增强型光电探测器衬底的制备方法、其产物及增强型III-V光电探测器

本发明涉及光电探测器领域，尤其是增强型光电探测器衬底的制备方法、其产物及增强型iii-v光电探测器。

背景技术：

iii-v探测器在生活中具有广泛的应用，包括红外测温仪，热成像仪，气体探测器等，同时面阵探测器，面阵激光器已经成功应用到生活及航空航天等领域，而为获得高质量器件。

pn结型探测器的核心传感层是由p型半导体和n型半导体构成的pn结，当适当频率的光照射探测器的pn异质结区时，光生载流子在pn结区内建电场的作用下在外电路形成光电流，从而实现光电探测功能。

常规的iii-v探测器，光往往只能经过一次有源区，因而光吸收效率相对较低，导致信号强度及信噪比较低。

同时，目前市场上的iii-v探测器的结构使用同质外延的方法，即其衬底材料采用与探测器结构同质的gaas，inp等衬底，这样可以有效的避免异质衬底由于晶格差异带来的各种问题。

但是，gaas，inp等衬底的价格高昂，这就使得相应iii-v探测器的制备成本较高，并且，gaas，inp等衬底尺寸较大，不能与电路集成。

而si衬底由于具有成熟的制备工艺，高的结晶质量，以及低廉的价格，因此可以用于制作iii-v探测器，但是由于其与iii-v族化合物存在较大的晶格失配及热失配，会在生长过程中产生大量的穿透位错，存在反向畴边界问题，大大降低了iii-v器件性能。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种通过在硅（001）衬底上设置增反结构，从而使光再次经过有源区从而提高光吸收率的增强型光电探测器衬底的制备方法、其产物及增强型iii-v光电探测器。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

增强型光电探测器衬底的制备方法，包括如下步骤：

s1，在硅（001）衬底的上表面制备一层掩膜层得到第一中间体；所述掩膜层上形成一组按一定的周期分布且沿硅（001）衬底的<110>晶向延伸的方形凹槽，所述方形凹槽至少从所述掩膜层的顶面延伸至硅（001）衬底的上表面；

s2，将所述第一中间体置入刻蚀溶液中浸泡，直至硅（001）衬底的外漏的上表面形成与每个方形凹槽对应的倒三角凹槽后取出清洗得到第二中间体，所述倒三角凹槽的顶边的两端延伸到方形凹槽的两侧；

s3，将所述第二中间体置于稀释的氢氟酸溶液中浸泡后取出清洗得到第三中间体；

s4，在所述第三中间体的倒三角凹槽内沉积得到ⅲ-v材料种子层，得到第四中间体，所述ⅲ-v材料种子层包括由下至上依次设置的缓冲层、过渡层及高温层，所述ⅲ-v材料种子层的表面与所述硅（001）衬底的上表面平齐；

s5，将所述第四中间体置于氢氟酸溶液中浸泡去除掩膜层得到最终的衬底。

优选的，所述的增强型光电探测器衬底的制备方法中，所述掩膜层的厚度在500纳米～1.5微米之间，且在温度低于1000℃时不分解。

优选的，所述的增强型光电探测器衬底的制备方法中，所述方形凹槽的宽度d在（0.8～0.9）p之间，其中p为方形凹槽的周期宽度。

优选的，所述的增强型光电探测器衬底的制备方法中，所述方形凹槽的周期与光电探测器的吸收截止波长一致。

优选的，所述的增强型光电探测器衬底的制备方法中，所述s3步骤中的氢氟酸溶液的浓度在1%～5%，浸泡时间在5～30秒。

优选的，所述的增强型光电探测器衬底的制备方法中，所述s4步骤包括：

s41,将第四中间体置入mocvd设备中，使设备升温至750℃烘烤20分钟，随后降温至370℃～420℃之间，以砷烷和三甲基镓作为前驱体，按照v/iii比大于100的条件，生长一定厚度的砷化镓缓冲层；

s42，升温至500±25℃之间，以砷烷和三甲基镓作为前驱体，按照v/iii比大于10的条件，生长一定厚度的砷化镓过渡层；

s43，升温至600±45℃之间，以砷烷和三甲基镓作为前驱体，按照v/iii比5±1的条件，继续生长一层砷化镓高温层，至高温层的表面与硅（001）衬底的上表面平齐时停止。

优选的，所述的增强型光电探测器衬底的制备方法中，所述砷化镓缓冲层的厚度在8纳米±2纳米之间，所述过渡层的厚度在100纳米±20纳米之间。

优选的，所述的增强型光电探测器衬底的制备方法中，所述s5步骤中的氢氟酸溶液的浓度在5%～50%，浸泡时间在5～30分钟。

增强型光电探测器衬底，包括硅（001）衬底，所述硅（001）衬底的上表面形成有一组周期分布且沿硅（001）衬底的<110>晶向延伸的倒三角凹槽，所述倒三角凹槽内填充有ⅲ-v材料种子层，所述ⅲ-v材料种子层包括由下至上依次形成的缓冲层、过渡层及高温层，所述高温层的表面与硅（001）衬底的上表面平齐

增强型iii-v光电探测器，包括上述的增强型光电探测器衬底。

本发明技术方案的优点主要体现在：

本方案设计精巧，充分利用硅（001）衬底材料的各向异性特点，在硅（001）衬底上形成特定周期的倒三角凹槽，并填充iii-v材料种子层，得到增反结构，可以有效的对正面透过探测器的光进行反射，使光再次通过器件的有源区，达到增强光吸收效率的目的，从而起到增强探测信号，提高信噪比的作用，并且，本方案利用光栅对特定波长光波的调制作用以及硅基三五集成应用特点，采用低温、中温、高温沉积砷化镓种子层，有效克服了硅晶体与iii-v材料的晶格失配导致的反向畴边界问题，为硅（001）衬底与iii-v面阵器件的集成创造了有利条件，有利于改善器件的质量。

倒三角凹槽的顶部两端延伸到掩模层下方，可以在形成iii-v材料种子层时，利用上方的掩模层抑制晶格失配造成的穿透位错，能够有效的降低缺陷。

附图说明

图1是本发明的第一中间体的剖视图；

图2是本发明的第二中间体的剖视图；

图3是本发明的第四中间体的剖视图;

图4是本发明的增强型光电探测器衬底的剖视图。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

在方案的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。并且，在方案的描述中，以操作人员为参照，靠近操作者的方向为近端，远离操作者的方向为远端。

下面结合附图对本发明揭示的增强型光电探测器衬底的制备方法进行阐述，其包括如下步骤：

s1，如附图1所示，在硅（001）衬底1的上表面制备一层掩膜层2得到第一中间体；所述掩膜层2上形成一组按一定的周期分布且沿硅（001）衬底的<110>晶向延伸的方形凹槽21，所述方形凹槽21至少从所述掩膜层2的顶面延伸至硅（001）衬底1的上表面。

具体的，首先，在硅（001）衬底1的上表面沉积一层二氧化硅薄层，在所述二氧化硅薄层的表面涂光刻胶、曝光、显影得到光栅图案，接着通过干法刻蚀或湿法刻蚀得到一组所述方形凹槽21，当采用湿法刻蚀时，可以将第一中间体置于boe溶液中进行浸泡，最终得到光栅型的二氧化硅掩膜层结构。

所述掩膜层2的厚度在500纳米～1.5微米之间，且在温度低于1000℃时不分解，具有稳定的性能。所述方形凹槽21的周期宽度p（相邻方形凹槽21的长度方向中心线的间距）与光电探测器设计的响应截止波长一致，优选所述周期宽度p小于1.1微米，能够有效的避免波长大于1.1微米以上的光透射过硅衬底，从而充分发挥硅衬底1上形成的倒三角凹槽所起到的反射作用。

所述方形凹槽21的深度优选与掩模层2的厚度一致，当然在其他实施例中也可以大于掩模层2的厚度，即方形凹槽21延伸到所述硅（001）衬底1上。

所述方形凹槽21的宽度优选在（0.8～0.9）p之间，其中p为方形凹槽21的周期宽度，之所以这样设计是由于发明人研究发现，方形凹槽的宽度较小会导致器件有源区缺陷增加；而宽度过大会导致在刻蚀得到倒三角结构过程中，腐蚀液会沿着二氧化硅与硅界面侵入，导致相邻方形凹槽21之间的隔断下方的硅衬底的宽度过窄，极有可能造成掩膜结构损坏，从而无法达到保护作用，同时影响到后续沉积种子层3时掩膜层的阻挡作用。

s2，如附图2所示，将所述第一中间体置入刻蚀溶液中浸泡，所述刻蚀溶液采用氢氧化钾溶液或氢氧化钾异丙醇溶液，直至硅（001）衬底1表面形成与每个方形凹槽21对应的倒三角凹槽11后取出清洗得到第二中间体，所述倒三角凹槽11的顶边的两端延伸到方形凹槽21两侧。

这是由于硅晶体晶面密度与各个晶面与次晶面共价键数的差异，导致硅晶体（111）晶面腐蚀速率最慢，（100）晶面的腐蚀速度最快，而（110）晶面的腐蚀速度介于上述两个晶面之间，因此使用koh或其与ipa混合溶液腐蚀（100）晶面时，会产生向（111）晶面倾斜的斜面，与表面（100）晶向行成54.7°夹角，从而最终形成倒三角凹槽。并且倒三角凹槽的顶边两端延伸到掩模层2的下方，因此在后续沉积形成ⅲ-v材料种子层3时，能够通过掩模层抑制晶格失配导致的种子层3的缺陷问题。

s3，将所述第二中间体置于稀释的氢氟酸溶液中浸泡后取出清洗得到第三中间体；具体的，所述氢氟酸溶液的浓度在1%到5%之间，浸泡时间在5秒到30秒之间，去除部分掩膜层，浸泡后需用大量去离子水清洗1分钟。

s4，如附图3所示，在所述第三中间体的倒三角凹槽11内沉积得到ⅲ-v材料种子层3，得到第四中间体，所述ⅲ-v材料种子层3的表面与所述硅（001）衬底的上表面平齐。

具体的，所述s4步骤包括

s41，将第三中间体置入mocvd设备中，使设备升温至750℃烘烤20分钟后降温至370℃～420℃，优选为400℃，以砷烷和三甲基镓作为前驱体，按照v/iii比（摩尔比）大于100的条件，优选在100-500之间，生长一定厚度的砷化镓的缓冲层31，所述缓冲层31的厚度优选在8纳米±2纳米之间，生长时间在10分钟左右。

s42，接着，使炉内温度升温至500±25℃之间，继续以砷烷和三甲基镓作为前驱体，按照v/iii比大于10的条件，优选在10～100，生长一定厚度的砷化镓的过渡层32，所述过渡层32的厚度优选在100nm±20nm，所述过渡层32的设置有利于进一步消除硅（001）衬底和gaas材料之间的晶格失配。

s43，升温至600±45℃，优选为600℃，继续以砷烷和三甲基镓作为前驱体，v/iii比为5±1，继续生长砷化镓的高温层33，至高温层的表面与硅（001）衬底的上表面平齐时停止，即高温层33完全填充满每个所述倒三角凹槽，生长时间在30分钟左右。

第一阶段的摩尔比例取值之所以选择要大于100，其主要原因首先是为了在生长得到缓冲层之前在硅（001）衬底1上先形成si-as键，降低形成si-ga键及其他化学键的几率，避免反向畴的形成；其次，是因为大摩尔量的v族源可以保证形成高质量缓冲层，阻止c元素导致的材料质量较差。当然，为了更好的保证先形成si-as键,在进行缓冲层沉积前，可以先通入小流量的砷烷。而高温生长过程中，选择较小的v/iii比，原因之一在于可以降低生产成本，另外亦可保证高温生长过程中c杂质并入gaas材料，提高gaas材料质量。

之所以采用低温、中温和高温条件沉积得到三层砷化镓层，是由于通过使沉积温度有梯度的递增，从而使各层的晶粒能够呈现逐步增大趋势，减小相邻层之间的晶粒的大小差异，能够有效的缓解gaas和si晶格失配度大引起的结构缺陷，有利于获得晶体质量较好的gaas外延层。

s5，如附图4所示，将所述第四中间体置于氢氟酸溶液中浸泡去除掩膜层得到最终的衬底。具体的，所使用氢氟酸溶液的浓度在5%～50%，浸泡时间在5～30分钟，从而可以快速的清除剩余的掩模层材料，具体以所述掩模层完全被清除，硅（001）衬底1的上表面全部暴露为准。

本方案进一步揭示了由上述方法制备得到的增强型光电探测器衬底，如附图4所示，包括硅（001）衬底1，所述硅（001）衬底1的（001）晶面上形成有一组周期分布且沿硅（001）衬底的<110>晶向延伸的倒三角凹槽11，所述倒三角凹槽11的槽底内形成有砷化镓缓冲层31，所述砷化镓缓冲层31上形成有砷化镓高温层32，所述砷化镓高温层32的表面与硅（001）衬底上表面平齐。

本方案还揭示了一种增强型iii-v光电探测器，包括上述实施例的增强型光电探测器衬底，还包括p接触层、n接触层及吸收层、电极等探测器结构，当然，所述探测器结构也可以是其他可行的pn结型结构，此处不作限定。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。