基于GeSn?GeSi材料的異質型光電晶體管及其制作方法與流程

基于GeSn-GeSi材料的異質型光電晶體管及其制作方法技術領域本發明屬于光電子技術領域，更進一步涉及半導體紅外探測領域中的一種基于GeSn-GeSi材料的異質型光電晶體管及其制作方法。本發明可在光電近中紅外探測領域進行近中紅外光信號探測。

背景技術：
隨著集成電路技術的迅猛發展，技術不斷進步，快速處理和傳輸大規模信息數據成為現今大規模電子器件發展的瓶頸，而將微電子技術和光電子技術有效融合成為解決這一難題的有效方式。MOehme等作者在其發表的“GeSn-on-Sinormalincidencephotodetectorswithbandwidthsmorethan40GHz”(Opticsexpress,vol.22,pp.839-846,2014)論文中公開了一種GeSnp-i-n型光電探測器。該GeSnp-i-n型光電探測器由于采用了具有更窄帶隙和更高光吸收系數的IV族GeSn新材料，較于現有技術制作的III-V族材料的近中紅外器件，解決了其難以硅基集成的難題，可以實現與金屬互補氧化物半導體CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)標準工藝相兼容；同時相比于現今使用的Ge探測器探測范圍較窄和較低的光吸收系數的不足，GeSn光電探測器有著探測波長更寬和光吸收效率更高的優點，但是，該GeSnp-i-n型光電探測器存在的不足之處是，低的光靈敏度和光電流。YuanDong等作者在其發表的“AvalanchePhotodiodefeaturingGermanium-TinMultipleQuantumWellsonSilicon:ExtendingPhotodetectiontoWavelengthsof2μmandBeyond”(IEDM2015,pp.787)中公開了一種GeSn雪崩二極管型光電探測器。該GeSn雪崩二極管型光電探測器雖然在傳統GeSn光電探測器優點基礎上，采用光電子倍增方法實現了較高的光靈敏度和較大的光電流。但是，該GeSn雪崩二極管型光電探測器存在的不足之處是，由于在倍增過程中將噪聲放大和產生的額外噪聲嚴重干擾光信號，以及實現倍增所需偏置電壓極高的缺陷，因而該GeSn雪崩二極管型光電探測器在實際應用中受到嚴重的限制。

技術實現要素：
本發明的目的在于針對現有技術中Ge光電探測器探測范圍相對較窄和傳統p-i-n型GeSn光電探測器的光靈敏度和光電流較低的缺點，采用GeSn-GeSi異質型光電晶體管結構，在實現探測波長紅移及與現代CMOS標準工藝兼容的優勢基礎上進一步提升光電流和光靈敏度。實現本發明目的的具體思路是，根據材料特性研究表明，在常見IV族間接帶隙材料Ge中引入同為IV族的負帶隙金屬材料Sn，可以有效改善材料性質。隨著GeSn合金中Sn組份的不斷增加，可以使GeSn合金由間接帶隙轉變為直接帶隙材料，使其在較寬的波段(0～0.66eV)范圍內實現連續可調，因而在近中紅外波段實現探測波長的紅移，拓展到3μm附近，比Ge探測器有更寬的探測范圍。同時，由于GeSn-GeSi異質型光電晶體管結構中光生空穴使得在基極區積累更多的空穴進而降低發射極-基極異質結勢壘，電子由發射極區注入基極區變得更為容易，從而放大固有光電流；而異質結處的固有帶階對發射極區電子和基極區空穴的復合起到阻礙作用，從而進一步提升電子的注入效率，使光電流和光吸收效率及靈敏度得到進一步的提升，因而較于常見的GeSnp-i-n探測器可以實現更高的光電流和光靈敏度及光吸收效率。本發明基于GeSn-GeSi材料的異質型光電晶體管，包括：襯底、集電極區、光吸收區、基極區、發射極區、鈍化層以及金屬電極；集電極區、光吸收區、基極區、發射極區在襯底上依次由下至上豎直分布，且鈍化層環繞覆蓋在集電極區、光吸收區、基極區、發射極區的四周。光吸收區和基極區均采用通式為Ge1-xSnx的IV族復合材料；集電極區和發射極區采用IV族材料Ge1-zSiz，從而分別在Ge1-xSnx光吸收區和Ge1-zSiz發射極區、集電極區之間的界面處形成異質結；其中，x表示GeSn中Sn的組份，Sn組份的取值范圍為0＜x＜0.15；z表示GeSi中Si的組份，Si組份的取值范圍為0≤z≤0.5。本發明基于GeSn-GeSi材料的異質型光電晶體管制作方法，包括如下步驟：(1)制備GeSi層：利用低溫固源分子束外延工藝，在襯底(1)上外延生成一層800nm厚的GeSi層；(2)磷離子注入：在GeSi層中進行磷離子注入工藝，形成GeSiN+集電極區；(3)制備GeSn光吸收區：(3a)利用低溫固源分子束外延工藝，在GeSiN+集電極區上，外延生長一層100nm厚的GeSn，形成GeSn光吸收區；(3b)在GeSn光吸收區外延生長一層60nm厚GeSn層，將GeSn層作為基極區；(4)硼離子注入：在基極區中進行硼離子注入工藝，形成GeSnP+基極區；(5)制備GeSi層：利用低溫固源分子束外延工藝，在GeSnP+型基極區上外延一層60nm厚的GeSi層；(6)磷離子注入：在GeSi層中進行磷離子注入工藝，形成GeSiN+型發射極區；(7)激活處理：在400℃條件下熱退火5min進行激活處理，得到激活后的器件；(8)刻蝕臺面：利用反應離子刻蝕工藝，刻蝕激活后的器件，刻蝕所需臺面，得到刻蝕后的器件；(9)表面鈍化處理：對刻蝕后的器件進行GeSn表面鈍化處理，得到表面鈍化處理后的器件；(10)制備保護層：利用磁控濺射工藝，在表面鈍化處理后的器件外圍淀積一層SiO2/SiN，形成保護層，得到形成保護層的器件；(11)刻蝕溝槽：在形成保護層的器件的集電極區上部和發射極區上刻蝕溝槽，(12)制備金屬電極：在刻蝕的溝槽中淀積金屬TiN/Al，形成金屬電極。與現有技術相比，本發明具有如下優點：第一，由于本發明采用在IV族間接帶隙材料Ge中，引入同為IV族的負帶隙材料Sn而形成的GeSn合金，其具有更小的帶隙和更高的吸收系數，克服了現有技術中同為IV族的Si和Ge探測器，在近中紅外探測波長范圍較窄和較低的光吸收系數的缺點，因而使得本發明的GeSn探測器探測波長較于Ge探測器在近中紅外波段發生紅移，具有更寬的探測范圍和更高的光吸收效率。第二，由于本發明采用異質型光電晶體管結構，光吸收區中光生空穴使得在基極區積累更多的空穴，進而降低發射極-基極異質結勢壘，電子由發射極區注入基極區變得更為容易，從而放大固有光電流，而異質結處的固有帶階對發射極區電子和基極區空穴的復合起到阻礙作用，從而進一步提升電子的注入效率，使光電流和光吸收效率及靈敏度得到進一步的提升，克服了現今已公開的GeSnp-i-n光電探測器低的光靈敏度和光電流的缺點，因而使得本發明的GeSn光電晶體管可以實現更高的探測光電流和光靈敏度。第三，由于本發明采用同為IV族的GeSn材料，克服了現有技術中III-V族中紅外探測器難以硅基集成的不足，使得本發明的GeSn光電晶體管制備工藝可以與傳統標準CMOS工藝相兼容，在現今廣泛應用的主流CMOS工藝中進行制備，有利于其成本的降低。附圖說明圖1為本發明GeSn-GeSi材料的異質型光電晶體管的剖面圖；圖2為本發明GeSn-GeSi材料的異質型光電晶體管制作方法的流程圖。具體實施方式為了使本發明的目的及優點更加清楚明白，以下結合附圖和實施例對本發明進行進一步詳細說明。參照圖1，基于GeSn-GeSi材料的異質型光電晶體管包括：襯底1、集電極區2、光吸收區3、基極區4、發射極區5、鈍化層6以及金屬電極7；集電極區2、光吸收區3、基極區4、發射極區5在襯底1上依次由下至上豎直分布，且鈍化層6環繞覆蓋在器件的四周；光吸收區3和基極區4均采用通式為Ge1-xSnx的IV族復合材料，集電極區2和發射極區5采用IV族材料Ge1-zSiz，從而分別在Ge1-xSnx光吸收區和Ge1-zSiz發射極區、集電極之間的界面處形成異質結；其中，x為GeSn中Sn的組份，Sn組份的范圍為0＜x＜0.15；z為GeSi中Si的組份，Si組份的范圍為0≤z≤0.5。雖然GeSn合金中隨著Sn組份的不斷增加，使GeSn合金由間接帶隙轉變可以轉變為直接帶隙材料，使其在較寬的波段(0～0.66eV)范圍內實現帶隙的連續可調，但是，由于Sn在Ge中固溶度較低，因而Sn組份難以實現大量摻雜，現今技術實現的最大摻雜Sn組份為0.15，Sn組份越高，實現技術難度越大，所以Sn組份的取值范圍為0＜x＜0.15。襯底1既可以采用單晶Si材料，也可以采用單晶Ge材料。參照圖2，本發明中基于GeSn-GeSi材料的異質型光電晶體管的制作方法。對本發明基于GeSn-GeSi材料的異質型光電晶體管中GeSn中Sn組份的取值范圍0＜x＜0.15和GeSi中Si組份的取值范圍0≤z≤0.5給出如下三種實施例。實施例1：制作Ge0.935Sn0.065-Genpn異質型光電晶體管及其制作方法。步驟1：制備Ge層。利用低溫固源分子束外延工藝，在無摻雜(100)向Ge襯底1上，在溫度為150℃條件下，外延生長無摻雜的厚度為800nm的純Ge層，如圖2(a)。步驟2：磷離子注入。在能量為50KeV、注入劑量為1015cm-2、襯底傾斜角度7°條件下進行注入離子為P(31)+的磷離子注入工藝，形成GeN+型集電極區2。步驟3：制備GeSn光吸收區。利用低溫固源分子束外延工藝，在GeN+型集電極區上，在150℃、高純Ge和Sn源條件下，外延生長厚度為100nm的本征Ge0.935Sn0.065外延層作為GeSn光吸收區3，如圖2(b)。利用低溫固源分子束外延工藝，在GeSn光吸收區上，在與步驟2中相同工藝條件下外延生長60nm厚的Ge0.99Sn0.01層，如圖2(c)。步驟4：硼離子注入。利用硼離子注入工藝，在Ge0.99Sn0.01層中進行能量為20KeV、注入劑量為1014cm-2的BF2+離子注入，形成GeSnP+型基極區4。步驟5：制備Ge層。利用低溫固源分子束外延工藝，在GeSnP+型基極區上，在150℃條件下生長60nm厚的Ge層，如圖2(d)。步驟6：磷離子注入。在Ge層中進行能量為20KeV、注入劑量為1015cm-2的磷離子注入，形成GeSnN+型發射極區5。步驟7：激活處理。在400℃條件下熱退火5min進行激活處理。步驟8：刻蝕臺面。利用反應離子刻蝕設備根據所設計圖形對發射極區、基極區、光吸收區進行刻蝕，形成臺面，如圖2(e)。步驟9：表面鈍化處理。利用24％(NH4)2S溶液對GeSn表面進行鈍化處理；步驟10：制備保護層。利用磁控濺射設備在常溫、200-300W交流電條件下，淀積SiO2層350nm，制備保護層6，如圖2(f)。步驟11：刻蝕溝槽。利用干法刻蝕刻蝕出電極溝槽。步驟12：制備金屬電極。使用磁控濺射淀積金屬TiN/Al，形成金屬電7，完成器件制備，如圖2(g)。實施例2：制作Ge0.97Sn0.03-Ge0.9Si0.1npn異質型光電晶體管及其制作方法。步驟一：制備GeSi。利用低溫固源分子束外延工藝，在無摻雜(100)向Si襯底1上，在溫度為150℃條件下，外延生長無摻雜的厚度為800nm的Ge0.9Si0.1層。步驟二：磷離子注入。在能量為50KeV、注入劑量為1015cm-2、襯底傾斜角度7°條件下進行注入離子為P(31)+的磷離子注入工藝，形成GeSiN+型集電極區2，如圖2(a)。步驟三：制備GeSn光吸收區。利用低溫固源分子束外延工藝，在GeSiN+型集電極區上，在150℃、高純Ge和Sn源條件下，外延生長厚度為100nm的本征Ge0.97Sn0.03外延層作為GeSn光吸收區3，如圖2(b)。利用低溫固源分子束外延工藝，在GeSn光吸收區上，在與步驟二中相同工藝條件下外延生長60nm厚的Ge0.97Sn0.03層，如圖2(c)。步驟四：硼離子注入。利用硼離子注入工藝，在Ge0.97Sn0.03層中進行能量為20KeV、注入劑量為1014cm-2的BF2+離子注入，形成GeSnP+型基極區4。步驟五：制備GeSi層。利用低溫固源分子束外延工藝，在GeSnP+型基極區上，在150℃條件下生長60nm厚的Ge0.9Si0.1層，如圖2(d)。步驟六：磷離子注入。在Ge0.9Si0.1層中進行能量為20KeV、注入劑量為1015cm-2的磷離子注入，形成GeSnN+型發射極區5。步驟七：激活處理。在400℃條件下熱退火5min進行激活處理。步驟八：刻蝕臺面。利用反應離子刻蝕設備根據所設計圖形對發射極區、基極區、光吸收區進行刻蝕，形成臺面，如圖2(e)。步驟九：表面鈍化處理。利用24％(NH4)2S溶液對GeSn表面進行鈍化處理。步驟十：制備保護層。利用磁控濺射設備在常溫、200-300W交流電條件下，淀積SiO2層350nm，制備保護層6，如圖2(f)。步驟十一：刻蝕溝槽。利用干法刻蝕刻蝕出電極溝槽。步驟十二：制備金屬電極。使用磁控濺射淀積金屬TiN/Al，形成金屬電7，完成器件制備，如圖2(g)。實施例3：制作Ge0.9Sn0.1-Ge0.6Si0.4pnp異質型光電晶體管及其制作方法。步驟A：制備GeSi層。利用低溫固源分子束外延工藝，在無摻雜(100)向Si襯底1上，在溫度為150℃條件下，外延生長無摻雜的厚度為800nm的Ge0.6Si0.4層，如圖2(a)。步驟B：硼離子注入。在能量為50KeV、注入劑量為1015cm-2、襯底傾斜角度7°條件下進行注入離子為BF2+的硼離子注入工藝，形成GeSiP+型集電極區2。步驟C：制備GeSn光吸收區。利用低溫固源分子束外延工藝，在GeSiP+型集電極區上，在150℃、高純Ge和Sn源條件下，外延生長厚度為100nm的本征Ge0.9Sn0.1外延層作為GeSn光吸收區3，如圖2(b)。利用低溫固源分子束外延工藝，在GeSn光吸收區上，在與步驟B中相同工藝條件下外延生長60nm厚的Ge0.935Sn0.065層，如圖2(c)。步驟D：磷離子注入。利用磷離子注入工藝，在Ge0.935Sn0.065層中進行能量為20KeV、注入劑量為1014cm-2的P(31)+離子注入，形成GeSnN+型基極區4。步驟E：制備GeSi層。利用低溫固源分子束外延工藝，在GeSnN+型基極區上，在150℃條件下生長60nm厚的Ge0.6Si0.4層，如圖2(d)。步驟F：硼離子注入。在Ge0.6Si0.4層中進行能量為20KeV、注入劑量為1015cm-2的硼離子注入，形成GeSnP+型發射極區5。步驟G：激活處理。在400℃條件下熱退火5min進行激活處理。步驟H：刻蝕臺面。利用反應離子刻蝕設備根據所設計圖形對發射極區、基極區、光吸收區進行刻蝕，形成臺面，如圖2(e)。步驟I：表面鈍化處理。利用24％(NH4)2S溶液對GeSn表面進行鈍化處理。步驟J：制備保護層。制備金屬電極利用磁控濺射設備在常溫、200-300W交流電條件下，淀積SiO2層350nm，制備保護層6，如圖2(f)。步驟K：刻蝕溝槽。利用干法刻蝕刻蝕出電極溝槽。步驟L：制備金屬電極。使用磁控濺射淀積金屬TiN/Al，形成金屬電7，完成器件制備，如圖2(g)。以上所述僅是本發明的幾個優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。