一种硅基锗外延结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于硅基锗外延的非波导近红外探测器及其制备方法，该非波导近红外探测器包括：n型Si衬底；于该n型Si衬底上沉积的SiO2层中制备的空气孔型或介质柱型光子晶体；在该光子晶体上形成的Ge基外延薄膜；在该Ge基外延薄膜上形成的P型Si；在该P型Si上形成的减反层；于刻蚀该减反层的外侧直至该n型Si衬底中而形成的台阶上制备的n型Si接触电极Al；于刻蚀该减反层的内侧直至该P型Si上表面而形成的台阶上制备的P型Si接触电极；以及在被刻蚀后的该减反层上形成的钝化层。利用本发明专利技术，解决了现有近红外探测器中二维光子晶体光子禁带效应的应用，以及Ge与Si晶格失配所产生的应力的释放等问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体集成
，主要涉及基于硅基锗外延的近红外探测器的衬底结构设计，是一种能够对某种特定波长实现完全禁带效应，并显著提高红外探测器性能的制造技术，尤其是一种基于硅基锗外延的非波导近红外探测器及其制备方法。
技术介绍
随着现代信息技术的广泛应用和对其深入研究，以光纤通信、光互连为代表的光电集成技术对半导体光电子器件和电路提出了越来越迫切的要求。制备响应波长为1. 3 μ m和1. 55 μ m，并具有高速率、高量子效率和低暗电流的光电探测器以及实现光电集成接收机芯片一直是人们追求的目标。虽然采用II1-V族材料制备的光电探测器在这方面的工艺已经比较成熟并且已 经进入产业化阶段，但其存在以下几个问题1)成本高，难以实现“光纤到户”;2)热学机械性能较差；3)晶体质量较差；4)不能与现有的成熟的硅工艺兼容。而采用Si/Ge材料制备的光电探测器的成本低，与成熟的硅工艺兼容，易于集成，并且带隙宽度可以由Ge组分来调节，通过调节Ge组分和引入表面起伏可以使探测器的响应波长工作在1. 3 μ m和1. 6 μ m。对于光电子学来讲，高性能器件的制备是以高质量材料的生长为前提的。S1、Ge材料之间存在4. 2%的失配，直接在Si材料上生长Ge层会产生较大的应力，引入较高的位错密度，不能满足制备高性能探测器的要求。生长高质量的Si/Ge合金多量子阱是一种可行方法，并已经成功制备了响应波长为1.3μπι的探测器。但由于受临界厚度和量子限制效应的限制，难于制作1. 6μπι的探测器，为此，人们尝试了不同的解决方案。
技术实现思路
(一 )要解决的技术问题针对上述目前存在的问题和不足，本专利技术的目的主要提供一种基于硅基锗外延的非波导近红外探测器及其制备方法，以解决现有近红外探测器中二维光子晶体光子禁带效应的应用，以及Ge与Si晶格失配所产生的应力的释放等问题。( 二 )技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种基于硅基锗外延的非波导近红外探测器，包括η型Si衬底101 ;于该η型Si衬底101上沉积的SiO2层中制备的空气孔型或介质柱型光子晶体103 ;在该光子晶体103上形成的Ge基外延薄膜104 ;在该Ge基外延薄膜104上形成的P型Sil05 ;在该P型Sil05上形成的减反层106 ;于刻蚀该减反层106的外侧直至该η型Si衬底101中而形成的台阶上制备的η型Si接触电极Α1102 ;于刻蚀该减反层106的内侧直至该P型Sil05上表面而形成的台阶上制备的P型Si接触电极108 ；以及在被刻蚀后的该减反层106上形成的钝化层107。为达到上述目的，本专利技术还提供了一种基于硅基锗外延的非波导近红外探测器的制备方法，包括选择η型Si衬底101 ;在该η型Si衬底101上沉积SiO2层，在该SiO2层中制备空气孔型或介质柱型光子晶体103 ;在该光子晶体103上形成Ge基外延薄膜104 ;在该Ge基外延薄膜104上形成P型Si 105 ;在该P型Si 105上形成减反层106 ;刻蚀该减反层106的外侧直至该η型Si衬底101中形成台阶，于该台阶上制备η型Si接触电极Α1102 ；刻蚀该减反层106的内侧直至该P型Sil05上表面形成台阶，于该台阶上制备P型Si接触电极108 ;在被刻蚀后的该减反层106、该η型Si接触电极Al 102及该P型Si接触电极108表面形成钝化层107 ;以及对该η型Si接触电极Al 102及该P型Si接触电极108表面形成的钝化层107进行刻蚀，直至露出该η型Si接触电极Α1102及该P型Si接触电极108。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果1、本专利技术提供的基于硅基锗外延的非波导近红外探测器及其制备方法，为制作1.6 μ m的探测器提供了一种新的思路，主要体现在两方面一方面当在Si基底上生长Ge 基外延层时，光子晶体结构可以有效地释放Si与Ge晶格失配所产生的应力，进而获得较高质量的Ge基外延薄膜；另一方面光子晶体的结构参数均能根据近红外光波段的要求分别独立自由调节，以实现非完全光子禁带或完全光子禁带，从而将原本射向衬底的光限制并耦合回Ge基外延薄膜层。2、本专利技术提供的基于硅基锗外延的非波导近红外探测器及其制备方法，能够对某种特定波长实现完全光子禁带效应，并显著提高Ge基外延薄膜质量。3、本专利技术提供的基于硅基锗外延的非波导近红外探测器及其制备方法，光子晶体结构参数可以根据衬底材料的介电常数及某种波长进行独立地的设计与调节。附图说明图1为本专利技术提供的基于硅基锗外延的非波导近红外探测器的结构示意图；图2为本专利技术提供的基于硅基锗外延的非波导近红外探测器中空气孔型光子晶体基底结构的不意图；图3为本专利技术提供的基于硅基锗外延的非波导近红外探测器中介质柱型光子晶体基底结构的不意图；图4为本专利技术提供的制备基于硅基锗外延的非波导近红外探测器的工艺流程图。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。本专利技术主要是为了解决现有Si/Ge探测器受临界厚度和量子限制效应的限制，难于制作1. 6 μ m的探测器等关键问题，而提供的一种能显著提高Ge基外延薄膜质量的具有光子晶体结构结构的近红外探测器及其制备方法，其中，光子晶体的结构参数可以独立调节，可以应用于各种类型的衬底材料和相应波段。如图1所示，图1为本专利技术提供的基于硅基锗外延的非波导近红外探测器的结构示意图，该非波导近红外探测器包括n型Si衬底101 ;于该η型Si衬底101上沉积的SiO2层中制备的空气孔型或介质柱型光子晶体103 ;在该光子晶体103上形成的Ge基外延薄膜104 ;在该Ge基外延薄膜104上形成的P型Sil05 ;在该P型Sil05上形成的减反层106 ；于刻蚀该减反层106的外侧直至该η型Si衬底101中而形成的台阶上制备的η型Si接触电极Α1102 ;于刻蚀该减反层106的内侧直至该P型Sil05上表面而形成的台阶上制备的P型Si接触电极108 ;以及在被刻蚀后的该减反层106上形成的钝化层107。其中，所述空气孔型或介质柱型光子晶体103是由两种或两种以上介电常数的介质材料在空间呈周期性排列的结构，其晶格类型为正方晶格、三角晶格、蜂窝晶格或光子准晶体，其周期范围为200-800nm，刻蚀深度为50_1000nm。所述光子准晶体是五重对称、八重对称、十重对称和十二重对称四种对称结构中的任一种。所述空气孔型或介质柱型光子晶体103中，介质柱或空气孔的形状为锥形、柱形、棱锥形、棱台形或半球形中的任一种。所述空气孔型或介质柱型光子晶体103，若为空气孔型光子晶体，则晶格周期范 围为200-800nm，空气孔的直径为200_800nm，空气孔的高度为50_1000nm ;若为介质柱型光子晶体，则晶格周期范围为200-800n，介质柱的直径为200-800nm，介质柱的高度为800-2000nm，其中介质柱由两部分组成高度为200_1000nm，其中下端部分的圆柱体的高度为O-lOOOnm，上端部分的圆锥体的高度为0_800nm。在本专利技术中，适用于制备近红外探测器中衬底中光子晶体的介质材料为二氧化硅、碳化硅、二氧化钛中的任一种。本专利技术提本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于硅基锗外延的非波导近红外探测器，其特征在于，包括：n型Si衬底(101)；于该n型Si衬底(101)上沉积的SiO2层中制备的空气孔型或介质柱型光子晶体(103)；在该光子晶体(103)上形成的Ge基外延薄膜(104)；在该Ge基外延薄膜(104)上形成的P型Si(105)；在该P型Si(105)上形成的减反层(106)；于刻蚀该减反层(106)的外侧直至该n型Si衬底(101)中而形成的台阶上制备的n型Si接触电极Al(102)；于刻蚀该减反层(106)的内侧直至该P型Si(105)上表面而形成的台阶上制备的P型Si接触电极(108)；以及在被刻蚀后的该减反层(106)上形成的钝化层(107)。

【技术特征摘要】
1.一种基于硅基锗外延的非波导近红外探测器，其特征在于，包括η型Si衬底(101)；于该η型Si衬底(101)上沉积的SiO2层中制备的空气孔型或介质柱型光子晶体(103)；在该光子晶体(103)上形成的Ge基外延薄膜(104)；在该Ge基外延薄膜(104)上形成的P型Si (105)；在该P型Si (105)上形成的减反层(106)；于刻蚀该减反层(106)的外侧直至该η型Si衬底(101)中而形成的台阶上制备的η 型Si接触电极Al (102)；于刻蚀该减反层(106)的内侧直至该P型Si (105)上表面而形成的台阶上制备的P型 Si接触电极(108);以及在被刻蚀后的该减反层(106)上形成的钝化层(107)。2.根据权利要求1所述的基于硅基锗外延的非波导近红外探测器，其特征在于，所述空气孔型或介质柱型光子晶体(103)是由两种或两种以上介电常数的介质材料在空间呈周期性排列的结构，其晶格类型为正方晶格、三角晶格、蜂窝晶格或光子准晶体，其周期范围为200 800nm，刻蚀深度为50 IOOOnm03.根据权利要求2所述的基于硅基锗外延的非波导近红外探测器，其特征在于，所述光子准晶体是五重对称、八重对称、十重对称和十二重对称四种对称结构中的任一种。4.根据权利要求1或2所述的基于硅基锗外延的非波导近红外探测器，其特征在于，所述空气孔型或介质柱型光子晶体(103)中，介质柱或空气孔的形状为锥形、柱形、棱锥形、 棱台形或半球形中的任一种。5.根据权利要求1所述的基于硅基锗外延的非波导近红外探测器，其特征在于， 所述空气孔型或介质柱型光子晶体(103)，若为空气孔型光子晶体，则晶格周期范围为200-800nm，空气孔的直径为200_800nm，空气孔的高度为50_1000nm ;若为介质柱型光子晶体，则晶格周期范围为200-800n，介质柱的直径为200-800nm，介质柱的高度为 800-2000nm，其中介质柱由两部分组成高度为200_1000nm，其中下端部分的圆柱体的高度为O-lOOOnm，上端部分的圆锥体的高度为0_800nm。6.根据权利要求1所述的基于硅基锗外延的非波导近红外探测器，其特征在于，所述η 型Si接触电极Al (102)为圆环形或条形。7.根据权利要求6所述的基于硅基锗外延的非波导近红外探测器，其特征在于，所述 η型Si接触电极Al (102)为圆环形时，所述刻蚀该减反层(106)的外侧直至该η型Si衬底(101)中，是于该减反层(106)表面的边缘处刻蚀一个圆环，直到刻蚀至该η型Si衬底 (101)中，进而形成一个圆环形台阶。8.根据权利要求7所述的基于硅基锗外延的非波导近红外探测器，其特征在于，所述η 型Si接触电极Al (102)为圆环形时，所述P型Si接触电极(108)也为圆环形；所述刻蚀该减反层(106)的内侧直至该P型Si (105)上表面，是于该减反层(106)表面靠近该圆环形台阶处刻蚀一个圆环，直到刻蚀至该P型Si (105)上表面，进而形成一个圆环形台阶。9.根据权利要求6所述的基于硅基锗外延的非波导近红外探测器，其特征在于，所述η型Si接触电极Al (102)为条形时，所述刻蚀该减反层(106)的外侧直至该η型Si衬底(101)中，是于该减反层(106)表面的两侧各刻蚀一个长条，直到刻蚀至该η型Si衬底 (101)中，进而形成两个条形台阶。10.根据权利要求9所述的基于硅基锗外延的非波导近红外探测器，其特征在于，所述 η型Si接触电极Al (102)为条形时，所述P型Si接触电极(108)为圆形或四边形；所述刻蚀该减反层(106)的内侧直至该P型Si (105)上表面，是于该减反层(106)表面靠近该两个条形台阶处且于该两个条形台阶的中线上分别刻蚀一个圆形或四边形，直到刻蚀至该P型Si (105)上表面，进而形成两个圆形或四边形台阶。11.一种基于硅基锗外延的非波导近红外探测器的制备方法，其特征在于，包括选择η型Si衬底(101)；在该η型Si衬底(101)上沉积SiO2层，在该SiO2层中制备空气孔型或介质柱型光子晶体(103)；在该光子晶体(103)上形成Ge基外延薄膜(104)；在该Ge基外延薄膜(104)上形成P型Si (105)；在该P型Si (105)上形成减反层(106)；刻蚀该减反层(106)的外侧直至该η型Si衬底(101)中形成台阶，于该台阶上制备η 型Si接触电极Al (102)；刻蚀该减反层(106)...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洪刚，郭浩，陈洪钧，张雄，常虎东，薛百清，韩乐，王盛凯，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：