[发明专利]基于GeSn‑GeSi材料的异质型光电晶体管及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，更进一步涉及半导体红外探测领域中的一种基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管及其制作方法。本发明可在光电近中红外探测领域进行近中红外光信号探测。

背景技术

随着集成电路技术的迅猛发展，技术不断进步，快速处理和传输大规模信息数据成为现今大规模电子器件发展的瓶颈，而将微电子技术和光电子技术有效融合成为解决这一难题的有效方式。

M Oehme等作者在其发表的“GeSn-on-Si normal incidence photodetectors with bandwidths more than 40GHz”(Optics express,vol.22,pp.839-846,2014)论文中公开了一种GeSn p-i-n型光电探测器。该GeSn p-i-n型光电探测器由于采用了具有更窄带隙和更高光吸收系数的IV族GeSn新材料，较于现有技术制作的III-V族材料的近中红外器件，解决了其难以硅基集成的难题，可以实现与金属互补氧化物半导体CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)标准工艺相兼容；同时相比于现今使用的Ge探测器探测范围较窄和较低的光吸收系数的不足，GeSn光电探测器有着探测波长更宽和光吸收效率更高的优点，但是，该GeSnp-i-n型光电探测器存在的不足之处是，低的光灵敏度和光电流。

Yuan Dong等作者在其发表的“Avalanche Photodiode featuring Germanium-Tin Multiple Quantum Wells on Silicon:Extending Photodetection to Wavelengths of 2μm and Beyond”(IEDM 2015,pp.787)中公开了一种GeSn雪崩二极管型光电探测器。该GeSn雪崩二极管型光电探测器虽然在传统GeSn光电探测器优点基础上，采用光电子倍增方法实现了较高的光灵敏度和较大的光电流。但是，该GeSn雪崩二极管型光电探测器存在的不足之处是，由于在倍增过程中将噪声放大和产生的额外噪声严重干扰光信号，以及实现倍增所需偏置电压极高的缺陷，因而该GeSn雪崩二极管型光电探测器在实际应用中受到严重的限制。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中Ge光电探测器探测范围相对较窄和传统p-i-n型GeSn光电探测器的光灵敏度和光电流较低的缺点，采用GeSn-GeSi异质型光电晶体管结构，在实现探测波长红移及与现代CMOS标准工艺兼容的优势基础上进一步提升光电流和光灵敏度。

实现本发明目的的具体思路是，根据材料特性研究表明，在常见IV族间接带隙材料Ge中引入同为IV族的负带隙金属材料Sn，可以有效改善材料性质。随着GeSn合金中Sn组份的不断增加，可以使GeSn合金由间接带隙转变为直接带隙材料，使其在较宽的波段(0～0.66eV)范围内实现连续可调，因而在近中红外波段实现探测波长的红移，拓展到3μm附近，比Ge探测器有更宽的探测范围。同时，由于GeSn-GeSi异质型光电晶体管结构中光生空穴使得在基极区积累更多的空穴进而降低发射极-基极异质结势垒，电子由发射极区注入基极区变得更为容易，从而放大固有光电流；而异质结处的固有带阶对发射极区电子和基极区空穴的复合起到阻碍作用，从而进一步提升电子的注入效率，使光电流和光吸收效率及灵敏度得到进一步的提升，因而较于常见的GeSn p-i-n探测器可以实现更高的光电流和光灵敏度及光吸收效率。

本发明基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管，包括：衬底、集电极区、光吸收区、基极区、发射极区、钝化层以及金属电极；集电极区、光吸收区、基极区、发射极区在衬底上依次由下至上竖直分布，且钝化层环绕覆盖在集电极区、光吸收区、基极区、发射极区的四周。光吸收区和基极区均采用通式为Ge_1-xSn_x的IV族复合材料；集电极区和发射极区采用IV族材料Ge_1-zSi_z，从而分别在Ge_1-xSn_x光吸收区和Ge_1-zSi_z发射极区、集电极区之间的界面处形成异质结；其中，x表示GeSn中Sn的组份，Sn组份的取值范围为0＜x＜0.15；z表示GeSi中Si的组份，Si组份的取值范围为0≤z≤0.5。

本发明基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管制作方法，包括如下步骤：

(1)制备GeSi层：