橫向PIN結構Ge量子點近紅外探測器及其製作方法

2023-04-26 18:43:36

專利名稱：橫向PIN結構Ge量子點近紅外探測器及其製作方法
技術領域：
本發明涉及近紅外探測器製作技術領域，特別是一種橫向PIN結構Ge量子點近紅外探測器及其製作方法。
背景技術：
在目前光纖通信使用的單模光纖中，使用最多的是1. 31 μ m和1. 55 μ m這兩個近紅外波段。Si是信息領域最重要的半導體材料，在微電子領域已獲得了巨大的發展。但是由於Si是間接帶隙，且帶隙較大(室溫下4=1. 12eV)，導致其存在著對近紅外光吸收係數低、吸收長度長，對1. Iym以上波長沒有響應等諸多問題。這些特性限制了其在光纖通信領域的應用。通過在Si基上生長Ge量子點能夠拓寬其響應波段，從而製作能應用於光纖通信領域的近紅外探測器。目前見諸報導的Si基Ge量子點近紅外探測器主要有縱向PIN 結構Ge量子點探測器、共振腔增強型(RCE)PIN結構Ge量子點探測器、波導型Ge量子點探測器、異質結光敏電晶體(HPT型)Ge量子點探測器。上述的這些Ge量子點探測器都具有一個共同特點，就是Ge量子點吸收紅外光後產生的光生載流子是在縱向(跟襯底垂直)上進行輸運的，簡稱為縱向探測器。但是對於縱向量子點探測器而言，由於多層量子點在垂直方向上表現出耦合特性，即表面的量子點傾向於直接生長在埋層島的正上方，從而使生長的量子點是縱向對齊的。當光生載流子在縱向上進行輸運時，很容易被相鄰量子點俘獲和散射，輸運效率大大降低，光響應度不高。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種橫向PIN結構Ge量子點近紅外探測器及其製作方法，該探測器的光生載流子輸運效率高，提高了探測器的光響應度。本發明的目的是這樣實現的一種橫向PIN結構Ge量子點近紅外探測器，其特徵在於包括襯底和設於襯底上的多層Ge量子點，在所述多層Ge量子點上光刻有P+叉指注入區和n+叉指注入區，所述ρ+叉指注入區和n+叉指注入區均包括間隔並排的多個叉指條型區和設於叉指條型區一端且與所有叉指條型區相連通的叉指連接區，所述P+叉指注入區的叉指條型區與n+叉指注入區的叉指條型區間隔交叉設置，所述ρ+叉指注入區內注入有ρ+ 叉指條和P+叉指連接部，所述n+叉指注入區內注入有n+叉指條和η+叉指連接部，所述多層 Ge量子點上設有一層SW2薄膜，所述SW2薄膜正對於P+叉指連接部和η+叉指連接部的位置上分別開設有一電極引線孔，所述兩電極引線孔內分別設有與所述P+叉指連接部、η+叉指連接部相接觸的金屬電極並向外引出。本發明還提供了上述橫向PIN結構Ge量子點近紅外探測器的製作方法，其特徵在於首先，在SOI襯底上生長多層Ge量子點材料，然後按如下步驟進行橫向PIN結構Ge量子點探測器的製作
(1)在多層Ge量子點材料上進行光刻，並刻蝕至SOI襯底的埋層SW2處，形成探測器所在的臺面及對準標記；(2)在多層Ge量子點材料上光刻形成ρ+叉指注入區，非注入區用光刻膠擋住；
(3)在ρ+叉指注入區中注入硼離子，形成ρ+叉指條和ρ+叉指連接部；然後去膠；
(4)在多層Ge量子點材料上光刻形成n+叉指注入區，非注入區用光刻膠擋住；
(5)在η+叉指注入區中注入磷離子，形成η+叉指條和η+叉指連接部；然後去膠；
(6)在多層Ge量子點材料上生長SW2薄膜；
(7)在S^2薄膜上進行光刻，並刻蝕出電極引線孔；
(8)在SW2薄膜上濺射一Al金屬層；
(9)在Al金屬層上進行光刻，並刻蝕出Al電極；
(10)合金，形成電極金屬與高摻雜矽之間的歐姆接觸；獲得最終的橫向PIN結構Ge量子點探測器樣品。本發明的有益效果是跟已有的縱向結構Ge量子點探測器相比，本發明的光生載流子在橫向上進行輸運，減少了其受其它量子點的勢壘散射或被其它量子點俘獲的機率， 提高了光生載流子的輸運效率，從而提高探測器的光響應度。此外，本發明橫向PIN結構的 Ge量子點探測器的兩個電極位於同一個平面，在工藝上更有利於集成。本產品可以用作光纖通信領域的光電探測器，具有廣闊的市場應用前景。


圖Ia是本發明實施例的結構俯視圖(SiO2薄膜、金屬電極未示出)。圖Ib是本發明實施例的結構剖視圖。圖2是本發明實施例的SOI襯底和多層Ge量子點示意圖。圖3a是本發明實施例一製作中間過程的結構示意圖。圖北是本發明實施例一製作中間過程的結構示意圖。圖3c是本發明實施例一製作中間過程的結構示意圖。圖3d是本發明實施例一製作中間過程的結構示意圖。圖3e是本發明實施例一製作中間過程的結構示意圖。圖3f是本發明實施例一製作中間過程的結構示意圖。圖3g是本發明實施例一製作中間過程的結構示意圖。
具體實施例方式本發明橫向PIN結構Ge量子點近紅外探測器，如圖la、lb所示，包括襯底和設於襯底上的多層Ge量子點，在所述多層Ge量子點上光刻有P+叉指注入區和η.叉指注入區， 所述P+叉指注入區和η+叉指注入區均包括間隔並排的多個叉指條型區和設於叉指條型區一端且與所有叉指條型區相連通的叉指連接區，所述P+叉指注入區的叉指條型區與η+叉指注入區的叉指條型區間隔交叉設置，所述P+叉指注入區內注入有P+叉指條和P+叉指連接部，所述η+叉指注入區內注入有η+叉指條和η+叉指連接部，所述多層Ge量子點上設有一層SiO2薄膜，所述SW2薄膜正對於P+叉指連接部和η+叉指連接部的位置上分別開設有一電極引線孔，所述兩電極引線孔內分別設有與所述P+叉指連接部、η+叉指連接部相接觸的金屬電極並向外引出。上述襯底為SOI襯底，所述SOI襯底包括由下而上設置的Si基底、埋層SW2和頂層Si膜。上述ρ+叉指注入區和η+叉指注入區向下貫通整個多層Ge量子點和頂層Si膜直至所述埋層SW2上側面。上述ρ+叉指條和ρ+叉指連接部由硼離子注入形成。上述η+叉指條和η+叉指連接部由磷離子注入形成。上述的橫向PIN結構Ge量子點近紅外探測器的製作方法，其特徵在於首先，在 SOI襯底上生長多層Ge量子點材料，然後按如下步驟進行橫向PIN結構Ge量子點探測器的製作
(1)在多層Ge量子點材料上進行光刻，並用RIE刻蝕至SOI襯底的埋層SiO2處，形成探測器所在的臺面及對準標記；
(2)在多層Ge量子點材料上光刻形成ρ+叉指注入區，非注入區用光刻膠擋住；
(3)在ρ+叉指注入區中注入硼離子，形成ρ+叉指條和ρ+叉指連接部；然後，氧烘去膠；
(4)在多層Ge量子點材料上光刻形成η+叉指注入區，非注入區用光刻膠擋住；
(5)在η+叉指注入區中注入磷離子，形成η+叉指條和η+叉指連接部；然後，氧烘去膠；
(6)在多層Ge量子點材料上生長SW2薄膜，目標厚度為400nm；
(7)在SW2薄膜上進行光刻，並用HF溶液刻蝕出電極引線孔；
(8)在SiO2薄膜上濺射一Al金屬層，目標厚度為Iym;
(9)在Al金屬層上進行光刻，並用H3PO4溶液刻蝕出Al電極；
(10)合金，形成電極金屬與高摻雜矽之間的歐姆接觸；獲得最終的橫向PIN結構Ge量子點探測器樣品。下面結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。本發明橫向PIN結構Ge量子點探測器的具體製作工藝流程如下 1、外延生長
採用超高真空化學氣相澱積(UHV/CVD)或分子束外延(MBE)等方法生長如圖2所示多層Ge量子點材料。為了獲得更好的暗電流特性，我們採用了 SOKSilicon on Insulator) 作為襯底。2、橫向PIN探測器的流水製作
生長完量子點材料後，就要進行橫向PIN探測器的流水製作。工藝流程示意圖如圖 3a 3g所示，為了使表達更加簡單清楚，示意圖做了一些簡化(1)圖中只給出了叉指結構中的一對p-n結。(2)圖中的「襯底」指的是SOI襯底中的基底和埋層SW2這兩個部分，而 SOI襯底中的頂層Si膜則包含在了圖中的「量子點材料」。具體步驟如下
(1)第一步光刻並用RIE刻蝕至SOI的埋層SW2處，形成探測器所在的臺面及對準標記。這步光刻有兩個目的，一是形成探測器所在的臺面，這樣可以更好地對器件進行隔離， 二是刻蝕出對準標記，供後步工藝光刻對準使用。但是要注意的是，這裡所講的臺面和縱向探測器工藝流水過程中的臺面意義是不一樣的。這裡的臺面主要是為了對探測器單元有個更好的隔離作用(尤其對於SOI襯底而言，由於埋層SW2的隔離作用，每個探測器單元相當於一個孤立的「小島」，能有效地減小暗電流)，但是兩個電極還是在同一個平面內的，不存在電極「爬臺階」的問題，對橫向PIN探測器的電極平面性的優點沒有影響。該步工藝後的器件示意圖如圖3a所示。
(2)第二步光刻形成探測器的ρ+叉指注入區，非注入區用光刻膠擋住。(3)進行硼(B+)離子注入，形成P+叉指區。按照離子注入的LSS理論，選擇能量 E=60KeV，劑量D=5 X IO15CnT2。該步工藝後的器件示意圖如圖北所示。(4)氧烘去膠，由於注入的離子劑量和能量較大，用氧烘去膠比較乾淨。(5)第三步光刻形成探測器的η+叉指注入區，非注入區用光刻膠擋住。(6)進行磷(P+)離子注入，形成η+叉指區。同樣，按照離子注入的LSS理論，選擇能量E=140KeV，劑量D=5X1015cnT2。該步工藝後的器件示意圖如圖3c所示。(7)氧烘去膠，由於注入的離子劑量和能量較大，用氧烘去膠比較乾淨。(8)採用低壓氣相澱積法(LPCVD)生長SW2薄膜，目標厚度400nm。這一步工藝生長的S^2薄膜可以起到鈍化保護作用，同時可以利用這個生長過程對注入的離子進行熱退火。該步工藝後的器件示意圖如圖3d所示。(9)第四步光刻，在SW2薄膜上進行光刻，並用HF溶液刻蝕出電極接觸孔。該步工藝後的器件示意圖如圖3e所示。(10)濺射Al金屬層，目標厚度lym。該步工藝後的器件示意圖如圖3f所示。(11)第五步光刻，在Al金屬層上進行光刻，並用H3PO4溶液刻蝕出電極圖形，從而形成電極。該步工藝後的器件示意圖如圖3g所示。由該示意圖也可以看出，兩個電極是在同一個平面內的。(12)合金，形成電極金屬與高摻雜矽之間的歐姆接觸。溫度430°C，時間30min，使用N2保護。獲得最終的橫向PIN結構探測器。工作時，在如圖la、lb所示的探測器的兩個電極加負偏壓(η+電極的電位要高於ρ+ 電極的電位)，然後紅外光從探測器的頂部正入射，則在探測器內部的Ge量子點會吸收光產生光生載流子，這些光生載流子在兩個電極所施加的電場作用下形成光生電流，從而被外接電路所檢測到。這樣就實現了光電探測器的功能。從器件結構可以看出，本發明的橫向PIN結構，當給兩個電極加上偏壓時，產生的電場是平行於器件表面的(而縱向PIN結構則是垂直於器件表面的)，這樣產生的光生載流子將在橫向上進行輸運，可以帶來如下好處
1、由於每一層的量子點在平面內的分布是隨機的，在同一個平面內相鄰的量子點不是對齊的。而在縱向上，相鄰的量子點由於應力作用是垂直對齊的。這就使光生載流子在橫向輸運時，受到較少的散射，具有較低的再次被其他量子點俘獲的機率。尤其是隨著光刻技術的進步，當叉指間的距離W可以做到越來越小，乃至i區只包含一個或者極少數幾個量子點時，光生載流子在橫向輸運過程中完全有可能不受其它量子點的勢壘散射或被其它量子點俘獲，提高光生載流子的輸運效率，從而提高探測器的光響應度。2、縱向PIN結構的Ge量子點探測器必須要光刻出一個臺面，兩個電極不是分布在同一個平面上。而橫向PIN結構的Ge量子點探測器的兩個電極位於同一個平面。這樣在工藝上更有利於集成。以上是本發明的較佳實施例，凡依本發明技術方案所作的改變，所產生的功能作用未超出本發明技術方案的範圍時，均屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種橫向PIN結構Ge量子點近紅外探測器，其特徵在於包括襯底和設於襯底上的多層Ge量子點，在所述多層Ge量子點上光刻有P+叉指注入區和η+叉指注入區，所述P+叉指注入區和η+叉指注入區均包括間隔並排的多個叉指條型區和設於叉指條型區一端且與所有叉指條型區相連通的叉指連接區，所述P+叉指注入區的叉指條型區與η+叉指注入區的叉指條型區間隔交叉設置，所述P+叉指注入區內注入有P+叉指條和P+叉指連接部，所述η+ 叉指注入區內注入有η+叉指條和η+叉指連接部，所述多層Ge量子點上設有一層S^2薄膜， 所述SW2薄膜正對於P+叉指連接部和η+叉指連接部的位置上分別開設有一電極引線孔， 所述兩電極引線孔內分別設有與所述P+叉指連接部、η+叉指連接部相接觸的金屬電極並向外引出。
2.根據權利要求1所述的橫向PIN結構Ge量子點近紅外探測器，其特徵在於所述襯底為SOI襯底，所述SOI襯底包括由下而上設置的Si基底、埋層SW2和頂層Si膜。
3.根據權利要求2所述的橫向PIN結構Ge量子點近紅外探測器，其特徵在於所述ρ+ 叉指注入區和η+叉指注入區向下貫通整個多層Ge量子點和頂層Si膜。
4.根據權利要求1所述的橫向PIN結構Ge量子點近紅外探測器，其特徵在於所述ρ+ 叉指條和P+叉指連接部由硼離子注入形成。
5.根據權利要求1所述的橫向PIN結構Ge量子點近紅外探測器，其特徵在於所述η+ 叉指條和η+叉指連接部由磷離子注入形成。
6.根據權利要求1、2、3、4或5所述的橫向PIN結構Ge量子點近紅外探測器的製作方法，其特徵在於首先，在SOI襯底上生長多層Ge量子點材料，然後按如下步驟進行橫向 PIN結構Ge量子點探測器的製作(1)在多層Ge量子點材料上進行光刻，並刻蝕至SOI襯底的埋層SW2處，形成探測器所在的臺面及對準標記；(2)在多層Ge量子點材料上光刻形成ρ+叉指注入區，非注入區用光刻膠擋住；(3)在ρ+叉指注入區中注入硼離子，形成ρ+叉指條和ρ+叉指連接部，然後去膠；(4)在多層Ge量子點材料上光刻形成η+叉指注入區，非注入區用光刻膠擋住；(5)在η+叉指注入區中注入磷離子，形成η+叉指條和η+叉指連接部，然後去膠；(6)在多層Ge量子點材料上生長SW2薄膜；(7)在S^2薄膜上進行光刻，並刻蝕出電極引線孔；(8)在SW2薄膜上濺射一Al金屬層；(9)在Al金屬層上進行光刻，並刻蝕出Al電極；(10)合金，形成電極金屬與高摻雜矽之間的歐姆接觸；獲得最終的橫向PIN結構Ge量子點探測器樣品。
7.根據權利要求6所述的橫向PIN結構Ge量子點近紅外探測器的製作方法，其特徵在於在步驟(6)中，生長的SiA薄膜的厚度為400nm。
8.根據權利要求6所述的橫向PIN結構Ge量子點近紅外探測器的製作方法，其特徵在於在步驟(8)中，濺射的Al金屬層的厚度為1 μ m。
全文摘要
本發明涉及一種橫向PIN結構Ge量子點近紅外探測器及其製作方法，該探測器包括襯底和設於襯底上的多層Ge量子點，多層Ge量子點上光刻有p+叉指注入區和n+叉指注入區，兩叉指注入區均包括間隔並排的多個叉指條型區和與各叉指條型區相連通的叉指連接區，p+叉指注入區與n+叉指注入區的叉指條型區間隔交叉設置，p+叉指注入區內設有p+叉指條和p+叉指連接部，n+叉指注入區內設有n+叉指條和n+叉指連接部，多層Ge量子點上設有SiO2薄膜，SiO2薄膜上開設有兩電極引線孔，兩電極引線孔內分別設有與p+叉指連接部、n+叉指連接部相接觸的金屬電極並向外引出。該探測器的光生載流子輸運效率高，提高了探測器的光響應度。
文檔編號H01L31/0352GK102427093SQ20111040558
公開日2012年4月25日 申請日期2011年12月8日 優先權日2011年12月8日
發明者何明華, 魏榕山 申請人:福州大學