge量子阱有源层从下往上包括本征Ge层和本征GeSn单晶层。
在本实用新型的一个实施例中，所述本征Ge层的厚度为10～15nm；所述本征GeSn单晶层的厚度为15～20nm。
在本实用新型的一个实施例中，所述GeSn接触层厚度为50～80nm。
在本实用新型的一个实施例中，所述氧化层的材料为SiO2。
在本实用新型的一个实施例中，所述氧化层位于所述GeSn接触层和所述GeSn缓冲层上。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：兼容了CMOS工艺，克服了暗电流大，低于1800nm连续波段探测问题，且能通过调节多量子阱中GeSn中Sn的组分和调节多量子阱中Ge的厚度以调整带隙结构，从而调节探测范围和探测能力。
附图说明
下面将结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本实用新型实施例提供的一种用于长波光通信的光电探测器结构示意图；以及
图2a-图2g为本实用新型实施例提供的一种用于长波光通信的光电探测器制备方法示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型做进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本实用新型实施例提供的一种用于长波光通信的光电探测器结构示意图，具体地，所述光电探测器包括：衬底层；依次层叠于所述衬底层的Ge缓冲层、GeSn缓冲层、GeSn/Ge多量子阱有源层和GeSn接触层；位于所述GeSn接触层和所述GeSn缓冲层上的氧化层；位于所述GeSn接触层和所述GeSn缓冲层上的金属电极。
其中，所述Ge缓冲层的厚度为250～300nm。
优选地，所述GeSn缓冲层的厚度为150～200nm。
优选地，所述GeSn/Ge多量子阱有源层厚度为250nm～750nm。
其中，所述GeSn/Ge多量子阱有源层包括10～20层的GeSn/Ge量子阱有源层。
进一步的，所述GeSn/Ge量子阱有源层从下往上包括本征Ge层和本征GeSn单晶层。
其中，所述GeSn/Ge多量子阱有源层将载流子限制在量子阱中，大大减小了电子空穴对的复合作用，从而减小了光电探测器的暗电流。
进一步的，所述长波光通信的光电探测器的吸收层为所述GeSn/Ge多量子阱有源层，所述长波光通信的光电探测器电场方向和入射光方向是相互垂直的，这避免了电场对入射光的影响，提高了效率。
具体地，所述本征Ge层的厚度为10～15nm；所述本征GeSn单晶层的厚度为15～20nm。
其中，可通过调节所述GeSn/Ge多量子阱有源层的GeSn中Sn的组分和调节所述GeSn/Ge多量子阱有源层中Ge的厚度以调节量子阱中的应力，以此来调节带隙结构从而扩展探测波长和增强探测能力。
优选地，所述GeSn接触层厚度为50～80nm。
优选地，所述氧化层的材料为SiO2。
其中，所述氧化层位于所述GeSn接触层和所述GeSn缓冲层上。
采用本实施方式的用于长波光通信的光电探测器兼容了CMOS工艺，克服了暗电流大，低于1800nm连续波段探测问题，且能通过调节多量子阱中GeSn中Sn的组分和调节多量子阱中Ge的厚度以调整带隙结构，从而调节探测范围和探测能力。
实施例二
请参照图2a-图2g，图2a-图2g为本实用新型实施例的一种用于长波光通信的光电探测器制备方法示意图，该制备方法包括如下步骤：
(a)如图2a所示，选取N型Si或SOI衬底；
(b)如图2b所示，在230～250℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述衬底上250℃生长一层低温Ge缓冲层后，升温至470～500℃生长高温Ge 缓冲层；
(c)如图2c所示，在280～300℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述 Ge缓冲层上生长N型GeSn作为缓冲层；
(d)如图2d所示，在所述GeSn缓冲层上生长GeSn/Ge多量子阱有源层；具体地，步骤(d)包括：
(d1)在280～300℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述N型GeSn缓冲层上生长本征GeSn单晶；
(d2)在280～300℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述本征GeSn单晶上生长本征Ge层；
(d3)在280～300℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述本征Ge层上生长本征GeSn单晶；
(d4)重复步骤(d2)、(d3)得到GeSn/Ge多量子阱有源层；
(e)如图2e所示，在280～300℃下，利用分子束外延生长工艺，在所述 GeSn/Ge多量子阱有源层上生长GeSn接触层；
(f)如图2f所示，在所述GeSn接触层上沉积SiO2氧化层；
(g)如图2g所示，金属化并光刻引线形成所述光电探测器；
具体地，步骤(g)包括：
(g1)在所述氧化层光刻出金属接触窗口；
(g2)在所述金属接触窗口上沉积金属；
(g3)光刻引线，形成用于长波光通信的光电探测器。
本实用新型制备的用于长波光通信的光电探测器，首先，作为IV族半导体材料的Ge，在1.3-1.55μm波段范围内有很高的吸收系数，并且可直接在Si衬底上外延生长高质量Ge薄膜，因此Ge被认为近红外探测器的理想备选材料。在室温下，Ge直接带隙为0.8eV，对应的探测器吸收边界在 1.55μm左右，只覆盖到部分C波段(1530-1565nm)，不能覆盖800～1800nm 通信波段。本实用新型实施例在Ge中掺入2％的Sn组分可以覆盖的波段从1550nm扩展到1800nm。通过增加Ge中的Sn组分，扩展了GeSn光电探测器的吸收波长，并且增强了对波长的吸收系数，提高了探测能力；通过调节GeSn量子阱中的Ge层的厚度，在GeSn量子阱中引入不同的应力，调节量子阱的带隙结构，可以有效地调节器件的吸收波长范围，增强吸收能力。
综上所述，本文中应用了具体个例对本实用新型一种用于长波光通信的光电探测器及光电探测器的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (10)
1.一种用于长波光通信的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器包括：衬底层；依次层叠于所述衬底层的Ge缓冲层、GeSn缓冲层、GeSn/Ge多量子阱有源层和GeSn接触层；位于所述GeSn接触层和所述GeSn缓冲层上的氧化层；位于所述GeSn接触层和所述GeSn缓冲层上的金属电极。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述衬底层材料为Si或SOI。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述Ge缓冲层的厚度为250～300nm。
4.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述GeSn缓冲层的厚度为150～200nm。
5.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述GeSn/Ge多量子阱有源层厚度为250nm～750nm。
6.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述GeSn/Ge多量子阱有源层包括10～20层的GeSn/Ge量子阱有源层。
7.根据权利要求5所述的光电探测器，其特征在于，所述GeSn/Ge量子阱有源层从下往上包括本征Ge层和本征GeSn单晶层。
8.根据权利要求7所述的光电探测器，其特征在于，所述本征Ge层的厚度为10～15nm；所述本征GeSn单晶层的厚度为15～20nm。
9.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述GeSn接触层厚度为50～80nm。
10.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述氧化层的材料为SiO2。
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