[發(fā)明專利]基于虛襯底的硅鍺異質結光晶體管

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810070524.2
• 申請日: 2008-01-23
• 公開（公告）號: CN101221996A
• 公開（公告）日: 2008-07-16
• 發(fā)明（設計）人: 張永;李成;陳松巖;賴虹凱;康俊勇
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: H01L31/11
• 分類號: H01L31/11;H01L31/0352;H01L31/0256
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發(fā)明涉及一種異質結光晶體管，尤其是涉及一種制備在硅基硅鍺虛襯底上、可以根據(jù)“能帶工程”的理念按照不同的設計需要對集電區(qū)、吸收區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)的鍺組分和厚度進行自由調節(jié)的一種異質結光晶體管。

背景技術

隨著光通信事業(yè)的不斷發(fā)展和半導體新材料的不斷開拓，以光纖通信和光互連為代表的光電子集成技術對半導體光電子器件和電路提出了越來越迫切的要求，其中一個課題就是如何以成熟的硅工藝技術為基礎，利用新原理和新材料，在硅襯底上直接制作與硅微電子工藝兼容的、能在近紅外波段有效工作的高性能價格比的硅基光電探測器及其集成器件。硅鍺異質結光晶體管(HPT)是一種具有內(nèi)部增益但不放大噪聲的光晶體管，主要用于光探測而實現(xiàn)光電轉換。它與現(xiàn)有的硅微電子工藝兼容，特別適合于與目前成熟的硅鍺異質結晶體管(HBT)集成而實現(xiàn)硅基光電集成電路模塊。

Si為間接帶隙材料，吸收系數(shù)小，室溫下禁帶寬度為1.12eV，對1.3～1.55μm重要光通信窗口波段的光沒有吸收。Ge的禁帶寬度較窄，對光的吸收限可擴展至1.55μm以上。因此，具有一定厚度的高質量高組分SiGe合金甚至純Ge作為SiGe異質結光晶體管的吸收區(qū)成為一個理想的選擇。但是，由于Si和Ge之間晶格失配較大(4.18％)，直接在Si襯底上很難獲得較厚的高質量高組分SiGe層。傳統(tǒng)的SiGe異質結光晶體管通常采用以下幾種結構，這些結構仍然沒有解決SiGe層中組分與厚度的矛盾。

1)采用Si/SiGe/Si異質結晶體管結構，對光的吸收主要在SiGe基區(qū)和基區(qū)與集電區(qū)之間的耗盡區(qū)。由于在集電區(qū)和基區(qū)之間沒有額外的吸收區(qū)，基區(qū)中的SiGe層又受到臨界厚度的限制，很薄而且組分較低，很難實現(xiàn)對近紅外波段的光響應(J.L.Polleux，F(xiàn).Moutier，A.L.Billabertet?al，“A?strained?SiGe?layer?heterojunction?bipolar?phototransistor?for?short-range?opto-mictowaveapplications”，International?topical?meeting?on?microwave?photonics，2003，113～116)。

2)在集電區(qū)和基區(qū)之間增加Si_l-xGe_x/Si多量子阱作為吸收區(qū)，在多量子阱中壓應變使Si_l-xGe_x帶隙變小，平均Ge組份使臨界厚度增加，增加了有效吸收。但是，Si_l-xGe_x/Si多量子阱中的Ge組分和Si_l-xGe_x層的厚度由于受到Si上外延SiGe層臨界厚度的限制，必須控制在較小的范圍內(nèi)，對近紅外波段的光吸收仍然較小(Z.Pei，C.S.Liang，L.S.Lai?et?al，High?efficient?850nm?and?1.310?nm?multiple?quantum?well?SiGe/Si?heterojunction?phototransistors?with?1.25?plusGHz?bandwidth(850nm)，IEDM，2002，297～300；Z.Pei，L.S.Lai，H.P.Hwang?et?al，Si_1-xGe_x/Simulti-quantum?well?phototransistor?for?near-infrared?opration，Physica?E，2003，16：554～557)。

3)采用多周期的Ge?dots/Si作為吸收區(qū)，由于Ge量子點與Si形成II型能帶結構，吸收限擴展至1.55μm。但是Ge量子點的密度、均勻性等方面很難控制，有效量子效率很低，響應度較低(A.Elfving，G.V.Hansson，W.X.Ni，SiGe(Ge-dot)heterojunction?phototransistors?for?efficientlight?detection?at?1.3-1.55μm，Physica?E，2003，16：528～532；W.H.Shi，R.W.Mao，L.Zhao?et?al，F(xiàn)abrication?of?Ge?nano-dot?heterojunction?phototransistors?for?improved?light?detection?at?1.55μm，Chin.Phys.Lett.，2006，23(3)：735～737)。