Si衬底上GeSn及Ge雪崩光电二极管及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种Si衬底上GeSn/Ge雪崩光电二极管及其制造方法。一种Si衬底上GeSn/Ge雪崩光电二极管，包括由下至上依次堆叠的：下部掺杂硅区，本征硅倍增层，中间掺杂硅层，本征锗吸收层，本征锗锡吸收层，上部掺杂锗锡层，其中，所述本征锗吸收层、本征锗锡吸收层和上部掺杂锗锡层中的至少上部掺杂锗锡层为黑锗锡；所述下部掺杂硅层和所述上部掺杂锗锡层还分别连接有电极。本发明专利技术解决了现有APDs对2μm以上的波长吸收率低的问题。上的波长吸收率低的问题。上的波长吸收率低的问题。

【技术实现步骤摘要】
Si衬底上GeSn及Ge雪崩光电二极管及其制造方法


[0001]本专利技术涉及半导体领域，特别涉及一种Si衬底上GeSn及Ge雪崩光电二极管及其制造方法。

技术介绍

[0002]短波红外(SWIR，λ＝1
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3μm)成像技术在夜视、无损伤检测、光通信、激光雷达、测距、相干传感、医疗诊断、高端监控、铁路、天文等领域具有鲜明的不可替代的优势。作为一种极其灵敏的光电探测器，雪崩光电二极管(Avalanche Photodiodes,APDs)可通过碰撞电离使电荷载流子倍增，从而器件的性能得到显著提升。商业化的InGaAs/InP SWIR APDs存在制造工艺昂贵、晶圆尺寸小、后脉冲效应高、死区时间长、暗计数率高等问题，导致器件性能问题主要原因是InP倍增区域的空穴与电子碰撞电离系数比较大(0.4
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0.5)。尽管低成本Si材料的空穴与电子碰撞电离系数比(0.1)优于InP材料，但其截止波长为1.1μm，不适用于SWIR成像应用。
[0003]同为四族的Ge半导体材料在波长大于1.6μm时的吸收系数极低，这使得Ge不适合1.6
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3μm波长范围的SWIR成像。为提升Ge在1.6
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3μm波长范围的吸收系数，研究人员提出在Ge半导体材料中掺入Sn元素形成GeSn合金。理论与实验研究均表明：GeSn合金是非常重要的SWIR半导体材料，有望实现低成本、高性能的SWIR APDs。常规的GeSn/Si SWIR APDs以Si层和GeSn层作为倍增区域和吸收区域。此外，研究人员还采用GeSn/Ge多量子阱结构作为吸收区域。受到GeSn材料生长技术与本征吸收特性的限制，目前报道的GeSn/Si SWIR APDs对大于2μm的波吸收率差，导致器件性能差，不能满足实际应用的要求。因此，突破相关技术瓶颈对于低成本、高性能GeSn/Si SWIR APDs的大规模生产和商业化来说至关重要。为此，提出本专利技术。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于一种Si衬底上GeSn及Ge雪崩光电二极管及其制造方法，解决了现有APDs对2μm以上的波长吸收率低的问题。
[0005]为了实现以上目的，本专利技术提供了以下技术方案。
[0006]本专利技术的第一方面提供了一种Si衬底上GeSn及Ge雪崩光电二极管，包括由下至上依次堆叠的：
[0007]下部掺杂硅区，
[0008]本征硅倍增层，
[0009]中间掺杂硅层，
[0010]本征锗吸收层，
[0011]本征锗锡吸收层，
[0012]上部掺杂锗锡层，
[0013]其中，所述本征锗吸收层、本征锗锡吸收层和上部掺杂锗锡层中的至少上部掺杂
锗锡层为黑锗锡；
[0014]所述下部掺杂硅层和所述上部掺杂锗锡层还分别连接有电极。
[0015]本专利技术对雪崩光电二极管最上方的掺杂锗锡层的结构改进，使其下方的锗及锗锡吸收层具有了“黑色效应”，对1.6μm及以上甚至2μm的光波吸收率达到90％以上，甚至99％以上，显著提升了低反射特性，因此，本专利技术的雪崩光电二极管亦可称之为“Si衬底上黑GeSn及黑Ge雪崩光电二极管”。其中，本专利技术所述的“黑锗锡”是指具有粗糙表面的材料，包括但不限于纳米尺寸的毛刺状、随机锥形尖刺、草状、金字塔状、纳米线、多孔结构等，这些形状可以深入到本征锗锡吸收层甚至深入至本征锗吸收层。
[0016]另外，与商业化的InGaAs/InP SWIR APDs相比，本专利技术的黑GeSn/黑Ge/Si SWIR APDs具有低成本、与硅工艺兼容、大晶圆尺寸、宽频谱范围、可大批量生产、可在室温下工作等优势，是变革SWIR探测领域的关键技术，其实现有助于推动红外夜视、量子计算、量子通信、激光雷达、医疗成像、无人驾驶、污染监测、航行安全等高科技
的快速发展。
[0017]对于各区域和各层的掺杂类型则根据二极管的用途而定，例如根据电子倍增或空穴倍增不同类型而定，目前应用比较广泛的是电子倍增。
[0018]当采用电子倍增的二极管时，所述下部掺杂硅区的掺杂为n掺杂，且所述中间掺杂硅层和所述上部掺杂锗锡层的掺杂为p掺杂。
[0019]当采用空穴倍增的二极管时，将电子倍增的二极管各掺杂层的类型替换即可，具体为n掺杂改为p掺杂，p掺杂改为n掺杂。
[0020]在一些实施方式中，所述本征硅倍增层的上表面设有凹陷区域，所述中间掺杂硅层位于所述凹陷区域。
[0021]采用这种结构可以有效降低边缘漏电或边缘击穿问题。
[0022]在一些实施方式中，所述黑锗锡的深度为0.01～4μm，直径为0.01～1μm，以显著提高对1.6～2.0μm范围波长的吸收率。
[0023]在一些实施方式中，所述下部掺杂硅区采用掺杂的硅衬底，或者在未掺杂的硅衬底上设有掺杂硅层的结构。两种形成的二极管各有优势，前者成本低，后者掺杂硅层的厚度可控。
[0024]另外，上述未掺杂的硅衬底也可以替换为其他衬底，包括但不限于SOI(绝缘体上硅)，蓝宝石，SOS(蓝宝石上硅)，SGOI(绝缘体上硅锗)，SGOS(蓝宝石上硅锗)，GOI(绝缘体上锗)，GOS(蓝宝石上锗)，GaAsOI(绝缘体上GaAs)和GaAsOS(蓝宝石上GaAs)衬底等。
[0025]在一些实施方式中在一些实施方式中，所述电极为透明电极。
[0026]在一些实施方式中，所述本征硅倍增层的厚度、中间掺杂硅层的厚度、本征锗吸收层与本征锗锡吸收层总厚、上部掺杂锗锡层的厚度分别为0.5～2μm、80～120nm、0.5～3μm、80～120nm。
[0027]在一些实施方式中，所述下部掺杂硅区采用在未掺杂的硅衬底上设有掺杂硅层的结构，所述掺杂硅层的厚度为0.5～2μm。
[0028]本专利技术的第二方面提供了上文所述的Si衬底上GeSn及Ge雪崩光电二极管的制造方法，包括下列步骤：
[0029]先形成由下至上依次堆叠的以下结构：下部掺杂硅区、本征硅倍增层、中间掺杂硅层、外延锗层、外延锗锡层，
[0030]对所述外延锗锡层的浅表层进行掺杂，形成上部掺杂锗锡层，下方剩余锗层为本征锗锡吸收层；
[0031]再刻蚀所述本征锗吸收层、本征锗锡吸收层和上部掺杂锗锡层中的至少上部掺杂锗锡层，使其形成黑锗锡；
[0032]从所述下部掺杂硅层和所述上部掺杂锗锡层引出电极。
[0033]以上工艺与现有的APDs兼容性好，降低了产品升级难度。
[0034]在一些实施例中，采用如下方法形成所述本征硅倍增层和中间掺杂硅层：
[0035]在下部掺杂硅区上方形成硅膜，然后将硅膜浅表层的中心区域进行掺杂以形成中间掺杂硅层，其余硅膜作为本征硅倍增层。
[0036]或者，采用如下方法形成所述本征硅倍增层和中间掺杂硅层：
[0037]在下部掺杂硅区上方形成硅膜，作为本征硅倍增层；
[0038]然后在本征硅倍增本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Si衬底上GeSn/Ge雪崩光电二极管，其特征在于，包括由下至上依次堆叠的：下部掺杂硅区，本征硅倍增层，中间掺杂硅层，本征锗吸收层，本征锗锡吸收层，上部掺杂锗锡层，其中，所述本征锗吸收层、本征锗锡吸收层和上部掺杂锗锡层中的至少上部掺杂锗锡层为黑锗锡；所述下部掺杂硅层和所述上部掺杂锗锡层还分别连接有电极。2.如权利要求1所述的Si衬底上GeSn/Ge雪崩光电二极管，其特征在于，所述本征硅倍增层的上表面设有凹陷区域，所述中间掺杂硅层位于所述凹陷区域。3.如权利要求1所述的Si衬底上GeSn/Ge雪崩光电二极管，其特征在于，所述黑锗锡的深度为0.01～4μm，直径为0.01～1μm。4.如权利要求1所述的Si衬底上GeSn/Ge雪崩光电二极管，其特征在于，所述下部掺杂硅区采用掺杂的硅衬底，或者在未掺杂的硅衬底上设有掺杂硅层的结构。5.如权利要求1
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4任一项所述的Si衬底上GeSn/Ge雪崩光电二极管，其特征在于，所述下部掺杂硅区的掺杂为n掺杂，且所述中间掺杂硅层和所述上部掺杂锗锡层的掺杂为p掺杂。6.如权利要求1所述的Si衬底上GeSn/Ge雪崩光电二极管，其特征在于，所述电极为透明电极。7.如权利要求1所述的Si衬底上GeSn/Ge雪崩光电二极管，其特征在于，所述本征硅倍增层的厚度、中间掺杂硅层的厚度、本征锗吸收层与本征锗锡吸收层总厚、上部掺杂锗锡层的厚度分别为0.5～2μm、80～120nm、0.5～3μm、80～120nm；优选地，本征锗吸收层厚度与本征锗锡吸收层厚度的比例大于1：1。8.如权利要求7所述的Si衬底上GeSn/Ge雪崩光电二极管，其特征在于，所述下部掺杂硅区采用在未掺杂的硅衬底上设有掺杂硅层的结构，所述掺杂硅层的厚度为0.5～2μm。9.权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：亨利，
申请(专利权)人：广州诺尔光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：