[发明专利]基于虚衬底的硅锗异质结光晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及一种异质结光晶体管，尤其是涉及一种制备在硅基硅锗虚衬底上、可以根据“能带工程”的理念按照不同的设计需要对集电区、吸收区、基区和发射区的锗组分和厚度进行自由调节的一种异质结光晶体管。

背景技术

随着光通信事业的不断发展和半导体新材料的不断开拓，以光纤通信和光互连为代表的光电子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，其中一个课题就是如何以成熟的硅工艺技术为基础，利用新原理和新材料，在硅衬底上直接制作与硅微电子工艺兼容的、能在近红外波段有效工作的高性能价格比的硅基光电探测器及其集成器件。硅锗异质结光晶体管(HPT)是一种具有内部增益但不放大噪声的光晶体管，主要用于光探测而实现光电转换。它与现有的硅微电子工艺兼容，特别适合于与目前成熟的硅锗异质结晶体管(HBT)集成而实现硅基光电集成电路模块。

Si为间接带隙材料，吸收系数小，室温下禁带宽度为1.12eV，对1.3～1.55μm重要光通信窗口波段的光没有吸收。Ge的禁带宽度较窄，对光的吸收限可扩展至1.55μm以上。因此，具有一定厚度的高质量高组分SiGe合金甚至纯Ge作为SiGe异质结光晶体管的吸收区成为一个理想的选择。但是，由于Si和Ge之间晶格失配较大(4.18％)，直接在Si衬底上很难获得较厚的高质量高组分SiGe层。传统的SiGe异质结光晶体管通常采用以下几种结构，这些结构仍然没有解决SiGe层中组分与厚度的矛盾。

1)采用Si/SiGe/Si异质结晶体管结构，对光的吸收主要在SiGe基区和基区与集电区之间的耗尽区。由于在集电区和基区之间没有额外的吸收区，基区中的SiGe层又受到临界厚度的限制，很薄而且组分较低，很难实现对近红外波段的光响应(J.L.Polleux，F.Moutier，A.L.Billabertet al，“A strained SiGe layer heterojunction bipolar phototransistor for short-range opto-mictowaveapplications”，International topical meeting on microwave photonics，2003，113～116)。

2)在集电区和基区之间增加Si_l-xGe_x/Si多量子阱作为吸收区，在多量子阱中压应变使Si_l-xGe_x带隙变小，平均Ge组份使临界厚度增加，增加了有效吸收。但是，Si_l-xGe_x/Si多量子阱中的Ge组分和Si_l-xGe_x层的厚度由于受到Si上外延SiGe层临界厚度的限制，必须控制在较小的范围内，对近红外波段的光吸收仍然较小(Z.Pei，C.S.Liang，L.S.Lai et al，High efficient 850nm and 1.310 nm multiple quantum well SiGe/Si heterojunction phototransistors with 1.25 plusGHz bandwidth(850nm)，IEDM，2002，297～300；Z.Pei，L.S.Lai，H.P.Hwang et al，Si_1-xGe_x/Simulti-quantum well phototransistor for near-infrared opration，Physica E，2003，16：554～557)。

3)采用多周期的Ge dots/Si作为吸收区，由于Ge量子点与Si形成II型能带结构，吸收限扩展至1.55μm。但是Ge量子点的密度、均匀性等方面很难控制，有效量子效率很低，响应度较低(A.Elfving，G.V.Hansson，W.X.Ni，SiGe(Ge-dot)heterojunction phototransistors for efficientlight detection at 1.3-1.55μm，Physica E，2003，16：528～532；W.H.Shi，R.W.Mao，L.Zhao et al，Fabrication of Ge nano-dot heterojunction phototransistors for improved light detection at 1.55μm，Chin.Phys.Lett.，2006，23(3)：735～737)。