[发明专利]基于弛豫GeSn材料的光电探测器

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光电红外探测技术领域中的一种基于弛豫GeSn材料的光电探测器。本发明可在光电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。

IV族的GeSn材料，随着GeSn合金中Sn组份的不断增加，可以使其带隙不断减小，由间接带隙转变为直接带隙材料，在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。

Thach Pham等作者在其发表的“Systematic study of Si-based GeSn photodiodes with2.6μm detector cutoff for short-wave infrared detection”(Optics Express,vol.24,pp.4519-4531,2016)论文中公开了一种GeSn二极管型光电探测器。该GeSn二极管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，克服了现有技术制作的III-V族材料的近中红外器件难以硅基集成的难题，具有与金属互补氧化物半导体CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)标准工艺相兼容的优点；同时相比于现今使用的IV族Ge探测器探测范围较窄和光吸收系数较低的不足，GeSn光电探测器有着探测范围更宽和光吸收效率更高的优点，而且由于该GeSn二极管型光电探测器中Sn组份提升到10％，因而将探测截止波长拓展到了2.6μm。但是，该GeSn二极管型光电探测器仍然存在的不足之处是，由于GeSn材料生长在晶格常数小于GeSn合金的Ge材料上，因而在GeSn中引入了较大的压应变，导致其禁带宽度增大，从而减小了该GeSn二极管型光电探测器的探测波长，并且使得GeSn合金的缺陷增多，质量变差。

由于锡在锗中的平衡固溶度很低(低于1％)，而且锗锡材料与硅的晶格失配也很大，并且锗与锡的晶格常数相差15％，因而，这些固有属性对于高组分的锗锡合金的外延带来很多困难。即便如此，现今利用分子束外延(MBE)、低温化学气相外延(CVD)、磁控溅射技术，已经成功制备出Sn组份达到15％的高质量的GeSn合金。但是，Sn组份越高，在Si或Ge衬底上异质外延生长GeSn越困难，对衬底以及生长技术的要求越高，因而充分利用每一组份下材料的最大特性是非常必要的。而现今直接生长在Si或Ge衬底上的GeSn合金，由于Si和Ge的晶格常数均小于GeSn的晶格常数，从而在外延的GeSn合金中引入垂直于生长方向平面内的面内双轴压应变。根据相关实验测试结果和理论分析计算结论，GeSn合金中面内双轴张应变的引入将会导致其能带结构的变化，使其禁带宽度相较于无应变存在的相同Sn组份的GeSn合金的禁带宽度增大很多，并且根据实验测试，无应变存在的GeSn合金在Sn组份为8％～11％范围内将由间接带隙材料转变为直接带隙材料。

现有技术中的所有的硅基GeSn光电探测器均具有在GeSn光吸收区中存在压应变，因而使得GeSn合金间接带隙向直接带隙转变所对应的Sn组份进一步增加。而且由于较大的应变的存在使得GeSn合金中缺陷增多、材料质量变差。

发明内容

本发明的目的在于针对现已公开的GeSn光电探测器中，由于GeSn光吸收层中存在压应变导致其探测波长减小、质量变差的缺点，采用应变较小或没有应变存在的GeSn层作为光吸收区，制备基于弛豫GeSn材料的光电探测器，从而实现在同一Sn组份条件下所制备的GeSn探测器具有更大的探测波长和更好材料质量的优势。