CN207542265U - 一种光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种光电探测器，包括：Si衬底(11)以及设置于所述Si衬底(11)上的Ge晶籽层(12)、Ge主体层(13)、GeSn层(14)及金属电极(15)；其中，所述Ge晶籽层(12)设置于所述Si衬底(11)表面；所述Ge主体层(13)设置于所述Ge晶籽层(12)表面；所述GeSn层(14)设置于所述Ge主体层(13)中间区域之上；所述金属电极(15)设置于所述Ge主体层(13)两侧区域之上。本实用新型实施例通过采用激光再晶化工艺形成的晶化Ge层，可有效降低Ge/Si界面的位错密度、表面粗糙度、界面缺陷，提升Ge/Si界面特性，从而使光电探测器具备高速响应率和高量子效率的特性。
Description
技术领域
本实用新型属于半导体器件技术领域，具体涉及一种光电探测器。
背景技术
光电探测器能光信号转换为电信号，在军事和国民经济的各个领域有广泛用途；其中，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，以Si衬底为基片，制作光电探测器，便于集成，而且可以降低成本，是目前光电探测器研究的重要方向；同时，Ge属于窄禁带半导体，直接与间接带隙能量差为136meV，适于发展红外光电探测器和激光器；然而，由于Si与Ge之间存在的晶格失配，使得Ge/Si界面的位错密度大、表面粗糙度高以及界面缺陷高，极大的限制了该领域光电探测器的性能优化。
GeSn易发射和吸收电子，具有较高的载流子迁移率等优良的电学特性，同时GeSn材料具有与成熟硅微电子工艺的兼容性，且其工作范围可以覆盖近红外和短波红外(NIR，SWIR)波长。因此GeSn探测器设计、制造及其特点的研究已经成为近些年研究的重点与热点。为了提高在光谱响应和特殊检测率方面器件性能，具有高Sn组份和低暗电流的GeSn光电探测器是优选的。因此开展Si基GeSn材料生长与相关器件研究工作具有重要现实意义。
实用新型内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种GeSn光电探测器。
本实用新型的一个实施例提供了一种光电探测器，包括：Si衬底11以及设置于所述Si衬底11上的Ge晶籽层12、Ge主体层13、GeSn层14及金属电极15；其中，所述Ge晶籽层12设置于所述Si衬底11表面；所述 Ge主体层13设置于所述Ge晶籽层12表面；所述GeSn层14设置于所述 Ge主体层13中间区域之上；所述金属电极15设置于所述Ge主体层13两侧区域之上。
在本实用新型的一个实施例中，所述光电探测还包括设置于所述Ge主体层13和所述GeSn层14表面的SiO2钝化层16。
在本实用新型的一个实施例中，所述Ge晶籽层12和所述Ge主体层 13包括N型掺杂区、i型区和P型掺杂区。
在本实用新型的一个实施例中，所述Ge晶籽层12的厚度为40～50nm。
在本实用新型的一个实施例中，所述Ge主体层13的厚度为 150～250nm。
在本实用新型的一个实施例中，所述GeSn层14的厚度为150～200nm。
本实用新型提供的光电探测器，可有效降低Ge/Si界面的位错密度、表面粗糙度、界面缺陷，提升Ge/Si界面特性，从而使光电探测器具备高速响应率和高量子效率的特性。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的一种GeSn光电探测器的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的一种激光晶化工艺的示意图；
图3a-图3k为本实用新型实施例提供的一种GeSn光电探测器的制备方法示意图。
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光电探测器的结构示意图；包括：Si衬底11以及设置于所述Si衬底11上的Ge晶籽层12、 Ge主体层13、GeSn层14及金属电极15；其中，所述Ge晶籽层12设置于所述Si衬底11表面；所述Ge主体层13设置于所述Ge晶籽层12表面；所述GeSn层14设置于所述Ge主体层13中间区域之上；所述金属电极15 设置于所述Ge主体层13两侧区域之上。
进一步地，所述光电探测还包括设置于所述Ge主体层13和所述GeSn 层14表面的SiO2钝化层16。
其中，所述Ge晶籽层12和所述Ge主体层13包括N型掺杂区、i型区和P型掺杂区。
优选地，所述Ge晶籽层12的厚度为40～50nm。
优选地，所述Ge主体层13的厚度为150～250nm。
优选地，所述GeSn层14的厚度为150～200nm。
其中，所述Ge晶籽层和所述Ge主体层为激光晶化工艺处理Ge外延层。请参见图2，图2为本实用新型实施例提供的一种激光晶化工艺的示意图。激光再晶化技术是一种热致相变结晶的方法，经过激光晶化熔化再结晶的过程，可以生长出大晶粒，能够得到晶化程度较高的Ge薄膜，大大较低了Ge材料的缺陷。
本实用新型实施例，通过对Ge晶籽层和Ge主体层进行激光再晶化处理，工艺步骤简单，工艺周期短，热预算低等优点，形成的晶化Ge外延层，可有效降低Ge/Si界面的位错密度、表面粗糙度、界面缺陷，提升Ge/Si界面特性，从而使光电探测器具备高速响应率和高量子效率的特性。
实施例二
请一并参见图3a-图3k，图3a-图3k为本实用新型实施例提供的一种横向PiN结构GeSn光电探测器的制备方法示意图。本实施例在上述实施例的基础上，对本实用新型的横向PiN结构GeSn光电探测器的制备方法进行详细说明如下：
S101、衬底选取。如图3a所示，选取单晶Si衬底001为初始材料；
S102、Ge外延层生长。
S1021、Ge籽晶层生长。如图3b所示，在275℃～325℃温度下，利用 CVD工艺在所述单晶Si衬底表面生长厚度为40～50nm的Ge籽晶层002；
S1022、Ge主体层生长。如图3c所示，在500℃～600℃温度下，利用 CVD工艺在所述Ge籽晶层表面生长厚度为250nm的Ge主体层003；
S103、保护层的制备。如图3d所示，利用CVD工艺在所述Ge主体层表面上淀积厚度为150nm SiO2层004；
S104、Ge外延层的晶化。如图3e所示，将包括所述单晶Si衬底、所述Ge籽晶层、所述Ge主体层及所述SiO2层的整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s，自然冷却所述整个衬底材料，得到晶化Ge层005。
S105、P型离子注入。如图3f所示，选择性刻蚀SiO2层，B离子注入，在所述晶化Ge层形成掺杂浓度为1×1020cm-3的P型掺杂区006。
S106、N型离子注入。如图3g所示，刻蚀掉SiO2层004，重新淀积厚度为200nm的SiO2保护层007；如图3h所示，选择性刻蚀，P离子注入，在所述晶化Ge层形成掺杂浓度为1×1020cm-3的N型掺杂区008，刻蚀掉 SiO2保护层007，高温退火。
S109、在未掺杂的晶化Ge层(i型区)上进行选择性GeSn材料生长。如图3i所示，在H2氛围中将温度降到350℃以下，SnCl4和GeH4分别作为Sn和Ge源。GeH4/SnCl4气体流量比为0.95～0.99(由Ge/Sn组分决定)。生长厚度为150～200nm的无掺杂的GeSn材料009；
S010、金属接触孔制备。如图3j所示，淀积厚度为300～350nm的SiO2钝化层010，隔离台面与外界电接触。刻蚀接触孔，用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定区域的SiO2钝化层010形成金属接触孔。
S011、金属互连制备。如图3k所示。利用电子束蒸发工艺淀积厚度为 150～200nm的金属层011。利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的金属层，采用化学机械抛光(CMP)进行平坦化处理。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种光电探测器，其特征在于，包括：Si衬底(11)以及设置于所述Si衬底(11)上的Ge晶籽层(12)、Ge主体层(13)、GeSn层(14)及金属电极(15)；其中，所述Ge晶籽层(12)设置于所述Si衬底(11)表面；所述Ge主体层(13)设置于所述Ge晶籽层(12)表面；所述GeSn层(14)设置于所述Ge主体层(13)中间区域之上；所述金属电极(15)设置于所述Ge主体层(13)两侧区域之上。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光电探测还包括设置于所述Ge主体层(13)和所述GeSn层(14)表面的SiO2钝化层(16)。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述Ge晶籽层(12)和所述Ge主体层(13)包括N型掺杂区、i型区和P型掺杂区。
4.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述Ge晶籽层(12)的厚度为40～50nm。
5.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述Ge主体层(13)的厚度为150～250nm。
6.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述GeSn层(14)的厚度为150～200nm。
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2017
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