[发明专利]基于分子束外延技术的自成结光电探测器及其制备方法

说明书

本发明提供一种基于分子束外延技术的自成结半导体光电探测器及其制备方法，属于光电探测器件领域。本发明制备的光电探测器采用非对称PIN浅结结构，将Sb原子在分子束外延设备腔体内采用高温原位掺杂的方法掺杂进Ge薄膜中，将Ge改性为N型半导体；全程制备过程均在分子束外延设备腔体中进行，这样就大大减小了外来杂质的污染，简化了光电探测器制作工艺的流程，且相比传统的离子注入的掺杂方法，该方法不会破坏晶体的晶格结构。

技术领域

本发明属于光电探测器件领域，具体涉及一种基于分子束外延技术的自成结半导体光电探测器及其制备方法。

背景技术

光通信近年来飞速发展，而光电探测器是将光信号转化为电信号的重要器件之一，制备具有高量子效率、低暗电流、高响应度和高频率带宽的光电探测器，并实现Si基光电集成接收芯片一直是相关领域科研工作者重点研究方向。基于InP等Ⅲ-Ⅴ族半导体材料制备的探测器暗电流小，但其价格昂贵、导热性能和机械性能较差，并且与Si工艺兼容性较差，故在Si基光电集成技术中的应用受到了限制。GaAs是目前常见的红外半导体材料，然而它的截止波长仅在0.86μm，已经不能满足下一代红外探测的带宽和波段需求。因此，如何在保证相关性能的基础上，制备与Si工艺兼容性较好、价格便宜、可重复性高、制备简单的光电探测器是一个值得研究的课题。

Ge作为和Si同族的半导体材料，直接带隙约为0.67eV，自身的截止波长为1.3μm，对光通信中的C波段信号具有良好的响应特性。近年来，GeR(R为Si、Sn、Bi等)材料应用越来越多，其中一个重要应用便是在光电探测领域，Su S等人(Su S,Cheng B,Xue C,etal.GeSn pin photodetector for all telecommunication bands detection[J].Opticsexpress,2011,19(7):6400-6405.)以n型硅单晶作为衬底，利用分子束外延技术先制备GeSn薄膜或Ge缓冲层作为i层，再生长一层GeSn薄膜，最后再利用磁控溅射掺杂硼原子将其改性为p型半导体，进而构成p-i-n结半导体光电探测器。但是采用这种方法制备的光电探测器，一方面由于GeSn材料本身的限制，导致其探测波长具有一定的局限性，暗电流相对于光电流较大；另一方面，这种方法制成的光电探测器制备方法复杂，需要多次将基片拿出，不可避免的带来很多污染，这对半导体材料性能也有一定的影响，比如暗电流等。

因此，如何基于一种新的材料和工艺实现与Si工艺兼容性较好的半导体光电探测器的制备成为了亟待解决的问题。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于GeSb/GeSn薄膜的P-N结半导体光电探测器及其制备方法，该光电探测器采用分子束外延方法制备，在制备过程中原位生长形成非对称PIN浅结结构，制备过程简单易操作，可重复性强。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于分子束外延技术的自成结光电探测器，其特征在于，从下至上依次为P型单晶Si衬底、GeSn薄膜、Ge_1-x Sb_x薄膜和电极，所述GeSn薄膜厚度为60～120nm，所述Ge_1-xSb_x薄膜为N型半导体薄膜，厚度为60～120nm，其中，0.05≤x≤0.20。

一种基于分子束外延技术的自成结光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.选择100晶向的P型单晶Si衬底，并进行清洗；

步骤2.在步骤1清洗后的Si衬底表面采用分子束外延方法沉积GeSn薄膜，其中，GeSn薄膜的厚度为60～120nm；

步骤3.在步骤2沉积的GeSn薄膜表面采用双源双控方法，生长Ge_1-x Sb_x薄膜，其中，0.01≤x≤0.14，薄膜厚度为60～120nm；