一种基于硅基锗外延的波导近红外探测器及其制备方法专利检索-光子物理专利检索查询-专利查询网

一种基于 硅基锗外延的波导 近红外探测器及其制备方法

阅读：721发布：2023-01-11

专利汇可以提供一种基于硅基锗外延的波导近红外探测器及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于硅基锗外延的波导近红外探测器及其制备方法，该波导近红外探测器包括：n型Si衬底；于该n型Si衬底形成的Ge/Si 缓冲层；于该Ge/Si缓冲层上沉积的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；于刻蚀该Ge基外延薄膜的外侧直至该Ge/Si缓冲层中而形成的台阶上制备的n型Si 接触电极 Al；于该Ge基外延薄膜的上表面中心部分制备的P型Si接触电极；以及在被刻蚀后的该Ge基外延薄膜上形成的钝化层。利用本发明，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。，下面是一种基于硅基锗外延的波导近红外探测器及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于硅基锗外延的波导近红外探测器，其特征在于，包括：
n型Si衬底(101)；
于该n型Si衬底(101)形成的Ge/Si缓冲层(102)；
于该Ge/Si缓冲层(102)上沉积的SiO2层中制备的空气孔型或介质柱型光子晶体(104)；
在该光子晶体(104)上形成的Ge基外延薄膜(105)；
于刻蚀该Ge基外延薄膜(105)的外侧直至该Ge/Si缓冲层(102)中而形成的台阶上制备的n型Si接触电极Al(103)；
于该Ge基外延薄膜(105)的上表面中心部分制备的P型Si接触电极(107)；以及在被刻蚀后的该Ge基外延薄膜(105)上形成的钝化层(106)。
2.根据权利要求1所述的基于硅基锗外延的波导近红外探测器，其特征在于，所述空气孔型或介质柱型光子晶体(104)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。
3.根据权利要求2所述的基于硅基锗外延的波导近红外探测器，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(104)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(104)，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200-800nm，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，其中下端部分的圆柱体的高度为0-1000nm，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波导近红外探测器，其特征在于，所述n型Si接触电极Al(103)为圆环形或条形，所述P型Si接触电极(107)为圆形或四边形。
7.根据权利要求6所述的基于硅基锗外延的波导近红外探测器，其特征在于，所述n型Si接触电极Al(103)为圆环形时，所述刻蚀该Ge基外延薄膜(105)的外侧直至该Ge/Si缓冲层(102)中，是于该Ge基外延薄膜(105)表面的边缘处刻蚀一个圆环，直到刻蚀至该Ge/Si缓冲层(102)中，进而形成一个圆环形台阶。
8.根据权利要求6所述的基于硅基锗外延的波导近红外探测器，其特征在于，所述n型Si接触电极Al(103)为条形时，所述刻蚀该Ge基外延薄膜(105)的外侧直至该Ge/Si缓冲层(102)中，是于该Ge基外延薄膜(105)表面的两侧各刻蚀一个长条，直到刻蚀至该Ge/Si缓冲层(102)中，进而形成两个条形台阶。
9.一种基于硅基锗外延的波导近红外探测器的制备方法，其特征在于，包括：
选择n型Si衬底(101)；
在该n型Si衬底(101)上形成Ge/Si缓冲层(102)；
在该Ge/Si缓冲层(102)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(104)；
在该光子晶体(104)上形成Ge基外延薄膜(105)；
刻蚀该Ge基外延薄膜(105)的外侧直至该Ge/Si缓冲层(102)中形成台阶，于该台阶上制备n型Si接触电极Al(103)；
于该Ge基外延薄膜(105)的上表面中心部分制备P型Si接触电极(107)；
在被刻蚀后的该Ge基外延薄膜(105)、该n型Si接触电极Al(103)及该P型Si接触电极(107)表面形成钝化层(106)；以及
对该n型Si接触电极Al(103)及该P型Si接触电极(107)表面形成的钝化层(106)进行刻蚀，直至露出该n型Si接触电极Al(103)及该P型Si接触电极(107)。
10.根据权利要求9所述的基于硅基锗外延的波导近红外探测器的制备方法，其特征在于，所述在n型Si衬底(101)上形成Ge/Si缓冲层(102)的步骤中，该Ge/Si缓冲层(102)是通过超高真空化学气相沉积(Ultra high Vacuum Chemical Vapor Deposition，UHVCVD)形成于该n型Si衬底(101)上。
11.根据权利要求9所述的基于硅基锗外延的波导近红外探测器的制备方法，其特征在于，所述在该Ge/Si缓冲层(102)上沉积SiO2层的步骤中，该SiO2层是通过等离子体增强化学气相沉积法(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)沉积形成于该Ge/Si缓冲层(102)上。
12.根据权利要求9所述的基于硅基锗外延的波导近红外探测器的制备方法，其特征在于，所述在SiO2层中制备空气孔型或介质柱型光子晶体(104)的步骤中，该空气孔型或介质柱型光子晶体(104)是通过电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)选择性干法刻蚀形成于该SiO2层中。
13.根据权利要求9所述的基于硅基锗外延的波导近红外探测器的制备方法，其特征在于，所述在光子晶体(104)上形成Ge基外延薄膜(105)的步骤中，所述Ge基外延薄膜(105)是通过超高真空化学气相沉积(Ultra high Vacuum Chemical Vapor Deposition，UHVCVD)形成于该光子晶体(104)上。
14.根据权利要求9所述的基于硅基锗外延的波导近红外探测器的制备方法，其特征在于，所述n型Si接触电极Al(103)为圆环形或条形，所述P型Si接触电极(107)为圆形或四边形。
15.根据权利要求14所述的基于硅基锗外延的波导近红外探测器的制备方法，其特征在于，所述n型Si接触电极Al(103)为圆环形时，所述刻蚀该Ge基外延薄膜(105)的外侧直至该Ge/Si缓冲层(102)中形成台阶，是于该Ge基外延薄膜(105)表面的边缘处刻蚀一个圆环，直到刻蚀至该Ge/Si缓冲层(102)中，进而形成一个圆环形台阶。
16.根据权利要求14所述的基于硅基锗外延的波导近红外探测器的制备方法，其特征在于，所述n型Si接触电极Al(103)为条形时，所述刻蚀该Ge基外延薄膜(105)的外侧直至该Ge/Si缓冲层(102)中，是于该Ge基外延薄膜(105)表面的两侧各刻蚀一个长条，直到刻蚀至该Ge/Si缓冲层(102)中，进而形成两个条形台阶。
17.根据权利要求9所述的基于硅基锗外延的波导近红外探测器的制备方法，其特征在于，所述在被刻蚀后的该Ge基外延薄膜(105)、该n型Si接触电极Al(103)及该P型Si接触电极(107)表面形成钝化层(106)的步骤中，所述钝化层(106)是通过PECVD或原子层沉积形成的。

说明书全文

一种基于硅基锗外延的波导 近红外探测器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于半导体集成技术领域，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波导近红外探测器及其制备方法。

背景技术

[0002] 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1.3μm和1.55μm，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。

[0003] 虽然采用III-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1.3μm和1.6μm。

[0004] 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。Si、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1.3μm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1.6μm的探测器，为此，人们尝试了不同的解决方案。

发明内容

[0005] (一)要解决的技术问题

[0006] 针对上述目前存在的问题和不足，本发明的目的主要提供一种基于硅基锗外延的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。

[0007] (二)技术方案

[0008] 为达到上述目的，本发明提供了一种基于硅基锗外延的波导近红外探测器，包括：n型Si衬底101；于该n型Si衬底101形成的Ge/Si缓冲层102；于该Ge/Si缓冲层102上沉积的SiO2层中制备的空气孔型或介质柱型光子晶体104；在该光子晶体104上形成的Ge基外延薄膜105；于刻蚀该Ge基外延薄膜105的外侧直至该Ge/Si缓冲层102中而形成的台阶上制备的n型Si接触电极Al103；于该Ge基外延薄膜105的上表面中心部分制备的P型Si接触电极107；以及在被刻蚀后的该Ge基外延薄膜105上形成的钝化层106。

[0009] 为达到上述目的，本发明还提供了一种基于硅基锗外延的波导近红外探测器的制备方法，包括：选择n型Si衬底101；在该n型Si衬底101上形成Ge/Si缓冲层102；在该Ge/Si缓冲层102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104；在该光子晶体104上形成Ge基外延薄膜105；刻蚀该Ge基外延薄膜105的外侧直至该Ge/Si缓冲层102中形成台阶，于该台阶上制备n型Si接触电极Al103；于该Ge基外延薄膜105的上表面中心部分制备P型Si接触电极107；在被刻蚀后的该Ge基外延薄膜105、该n型Si接触电极Al103及该P型Si接触电极107表面形成钝化层106；以及对该n型Si接触电极Al103及该P型Si接触电极107表面形成的钝化层106进行刻蚀，直至露出该n型Si接触电极Al103及该P型Si接触电极107。

[0010] (三)有益效果

[0011] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

[0012] 1、本发明提供的基于硅基锗外延的波导近红外探测器及其制备方法，为制作1.6μm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。

[0013] 2、本发明提供的基于硅基锗外延的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。

[0014] 3、本发明提供的基于硅基锗外延的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

[0015] 图1为本发明提供的基于硅基锗外延的波导近红外探测器的结构示意图；

[0016] 图2为本发明提供的基于硅基锗外延的波导近红外探测器中空气孔型光子晶体基底结构的示意图；

[0017] 图3为本发明提供的基于硅基锗外延的波导近红外探测器中介质柱型光子晶体基底结构的示意图；

[0018] 图4为本发明提供的制备基于硅基锗外延的波导近红外探测器的工艺流程图。

具体实施方式

[0019] 为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明。

[0020] 本发明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1.6μm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。

[0021] 如图1所示，图1为本发明提供的基于硅基锗外延的波导近红外探测器的结构示意图，该波导近红外探测器包括：n型Si衬底101；于该n型Si衬底101形成的Ge/Si缓冲层102；于该Ge/Si缓冲层102上沉积的SiO2层中制备的空气孔型或介质柱型光子晶体104；在该光子晶体104上形成的Ge基外延薄膜105；于刻蚀该Ge基外延薄膜105的外侧直至该Ge/Si缓冲层102中而形成的台阶上制备的n型Si接触电极Al103；于该Ge基外延薄膜105的上表面中心部分制备的P型Si接触电极107；以及在被刻蚀后的该Ge基外延薄膜105上形成的钝化层106。

[0022] 其中，所述空气孔型或介质柱型光子晶体104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。

[0023] 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104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。

[0024] 所述空气孔型或介质柱型光子晶体104，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200-800nm，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0-1000nm，上端部分的圆锥体的高度为0-800nm。

[0025] 在本发明中，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。本发明提供的光子晶体结构，不仅对非波导探测器适用，对波导探测器同样适用，亦可适用于需要提高某一波段反射率的其他光学器件。

[0026] 在本发明中，所述n型Si接触电极Al103一般可以为圆环形或条形，所述P型Si接触电极107为圆形或四边形。

[0027] 当n型Si接触电极Al103为圆环形时，所述刻蚀该Ge基外延薄膜105的外侧直至该Ge/Si缓冲层102中，是于该Ge基外延薄膜105表面的边缘处刻蚀一个圆环，直到刻蚀至该Ge/Si缓冲层102中，进而形成一个圆环形台阶。

[0028] 当n型Si接触电极Al103为条形时，所述刻蚀该Ge基外延薄膜105的外侧直至该Ge/Si缓冲层102中，是于该Ge基外延薄膜105表面的两侧各刻蚀一个长条，直到刻蚀至该Ge/Si缓冲层102中，进而形成两个条形台阶。

[0029] 本发明提供了一种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，图2为本发明提供的基于硅基锗外延的波导近红外探测器中空气孔型光子晶体基底结构的示意图，包含Si衬底201、Ge/Si缓冲层202和空气孔型SiO2光子晶体阵列203；图3为本发明提供的基于硅基锗外延的波导近红外探测器中介质柱型光子晶体基底结构的示意图，包含Si衬底301、Ge/Si缓冲层302和介质柱型SiO2光子晶体阵列303。

[0030] 基于图1所示的基于硅基锗外延的波导近红外探测器，图4示出了本发明提供的基于硅基锗外延的波导近红外探测器的制备方法流程图，该方法包括以下步骤：

[0031] 步骤401：选择n型Si衬底101；

[0032] 步骤402：在该n型Si衬底101上形成Ge/Si缓冲层102；

[0033] 步骤403：在该Ge/Si缓冲层102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104；

[0034] 步骤404：在该光子晶体104上形成Ge基外延薄膜105；

[0035] 步骤405：刻蚀该Ge基外延薄膜105的外侧直至该Ge/Si缓冲层102中形成台阶，于该台阶上制备n型Si接触电极Al103；

[0036] 步骤406：于该Ge基外延薄膜105的上表面中心部分制备P型Si接触电极107；

[0037] 步骤407：在被刻蚀后的该Ge基外延薄膜105、该n型Si接触电极Al103及该P型Si接触电极107表面形成钝化层106；以及

[0038] 步骤408：对该n型Si接触电极Al103及该P型Si接触电极107表面形成的钝化层106进行刻蚀，直至露出该n型Si接触电极Al103及该P型Si接触电极107。

[0039] 其中，所述在n型Si衬底101上形成Ge/Si缓冲层102的步骤中，该Ge/Si缓冲层102是通过超高真空化学气相沉积(Ultra high Vacuum Chemical Vapor Deposition，UHVCVD)形成于该n型Si衬底101上，所述在该Ge/Si缓冲层102上沉积SiO2层的步骤中，该SiO2层是通过等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)沉积形成于该Ge/Si缓冲层102上，所述SiO2层的生长厚度为50-1000nm。所述在SiO2层中制备空气孔型或介质柱型光子晶体104的步骤中，该空气孔型或介质柱型光子晶体104是通过电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)选择性干法刻蚀形成于该SiO2层中。所述在光子晶体104上形成Ge基外延薄膜105的步骤中，所述Ge基外延薄膜105是通过超高真空化学气相沉积(Ultra high Vacuum Chemical Vapor Deposition，UHVCVD)形成于该光子晶体104上。

[0040] 所述n型Si接触电极Al103可以为圆环形或条形，而所述P型Si接触电极107可以为圆形或四边形。

[0041] 当n型Si接触电极Al103为圆环形时，所述刻蚀该Ge基外延薄膜105的外侧直至该Ge/Si缓冲层102中形成台阶，是于该Ge基外延薄膜105表面的边缘处刻蚀一个圆环，直到刻蚀至该Ge/Si缓冲层102中，进而形成一个圆环形台阶。

[0042] 当n型Si接触电极Al103为条形时，所述刻蚀该Ge基外延薄膜105的外侧直至该Ge/Si缓冲层102中，是于该Ge基外延薄膜105表面的两侧各刻蚀一个长条，直到刻蚀至该Ge/Si缓冲层102中，进而形成两个条形台阶。

[0043] 所述在被刻蚀后的该Ge基外延薄膜105、该n型Si接触电极Al103及该P型Si接触电极107表面形成钝化层106的步骤中，所述钝化层106是通过PECVD或原子层沉积形成的。

[0044] 本发明可以在Ge基外延层底端形成一种新型的、具有完全禁带的光子晶体结构，进而应用到近红外探测器衬底的设计中。其优点在于：(1)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；(2)无论是空气孔型光子晶体，还是介质柱型的光子晶体结构，均能根据近红外光波段的要求分别独立自由调节，以实现非完全禁带或完全禁带，从而将原本射向衬底的光限制并耦合回Ge基外延薄膜层。本发明的光子晶体结构不仅适用于在砷化镓或者硅衬底上制备近红外探测器，亦可适用于制备需要提高某一波段反射率的其他光电子器件。

[0045] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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