基于弛豫GeSn材料的光電探測器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于弛豫GeSn材料的光電探測器，包括襯底、弛豫層、n+型區、光吸收區、p+型區、保護層和金屬電極。弛豫層、n+型區、光吸收區、p+型區均采用GeSn材料；發射極區、基極區、光吸收區、集電極區依次豎直分布，鈍化層包圍在器件的外圍。本發明通過在襯底和n+型區之間插入一層Sn的組份高于n+型區、光吸收區、p+型區GeSn合金的GeSn層作為應變弛豫層，使得采用該材料生長方法和結構的光電探測器較于傳統GeSn探測器有著相同Sn組份下更好的光電特性和更寬的探測范圍。
【專利說明】
基于弛豫GeSn材料的光電探測器
技術領域
[0001]本發明屬于光電子技術領域，更進一步涉及半導體光電紅外探測技術領域中的一種基于弛豫GeSn材料的光電探測器。本發明可在光電紅外探測領域進行近中紅外光信號探測。
【背景技術】
[0002]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。
[0003]IV族的GeSn材料，隨著GeSn合金中Sn組份的不斷增加，可以使其帶隙不斷減小，由間接帶隙轉變為直接帶隙材料，在O?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3μπι附近。
[0004]Thach Pham等作者在其發表的 “Systematic study of S1-based GeSnphotod1des with2.6μηι detector cutoff for short-wave infrared detect1n”(Optics Express ,vo1.24 ,pp.4519-4531,2016)論文中公開了一種GeSn二極管型光電探測器。該GeSn 二極管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，克服了現有技術制作的II1-V族材料的近中紅外器件難以硅基集成的難題，具有與金屬互補氧化物半導體CM0S(Complementary Metal Oxide Semiconductor)標準工藝相兼容的優點；同時相比于現今使用的IV族Ge探測器探測范圍較窄和光吸收系數較低的不足，GeSn光電探測器有著探測范圍更寬和光吸收效率更高的優點，而且由于該GeSn二極管型光電探測器中Sn組份提升到10%，因而將探測截止波長拓展到了2.6μπι。但是，該GeSn二極管型光電探測器仍然存在的不足之處是，由于GeSn材料生長在晶格常數小于GeSn合金的Ge材料上，因而在GeSn中引入了較大的壓應變，導致其禁帶寬度增大，從而減小了該GeSn二極管型光電探測器的探測波長，并且使得GeSn合金的缺陷增多，質量變差。
[0005]由于錫在鍺中的平衡固溶度很低(低于1%)，而且鍺錫材料與硅的晶格失配也很大，并且鍺與錫的晶格常數相差15%，因而，這些固有屬性對于高組分的鍺錫合金的外延帶來很多困難。即便如此，現今利用分子束外延(MBE)、低溫化學氣相外延(CVD)、磁控濺射技術，已經成功制備出Sn組份達到15 %的高質量的GeSn合金。但是，Sn組份越高，在Si或Ge襯底上異質外延生長GeSn越困難，對襯底以及生長技術的要求越高，因而充分利用每一組份下材料的最大特性是非常必要的。而現今直接生長在Si或Ge襯底上的GeSn合金，由于Si和Ge的晶格常數均小于GeSn的晶格常數，從而在外延的GeSn合金中引入垂直于生長方向平面內的面內雙軸壓應變。根據相關實驗測試結果和理論分析計算結論，GeSn合金中面內雙軸張應變的引入將會導致其能帶結構的變化，使其禁帶寬度相較于無應變存在的相同Sn組份的GeSn合金的禁帶寬度增大很多，并且根據實驗測試，無應變存在的GeSn合金在Sn組份為8%?11 %范圍內將由間接帶隙材料轉變為直接帶隙材料。
[0006]現有技術中的所有的硅基GeSn光電探測器均具有在GeSn光吸收區中存在壓應變，因而使得GeSn合金間接帶隙向直接帶隙轉變所對應的Sn組份進一步增加。而且由于較大的應變的存在使得GeSn合金中缺陷增多、材料質量變差。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于針對現已公開的GeSn光電探測器中，由于GeSn光吸收層中存在壓應變導致其探測波長減小、質量變差的缺點，采用應變較小或沒有應變存在的GeSn層作為光吸收區，制備基于弛豫GeSn材料的光電探測器，從而實現在同一 Sn組份條件下所制備的GeSn探測器具有更大的探測波長和更好材料質量的優勢。
[0008]實現本發明目的的具體思路是，根據材料特性研究表明，IV族復合材料GeSn合金具有比Ge更高的光吸收系數，而且隨著GeSn合金中負帶隙材料Sn的組份的增加，GeSn合金的帶隙不斷減小，理論上可以實現在O?0.66eV范圍內連續可調。但是，由于Sn在Ge中的固溶度很低，因而質量很好的高Sn組份含量的GeSn合金難以制備，因而在相同Sn組份下實現GeSn光電探測器探測波長最大化是可以拓寬探測范圍的有效方式，同時，盡可能提高同一組份下材料的質量是極為必要的。然而，現今已公開的GeSn光電探測器均由于生長在晶格常數小于GeSn晶格常數的Ge或Si襯底上，而且由于GeSn中Sn組份越高，GeSn與Ge或Si襯底的晶格失配度越高，因而會在GeSn中引入大的壓應變，使GeSn的禁帶寬度減小，導致其實際探測范圍的減小，并且，由于較大的壓應變的存在，使得GeSn合金的材料質量變差。本發明中的基于弛豫GeSn材料的光電探測器針對現有技術中存在的不足，在傳統GeSn探測器結構中引入GeSn弛豫層，在GeSn弛豫層上進行同質外延生長Sn組份低于弛豫層中Sn組份的GeSn，因而制備得到的GeSn中應變將會減小甚至無應變存在，從而使得制備的基于弛豫GeSn材料的光電探測器具有在相同Sn組份條件下具有更大的光探測范圍和更好的質量。
[0009]本發明包括襯底、n+型區、光吸收區、P+型區、保護層以及金屬電極;襯底和n+型區之間設置有弛豫層。弛豫層、n+型區、光吸收區、P+型區在襯底上依次由下至上豎直分布，保護層環繞覆蓋在光電探測器的四周;弛豫層、n+型區、光吸收區、P+型區均采用通式為GeSn的IV族復合材料。
[0010]與現有技術相比，本發明具有如下優點:
[0011]第一，由于本發明在襯底上引入GeSn弛豫層，克服了現已公開的GeSn光電探測器由于GeSn層中存在較大的壓應變作用，導致探測截止波長減小的不足，使得本發明具有在相同Sn組份的GeSn探測器中探測范圍更大的優點，拓寬探測范圍。
[0012]第二，由于本發明在GeSn弛豫層上同質外延生長GeSn材料，采用應變減小甚至無應變存在的GeSn材料作為光吸收區，克服現有技術中GeSn材料生長在晶格常數小于GeSn合金的Ge材料上，因而在GeSn中引入了較大的壓應變，導致其禁帶寬度增大的不足，使得本發明的光電探測器件的光吸收區中Ge Sn材料中壓應變的減少，Ge Sn材料中的缺陷進一步減小，光電性能進一步提升。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明的剖面圖；
[0014]圖2為本發明實施例中(004)晶面的高分辨率X射線衍射(HRXRD)圖；
[0015]圖3為本發明實施例中(224)晶面的高分辨率X射線衍射(HRXRD)圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明做進一步的描述。
[0017]參照圖1，本發明基于弛豫GeSn材料的光電探測器包括:襯底1、弛豫層2、n+型區3、光吸收區4、p+型區5、保護層6以及金屬電極7;弛豫層2、n+型區3、光吸收區4、p+型區5在襯底上依次由下至上豎直分布，且保護層6環繞覆蓋在器件的四周；弛豫層2、n+型區3、光吸收區
4、p+型區5均采用通式為GeSn的IV族復合材料。在襯底I和n+型區3之間增加弛豫層2，并且弛豫層2中GeSn材料的Sn組份高于n+型區3、光吸收區4、p+型區5中GeSn合金中的Sn組份，使得制備η+型區3、光吸收區4、p+型區5的GeSn材料壓應變減小甚至為無應變存在的GeSn合金，使得GeSn材料的質量進一步提尚。襯底I既可以米用單晶Si材料，也可以米用單晶Ge材料。
[0018]本發明實施例為在單晶Si襯底I上外延生長Sn的組份為0.4的GeQ.6SnQ.4合金300nm作為弛豫層2，在弛豫層2上外延生長Sn的組份為0.35的Ge0.65Sn0.35合金200nm，并進行離子注入形成n+型區3、光吸收區4和P+型區5。
[0019]對本發明實施例進行高分辨率X射線衍射測試，圖2為本發明實施例的(004)晶面的高分辨率X射線衍射(HRXRD)掃描曲線圖，圖3為本發明實施例的(224)晶面的高分辨率X射線衍射(HRXRD)圖。
[0020]由圖2和圖3可以看到質量良好的單晶Si襯底I具有陡直的尖峰和小的半寬度以及較少的側峰，而直接外延在單晶Si襯底I上的GeQ.6SnQ.4弛豫層2由于垂直外延生長方向的平面內存在由單晶Si襯底I引入的較大的雙軸壓應變，因而生長質量很差，如圖2和圖3中虛線圓圈所標注，存在很多側峰和寬的半寬度，而且在圖3中虛線圓圈所標注的區域難以找到圖線主峰值，表明Ge0.6Sn0.4弛豫層2中缺陷較多、質量較差，存在較大的應變。分析圖2和圖3中Ge0.65SnQ.3#；W應的高分辨率X射線衍射(HRXRD)掃描曲線，相較于GeQ.6SnQ.4弛豫層2所對應的高分辨率X射線衍射(HRXRD)掃描曲線，有著少的側峰、清晰的主峰以及相對較小的半寬度，表明生長在Ge0.6Sn0.4弛豫層2上的n+型區3、光吸收區4和P+型區5Ge0.65Sn0.35層中缺陷大量減少、材料質量極大提升，同時材料內應變減小，禁帶寬度相較于相同Sn的組份的GeSn合金減小，所制備的探測器探測波長得到延拓，有著更好的光電特性。
【主權項】
1.一種基于弛豫GeSn材料的光電探測器，包括:襯底(I)、n+型區(3)、光吸收區(4)、p+型區(5)、保護層(6)以及金屬電極(7);其特征在于，所述的襯底(I)和n+型區(3)之間設置有弛豫層(2)，所述的弛豫層(2)、n+型區(3)、光吸收區(4)、p+型區(5)在襯底上依次由下至上豎直分布，所述的保護層(6)環繞覆蓋在光電探測器的四周;所述的弛豫層(2)、n+型區(3)、光吸收區(4)、p+型區(5)均采用通式為GeSn的IV族復合材料。2.根據權利要求1所述基于弛豫GeSn材料的光電探測器，其特征在于，所述的襯底(I)米用單晶Si材料。3.根據權利要求1所述基于弛豫GeSn材料的光電探測器，其特征在于，所述的襯底(I)米用單晶Ge材料。4.根據權利要求1所述基于弛豫GeSn材料的光電探測器，其特征在于，所述的弛豫層(2)中GeSn合金的Sn的組份高于n+型區(3)、光吸收區(4)、p+型區(5)中GeSn合金的Sn的組份。
【文檔編號】H01L31/103GK105895727SQ201610255106
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月22日
【發明人】張春福, 韓根全, 王軼博, 汪銀花, 張進成, 郝躍
【申請人】西安電子科技大學