橫向Ⅳ族元素量子阱光電探測(cè)器及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種光電探測(cè)器，可用于寬帶通信，醫(yī)療，監(jiān)測(cè)及自動(dòng)影像等。
【背景技術(shù)】
[0002]光電探測(cè)器通常工作在低溫環(huán)境，現(xiàn)今的制冷紅外IR傳感系統(tǒng)所用的材料有HgCdTe(MCT)、InSb, PtSi和摻雜Si，對(duì)于IR傳感器的應(yīng)用，量子阱紅外探測(cè)器還是相對(duì)較新的技術(shù)。HgCdTe是研究最廣泛的用半導(dǎo)體合金系統(tǒng)的一種紅外探測(cè)器，到目前為止，基于HgCdTe焦平面探測(cè)器的熱像儀仍是紅外焦平面熱成像技術(shù)的主流發(fā)展方向之一。HgxCd1 xTe探測(cè)器是目前性能最好的中紅外探測(cè)器，通過(guò)調(diào)節(jié)材料中Hg的組分可以實(shí)現(xiàn)帶隙0-0.SeV的連續(xù)可調(diào)。然而無(wú)論II1-V族或者I1-VI族材料，本身都會(huì)引起環(huán)境污染、成本非常高與Si基技術(shù)不兼容等問(wèn)題。因此，IV族材料體系硅基兼容、無(wú)毒環(huán)保成為了另一主流發(fā)展方向。
[0003]Ge，IV族半導(dǎo)體材料，在1.3-1.55 μ m波段范圍內(nèi)有很高的吸收效率，且可直接在Si襯底上外延生長(zhǎng)高質(zhì)量Ge薄膜，因此Ge被認(rèn)為近紅外探測(cè)器的理想備選材料。室溫下，Ge直接帶隙為0.80eV，因此Ge探測(cè)器吸收邊在1.55 μ m左右，不能覆蓋中紅外波段?？赏ㄟ^(guò)引入Sn原子來(lái)改變Ge基探測(cè)器的吸收邊。GeSn合金具有比Ge更小的直接帶隙，因此吸收邊可以進(jìn)一步紅移。量子阱結(jié)構(gòu)是一種夾層超晶格，其探測(cè)機(jī)理與傳統(tǒng)探測(cè)器截然不同，它是靠一個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)中光子和電子之間的量子力學(xué)相互作用來(lái)完成探測(cè)的。
[0004]從理論上說(shuō)增加Sn的組分可以使GeSn材料的帶隙減小到零，但由于Sn在Ge中的固溶度很低小于1%，因此制備高質(zhì)量、無(wú)缺陷的高Sn組分的GeSn很困難。現(xiàn)在用低溫外延生長(zhǎng)的方法也只能制備出Sn組分為20?25%的GeSn材料[ECSTransact1ns, 41 (7), pp.231, 2011 ；Photonics Research, I (2).pp.69, 2013]。并且隨著Sn組分的增加，Sn原子會(huì)偏析或者分凝，材料質(zhì)量和熱穩(wěn)定型都會(huì)變差，因此單純依靠提高Sn的組分實(shí)現(xiàn)較大范圍帶隙的調(diào)節(jié)比較困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，根據(jù)GeSn材料特性，提供一種橫向IV族元素量子阱光電探測(cè)器，以減小光電探測(cè)器原材料毒性，增大探測(cè)器的吸收譜波長(zhǎng)范圍。
[0006]理論研究和實(shí)驗(yàn)證明在GeSn材料中引入張應(yīng)變可以導(dǎo)致材料直接帶隙減小，并有利于材料從間接帶隙結(jié)構(gòu)向直接帶隙轉(zhuǎn)變，根據(jù)此原理本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—.本發(fā)明的橫向IV族元素量子阱光電探測(cè)器，自下而上包括:襯底、下電極、吸收區(qū)和上電極，其特征在于:
[0008]吸收區(qū)由GeSn量子講和SiGeSn勢(shì)皇層橫向交疊排列組成；
[0009]所述量子阱采用Sn組分為大于等于O小于等于0.3的GeSn應(yīng)變單晶材料；
[0010]所述勢(shì)皇層采用Sn組分為大于等于O小于等于0.3,Ge組分為大于等于O小于等于I的單晶材料。
[0011]二.本發(fā)明制作上述橫向IV族元素量子阱光電探測(cè)器的方法，包括如下步驟:
[0012]I)利用分子束外延工藝，在襯底上依次生長(zhǎng)Sn組分為O?0.3的η型GeSn單晶和弛豫本征GeSn單晶，其中η型GeSn單晶的摻雜元素為磷，摻雜濃度為10lscm 3，即下電極；
[0013]2)利用刻蝕工藝，將弛豫本征GeSn單晶刻成橫向量子阱，形成GeSn量子阱與間隙在橫向的交疊排列；
[0014]3)利用分子束外延工藝，在橫向量子講的間隙中生長(zhǎng)Ge組分為O?1、Sn組分O?0.3的SiGeSn單晶材料；
[0015]4)利用咼子注入，在材料為GeSn/SiGeSn單晶的量子講頂部中注入劑量為115Cm 2，能量為20KeV的硼元素，形成P型電極，未被注入的SiGeSn單晶材料區(qū)域形成勢(shì)皇層，形成GeSn量子講與SiGeSn勢(shì)皇層的橫向交疊排列結(jié)構(gòu)。
[0016]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0017]1、利用應(yīng)變，提高了發(fā)光有源區(qū)材料帶隙調(diào)節(jié)效果
[0018]本發(fā)明采用GeSn單晶材料形成量子阱，當(dāng)SiGeSn晶格常數(shù)比GeSn小時(shí)，在GeSn量子阱中引入橫向即X方向張應(yīng)變，從而改變了 GeSn量子阱材料帶隙，在不改變GeSn量子阱材料組分的情況下，可以有效調(diào)節(jié)器件吸收波長(zhǎng)范圍，同時(shí)，還可以通過(guò)減小GeSn量子阱和SiGeSn勢(shì)皇的厚度比來(lái)增加GeSn量子阱吸收區(qū)的應(yīng)變，從而增強(qiáng)吸收區(qū)材料帶隙調(diào)節(jié)效果。
[0019]2、采用材料價(jià)格低廉、無(wú)毒環(huán)保
[0020]本發(fā)明中所采用的材料均為IV族材料，同現(xiàn)有的II1-V族材料和I1-VI材料相比，IV族材料無(wú)毒環(huán)保、價(jià)格低廉。同時(shí)，目前半導(dǎo)體制造工業(yè)中的大部分生產(chǎn)設(shè)備是針對(duì)Si材料設(shè)計(jì)的，若采用II1-V族材料和I1-VI材料，則由于與Si工藝不兼容性，不容易實(shí)現(xiàn)Si基集成。而使用IV族材料，易制備出Si基集成的GeSn光電探測(cè)器。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明橫向IV族元素量子阱光電探測(cè)器的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖2為本發(fā)明橫向IV族元素量子阱光電探測(cè)器的截面結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖3為本發(fā)明橫向IV族元素量子阱光電探測(cè)器的制作流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0025]1.參照?qǐng)D1和圖2，本發(fā)明的橫向IV族元素量子阱光電探測(cè)器自下而上包括:襯底
1、下電極2、吸收區(qū)3和上電極4，其中下電極2為η型摻雜的GeSn單晶材料，上電極4為P型摻雜的GeSn和SiGeSn單晶材料，吸收區(qū)3由GeSn量子阱31和SiGeSn勢(shì)皇層32橫向交疊排列組成。量子阱31采用Sn組分為大于等于O小于等于0.3的GeSn應(yīng)變單晶材料，其通式為Ge1 xSnx，0 ^ x ^ 0.30 ;勢(shì)皇層32采用Sn組分為大于等于O小于等于0.3、Ge組分為大于等于O小于等于I的SiGeSn單晶材料，其通式為Si1 y zGeySnz，0 ^ y ^ I,O ^ z 0.30 ;各層從下至上分別為:襯底1、下電極2、吸收區(qū)3、上電極4，吸收區(qū)由上述量子阱31與勢(shì)皇層32橫向交疊排列組成。
[0026]由于SiGeSn勢(shì)皇層32的晶格常數(shù)比GeSn量子阱31的晶格常數(shù)小，使得在GeSn量子阱31沿X方向產(chǎn)生的張應(yīng)變，減小了 GeSn量子阱的帶隙，提高器件吸收譜波長(zhǎng)范圍。
[0027]參照?qǐng)D3，本發(fā)明制作橫向IV族元素量子阱光電探測(cè)器的方法，給出如下三種實(shí)施例。
[0028]實(shí)施例1:制作量子阱的Sn組分為0.3的，勢(shì)皇層的Ge組分為0，Si組分為0.7的橫向IV族元素量子阱光電探測(cè)器。
[0029]步驟1:在Si襯底I上，利用分子束外延工藝，以固體磷、鍺和錫作為蒸發(fā)源，用10 4pa的壓強(qiáng)，在180°C環(huán)境下，依次生長(zhǎng)η型GeSn單晶和弛豫本征GeSn單晶，其中Sn組分均為0.3，Ge組分為0.7，所生長(zhǎng)的η型GeSn單晶即為下電極2，如圖3a。
[0030]步驟2:利用刻蝕技術(shù)，采用氯基離子基團(tuán)，在光刻膠掩蔽作用下，將本征GeSn單晶刻成橫向量子阱31，如圖3b。
[0031]步驟3:利用分子束外延工藝，以固體硅、鍺和錫作為蒸發(fā)源，用10 4pa的壓強(qiáng)，在180°C環(huán)境下，在GeSn量子阱之間間隙中生長(zhǎng)Si組分為0.7，Ge組分為0，Sn組分為0.3的SiGeSn單晶材料，如圖3c。
[0032]由于S1、Ge、Sn三者的晶格常數(shù)關(guān)系為:aSl〈aSe〈aSn，所以該SiGeSn