一种单向载流子传输光电探测器及其制造方法技术

本申请提供一种单向载流子传输光电探测器及其制造方法。该探测器包括：位于衬底表面的阴极接触层，所述阴极接触层用于和阴极电极接触；位于所述阴极接触层表面的电子收集区；位于所述电子收集区表面的缓冲层；位于所述缓冲层表面的光吸收区，所述光吸收区的材料为锗锡，所述光吸收区吸收光并生成电子和空穴；位于所述光吸收区表面的势垒层，所述势垒层与所述光吸收区界面形成导带带阶，所述带阶阻止所述光吸收区生成的电子穿过所述界面；以及位于所述势垒层表面的阳极接触区。本申请有利于实现大功率高速单向载流子传输探测器。

A one-way carrier transport photodetector and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
一种单向载流子传输光电探测器及其制造方法
本申请涉及半导体
，尤其涉及一种单向载流子传输光电探测器及其制造方法。
技术介绍
GeSn材料作为一种新型的四族合金材料，在近红外乃至短波红外有着大的吸收系数，是制备Si红外光电探测器的理想材料。近年来，GeSn红外探测器受到了广泛的研究。WeiDu等作者在其发表的“Silicon-basedGe0.89Sn0.11photodetectorandlightemittertowardsmid-infraredapplications”中公开了一种面接收型GeSn光电探测器，Sn含量的11％的GeSn合金作为吸收层，其光响应范围扩展至3um波段。应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的
技术介绍
部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
技术实现思路
本申请的专利技术人发现：在传统的pin型光电探测器中，光电探测器的载流子包括空穴和电子，由于空穴在耗尽区迁移速度慢，载流子迁移时间主要取决于空穴的输运时间；并且，当输入电流或者功率增大时，低迁移率空穴在输运中形成堆积，使得电位分布发生变形，阻碍光生载流子收集，输出光电流饱和。本申请实施例提供一种单向载流子传输光电探测器及其制造方法，由电子作为唯一活性载流子，因而更适用于大入射光强和大电流的高速输出，此外，采用锗锡材料作为光吸收层，能在红外波段具有更广的探测范围，并极大地提高电子迁移率，从而有利于实现大功率高速单向载流子传输探测器。根据本申请实施例的一个方面，提供一种单向载流子传输光电探测器，包括：位于衬底表面的阴极接触层，所述阴极接触层用于和阴极电极接触；位于所述阴极接触层表面的电子收集区；位于所述电子收集区表面的缓冲层；位于所述缓冲层表面的光吸收区，所述光吸收区的材料为锗锡(GeSn)，所述光吸收区吸收光并生成电子和空穴；位于所述光吸收区表面的势垒层，所述势垒层与所述光吸收区界面的导带形成导带带阶，所述带阶阻止所述光吸收区生成的电子穿过所述界面；以及位于所述势垒层表面的阳极接触区，所述阳极接触层用于和阳极电极接触，其中，所述电子收集区用于收集所述光吸收区产生的电子，所述缓冲层用于缓冲所述电子收集区和所述光吸收区之间的应力。根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述电子收集区、所述缓冲层、所述光吸收区、所述势垒层以及所述阳极接触区形成的叠层的横向尺寸小于所述阴极接触区的横向尺寸，所述单向载流子传输光电探测器还具有减反射层，其覆盖于所述叠层的侧壁、所述阳极接触区的表面、以及所述阴极接触层从所述叠层两侧露出的表面。根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述阴极电极位于所述阴极接触层从所述叠层两侧露出的表面，所述阳极电极位于所述阳极接触区的表面。根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述阴极接触层和所述电子收集区分别是n型掺杂的硅材料和非掺杂的硅材料。根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述缓冲层是非掺杂的锗(Ge)材料或非掺杂的锗硅(GeSi)材料。根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述势垒层的材料与所述光吸收区的材料的晶格常数相差±10％以内。根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述阳极接触层材料为p型掺杂的锗或III-V族材料。根据本申请实施例的另一个方面，提供一种单向载流子传输光电探测器的制造方法，包括：在衬底表面沉积阴极接触层；在所述阴极接触层表面形成叠层，所述叠层自下而上依次包括电子收集区、缓冲层、光吸收区、势垒层和阳极接触区，所述叠层的横向尺寸小于所述阴极接触区的横向尺寸；以及形成阴极电极和阳极电极，所述阴极电极位于所述阴极接触层从所述叠层两侧露出的表面，所述阳极电极位于所述阳极接触区的表面。根据本申请实施例的另一个方面，其中，形成所述叠层的步骤包括：在所述阴极接触层表面自下而上依次沉积电子收集区材料、缓冲层材料、光吸收区材料、势垒层材料和阳极接触区材料，以形成材料叠层；刻蚀所述材料叠层，以缩小所述材料叠层的横向尺寸，形成所述叠层，所述叠层和所述阴极接触层之间形成台面。根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述方法还包括：沉积减反射层，其覆盖于所述叠层的侧壁、所述阳极接触区的表面、以及所述阴极接触层从所述叠层两侧露出的表面；其中，形成阴极电极和阳极电极的步骤包括：刻蚀所述减反射层的一部分，形成阴极接触孔和阳极接触孔；在所述减反射层表面沉积导电材料，并刻蚀掉部分所述导电材料，保留在所述阴极接触孔和所述阳极接触孔内的导电材料形成所述阴极电极和所述阳极电极。本申请的有益效果在于：由电子作为唯一活性载流子，因而更适用于大入射光强和大电流的高速输出，此外，采用锗锡材料作为光吸收层，能在红外波段具有更广的探测范围，并极大地提高电子迁移率，从而有利于实现大功率高速单向载流子传输探测器。参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。附图说明所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：图1是本申请实施例1的单向载流子传输光电探测器的一个截面示意图；图2是本申请实施例2的单向载流子传输光电探测器的制造方法的一个示意图；图3的(a)-图3的(d)是本申请实施例2中各步骤对应的器件截面图。具体实施方式参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。在本申请各实施例的说明中，为描述方便，将平行于衬底的表面的方向称为“横向”，将垂直于衬底的表面的方向称为“纵向”，其中，各部件的“厚度”是指该部件在“纵向”的尺寸，在“纵向”中，从衬底指向阳极接触层的方向称为“上”方向，与“上”方向相反的为“下”方向。实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单向载流子传输光电探测器，包括：/n位于衬底表面的阴极接触层，所述阴极接触层用于和阴极电极接触；/n位于所述阴极接触层表面的电子收集区；/n位于所述电子收集区表面的缓冲层；/n位于所述缓冲层表面的光吸收区，所述光吸收区的材料为锗锡(GeSn)，所述光吸收区吸收光并生成电子和空穴；/n位于所述光吸收区表面的势垒层，所述势垒层与所述光吸收区界面形成导带带阶，所述带阶阻止所述光吸收区生成的电子穿过所述界面；以及/n位于所述势垒层表面的阳极接触区，所述阳极接触层用于和阳极电极接触，/n其中，所述电子收集区用于收集所述光吸收区产生的电子，所述缓冲层用于缓冲所述电子收集区和所述光吸收区之间的应力。/n

【技术特征摘要】
1.一种单向载流子传输光电探测器，包括：
位于衬底表面的阴极接触层，所述阴极接触层用于和阴极电极接触；
位于所述阴极接触层表面的电子收集区；
位于所述电子收集区表面的缓冲层；
位于所述缓冲层表面的光吸收区，所述光吸收区的材料为锗锡(GeSn)，所述光吸收区吸收光并生成电子和空穴；
位于所述光吸收区表面的势垒层，所述势垒层与所述光吸收区界面形成导带带阶，所述带阶阻止所述光吸收区生成的电子穿过所述界面；以及
位于所述势垒层表面的阳极接触区，所述阳极接触层用于和阳极电极接触，
其中，所述电子收集区用于收集所述光吸收区产生的电子，所述缓冲层用于缓冲所述电子收集区和所述光吸收区之间的应力。


2.如权利要求1所述的单向载流子传输光电探测器，其中，
所述电子收集区、所述缓冲层、所述光吸收区、所述势垒层以及所述阳极接触区形成的叠层的横向尺寸小于所述阴极接触区的横向尺寸，
所述单向载流子传输光电探测器还具有减反射层，其覆盖于所述叠层的侧壁、所述阳极接触区的表面、以及所述阴极接触层从所述叠层两侧露出的表面。


3.如权利要求2所述的单向载流子传输光电探测器，其中，
所述阴极电极位于所述阴极接触层从所述叠层两侧露出的表面，
所述阳极电极位于所述阳极接触区的表面。


4.如权利要求1所述的单向载流子传输光电探测器，其中，
所述阴极接触层和所述电子收集区分别是n型掺杂的硅材料和非掺杂的硅材料。


5.如权利要求4所述的单向载流子传输光电探测器，其中，
所述缓冲层是非掺杂的锗(Ge)材料或非掺杂的锗硅(GeSi)材料。


6.如权利要求4所述的单向载流子传输光电探测器，其中，
所述势垒层的材料与所述光吸收区的材料的晶格常数相差±10％以内。

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【专利技术属性】
技术研发人员：汪巍，方青，余明斌，
申请(专利权)人：上海新微技术研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31