横向Ⅳ族元素量子阱光电探测器及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子器件技术领域，特别涉及一种光电探测器，可用于宽带通信，医疗，监测及自动影像等。
【背景技术】
[0002]光电探测器通常工作在低温环境，现今的制冷红外IR传感系统所用的材料有HgCdTe(MCT)、InSb, PtSi和掺杂Si，对于IR传感器的应用，量子阱红外探测器还是相对较新的技术。HgCdTe是研究最广泛的用半导体合金系统的一种红外探测器，到目前为止，基于HgCdTe焦平面探测器的热像仪仍是红外焦平面热成像技术的主流发展方向之一。HgxCd1 xTe探测器是目前性能最好的中红外探测器，通过调节材料中Hg的组分可以实现带隙0-0.SeV的连续可调。然而无论II1-V族或者I1-VI族材料，本身都会引起环境污染、成本非常高与Si基技术不兼容等问题。因此，IV族材料体系硅基兼容、无毒环保成为了另一主流发展方向。
[0003]Ge，IV族半导体材料，在1.3-1.55 μ m波段范围内有很高的吸收效率，且可直接在Si衬底上外延生长高质量Ge薄膜，因此Ge被认为近红外探测器的理想备选材料。室温下，Ge直接带隙为0.80eV，因此Ge探测器吸收边在1.55 μ m左右，不能覆盖中红外波段。可通过引入Sn原子来改变Ge基探测器的吸收边。GeSn合金具有比Ge更小的直接带隙，因此吸收边可以进一步红移。量子阱结构是一种夹层超晶格，其探测机理与传统探测器截然不同，它是靠一个量子阱结构中光子和电子之间的量子力学相互作用来完成探测的。
[0004]从理论上说增加Sn的组分可以使GeSn材料的带隙减小到零，但由于Sn在Ge中的固溶度很低小于1%，因此制备高质量、无缺陷的高Sn组分的GeSn很困难。现在用低温外延生长的方法也只能制备出Sn组分为20?25%的GeSn材料[ECSTransact1ns, 41 (7), pp.231, 2011 ；Photonics Research, I (2).pp.69, 2013]。并且随着Sn组分的增加，Sn原子会偏析或者分凝，材料质量和热稳定型都会变差，因此单纯依靠提高Sn的组分实现较大范围带隙的调节比较困难。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，根据GeSn材料特性，提供一种横向IV族元素量子阱光电探测器，以减小光电探测器原材料毒性，增大探测器的吸收谱波长范围。
[0006]理论研究和实验证明在GeSn材料中引入张应变可以导致材料直接带隙减小，并有利于材料从间接带隙结构向直接带隙转变，根据此原理本发明的技术方案是这样实现的:
[0007]—.本发明的横向IV族元素量子阱光电探测器，自下而上包括:衬底、下电极、吸收区和上电极，其特征在于:
[0008]吸收区由GeSn量子讲和SiGeSn势皇层横向交叠排列组成；
[0009]所述量子阱采用Sn组分为大于等于O小于等于0.3的GeSn应变单晶材料；
[0010]所述势皇层采用Sn组分为大于等于O小于等于0.3,Ge组分为大于等于O小于等于I的单晶材料。
[0011]二.本发明制作上述横向IV族元素量子阱光电探测器的方法，包括如下步骤:
[0012]I)利用分子束外延工艺，在衬底上依次生长Sn组分为O?0.3的η型GeSn单晶和弛豫本征GeSn单晶，其中η型GeSn单晶的掺杂元素为磷，掺杂浓度为10lscm 3，即下电极；
[0013]2)利用刻蚀工艺，将弛豫本征GeSn单晶刻成横向量子阱，形成GeSn量子阱与间隙在横向的交叠排列；
[0014]3)利用分子束外延工艺，在横向量子讲的间隙中生长Ge组分为O?1、Sn组分O?0.3的SiGeSn单晶材料；
[0015]4)利用呙子注入，在材料为GeSn/SiGeSn单晶的量子讲顶部中注入剂量为115Cm 2，能量为20KeV的硼元素，形成P型电极，未被注入的SiGeSn单晶材料区域形成势皇层，形成GeSn量子讲与SiGeSn势皇层的横向交叠排列结构。
[0016]本发明具有如下优点:
[0017]1、利用应变，提高了发光有源区材料带隙调节效果
[0018]本发明采用GeSn单晶材料形成量子阱，当SiGeSn晶格常数比GeSn小时，在GeSn量子阱中引入横向即X方向张应变，从而改变了 GeSn量子阱材料带隙，在不改变GeSn量子阱材料组分的情况下，可以有效调节器件吸收波长范围，同时，还可以通过减小GeSn量子阱和SiGeSn势皇的厚度比来增加GeSn量子阱吸收区的应变，从而增强吸收区材料带隙调节效果。
[0019]2、采用材料价格低廉、无毒环保
[0020]本发明中所采用的材料均为IV族材料，同现有的II1-V族材料和I1-VI材料相比，IV族材料无毒环保、价格低廉。同时，目前半导体制造工业中的大部分生产设备是针对Si材料设计的，若采用II1-V族材料和I1-VI材料，则由于与Si工艺不兼容性，不容易实现Si基集成。而使用IV族材料，易制备出Si基集成的GeSn光电探测器。
【附图说明】
[0021]图1为本发明横向IV族元素量子阱光电探测器的三维结构图；
[0022]图2为本发明横向IV族元素量子阱光电探测器的截面结构图；
[0023]图3为本发明横向IV族元素量子阱光电探测器的制作流程示意图。
【具体实施方式】
[0024]为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0025]1.参照图1和图2，本发明的横向IV族元素量子阱光电探测器自下而上包括:衬底
1、下电极2、吸收区3和上电极4，其中下电极2为η型掺杂的GeSn单晶材料，上电极4为P型掺杂的GeSn和SiGeSn单晶材料，吸收区3由GeSn量子阱31和SiGeSn势皇层32横向交叠排列组成。量子阱31采用Sn组分为大于等于O小于等于0.3的GeSn应变单晶材料，其通式为Ge1 xSnx，0 ^ x ^ 0.30 ;势皇层32采用Sn组分为大于等于O小于等于0.3、Ge组分为大于等于O小于等于I的SiGeSn单晶材料，其通式为Si1 y zGeySnz，0 ^ y ^ I,O ^ z 0.30 ;各层从下至上分别为:衬底1、下电极2、吸收区3、上电极4，吸收区由上述量子阱31与势皇层32横向交叠排列组成。
[0026]由于SiGeSn势皇层32的晶格常数比GeSn量子阱31的晶格常数小，使得在GeSn量子阱31沿X方向产生的张应变，减小了 GeSn量子阱的带隙，提高器件吸收谱波长范围。
[0027]参照图3，本发明制作横向IV族元素量子阱光电探测器的方法，给出如下三种实施例。
[0028]实施例1:制作量子阱的Sn组分为0.3的，势皇层的Ge组分为0，Si组分为0.7的横向IV族元素量子阱光电探测器。
[0029]步骤1:在Si衬底I上，利用分子束外延工艺，以固体磷、锗和锡作为蒸发源，用10 4pa的压强，在180°C环境下，依次生长η型GeSn单晶和弛豫本征GeSn单晶，其中Sn组分均为0.3，Ge组分为0.7，所生长的η型GeSn单晶即为下电极2，如图3a。
[0030]步骤2:利用刻蚀技术，采用氯基离子基团，在光刻胶掩蔽作用下，将本征GeSn单晶刻成横向量子阱31，如图3b。
[0031]步骤3:利用分子束外延工艺，以固体硅、锗和锡作为蒸发源，用10 4pa的压强，在180°C环境下，在GeSn量子阱之间间隙中生长Si组分为0.7，Ge组分为0，Sn组分为0.3的SiGeSn单晶材料，如图3c。
[0032]由于S1、Ge、Sn三者的晶格常数关系为:aSl〈aSe〈aSn，所以该SiGeSn