[發明專利]基于分子束外延技術的自成結光電探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 202010745094.0
• 申請日: 2020-07-29
• 公開（公告）號: CN111933738B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 李晨光;張岱南;唐坤;張懷武;李明明
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L31/101
• 分類號: H01L31/101;H01L31/18;H01L31/0352;H01L31/0288;H01L31/028
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

本發明提供一種基于分子束外延技術的自成結半導體光電探測器及其制備方法，屬于光電探測器件領域。本發明制備的光電探測器采用非對稱PIN淺結結構，將Sb原子在分子束外延設備腔體內采用高溫原位摻雜的方法摻雜進Ge薄膜中，將Ge改性為N型半導體；全程制備過程均在分子束外延設備腔體中進行，這樣就大大減小了外來雜質的污染，簡化了光電探測器制作工藝的流程，且相比傳統的離子注入的摻雜方法，該方法不會破壞晶體的晶格結構。

技術領域

本發明屬于光電探測器件領域，具體涉及一種基于分子束外延技術的自成結半導體光電探測器及其制備方法。

背景技術

光通信近年來飛速發展，而光電探測器是將光信號轉化為電信號的重要器件之一，制備具有高量子效率、低暗電流、高響應度和高頻率帶寬的光電探測器，并實現Si基光電集成接收芯片一直是相關領域科研工作者重點研究方向。基于InP等Ⅲ-Ⅴ族半導體材料制備的探測器暗電流小，但其價格昂貴、導熱性能和機械性能較差，并且與Si工藝兼容性較差，故在Si基光電集成技術中的應用受到了限制。GaAs是目前常見的紅外半導體材料，然而它的截止波長僅在0.86μm，已經不能滿足下一代紅外探測的帶寬和波段需求。因此，如何在保證相關性能的基礎上，制備與Si工藝兼容性較好、價格便宜、可重復性高、制備簡單的光電探測器是一個值得研究的課題。

Ge作為和Si同族的半導體材料，直接帶隙約為0.67eV，自身的截止波長為1.3μm，對光通信中的C波段信號具有良好的響應特性。近年來，GeR(R為Si、Sn、Bi等)材料應用越來越多，其中一個重要應用便是在光電探測領域，Su S等人(Su S,Cheng B,Xue C,etal.GeSn pin photodetector for all telecommunication bands detection[J].Opticsexpress,2011,19(7):6400-6405.)以n型硅單晶作為襯底，利用分子束外延技術先制備GeSn薄膜或Ge緩沖層作為i層，再生長一層GeSn薄膜，最后再利用磁控濺射摻雜硼原子將其改性為p型半導體，進而構成p-i-n結半導體光電探測器。但是采用這種方法制備的光電探測器，一方面由于GeSn材料本身的限制，導致其探測波長具有一定的局限性，暗電流相對于光電流較大；另一方面，這種方法制成的光電探測器制備方法復雜，需要多次將基片拿出，不可避免的帶來很多污染，這對半導體材料性能也有一定的影響，比如暗電流等。

因此，如何基于一種新的材料和工藝實現與Si工藝兼容性較好的半導體光電探測器的制備成為了亟待解決的問題。

發明內容

針對背景技術所存在的問題，本發明的目的在于提供一種基于GeSb/GeSn薄膜的P-N結半導體光電探測器及其制備方法，該光電探測器采用分子束外延方法制備，在制備過程中原位生長形成非對稱PIN淺結結構，制備過程簡單易操作，可重復性強。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種基于分子束外延技術的自成結光電探測器，其特征在于，從下至上依次為P型單晶Si襯底、GeSn薄膜、Ge_1-x Sb_x薄膜和電極，所述GeSn薄膜厚度為60～120nm，所述Ge_1-xSb_x薄膜為N型半導體薄膜，厚度為60～120nm，其中，0.05≤x≤0.20。

一種基于分子束外延技術的自成結光電探測器的制備方法，包括以下步驟：

步驟1.選擇100晶向的P型單晶Si襯底，并進行清洗；

步驟2.在步驟1清洗后的Si襯底表面采用分子束外延方法沉積GeSn薄膜，其中，GeSn薄膜的厚度為60～120nm；

步驟3.在步驟2沉積的GeSn薄膜表面采用雙源雙控方法，生長Ge_1-x Sb_x薄膜，其中，0.01≤x≤0.14，薄膜厚度為60～120nm；