一种硅基III-V族轴向异质结垂直纳米线阵列APD器件

一种硅基iii
‑
v族轴向异质结垂直纳米线阵列apd器件
技术领域
1.本实用新型涉及一种对光信号探测的半导体器件，尤其是一种硅基iii
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v族轴向异质结垂直纳米线阵列apd器件。


背景技术：

2.雪崩光电二极管(avalanche photodiode,apd)指的是利用半导体中的光生载流子在强电场下发生雪崩倍增效应，光信号得到放大，从而实现对微弱光信号探测的一种半导体器件。apd具有很高的灵敏度，不需额外的外部放大器就可以实现对微弱光信号的探测。近红外波段apd在量子通讯、大气监测、红外遥感、自动驾驶、生物医学和航空航天等军事与民用领域得到了广泛应用。由于近红外波段apd具有重要的应用与科学前景，受到了世界各国政府和产业界的普遍关注，是国际研究的热点前沿领域。
3.噪声和速度是近红外apd现阶段面临的重要瓶颈，且后脉冲效应也是影响盖革模式下apd工作速度的关键因素之一。针对后脉冲效应，虽然已开发出一些复杂的主动抑制系统，但探测器的计数率很少能超过100khz。这对于高速探测和光子到达探测器时间是未知的系统，如激光雷达和时间分辨率荧光光谱等应用，是不合适的。
4.对于传统的平面型近红外雪崩光电探测器来说，如果异质结晶体材料生长超过临界厚度的话，晶格失配会导致材料中位错的形成，这将严重影响器件的性能。由于晶格匹配的限制，平面型近红外apd器件的设计及探测波长范围受到了很大的限制。
5.目前在近红外波段应用最广泛的是inp基ingaas吸收层、渐变层、电荷层、倍增层分离结构(separateabsorption grading charge andmultiplication，sagcm)的apd，其具有高增益带宽积、高量子效率和低暗电流等优点。然而，平面inp/ingaas sagcm型apd以ingaas为吸收层的高质量探测器，由于需要跟inp衬底晶格匹配，组分限制为in＝0.53，使得探测波长范围受到限制。如果晶格不匹配会产生大量位错，严重影响器件性能。在近红外波段，ingaas吸收系数不够高，如光纤通信波段，～104cm
‑1，为了获得外量子效率>90％，需要吸收区厚度达2.5μm，这限制了器件的工作速度。通常在inp外延材料中深能级缺陷较多，盖革工作模式下，雪崩产生的大量载流子被这些深能级缺陷捕获，待测光信号停止后，这些载流子逃逸出陷阱会继续引起雪崩，造成后脉冲效应比较严重，限制了器件的光子计数频率。inp作为倍增层，材料中的空穴和电子的碰撞电离系数相差小，器件噪声大，而且采用inp作为衬底，价格昂贵，限制了器件的使用范围，难以应用到低成本民用产品中。
6.综上所述，目前广泛应用的近红外平面型inp基ingaasapd存在探测波长范围受限、噪声大和后脉冲效应严重等瓶颈，大大限制了其进一步的发展。
7.而与之相比，对于纳米线近红外雪崩光电探测器来说，材料的晶格失配应力可在纳米线表面得到有效地释放。轴向(axial)型和核壳(core
‑
shell)纳米线异质材料结构的临界厚度大于平面型生长的薄膜样品。由于纳米线可耐受的晶格失配比较大，这给衬底的选择和异质结的设计，带来了很大的灵活性。因此，采用纳米线材料可减小由晶格匹配造成的探测器波长范围受限问题。纳米线结构，为问题的解决提供了新思路。


技术实现要素：

8.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够提高si和ingaas的异质结界面质量，并且具有低暗电流，低噪声，高性能的硅基iii
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v轴向异质结垂直纳米线阵列apd器件。
9.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种硅基iii
‑
v族轴向异质结垂直纳米线阵列apd器件，包括衬底；所述衬底上设置有绝缘介质层；所述绝缘介质层内设置有垂直纳米线阵列；
10.所述纳米线阵列由上至下包括接触层、吸收层、渐变层、电荷层、倍增层；所述纳米线阵列的外层设置有sio2外壳；
11.所述绝缘介质层的上表面设置有金属蒸镀层形成上电极；所述纳米线阵列中每根纳米线上端均延伸出绝缘介质层；所述纳米线延伸出绝缘介质层的一端的外表面设置有金属蒸镀层；所述金属蒸镀层与上电极电连通；
12.所述绝缘介质层另一侧的衬底形成下电极；所述绝缘介质层上表面设置有与纳米线阵列中每个纳米线一一对应的光入口。
13.进一步的，所述光入口包括纳米线一侧在绝缘介质层上的第一金属蒸镀层开口以及纳米线上该侧的第二金属蒸镀层开口。
14.进一步的，所述接触层的厚度为100
‑
300nm；所述吸收层的厚度为400
‑
1000nm；所述渐变层的厚度为40
‑
60nm；所述电荷层的厚度为50
‑
300nm；所述倍增层的厚度为400
‑
1000nm；所述sio2外壳的厚度为10
‑
20nm。
15.进一步的，所述衬底为n+si(111)；所述接触层为重掺杂p+in
y
ga1‑
y
as；
16.所述吸收层为非故意掺杂的ingaas；所述渐变层为in
x
ga1‑
x
as；所述电荷层为p型si；所述倍增层为非故意掺杂的si。
17.本实用新型的有益效果是相对与现有技术具有以下优点：
18.1、本实用新型所述的硅基iii
‑
v轴向异质结垂直纳米线阵列apd器件采用sagcm型硅基si
‑
ingaas轴向异质结垂直纳米线阵列的apd结构，垂直纳米线阵列可增强对光的吸收，提高器件的工作速度；sagcm纳米线阵列apd结构，由于雪崩发生在单根纳米线的微小区域，降低了在雪崩倍增过程中被陷阱中心俘获的载流子数量，可降低器件后脉冲效应和暗电流。用二氧化硅纳米管模板辅助外延的方法，在n+si(111)衬底上制备sagcm型si
‑
ingaas轴向异质结垂直纳米线阵列apd器件，为首次提出。
19.2.本实用新型所述的硅基iii
‑
v族轴向异质结垂直纳米线阵列apd器件采用二氧化硅纳米管模板辅助生长，从而消除轴向异质结纳米线的侧向生长问题。由于在纳米管内iii
‑
v族纳米线材料的生长类似体材料的层状生长模式，在异质结生长时不存在原子或分子在纳米线表面的纵向迁移，可以从根本上避免轴向异质结纳米线的侧向生长问题。由于纳米管壁薄，应力可以在纳米管表面得到释放，有助于得到高质量的异质结。
20.3.本实用新型所述的硅基iii
‑
v族轴向异质结垂直纳米线阵列apd器件采用si纳米线顶部外延生长ingaas纳米线的结构，应力可在纳米线表面得到有效地释放，硅纳米线上生长的ingaas及si
‑
ingaas异质结界面可获得很高的晶体质量，对光电性能有重要影响的apb(反相畴界)缺陷和穿透位错被抑制，有助于提高器件性能。
21.4、本实用新型所述的硅基iii
‑
v族轴向异质结垂直纳米线阵列apd器件以硅作衬
底，工艺与现有集成电路工业兼容，具有产业化的前景。
附图说明
22.图1是本实用新型实施例中硅基iii
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v族轴向异质结垂直纳米线阵列apd器件的立体图；
23.图2是本实用新型实施例中硅基iii
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v族轴向异质结垂直纳米线阵列apd器件的结构示意图；
24.图3是本实用新型实施例中单根纳米线apd的结构示意图；
25.图4是本实用新型实施例中硅基iii
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v族轴向异质结垂直纳米线阵列apd器件生产工艺的流程简图；
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
27.如图1至图4所示，本实用新型所述的一种硅基iii
‑
v族轴向异质结垂直纳米线阵列apd器件，包括衬底100；所述衬底100上设置有绝缘介质层200；所述绝缘介质层200内设置有垂直纳米线阵列300；
28.所述纳米线阵列300由上至下包括接触层305、吸收层304、渐变层303、电荷层302、倍增层301；所述纳米线阵列300的外层设置有sio2外壳306；
29.所述绝缘介质层200的上表面设置有金属蒸镀层形成上电极500；所述纳米线阵列300中每根纳米线上端均延伸出绝缘介质层200；所述纳米线延伸出绝缘介质层200的一端的外表面设置有金属蒸镀层；所述金属蒸镀层与上电极500电连通；
30.所述绝缘介质层200另一侧的衬底100形成下电极400；所述绝缘介质层200上表面设置有与纳米线阵列300中每个纳米线一一对应的光入口600。
31.具体的，所述光入口600包括纳米线一侧在绝缘介质层200上的第一金属蒸镀层开口601以及纳米线上该侧的第二金属蒸镀层开口602。
32.具体的，所述接触层305的厚度为100
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300nm；所述吸收层304的厚度为400
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1000nm；所述渐变层303的厚度为40
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60nm；所述电荷层302的厚度为50
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300nm；所述倍增层301的厚度为400
‑
1000nm。所述sio2外壳306的厚度为10
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20nm。所述衬底100为n+si(111)；所述接触层305为重掺杂p+in
y
ga1‑
y
as；
33.所述吸收层304为非故意掺杂的ingaas；所述渐变层303为in
x
ga1‑
x
as；所述电荷层302为p型si；所述倍增层301为非故意掺杂的si。
34.本实用新型所述一种硅基iii
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v族轴向异质结垂直纳米线阵列apd器件的单根纳米线apd结构如图3所示，首先是从纳米线顶部的重掺杂p+in
y
ga1‑
y
as和下面的n+si(111)衬底作为器件的电极，然后是非故意掺杂的ingaas作为apd光吸收层；in
x
ga1‑
x
as作为渐变层减小吸收层和倍增层之间的能带势垒，提高载流子输运速度；p型si作为电荷层，调节吸收层和倍增层相对电场强度；非故意掺杂的si作为倍增层，产生雪崩倍增，放大信号；纳米线外层为sio2纳米管模板，兼作壳层，作为纳米线apd的钝化层，抑制表面态对器件的影响。
35.本实用新型所述一种硅基iii
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v族轴向异质结垂直纳米线阵列apd器件的纳米线阵列apd器件结构图如图3所示，纳米线顶部和衬底蒸镀金属作为电极，顶部电极在用磁控
溅射蒸镀电极时，将样品倾斜45度，图中阴影区为未镀上金属部分，可作为光入射窗口。纳米线阵列中间部分由苯并环丁烯bcb(benzocyclobutene)填充，起钝化sio2壳层和电极间绝缘作用，可降低表面漏电流，提高器件的性能。
36.以往平面型inp/ingaas apd中inp作倍增层，inp中空穴和电子的碰撞电离系数相差小，噪声大；inp外延材料中深能级缺陷较多，工作在盖革模式下后脉冲效应严重。
37.本实用新型所述一种硅基iii
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v族轴向异质结垂直纳米线阵列apd器件采用si纳米线作倍增层，硅中空穴和电子的碰撞电离系数相差大，可降低噪声。硅中陷阱能量和密度比较低，可降低后脉冲效应。本实用新型采用si纳米线顶部外延生长ingaas纳米线的结构，应力可在纳米线表面得到有效地释放，硅纳米线上生长的ingaas及si
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ingaas异质结界面可获得很高的晶体质量，对光电性能有重要影响的apb缺陷和穿透位错被抑制，有助于提高器件性能。
38.本实用新型所述一种硅基iii
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v族轴向异质结垂直纳米线阵列apd器件采用sagcm型硅基si
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ingaas轴向异质结垂直纳米线阵列的apd结构，在实现高效光吸收和雪崩倍增放大的基础上，可降低器件暗电流和后脉冲效应，提高器件的工作速度。
39.本实用新型还提供了一种硅基iii
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v族轴向异质结垂直纳米线阵列apd器件的生产工艺，包括以下步骤：
40.s1、通过磁控溅射沉积非晶硅；
41.s2、采用ebl及反应离子刻蚀的技术制备出si和非晶硅轴向垂直纳米线阵列；
42.s3、采用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)技术在si和非晶硅轴向垂直纳米线阵列上沉积sio2纳米管壳层；
43.s4、采用干法刻蚀给纳米线顶端开口，接着将si纳米线顶部的非晶硅纳米线部分刻蚀掉；
44.s5、采用化学试剂刻蚀，得到二氧化硅纳米管阵列模板；
45.s6、采用cvd或mbe技术在纳米管中si纳米线顶部外延生长渐变层in
x
ga1‑
x
as、吸收层ingaas和重掺杂的p+in
y
ga1‑
y
as电极接触层，生长出si
‑
ingaas纳米线apd；
46.s7、对制备的高质量si
‑
ingaas垂直异质结纳米线阵列材料进行绝缘介质苯并环丁烯bcb填充和上下电极制备。
47.本实用新型所述的一种硅基iii
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v族轴向异质结垂直纳米线阵列apd器件的生产工艺采用二氧化硅纳米管模板辅助外延的方法和倍增层分离结构sagcm，在n+si(111)衬底上制备si
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ingaas轴向异质结垂直纳米线阵列apd来解决传统平面型近红外波段inp/ingaasapd面临的探测波长范围受限、噪声大和后脉冲效应严重等瓶颈问题。
48.本实用新型专利是采用纳米管辅助制备纳米线apd，材料方面是可以选择其他材料的，例如衬底还可以使用p+si或者其他更广泛的其他衬底。还有，器件结构都采用sagcm，但由于不同倍增区材料电子，空穴离化系数不同，其器件的功能层的顺序和方向也会发生不同，即器件功能层布局是由空穴/电子离化系数比决定。此外，采用纳米管辅助纳米线生长的方法，也可应用于其他器件结构。