[发明专利]基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器及其制备方法。

背景技术

GeSn材料是近年兴起的新型半导体材料，GeSn易发射和吸收电子，还具有较高的载流子迁移率等优良的电学特性，这些特性使GeSn材料在硅基光电子器件如发光器件、光电探测器、光调制器以及高迁移率场效应晶体管等方面得到了广泛的研究与应用。此外，GeSn材料具有与成熟硅微电子工艺的兼容性。GeSn材料近来引起广泛关注，主要是因为其工作范围可以覆盖近红外和短波红外(NIR，SWIR)波长。特别是对GeSn探测器设计、制造及其特点的研究已经成为近些年研究的重点与热点。为了提高在光谱响应和特殊检测率方面器件性能，具有高Sn组份和低暗电流的GeSn光电探测器是优选的。开展Si基GeSn材料生长与相关器件研究工作具有重要现实意义。

以Si衬底为基片，制作光电探测器，便于集成，而且可以降低成本，理论上可以实现光信息高速传输，实验上也取得了可喜的进展。Si基GeSn探测器作为一种新型半导体探测器具有灵敏面积准确，体积小，漏电流小，稳定性好的优点，在高速光电器件领域得以研究和应用。此外，以Si衬底为基片，将GeSn合金等半导体材料制造的光电子功能器件集成到一起，通过Si波导等进行光信号传输，就可以 实现Si基光电子集成；另一方面，利用成熟的硅工艺和丰富的硅资源具有明显的成本优势。目前，Si基光电集成技术已日趋成熟，Si基光电器件如硅基GeSn探测器等器件已得到了广泛的应用与研究。

硅基GeSn探测器的制备通常是在Si衬底上外延生长Ge，再在Ge缓冲层上生长GeSn材料形成光电探测器。然而，Ge材料与Si材料的晶格常数相差较大，晶格失配高达4.2％，在Si基Ge的外延薄膜层容易形成较高的表面粗糙度和较高的位错密度，这大大限制了探测器的性能。这就要求在Ge材料外延生长技术上进行创新研究，降低Ge/Si界面位错密度，从而保证外延Ge材料具有较好的晶体质量，为制备性能良好的GeSn探测器奠定“物质基础”。因此，采用Si衬底上制备高质量Ge外延层的工艺来制作GeSn探测器，是半导体领域内研究解决的热点课题之一。

发明内容

因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器及其制备方法。

具体地，本发明一个实施例提出的一种基于Ge/Si虚衬底的GeSn光电探测器的制备方法，包括：

S101、选取单晶Si衬底材料；

S102、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述单晶Si衬底上生长厚度为40～50nm的Ge籽晶层；

S103、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在所述Ge籽 晶层表面生长厚度为150～250nm的Ge主体层；

S104、利用CVD工艺在所述Ge主体层表面上淀积厚度为150nm第一SiO₂层；

S105、将包括所述单晶Si衬底、所述Ge籽晶层、所述Ge主体层及所述第一SiO₂层的整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm²，激光移动速度为25mm/s，形成晶化Ge层；

S106、自然冷却整个衬底材料；

S107、利用干法刻蚀工艺刻蚀所述第一SiO₂层，以得到Ge/Si虚衬底；

S108、利用离子注入对晶化Ge层进行硼离子注入，形成P型晶化Ge层，掺杂浓度为5*10¹⁸cm^-3；

S109、在H₂氛围中降温至350℃以下，以SnCl₄和GeH₄分别作为Sn和Ge源且GeH₄和SnCl₄气体流量比为0.95～0.99，在所述虚衬底表面生长厚度为150～200nm的GeSn层；

S110、以N₂作为运载气体，以1％的PH₃作为P掺杂源，在所述GeSn层表面生长厚度为30～50nm的N型Ge层；

S111、使用HCl:H₂O₂:H₂O＝1:1:20的化学溶剂，以100nm/min的速率进行台面刻蚀，刻蚀深度为500nm；