[实用新型]张应变锗MSM光电探测器

说明书

技术领域

本实用新型涉及光电探测器技术领域，尤其涉及一种张应变锗MSM光电探测器。

背景技术

光电探测器是光通信、光互连和光电集成技术中关键的光电器件之一。

随着信息技术向超大容量信息传输、超高密度信息存储等方向飞速发展，要求光电探测器具有更快的响应速度和更高的响应度，而金属-半导体-金属(MSM)光电探测器由于具有小的串联电阻和寄生电容(RC时间常数小)以及加工工艺简单而得到广泛应用。

室温下，锗(Ge)的直接带隙为0.801eV，锗的截止波长(1.55μm)比硅的(1.1μm)长。另外，锗与硅同属于第Ⅳ主族元素，锗器件制造工艺与硅集成电路工艺的兼容性好，因此锗成为光通信波段(主要应用的光通信波段的波长为：常规波段即C波段：1528-1560nm，以及长波段即L波段：1561-1620nm)光电探测器的理想材料。但是，由于锗在光通信波段的吸收系数依然偏小(波长1.55μm处的吸收系数仅为470cm^-1)，难以同时提高器件的响应度和响应速度。张应变能够降低晶体的对称性，改变能带结构，从而降低禁带宽度并提高吸收系数和响应度。锗中引入张应变大小分别为0％、0.2％和0.25％时，锗的直接带隙分别为0.801eV、0.773eV和0.764eV。对应的，在波长1550nm处的吸收系数分别为470cm^-1、3300cm^-1和4570cm^-1；在波长1620nm处的吸收系数分别为70cm^-1、265cm^-1和500cm^-1。当锗吸收区的厚度为500nm，考虑锗表面对入射光的反射作用(反射率为38％)，则对应地，波长1550nm处的响应度分别达到：0.018A/W、0.118A/W和0.158A/W；波长1620nm处的响应度分别达到：0.003A/W、0.011A/W和0.02A/W。响应度随着张应变的增加而增大。在锗中引入更大的张应变(0.25％-2％)，锗的直接带隙进一步降低，吸收系数和响应度将得到进一步提高。

因此，在锗中引入张应变，是改善锗MSM光电探测器性能的一种有效途径。

目前，在锗中引入张应变的方法主要是外延技术，外延技术主要包括以下几种：

(一)、在Si衬底上外延Ge薄膜。这种方法由于Si的晶格常数比Ge的小，Ge薄膜中的张应变主要由Si和Ge热膨胀系数的不同而产生，由于热膨胀系数失配有限，且材料承受的温度最高必须低于其熔点，张应变最大值仅能达到0.3％。

(二)、在锗锡(GeSn)缓冲层上外延Ge薄膜。这种方法获得的GeSn合金的晶格常数比Ge的大，共格生长在GeSn缓冲层上的Ge薄膜中的张应变随着Sn组分的增加而增加。然而，Ge和Sn的相互平衡固溶度都小于1％，并且Sn的表面自由能比Ge的小，Sn容易分凝到表面。制备高Sn组分、高质量GeSn缓冲层很困难。在GeSn缓冲层上生长Ge薄膜获得的张应变不足1.4％。

(三)、在铟镓砷(InGaAs)缓冲层上外延Ge薄膜。该技术获得的Ge薄膜中张应变达到2.3％。该技术的不足之处是采用了Ⅲ-Ⅴ材料，与硅集成电路工艺不兼容。另外，为了提高张应变锗薄膜的晶体质量，控制位错的产生和应变弛豫，锗薄膜的厚度仅为10nm，不满足实际光电探测器制作的要求(实际中，至少需要几百纳米的厚度)。

实用新型内容

针对光电探测器存在器件由于张应变的因素而导致响应度和响应速度不能同时满足等问题，本实用新型实施例提供了一种张应变锗MSM光电探测器。

为了达到上述实用新型目的，本实用新型实施例采用了如下的技术方案：

一种张应变锗MSM光电探测器，包括衬底层，所述衬底层具有相对的第一表面和第二表面；自所述第一表面向外，依次叠设有牺牲层、含锗层、应力源层、金属层；

所述含锗层图形化形成中心区和周围区，所述中心区和所述周围区通过含锗桥梁连接成一体，由所述含锗层中心区、含锗桥梁和含锗周围区围成若干通孔；所述含锗层中心区的正下方无所述牺牲层；

所述应力源层贯穿所述通孔和所述牺牲层、并延伸至所述衬底层第一表面；

所述金属层嵌入所述应力源层，并与所述含锗层的中心区接通；所述金属层构成所述张应变锗MSM光电探测器的正极和负极。

优选地，所述中心区为圆形、长方形或正方形。

优选地，水平横截所述含锗层得到的通孔在水平横截面的图形呈扇形、长方形、正方形、三角形、梯形中的任一种。