專利名稱：橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及近紅外探測(cè)器制作技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測(cè)器。
背景技術(shù)：
在目前光纖通信使用的單模光纖中，使用最多的是I. 31 μ m和I. 55 μ m這兩個(gè)近紅外波段。Si是信息領(lǐng)域最重要的半導(dǎo)體材料，在微電子領(lǐng)域已獲得了巨大的發(fā)展。但是由于Si是間接帶隙，且?guī)遁^大(室溫下4=1. 12eV)，導(dǎo)致其存在著對(duì)近紅外光吸收系數(shù)低、吸收長(zhǎng)度長(zhǎng)，對(duì)I. Iym以上波長(zhǎng)沒有響應(yīng)等諸多問題。這些特性限制了其在光纖通信領(lǐng)域的應(yīng)用。通過在Si基上生長(zhǎng)Ge量子點(diǎn)能夠拓寬其響應(yīng)波段，從而制作能應(yīng)用于光纖通信領(lǐng)域的近紅外探測(cè)器。目前見諸報(bào)道的Si基Ge量子點(diǎn)近紅外探測(cè)器主要有縱向PIN 結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)探測(cè)器、共振腔增強(qiáng)型(RCE)PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)探測(cè)器、波導(dǎo)型Ge量子點(diǎn)探測(cè)器、異質(zhì)結(jié)光敏晶體管(HPT型)Ge量子點(diǎn)探測(cè)器。上述的這些Ge量子點(diǎn)探測(cè)器都具有一個(gè)共同特點(diǎn)，就是Ge量子點(diǎn)吸收紅外光后產(chǎn)生的光生載流子是在縱向(跟襯底垂直)上進(jìn)行輸運(yùn)的，簡(jiǎn)稱為縱向探測(cè)器。但是對(duì)于縱向量子點(diǎn)探測(cè)器而言，由于多層量子點(diǎn)在垂直方向上表現(xiàn)出耦合特性，即表面的量子點(diǎn)傾向于直接生長(zhǎng)在埋層島的正上方，從而使生長(zhǎng)的量子點(diǎn)是縱向?qū)R的。當(dāng)光生載流子在縱向上進(jìn)行輸運(yùn)時(shí)，很容易被相鄰量子點(diǎn)俘獲和散射，輸運(yùn)效率大大降低，光響應(yīng)度不高。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測(cè)器，該探測(cè)器的光生載流子輸運(yùn)效率高，提高了探測(cè)器的光響應(yīng)度。本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測(cè)器，其特征在于包括襯底和設(shè)于襯底上的多層Ge量子點(diǎn)，在所述多層Ge量子點(diǎn)上光刻有P+叉指注入?yún)^(qū)和n+叉指注入?yún)^(qū)，所述P+叉指注入?yún)^(qū)和n+叉指注入?yún)^(qū)均包括間隔并排的多個(gè)叉指條型區(qū)和設(shè)于叉指條型區(qū)一端且與所有叉指條型區(qū)相連通的叉指連接區(qū)，所述P+叉指注入?yún)^(qū)的叉指條型區(qū)與n+叉指注入?yún)^(qū)的叉指條型區(qū)間隔交叉設(shè)置，所述P+叉指注入?yún)^(qū)內(nèi)注入有P+叉指條和P+叉指連接部，所述n+叉指注入?yún)^(qū)內(nèi)注入有n+叉指條和n+叉指連接部，所述多層Ge量子點(diǎn)上設(shè)有一層SiO2薄膜，所述SiO2薄膜正對(duì)于P+叉指連接部和n+叉指連接部的位置上分別開設(shè)有一電極引線孔，所述兩電極引線孔內(nèi)分別設(shè)有與所述P+叉指連接部、n+叉指連接部相接觸的金屬電極并向外引出。本實(shí)用新型的有益效果是跟已有的縱向結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)探測(cè)器相比，本實(shí)用新型的光生載流子在橫向上進(jìn)行輸運(yùn)，減少了其受其它量子點(diǎn)的勢(shì)壘散射或被其它量子點(diǎn)俘獲的幾率，提高了光生載流子的輸運(yùn)效率，從而提高探測(cè)器的光響應(yīng)度。此外，本實(shí)用新型橫向PIN結(jié)構(gòu)的Ge量子點(diǎn)探測(cè)器的兩個(gè)電極位于同一個(gè)平面，在工藝上更有利于集成。本產(chǎn)品可以用作光纖通信領(lǐng)域的光電探測(cè)器，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。


[0006]圖[0007]圖[0008]圖[0009]圖[0010]圖[0011]圖[0012]圖[0013]圖[0014]圖[0015]圖
Ia是本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)俯視圖(SiO2薄膜、金屬電極未示出)。 Ib是本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)剖視圖。
2是本實(shí)用新型實(shí)施例的SOI襯底和多層Ge量子點(diǎn)示意圖。
3a是本實(shí)用新型實(shí)施例的一制作中間過程的結(jié)構(gòu)示意圖。
3b是本實(shí)用新型實(shí)施例的一制作中間過程的結(jié)構(gòu)示意圖。
3c是本實(shí)用新型實(shí)施例的一制作中間過程的結(jié)構(gòu)示意圖。
3d是本實(shí)用新型實(shí)施例的一制作中間過程的結(jié)構(gòu)示意圖。
3e是本實(shí)用新型實(shí)施例的一制作中間過程的結(jié)構(gòu)示意圖。
3f是本實(shí)用新型實(shí)施例的一制作中間過程的結(jié)構(gòu)示意圖。
3g是本實(shí)用新型實(shí)施例的一制作中間過程的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測(cè)器，如圖la、lb所示，包括襯底和設(shè)于襯底上的多層Ge量子點(diǎn)，在所述多層Ge量子點(diǎn)上光刻有P+叉指注入?yún)^(qū)和η.叉指注入?yún)^(qū)，所述P+叉指注入?yún)^(qū)和η+叉指注入?yún)^(qū)均包括間隔并排的多個(gè)叉指條型區(qū)和設(shè)于叉指條型區(qū)一端且與所有叉指條型區(qū)相連通的叉指連接區(qū)，所述P+叉指注入?yún)^(qū)的叉指條型區(qū)與η+叉指注入?yún)^(qū)的叉指條型區(qū)間隔交叉設(shè)置，所述P+叉指注入?yún)^(qū)內(nèi)注入有P+叉指條和P+叉指連接部，所述η+叉指注入?yún)^(qū)內(nèi)注入有η+叉指條和η+叉指連接部，所述多層Ge量子點(diǎn)上設(shè)有一層SiO2薄膜，所述SiO2薄膜正對(duì)于P+叉指連接部和η+叉指連接部的位置上分別開設(shè)有一電極引線孔，所述兩電極引線孔內(nèi)分別設(shè)有與所述P+叉指連接部、η+叉指連接部相接觸的金屬電極并向外引出。上述襯底為SOI襯底，所述SOI襯底包括由下而上設(shè)置的Si基底、埋層SiO2和頂層Si膜。上述P+叉指注入?yún)^(qū)和η+叉指注入?yún)^(qū)向下貫通整個(gè)多層Ge量子點(diǎn)和頂層Si膜直至所述埋層SiO2上側(cè)面。上述P+叉指條和P+叉指連接部由硼離子注入形成。上述η+叉指條和η+叉指連接部由磷離子注入形成。上述的橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測(cè)器的制作方法，其特征在于首先，在 SOI襯底上生長(zhǎng)多層Ge量子點(diǎn)材料，然后按如下步驟進(jìn)行橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)探測(cè)器的制作(I)在多層Ge量子點(diǎn)材料上進(jìn)行光刻，并用RIE刻蝕至SOI襯底的埋層SiO2處， 形成探測(cè)器所在的臺(tái)面及對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記；(2)在多層Ge量子點(diǎn)材料上光刻形成P+叉指注入?yún)^(qū)，非注入?yún)^(qū)用光刻膠擋?。?3)在P+叉指注入?yún)^(qū)中注入硼離子，形成P+叉指條和P+叉指連接部；然后，氧烘去膠；(4)在多層Ge量子點(diǎn)材料上光刻形成η+叉指注入?yún)^(qū)，非注入?yún)^(qū)用光刻膠擋??；(5)在11+叉指注入?yún)^(qū)中注入磷離子，形成η+叉指條和η+叉指連接部；然后，氧烘去膠；(6)在多層Ge量子點(diǎn)材料上生長(zhǎng)SiO2薄膜，目標(biāo)厚度為400nm ；(7)在SiO2薄膜上進(jìn)行光刻，并用HF溶液刻蝕出電極引線孔；(8)在SiO2薄膜上派射一 Al金屬層，目標(biāo)厚度為Iym;(9)在Al金屬層上進(jìn)行光刻，并用H3PO4溶液刻蝕出Al電極；(10)合金，形成電極金屬與高摻雜硅之間的歐姆接觸；獲得最終的橫向PIN結(jié)構(gòu) Ge量子點(diǎn)探測(cè)器樣品。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本實(shí)用新型橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)探測(cè)器的具體制作工藝流程如下I、外延生長(zhǎng)采用超高真空化學(xué)氣相淀積(UHV/CVD)或分子束外延(MBE)等方法生長(zhǎng)如圖2 所示多層Ge量子點(diǎn)材料。為了獲得更好的暗電流特性，我們采用了 SOI (Silicon on Insulator)作為襯底。2、橫向PIN探測(cè)器的流水制作生長(zhǎng)完量子點(diǎn)材料后，就要進(jìn)行橫向PIN探測(cè)器的流水制作。工藝流程示意圖如圖3a 3g所示，為了使表達(dá)更加簡(jiǎn)單清楚，示意圖做了一些簡(jiǎn)化(I)圖中只給出了叉指結(jié)構(gòu)中的一對(duì)p-n結(jié)。(2)圖中的“襯底”指的是SOI襯底中的基底和埋層SiO2這兩個(gè)部分， 而SOI襯底中的頂層Si膜則包含在了圖中的“量子點(diǎn)材料”。具體步驟如下(I)第一步光刻并用RIE刻蝕至SOI的埋層SiO2處，形成探測(cè)器所在的臺(tái)面及對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。這步光刻有兩個(gè)目的，一是形成探測(cè)器所在的臺(tái)面，這樣可以更好地對(duì)器件進(jìn)行隔離，二是刻蝕出對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，供后步工藝光刻對(duì)準(zhǔn)使用。但是要注意的是，這里所講的臺(tái)面和縱向探測(cè)器工藝流水過程中的臺(tái)面意義是不一樣的。這里的臺(tái)面主要是為了對(duì)探測(cè)器單元有個(gè)更好的隔離作用(尤其對(duì)于SOI襯底而言，由于埋層SiO2的隔離作用，每個(gè)探測(cè)器單元相當(dāng)于一個(gè)孤立的“小島”，能有效地減小暗電流)，但是兩個(gè)電極還是在同一個(gè)平面內(nèi)的， 不存在電極“爬臺(tái)階”的問題，對(duì)橫向PIN探測(cè)器的電極平面性的優(yōu)點(diǎn)沒有影響。該步工藝后的器件示意圖如圖3a所示。(2)第二步光刻形成探測(cè)器的P+叉指注入?yún)^(qū)，非注入?yún)^(qū)用光刻膠擋住。(3)進(jìn)行硼(B+)離子注入，形成P+叉指區(qū)。按照離子注入的LSS理論，選擇能量 E=60KeV，劑量D=5X IO15CnT2。該步工藝后的器件示意圖如圖3b所示。(4)氧烘去膠，由于注入的離子劑量和能量較大，用氧烘去膠比較干凈。(5)第三步光刻形成探測(cè)器的n+叉指注入?yún)^(qū)，非注入?yún)^(qū)用光刻膠擋住。(6)進(jìn)行磷(P+)離子注入，形成n+叉指區(qū)。同樣，按照離子注入的LSS理論，選擇能量E=140KeV，劑量D=5 X IO15CnT2。該步工藝后的器件示意圖如圖3c所示。(7)氧烘去膠，由于注入的離子劑量和能量較大，用氧烘去膠比較干凈。(8)采用低壓氣相淀積法(LPCVD)生長(zhǎng)SiO2薄膜，目標(biāo)厚度400nm。這一步工藝生長(zhǎng)的SiO2薄膜可以起到鈍化保護(hù)作用，同時(shí)可以利用這個(gè)生長(zhǎng)過程對(duì)注入的離子進(jìn)行熱退火。該步工藝后的器件示意圖如圖3d所示。(9)第四步光刻，在SiO2薄膜上進(jìn)行光刻，并用HF溶液刻蝕出電極接觸孔。該步工藝后的器件示意圖如圖3e所示。[0047](10)濺射Al金屬層，目標(biāo)厚度I μ m。該步工藝后的器件示意圖如圖3f所示。(11)第五步光刻，在Al金屬層上進(jìn)行光刻，并用H3PO4溶液刻蝕出電極圖形，從而形成電極。該步工藝后的器件示意圖如圖3g所示。由該示意圖也可以看出，兩個(gè)電極是在同一個(gè)平面內(nèi)的。(12)合金，形成電極金屬與高摻雜硅之間的歐姆接觸。溫度430°C，時(shí)間30min，使用N2保護(hù)。獲得最終的橫向PIN結(jié)構(gòu)探測(cè)器。工作時(shí)，在如圖la、lb所示的探測(cè)器的兩個(gè)電極加負(fù)偏壓(n+電極的電位要高于P+ 電極的電位)，然后紅外光從探測(cè)器的頂部正入射，則在探測(cè)器內(nèi)部的Ge量子點(diǎn)會(huì)吸收光產(chǎn)生光生載流子，這些光生載流子在兩個(gè)電極所施加的電場(chǎng)作用下形成光生電流，從而被外接電路所檢測(cè)到。這樣就實(shí)現(xiàn)了光電探測(cè)器的功能。從器件結(jié)構(gòu)可以看出，本實(shí)用新型的橫向PIN結(jié)構(gòu)，當(dāng)給兩個(gè)電極加上偏壓時(shí)，產(chǎn)生的電場(chǎng)是平行于器件表面的(而縱向PIN結(jié)構(gòu)則是垂直于器件表面的)，這樣產(chǎn)生的光生載流子將在橫向上進(jìn)行輸運(yùn)，可以帶來如下好處I、由于每一層的量子點(diǎn)在平面內(nèi)的分布是隨機(jī)的，在同一個(gè)平面內(nèi)相鄰的量子點(diǎn)不是對(duì)齊的。而在縱向上，相鄰的量子點(diǎn)由于應(yīng)力作用是垂直對(duì)齊的。這就使光生載流子在橫向輸運(yùn)時(shí)，受到較少的散射，具有較低的再次被其他量子點(diǎn)俘獲的幾率。尤其是隨著光刻技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)叉指間的距離W可以做到越來越小，乃至i區(qū)只包含一個(gè)或者極少數(shù)幾個(gè)量子點(diǎn)時(shí)，光生載流子在橫向輸運(yùn)過程中完全有可能不受其它量子點(diǎn)的勢(shì)壘散射或被其它量子點(diǎn)俘獲，提聞光生載流子的輸運(yùn)效率，從而提聞探測(cè)器的光響應(yīng)度。2、縱向PIN結(jié)構(gòu)的Ge量子點(diǎn)探測(cè)器必須要光刻出一個(gè)臺(tái)面，兩個(gè)電極不是分布在同一個(gè)平面上。而橫向PIN結(jié)構(gòu)的Ge量子點(diǎn)探測(cè)器的兩個(gè)電極位于同一個(gè)平面。這樣在工藝上更有利于集成。以上是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，凡依本實(shí)用新型技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測(cè)器，其特征在于包括襯底和設(shè)于襯底上的多層Ge量子點(diǎn)，在所述多層Ge量子點(diǎn)上光刻有P+叉指注入?yún)^(qū)和n+叉指注入?yún)^(qū)，所述p+叉指注入?yún)^(qū)和n+叉指注入?yún)^(qū)均包括間隔并排的多個(gè)叉指條型區(qū)和設(shè)于叉指條型區(qū)一端且與所有叉指條型區(qū)相連通的叉指連接區(qū)，所述P+叉指注入?yún)^(qū)的叉指條型區(qū)與n+叉指注入?yún)^(qū)的叉指條型區(qū)間隔交叉設(shè)置，所述P+叉指注入?yún)^(qū)內(nèi)注入有P+叉指條和P+叉指連接部，所述n+ 叉指注入?yún)^(qū)內(nèi)注入有n+叉指條和n+叉指連接部，所述多層Ge量子點(diǎn)上設(shè)有一層SiO2薄膜， 所述SiO2薄膜正對(duì)于P+叉指連接部和n+叉指連接部的位置上分別開設(shè)有一電極引線孔， 所述兩電極引線孔內(nèi)分別設(shè)有與所述P+叉指連接部、n+叉指連接部相接觸的金屬電極并向外引出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測(cè)器，其特征在于所述襯底為SOI襯底，所述SOI襯底包括由下而上設(shè)置的Si基底、埋層SiO2和頂層Si膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測(cè)器，其特征在于所述p+ 叉指注入?yún)^(qū)和n+叉指注入?yún)^(qū)向下貫通整個(gè)多層Ge量子點(diǎn)和頂層Si膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測(cè)器，其特征在于所述p+ 叉指條和P+叉指連接部由硼離子注入形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測(cè)器，其特征在于所述n+ 叉指條和n+叉指連接部由磷離子注入形成。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種橫向PIN結(jié)構(gòu)Ge量子點(diǎn)近紅外探測(cè)器，該探測(cè)器包括襯底和設(shè)于襯底上的多層Ge量子點(diǎn)，多層Ge量子點(diǎn)上光刻有p+叉指注入?yún)^(qū)和n+叉指注入?yún)^(qū)，兩叉指注入?yún)^(qū)均包括間隔并排的多個(gè)叉指條型區(qū)和與所有叉指條型區(qū)相連通的叉指連接區(qū)，p+叉指注入?yún)^(qū)與n+叉指注入?yún)^(qū)的叉指條型區(qū)間隔交叉設(shè)置，p+叉指注入?yún)^(qū)內(nèi)設(shè)有p+叉指條和p+叉指連接部，n+叉指注入?yún)^(qū)內(nèi)設(shè)有n+叉指條和n+叉指連接部，多層Ge量子點(diǎn)上設(shè)有SiO2薄膜，SiO2薄膜上開設(shè)有兩電極引線孔，兩電極引線孔內(nèi)分別設(shè)有與p+叉指連接部、n+叉指連接部相接觸的金屬電極并向外引出。該探測(cè)器的光生載流子輸運(yùn)效率高，提高了探測(cè)器的光響應(yīng)度。
文檔編號(hào)H01L31/0352GK202352707SQ20112050787
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者何明華, 魏榕山 申請(qǐng)人:福州大學(xué)