驰豫GeSn红外雪崩光电探测器及其制造方法与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种驰豫gesn红外雪崩光电探测器及其制造方法。

背景技术：

红外光电探测器在通信、夜视、制导、天文观测、生物医疗等方面有着广泛的应用。相较于传统的iii-v族和ii-v族红外光电探测器，iv族红外光电探测器因其在制备工艺上与si基cmos工艺兼容，具有体积小、易集成、低成本、高性能等潜在优势。基于si衬底或soi(silicononinsulator，绝缘体上硅)衬底的ge探测器在通讯及传感领域获得了广泛的应用。然而，ge材料在波长大于1.55μm时，吸收系数急剧下降，这使得ge探测器无法满足短波红外乃至中红外的应用。在ge中引入sn可以延伸其探测范围，随着sn组分的增加，其探测范围可以延伸至短波红外乃至中红外波段。近年来，gesn红外光电探测器受到了广泛的研究。

然而，传统的gesnp-i-n型光电探测器因缺少内部增益机制，灵敏度受到限制。另外，由于gesn与si之间存在大的晶格失配，已报道的gesn红外光电探测器通常引入一层厚的驰豫的ge材料作为缓冲层，然后在其上外延生长应变的gesn材料作为吸收层。应变gesn吸收层的厚度会受到应变驰豫临界厚度的限制，从而限制了红外光电探测器的响应度。同时，厚的驰豫ge缓冲层会限制探测器的设计，尤其是雪崩光电探测器的设计，使得探测器的性能难以实现最优化。

因此，如何提高gesn红外光电探测器的灵敏度，是目前亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明提供一种驰豫gesn红外雪崩光电探测器及其制造方法，用以解决现有的gesn红外光电探测器灵敏度较低的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种驰豫gesn红外雪崩光电探测器，包括衬底以及沿垂直于所述衬底的方向依次层叠于衬底上的电荷倍增结构、缓冲层和吸收层；

所述电荷倍增结构采用si材料构成；

所述吸收层采用驰豫ge1-xsnx材料构成，其中，0<x<1；

所述缓冲层的缺陷密度大于预设值，以限制由所述si材料与所述驰豫ge1-xsnx材料晶格失配引起的线位错传播。

优选的，所述缓冲层采用si1-ygey材料构成，其中，0.2<y<0.8。

优选的，所述缓冲层的厚度30nm～80nm。

优选的，还包括：

位于所述衬底上的下接触层；

沿垂直于所述衬底的方向层叠于所述吸收层表面的上接触层；

位于所述下接触层表面的n-电极；

位于所述上接触层表面的p-电极。

优选的，所述电荷倍增结构包括沿垂直于所述衬底的方向依次层叠于所述下接触层表面的倍增层和电荷层；

所述下接触层n-型si接触层，所述上接触层为p-型ge1-asna接触层，所述电荷层为p-型si电荷层；且0≤a<1。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种驰豫gesn红外雪崩光电探测器的制造方法，包括如下步骤：

提供衬底；

外延生长si材料于所述衬底上，形成电荷倍增结构；

外延生长缓冲层于所述电荷倍增结构上，所述缓冲层的缺陷密度大于预设值，以限制由所述si材料与驰豫ge1-xsnx材料晶格失配引起的线位错传播，其中，0<x<1；

外延生长所述驰豫ge1-xsnx材料于所述缓冲层上，形成吸收层。

优选的，外延生长si材料于所述衬底上，形成电荷倍增结构的具体步骤包括：

外延生长n-型si材料于所述衬底表面，形成下接触层；

外延生长本征si材料于所述下接触层表面，形成倍增层；

外延生长p-型si材料于所述倍增层表面，形成电荷层。

优选的，外延生长缓冲层于所述电荷倍增结构上的具体步骤包括：

外延生长si1-ygey材料于所述电荷层表面，形成所述缓冲层，其中，0.2<y<0.8。

优选的，所述缓冲层的厚度30nm～80nm。

优选的，形成吸收层之后还包括如下步骤：

外延生长p-型ge1-asna材料于所述吸收层表面，形成上接触层，其中，0≤a<1；

沉积第一导电材料于所述下接触层表面，形成n-电极；

沉积第二导电材料于所述上接触层表面，形成p-电极。

本发明提供的驰豫gesn红外雪崩光电探测器及其制造方法，有如下三个方面的优势：第一，采用gesn材料作为吸收层，能够与现有的cmos工艺兼容；第二，与传统的gesnp-i-n型红外光电探测器相比，本发明采用吸收电荷倍增分离雪崩光电探测器结构，有着大的光电流放大倍数和高的灵敏度；第三，在电荷倍增结构与吸收层之间引入缺陷密度大于预设值的缓冲层，避免了厚的驰豫ge缓冲层的生长，也使得缺陷位错局限在缓冲层中，从而保证高质量的驰豫gesn吸收层的生长。

附图说明

附图1是本发明具体实施方式中驰豫gesn红外雪崩光电探测器的结构示意图；

附图2是本发明具体实施方式中驰豫gesn红外雪崩光电探测器的制造方法流程图；

附图3a-附图3g是本发明具体实施方式中驰豫gesn红外雪崩光电探测器制造过程中的主要工艺结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的驰豫gesn红外雪崩光电探测器及其制造方法的具体实施方式做详细说明。

本具体实施方式提供了一种驰豫gesn红外雪崩光电探测器，附图1是本发明具体实施方式中驰豫gesn红外雪崩光电探测器的结构示意图。如图1所示，本具体实施方式提供的驰豫gesn红外雪崩光电探测器，包括衬底10以及沿垂直于所述衬底10的方向依次层叠于衬底10上的电荷倍增结构、缓冲层13和吸收层14；所述电荷倍增结构采用si材料构成；所述吸收层14采用驰豫ge1-xsnx材料构成，其中，0<x<1；所述缓冲层13的缺陷密度大于预设值，以限制由所述si材料与所述驰豫ge1-xsnx材料晶格失配引起的线位错传播。其中，所述预设值优选为1×10¹⁵/cm³。

本具体实施方式中采用驰豫ge1-xsnx作为所述吸收层的材料，扩展了探测器的探测范围，而且能够与cmos工艺兼容。红外光通过所述吸收层14被吸收，光生载流子在电场的作用下加速进入所述电荷倍增结构。所述电荷倍增结构采用si材料构成，用于通过雪崩倍增效应使来自所述吸收层14的光电流增大，从而使得光响应度提高，探测器灵敏度提高。同时，在由si材料构成的所述电荷倍增结构与由驰豫ge1-xsnx材料构成的所述吸收层14之间引入一层高缺陷密度的所述缓冲层13，避免了厚的驰豫ge缓冲层的生长。而且，通过在所述缓冲层13中引入大量点缺陷，有效的限制了因晶格失配引起的线位错传播，使得缺陷位错局限在所述缓冲层13中，从而保证了高质量的驰豫ge1-xsnx吸收层的生长。

本领域技术人员可以根据实际需要调整所述吸收层14中ge组分与sn组分的相对含量。一般来说，在所述吸收层14中，随着sn组分的增加，gesn合金带隙变小，探测范围扩大。因此，为了获得较大的探测范围，优选的，0<x<0.4。

为了进一步提高所述吸收层14的生长质量，优选的，所述缓冲层13采用si1-ygey材料构成，其中，0.2<y<0.8。为了进一步优化所述驰豫gesn红外雪崩光电探测器的性能，优选的，所述缓冲层13的厚度30nm～80nm。更优选的，所述缓冲层13的厚度为50nm。

优选的，本具体实施方式提供的驰豫gesn红外雪崩光电探测器还包括：位于所述衬底10上的下接触层15；沿垂直于所述衬底10的方向层叠于所述吸收层14表面的上接触层16；位于所述下接触层15表面的n-电极17；位于所述上接触层16表面的p-电极18。更优选的，所述电荷倍增结构包括沿垂直于所述衬底10的方向依次层叠于所述下接触层15表面的倍增层11和电荷层12；所述下接触层15为n-型si接触层，所述上接触层16为p-型ge1-asna接触层，所述电荷层12为p-型si电荷层；且0≤a<1。

具体来说，所述电荷倍增结构包括依次层叠于所述下接触层15表面的所述倍增层11与所述电荷层12。所述下接触层15为沿垂直于所述衬底10的方向层叠于所述衬底10表面的n-型si接触层，且所述下接触层15形成一台阶结构，所述台阶结构包括下台面以及凸出于所述下台面的上台面，所述n-电极17位于所述下接触层15的下台面。所述倍增层11为层叠于所述下接触层15上台面的本征si材料层或者低n-型离子掺杂的si材料层；所述电荷层12为层叠于所述倍增层11表面的p-型si电荷层；所述上接触层16为层叠于所述吸收层14表面的p-型ge1-asna接触层。

不仅如此，本具体实施方式还提供了一种驰豫gesn红外雪崩光电探测器的制造方法，附图2是本发明具体实施方式中驰豫gesn红外雪崩光电探测器的制造方法流程图，附图3a-附图3g是本发明具体实施方式中驰豫gesn红外雪崩光电探测器制造过程中的主要工艺结构示意图，本具体实施方式制造得到的驰豫gesn红外雪崩光电探测器的结构参见图1。如图1、图2、图3a-3g所示，本具体实施方式提供的驰豫gesn红外雪崩光电探测器的制造方法，包括如下步骤：

步骤s21，提供衬底10。所述衬底10优选为si衬底或者soi衬底。

步骤s22，外延生长si材料于所述衬底10上，形成电荷倍增结构，如图3a所示。所述电荷倍增结构用于通过雪崩倍增效应使来自所述吸收层14的光电流增大，从而光响应度提高，探测器灵敏度提高。

优选的，外延生长si材料于所述衬底10上，形成电荷倍增结构的具体步骤包括：

(s22-1)外延生长n-型si材料于所述衬底10表面，形成下接触层15。具体来说，在对所述衬底10进行清洗后，在所述衬底10表面外延生长重n-型离子掺杂(n+)的si材料，以形成所述下接触层15。其中，所述下接触层15中n-型离子的掺杂浓度可以为2×10¹⁹/cm³，其厚度为1μm。

(s22-2)外延生长本征si材料于所述下接触层15表面，形成倍增层11。具体来说，外延生长本征si材料于所述下接触层15表面，形成所述倍增层11。

在其他实施方式中，也可以采用外延生长轻n-型离子掺杂的si材料于所述下接触层15表面，形成倍增层。此时，所述倍增层中n-型离子的掺杂浓度可以为5×10¹⁵/cm³，其厚度为500nm。

(s22-3)外延生长p-型si材料于所述倍增层11表面，形成电荷层12，如图3a所示。具体来说，在所述倍增层11表面外延生长轻p-型离子掺杂(p-)的si材料，以形成所述电荷层12。其中，所述电荷层12的厚度和掺杂浓度要相互制约来控制所述吸收层14与所述倍增层11的电场，使得所述倍增层11的电场强度要足够高，以引起雪崩倍增效应，例如：所述电荷层12中p-型离子的掺杂浓度为2×10¹⁷/cm³，其厚度为100nm。

步骤s23，外延生长缓冲层13于所述电荷倍增结构上，所述缓冲层13的缺陷密度大于预设值，以限制由所述si材料与驰豫ge1-xsnx材料晶格失配引起的线位错传播，，其中，0<x<1，如图3b所示。

优选的，外延生长缓冲层13于所述电荷倍增结构上的具体步骤包括：

外延生长si1-ygey材料于所述电荷层12表面，形成所述缓冲层13，其中，0.2<y<0.8。更优选的，所述缓冲层13的厚度30nm～80nm。所述缓冲层13的具体厚度可以根据所述si1-ygey材料中ge组分的含量进行选择，以更好的限制因晶格失配引起的线位错传播，例如y＝0.3时，所述缓冲层13的厚度可以设置为50nm。

步骤s24，外延生长所述驰豫ge1-xsnx材料于所述缓冲层13上，形成吸收层14，如图3c所示。举例来说，外延生长本征ge1-xsnx材料于所述缓冲层13表面，以形成所述吸收层14，x＝0.08，所述吸收层14的厚度为1μm。

优选的，形成吸收层14之后还包括如下步骤：

(a)外延生长p-型ge1-asna材料于所述吸收层14表面，形成上接触层16，其中，0≤a<1，如图3d所示。具体来说，外延生长重p-型离子掺杂(p+)的ge1-asna材料于所述吸收层14表面，以形成所述上接触层16。其中，所述上接触层16中p-型离子的掺杂浓度可以为2×10¹⁹/cm³，其厚度为100nm。

(b)沉积第一导电材料于所述下接触层15表面，形成n-电极17。

(c)沉积第二导电材料于所述上接触层16表面，形成p-电极18。

具体来说，在形成所述上接触层16之后，对所述上接触层16、所述吸收层14、所述缓冲层13、所述电荷层12、所述倍增层11和所述下接触层15进行刻蚀，形成如图3e所示的台面结构；然后，于由所述下接触层15、所述倍增层11、所述电荷层12、所述缓冲层13、所述吸收层14和所述上接触层16构成的堆叠结构的表面沉积钝化层材料，形成减反层19，其中，所述钝化层材料优选为二氧化硅；接着，利用光刻及干法刻蚀工艺对所述减反层19进行刻蚀，形成第一电极沟槽171和第二电极沟槽181，如图3f所示；最后，采用磁控溅射分别沉积第一导电材料于所述第一电极沟槽171、第二导电材料于所述第二电极沟槽181，并结合光刻和干法刻蚀工艺，形成所述n-电极17和所述p-电极18，如图3g所示。所述第一导电材料与所述第二导电材料可以为相同的导电材料，例如金属铝，使得所述n-电极17和所述p-电极18同步形成。

本具体实施方式提供的驰豫gesn红外雪崩光电探测器及其制造方法，有如下三个方面的优势：第一，采用gesn材料作为吸收层，能够与现有的cmos工艺兼容；第二，与传统的gesnp-i-n型红外光电探测器相比，本具体实施方式采用吸收电荷倍增分离雪崩光电探测器结构，有着大的光电流放大倍数和高的灵敏度；第三，在电荷倍增结构与吸收层之间引入缺陷密度大于预设值的缓冲层，避免了厚的驰豫ge缓冲层的生长，也使得缺陷位错局限在缓冲层中，从而保证高质量的驰豫gesn吸收层的生长。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。