双本征Ge阻挡层GeSn合金PIN光电探测器制造技术

本发明专利技术涉及一种双本征Ge阻挡层GeSn合金PIN光电探测器及其制备方法，该方法包括：选取Si衬底；生长Ge籽晶层；生长Ge主体层；生长SiO2层；将整个衬底材料加热至700℃，采用连续激光工艺晶化，激光波长为808nm，光斑尺寸10mm×1mm，功率为1.5kW/cm

【技术实现步骤摘要】
双本征Ge阻挡层GeSn合金PIN光电探测器及其制备方法
本专利技术涉及集成电路
，特别涉及一种双本征Ge阻挡层GeSn合金PIN光电探测器。
技术介绍
目前，市场上大部分的半导体探测器都是使用直接带隙的III-V族材料制作的，如InGaAs和InSb等材料。由于这类器件价格昂贵且工艺步骤复杂，人们希望利用成熟的Si工艺技术来降低成本。同为IV族元素的Ge，由于可以和Si的工艺完全兼容，近年来逐渐成为Si基探测器研究的热点。虽然Ge与Si同属于间接带隙材料，但是在室温下其直接带隙为0.8eV，仅比间接带隙大0.134ev，而且Ge的能带结构容易通过张应变和N型掺杂来调控，使其变为准直接带隙材料，从而可以大大地提高载流子吸收系数。国内外Ge改性实现的一个重要方法是采用GeSn合金化的手段：当Sn含量达到一定组分时，可获得直接带隙改性Ge半导体。GeSn合金材料是近年兴起的新型半导体材料，载流子迁移率高、能带结构可调，将转变为直接带隙半导体材料，易发射和吸收光，特别是与成熟硅微电子工艺的兼容性，使其在硅基光电子器件如发光器件、光电探测器、光调制器以及高迁移率场效应晶体管等方面得到了广泛的研究与应用。改性后的Ge半导体可应用于光电子器件，其转换效率高，直接带隙光吸收效率与Ⅲ-Ⅴ族半导体相当。在探测器设计方面，优选具有高的Sn的组份和低暗电流的GeSn光电探测器，可显著提高在光谱响应和特殊检测率方面器件性能。GeSn光电探测器工作范围可以覆盖近红外和短波红外(NIR，SWIR)波长，不会像Ge探测器那样，在波长大于1550nm后，响应迅速下降，截止于1600nm。2009年12月美国亚利桑那州立大学(ASU)首次报导了UHV/CVD生长的硅基GeSn光电探测器。该探测器只引入2％的Sn，但是其响应范围覆盖了所有的光通信波段，在1700nm左右仍然具有响应。GeSn光电探测器以其灵敏面积准确，体积小，漏电流小，稳定性好等优点，在当前国内外有广阔的应用前景。因此，对GeSn合金材料实现方式及GeSn探测器的相关研究已成为当前国内外研究的热点和重点。Si基光电集成技术已日趋成熟，Si在地壳中储量巨大，获取方便且便宜，其机械强度和热性质好。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，理论上就能实现光信息高速传输。但Si与GeSn之间存在着很大的晶格失配问题，制备出的GeSn材料质量往往比较差。一个常见的解决方法是在Si衬底上利用低温-高温两步法生长Ge缓冲层。但两步法制备Ge缓冲层无法解决Ge/Si界面存在螺位错和表面粗糙度的问题，从而限制了GeSn探测器的探测效率。为了避免位错缺陷在外延的过程中沿纵向扩展而导致Ge/Si虚衬底晶体质量降低，可采用Ge/Si横向结晶生长的方法，抑制缺陷的扩展从而获得高质量的Ge/Si虚衬底。激光晶化技术是一种热致相变横向结晶的方法，是解决该问题的有效方案。此外，影响GeSn层质量的因素还有来自PIN探测器中Ge层的掺杂源的无意掺杂，这会降低本征GeSn层的晶体质量。因此，本专利技术提出了本征阻挡层结构来解决这一问题。由于本征Ge阻挡层的存在，实现了GeSn层与其他掺杂Ge层的隔离，有利于实现高质量的GeSn层，从而使GeSn探测器获得优良的器件性能。
技术实现思路
因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本专利技术提出一种基于Ge/Si虚衬底的双本征Ge阻挡层GeSn合金光电探测器及其制备方法。具体地，本专利技术一个实施例提出的一种双本征Ge阻挡层GeSn合金PIN光电探测器的制备方法，包括：S101、选取单晶Si衬底材料；S102、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述单晶Si衬底上生长厚度为40～50nm的Ge籽晶层；S103、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在所述Ge籽晶层表面生长厚度为150～250nm的Ge主体层；S104、利用CVD工艺在所述Ge主体层表面上淀积厚度为150nm第一SiO2层；S105、将包括所述单晶Si衬底、所述Ge籽晶层、所述Ge主体层及所述第一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，形成晶化Ge层；S106、自然冷却整个衬底材料；S107、利用干法刻蚀工艺刻蚀所述第一SiO2层，以得到Ge/Si虚衬底；S108、在600℃～650℃温度下，在所述晶化Ge层表面淀积厚度为280～300nm的N型Ge层，掺杂浓度为5×1018cm-3；S109、在400℃温度和0.2Torr压强下，以H2作为运载气体，GeH4作为气体源，在所述N型Ge层表面生长厚度15～20nm的本征Ge层；S110、在H2氛围中将温度将低至350℃温度，以SnCl4和GeH4作为Sn和Ge源，在所述本征Ge层表面生长厚度为250～300nm的GeSn层；S111、在400℃温度和0.2Torr压强下，以H2作为运载气体，GeH4作为气体源，在所述GeSn层表面生长厚度为15～20nm的本征Ge层；S112、以每分钟升高1℃的速度对整个衬底进行升温至600℃，同时稳定GeH4气体源的压强，在达到600℃后，引入1％的B2H6作为B源，在所述本征Ge层表面生长厚度为100～150nm的P型Ge层；S113、在300℃～350℃温度下，在所述P型Ge层表面淀积厚度为5～10nm的Si帽层；S114、利用反应离子刻蚀工艺进行对所述Si帽层、所述P型Ge层、所述本征Ge层、所述GeSn层及所述本征Ge层进行刻蚀，刻蚀的深度为500nm，形成台阶；S115、利用PECVD工艺在整个衬底表面淀积厚度为200～250nm的SiO2钝化层；S116、利用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定区域的SiO2材料形成接触孔；S117、利用电子束蒸发工艺淀积厚度为150～200nm的Ni材料；S118、利用刻蚀工艺刻蚀所述Ni材料以形成所述双本征Ge阻挡层GeSn合金PIN光电探测器。本专利技术另一个实施例提出的一种双本征Ge阻挡层GeSn合金PIN光电探测器，包括：单晶Si衬底、晶化Ge层、N型Ge层、本征Ge层、GeSn层、本征Ge层、P型Ge层及Si帽层；其中，所述双本征Ge阻挡层GeSn合金PIN光电探测器由上述实施例提供的方法制备形成。本专利技术再一个实施例提出的一种双本征Ge阻挡层GeSn合金PIN光电探测器的制备方法，包括：选取Si衬底；第一温度范围下，在所述Si衬底表面生长Ge籽晶层；第二温度范围下，在所述Ge籽晶层表面生长Ge主体层；在所述Ge主体层表面生长第一SiO2层；将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，形成晶化Ge层；去除所述第一SiO2层；在所述晶化Ge层表面连续生长N型Ge层、本征Ge层、GeSn层、本征Ge层、P型Ge层及Si帽层；对所述Si帽层、所述P型Ge层、所述本征Ge层、所述GeSn层及所述本征Ge层进行刻蚀，形成台阶；在整体衬底表面生长Ni材料，刻蚀所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双本征Ge阻挡层GeSn合金PIN光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：S101、选取单晶Si衬底材料；S102、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述单晶Si衬底上生长厚度为40～50nm的Ge籽晶层；S103、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在所述Ge籽晶层表面生长厚度为150～250nm的Ge主体层；S104、利用CVD工艺在所述Ge主体层表面上淀积厚度为150nm第一SiO2层；S105、将包括所述单晶Si衬底、所述Ge籽晶层、所述Ge主体层及所述第一SiO2层的整个衬底材料加热至700℃，采用连续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/cm

【技术特征摘要】
1.一种双本征Ge阻挡层GeSn合金PIN光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：S101、选取单晶Si衬底材料；S102、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述单晶Si衬底上生长厚度为40～50nm的Ge籽晶层；S103、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在所述Ge籽晶层表面生长厚度为150～250nm的Ge主体层；S104、利用CVD工艺在所述Ge主体层表面上淀积厚度为150nm第一SiO2层；S105、将包括所述单晶Si衬底、所述Ge籽晶层、所述Ge主体层及所述第一SiO2层的整个衬底材料加热至700℃，采用连续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，形成晶化Ge层；S106、自然冷却整个衬底材料；S107、利用干法刻蚀工艺刻蚀所述第一SiO2层，以得到Ge/Si虚衬底；S108、在600℃～650℃温度下，在所述晶化Ge层表面淀积厚度为280～300nm的N型Ge层，掺杂浓度为5×1018cm-3；S109、在400℃温度和0.2Torr压强下，以H2作为运载气体，GeH4作为气体源，在所述N型Ge层表面生长厚度15～20nm的本征Ge阻挡层；S110、在H2氛围中将温度将低至350℃温度，以SnCl4和GeH4作为Sn和Ge源，在所述本征Ge层表面生长厚度为250～300nm的GeSn层；S111、在400℃温度和0.2Torr压强下，以H2作为运载气体，GeH4作为气体源，在所述GeSn层表面生长厚度为15～20nm的本征Ge阻挡层；S112、以每分钟升高1℃的速度对整个衬底进行升温至600℃，同时稳定GeH4气体源的压强，在达到600℃后，引入1％的B2H6作为B源，在所述Ge阻挡层表面生长厚度为100～150nm的P型Ge层；S113、在300℃～350℃温度下，在所述P型Ge层表面淀积厚度为5～10nm的Si帽层；S114、利用反应离子刻蚀工艺进行对所述Si帽层、所述P型Ge层、所述本征Ge阻挡层、所述GeSn层及所述本征Ge阻挡层进行刻蚀，刻蚀的深度为500nm，形成台阶；S115、利用PECVD工艺在整个衬底表面淀积厚度为200～250nm的SiO2钝化层；S116、利用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定区域的SiO2材料形成接触孔；S117、利用电子束蒸发工艺淀积厚度为150～200nm的Ni材料；S118、利用刻蚀工艺刻蚀所述Ni材料以形成所述双本征Ge阻挡层GeSn合金PIN光电探测器...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗渊浩，宋建军，蒋道福，胡辉勇，宣荣喜，舒斌，张鹤鸣，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61