基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管及其制作方法

摘要

本发明公开了一种基于GeSn?GeSi材料的异质型光电晶体管及其制作方法，晶体管的集电极和发射极区均采用GeSi材料；光吸收区、基极区均采用GeSn材料。发射极区、基极区、光吸收区、集电极区依次竖直分布，钝化层包围在发射极区、基极区、光吸收区、集电极区的外围。本发明晶体管的制作方法采用低温固源分子束外延生长工艺生长GeSn材料，标准CMOS制作工艺。本发明通过使用有高光吸收系数的GeSn材料在光吸收区，分别和GeSi发射极区、集电极区构成异质结，实现晶体管在探测红外光信号时光灵敏度和光电流的提升，具有高的光吸收效率。

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。

MOehme等作者在其发表的“GeSn-on-Sinormalincidencephotodetectorswith bandwidthsmorethan40GHz”(Opticsexpress,vol.22,pp.839-846,2014)论文中公开了一 种GeSnp-i-n型光电探测器。该GeSnp-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 (ComplementaryMetalOxideSemiconductor)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。

YuanDong等作者在其发表的“AvalanchePhotodiodefeaturingGermanium-Tin MultipleQuantumWellsonSilicon:ExtendingPhotodetectiontoWavelengthsof2μmand Beyond”(IEDM2015,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GeSnp-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：

利用低温固源分子束外延工艺，在衬底(1)上外延生成一层800nm厚的GeSi层；

(2)磷离子注入：

在GeSi层中进行磷离子注入工艺，形成GeSiN⁺集电极区；

(3)制备GeSn光吸收区：

(3a)利用低温固源分子束外延工艺，在GeSiN⁺集电极区上，外延生长一层100nm 厚的GeSn，形成GeSn光吸收区；

(3b)在GeSn光吸收区外延生长一层60nm厚GeSn层，将GeSn层作为基极区；

(4)硼离子注入：

在基极区中进行硼离子注入工艺，形成GeSnP⁺基极区；

(5)制备GeSi层：

利用低温固源分子束外延工艺，在GeSnP⁺型基极区上外延一层60nm厚的GeSi层；

(6)磷离子注入：

在GeSi层中进行磷离子注入工艺，形成GeSiN⁺型发射极区；

(7)激活处理：

在400℃条件下热退火5min进行激活处理，得到激活后的器件；

(8)刻蚀台面：

利用反应离子刻蚀工艺，刻蚀激活后的器件，刻蚀所需台面，得到刻蚀后的器件；

(9)表面钝化处理：

对刻蚀后的器件进行GeSn表面钝化处理，得到表面钝化处理后的器件；

(10)制备保护层：

利用磁控溅射工艺，在表面钝化处理后的器件外围淀积一层SiO₂/SiN，形成保护层， 得到形成保护层的器件；

(11)刻蚀沟槽：

在形成保护层的器件的集电极区上部和发射极区上刻蚀沟槽，

(12)制备金属电极：

在刻蚀的沟槽中淀积金属TiN/Al，形成金属电极。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

第一，由于本发明采用在IV族间接带隙材料Ge中，引入同为IV族的负带隙材料 Sn而形成的GeSn合金，其具有更小的带隙和更高的吸收系数，克服了现有技术中同为 IV族的Si和Ge探测器，在近中红外探测波长范围较窄和较低的光吸收系数的缺点，因 而使得本发明的GeSn探测器探测波长较于Ge探测器在近中红外波段发生红移，具有更 宽的探测范围和更高的光吸收效率。

第二，由于本发明采用异质型光电晶体管结构，光吸收区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，克服了现今已公开的GeSnp-i-n光电探测器低的光灵敏度和光电流 的缺点，因而使得本发明的GeSn光电晶体管可以实现更高的探测光电流和光灵敏度。

第三，由于本发明采用同为IV族的GeSn材料，克服了现有技术中III-V族中红外 探测器难以硅基集成的不足，使得本发明的GeSn光电晶体管制备工艺可以与传统标准 CMOS工艺相兼容，在现今广泛应用的主流CMOS工艺中进行制备，有利于其成本的降 低。

附图说明

图1为本发明GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管的剖面图；

图2为本发明GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管制作方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进 一步详细说明。

参照图1，基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管包括：衬底1、集电极区2、光 吸收区3、基极区4、发射极区5、钝化层6以及金属电极7；集电极区2、光吸收区3、 基极区4、发射极区5在衬底1上依次由下至上竖直分布，且钝化层6环绕覆盖在器件 的四周；光吸收区3和基极区4均采用通式为Ge_1-xSn_x的IV族复合材料，集电极区2 和发射极区5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、 集电极之间的界面处形成异质结；其中，x为GeSn中Sn的组份，Sn组份的范围为0＜ x＜0.15；z为GeSi中Si的组份，Si组份的范围为0≤z≤0.5。虽然GeSn合金中随着Sn 组份的不断增加，使GeSn合金由间接带隙转变可以转变为直接带隙材料，使其在较宽 的波段(0～0.66eV)范围内实现带隙的连续可调，但是，由于Sn在Ge中固溶度较低，因 而Sn组份难以实现大量掺杂，现今技术实现的最大掺杂Sn组份为0.15，Sn组份越高， 实现技术难度越大，所以Sn组份的取值范围为0＜x＜0.15。

衬底1既可以采用单晶Si材料，也可以采用单晶Ge材料。

参照图2，本发明中基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管的制作方法。对本发 明基于GeSn-GeSi材料的异质型光电晶体管中GeSn中Sn组份的取值范围0＜x＜0.15 和GeSi中Si组份的取值范围0≤z≤0.5给出如下三种实施例。

实施例1：制作Ge_0.935Sn_0.065-Genpn异质型光电晶体管及其制作方法。

步骤1：制备Ge层。

利用低温固源分子束外延工艺，在无掺杂(100)向Ge衬底1上，在温度为150℃条件 下，外延生长无掺杂的厚度为800nm的纯Ge层，如图2(a)。

步骤2：磷离子注入。

在能量为50KeV、注入剂量为10¹⁵cm^-2、衬底倾斜角度7°条件下进行注入离子为 P(31)⁺的磷离子注入工艺，形成GeN⁺型集电极区2。

步骤3：制备GeSn光吸收区。

利用低温固源分子束外延工艺，在GeN⁺型集电极区上，在150℃、高纯Ge和Sn 源条件下，外延生长厚度为100nm的本征Ge_0.935Sn_0.065外延层作为GeSn光吸收区3， 如图2(b)。

利用低温固源分子束外延工艺，在GeSn光吸收区上，在与步骤2中相同工艺条件下 外延生长60nm厚的Ge_0.99Sn_0.01层，如图2(c)。

步骤4：硼离子注入。

利用硼离子注入工艺，在Ge_0.99Sn_0.01层中进行能量为20KeV、注入剂量为10¹⁴cm^-2的BF₂⁺离子注入，形成GeSnP⁺型基极区4。

步骤5：制备Ge层。

利用低温固源分子束外延工艺，在GeSnP⁺型基极区上，在150℃条件下生长60nm 厚的Ge层，如图2(d)。

步骤6：磷离子注入。

在Ge层中进行能量为20KeV、注入剂量为10¹⁵cm^-2的磷离子注入，形成GeSnN⁺型发射极区5。

步骤7：激活处理。

在400℃条件下热退火5min进行激活处理。

步骤8：刻蚀台面。

利用反应离子刻蚀设备根据所设计图形对发射极区、基极区、光吸收区进行刻蚀， 形成台面，如图2(e)。

步骤9：表面钝化处理。

利用24％(NH₄)₂S溶液对GeSn表面进行钝化处理；

步骤10：制备保护层。

利用磁控溅射设备在常温、200-300W交流电条件下，淀积SiO₂层350nm，制备保 护层6，如图2(f)。

步骤11：刻蚀沟槽。

利用干法刻蚀刻蚀出电极沟槽。

步骤12：制备金属电极。

使用磁控溅射淀积金属TiN/Al，形成金属电7，完成器件制备，如图2(g)。

实施例2：制作Ge_0.97Sn_0.03-Ge_0.9Si_0.1npn异质型光电晶体管及其制作方法。

步骤一：制备GeSi。

利用低温固源分子束外延工艺，在无掺杂(100)向Si衬底1上，在温度为150℃条件 下，外延生长无掺杂的厚度为800nm的Ge_0.9Si_0.1层。

步骤二：磷离子注入。

在能量为50KeV、注入剂量为10¹⁵cm^-2、衬底倾斜角度7°条件下进行注入离子为 P(31)⁺的磷离子注入工艺，形成GeSiN⁺型集电极区2，如图2(a)。

步骤三：制备GeSn光吸收区。

利用低温固源分子束外延工艺，在GeSiN⁺型集电极区上，在150℃、高纯Ge和Sn 源条件下，外延生长厚度为100nm的本征Ge_0.97Sn_0.03外延层作为GeSn光吸收区3，如 图2(b)。

利用低温固源分子束外延工艺，在GeSn光吸收区上，在与步骤二中相同工艺条件下 外延生长60nm厚的Ge_0.97Sn_0.03层，如图2(c)。

步骤四：硼离子注入。

利用硼离子注入工艺，在Ge_0.97Sn_0.03层中进行能量为20KeV、注入剂量为10¹⁴cm^-2的BF₂⁺离子注入，形成GeSnP⁺型基极区4。

步骤五：制备GeSi层。

利用低温固源分子束外延工艺，在GeSnP⁺型基极区上，在150℃条件下生长60nm 厚的Ge_0.9Si_0.1层，如图2(d)。

步骤六：磷离子注入。

在Ge_0.9Si_0.1层中进行能量为20KeV、注入剂量为10¹⁵cm^-2的磷离子注入，形成GeSn N⁺型发射极区5。

步骤七：激活处理。

在400℃条件下热退火5min进行激活处理。

步骤八：刻蚀台面。

利用反应离子刻蚀设备根据所设计图形对发射极区、基极区、光吸收区进行刻蚀， 形成台面，如图2(e)。

步骤九：表面钝化处理。

利用24％(NH₄)₂S溶液对GeSn表面进行钝化处理。

步骤十：制备保护层。

利用磁控溅射设备在常温、200-300W交流电条件下，淀积SiO₂层350nm，制备保 护层6，如图2(f)。

步骤十一：刻蚀沟槽。

利用干法刻蚀刻蚀出电极沟槽。

步骤十二：制备金属电极。

使用磁控溅射淀积金属TiN/Al，形成金属电7，完成器件制备，如图2(g)。

实施例3：制作Ge_0.9Sn_0.1-Ge_0.6Si_0.4pnp异质型光电晶体管及其制作方法。

步骤A：制备GeSi层。

利用低温固源分子束外延工艺，在无掺杂(100)向Si衬底1上，在温度为150℃条件 下，外延生长无掺杂的厚度为800nm的Ge_0.6Si_0.4层，如图2(a)。

步骤B：硼离子注入。

在能量为50KeV、注入剂量为10¹⁵cm^-2、衬底倾斜角度7°条件下进行注入离子为 BF₂⁺的硼离子注入工艺，形成GeSiP⁺型集电极区2。

步骤C：制备GeSn光吸收区。

利用低温固源分子束外延工艺，在GeSiP⁺型集电极区上，在150℃、高纯Ge和Sn 源条件下，外延生长厚度为100nm的本征Ge_0.9Sn_0.1外延层作为GeSn光吸收区3，如图 2(b)。

利用低温固源分子束外延工艺，在GeSn光吸收区上，在与步骤B中相同工艺条件 下外延生长60nm厚的Ge_0.935Sn_0.065层，如图2(c)。

步骤D：磷离子注入。

利用磷离子注入工艺，在Ge_0.935Sn_0.065层中进行能量为20KeV、注入剂量为10¹⁴cm^-2的P(31)⁺离子注入，形成GeSnN⁺型基极区4。

步骤E：制备GeSi层。

利用低温固源分子束外延工艺，在GeSnN⁺型基极区上，在150℃条件下生长60nm 厚的Ge_0.6Si_0.4层，如图2(d)。

步骤F：硼离子注入。

在Ge_0.6Si_0.4层中进行能量为20KeV、注入剂量为10¹⁵cm^-2的硼离子注入，形成GeSn P⁺型发射极区5。

步骤G：激活处理。

在400℃条件下热退火5min进行激活处理。

步骤H：刻蚀台面。

利用反应离子刻蚀设备根据所设计图形对发射极区、基极区、光吸收区进行刻蚀， 形成台面，如图2(e)。

步骤I：表面钝化处理。

利用24％(NH₄)₂S溶液对GeSn表面进行钝化处理。

步骤J：制备保护层。

制备金属电极利用磁控溅射设备在常温、200-300W交流电条件下，淀积SiO₂层350 nm，制备保护层6，如图2(f)。

步骤K：刻蚀沟槽。

利用干法刻蚀刻蚀出电极沟槽。

步骤L：制备金属电极。

使用磁控溅射淀积金属TiN/Al，形成金属电7，完成器件制备，如图2(g)。

以上所述仅是本发明的几个优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润 饰也应视为本发明的保护范围。