本申請(qǐng)涉及一種半導(dǎo)體器件，特別是涉及一種單行載流子探測(cè)器及其制作方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著光纖通訊技術(shù)的發(fā)展，InGaAs高速光電探測(cè)器作為光纖通訊的關(guān)鍵器件之一，其發(fā)展一直被人們重視。然而，傳統(tǒng)的InGaAs光電探測(cè)器存在一些不足之處。

首先，傳統(tǒng)的InGaAs探測(cè)器,由于電子和空穴同時(shí)參與工作，在器件工作時(shí)，由于空穴的有效質(zhì)量相對(duì)于電子相對(duì)較大，因此受空間電荷效應(yīng)的影響，限制了器件的運(yùn)行速度。

其次，為了保證較高的響應(yīng)度，吸收區(qū)的厚度相對(duì)較大，但是這樣往往會(huì)增加載流子的輸運(yùn)時(shí)間，從而抑制了器件的3dB帶寬。

最后，干法刻蝕臺(tái)面過(guò)程中在探測(cè)器表面形成了很多表面態(tài)和陷阱，增加了器件的暗電流。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種單行載流子探測(cè)器及其制作方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

本申請(qǐng)實(shí)施例公開(kāi)一種單行載流子探測(cè)器，包括襯底、外延層和電極，所述外延層形成于所述襯底上，所述電極與所述外延層連接，所述外延層包括依次形成于所述外延層上的第一吸收區(qū)和第二吸收區(qū)，所述第一吸收區(qū)包括沿背離所述襯底方向依次形成的GaSbAs漸變摻雜吸收層和InGaAs吸收層，所述第二吸收區(qū)包括沿背離所述襯底方向依次形成的InGaAs本征吸收層和GaSbAs擴(kuò)散吸收層，所述第一吸收區(qū)和第二吸收區(qū)采用AlGaSbAs作為阻擋層。

優(yōu)選的，在上述的單行載流子探測(cè)器中，所述襯底為InP半絕緣襯底。

優(yōu)選的，在上述的單行載流子探測(cè)器中，所述第一吸收區(qū)包括依次形成于所述襯底上的InGaAs接觸層、AlGaAsSb阻擋層、GaSbAs漸變摻雜吸收層、InGaAs吸收層、InGaAsP渡越層、InP崖層和InP收集層。

優(yōu)選的，在上述的單行載流子探測(cè)器中，所述第二吸收區(qū)包括依次形成于所述第一吸收區(qū)上的N型InGaAs接觸層、InP收集層、InP崖層、InGaAsP渡越層、InGaAs本征吸收層、GaSbAs擴(kuò)散吸收層、AlGaAsSb阻擋層和InGaAs接觸層。

優(yōu)選的，在上述的單行載流子探測(cè)器中，所述電極材料采用Ti/Pt/Au。

相應(yīng)的，本申請(qǐng)還公開(kāi)了一種單行載流子探測(cè)器的制作方法，包括：

s1、在襯底上生長(zhǎng)外延層，其中第一吸收區(qū)通過(guò)生長(zhǎng)方式形成P型的階梯式摻雜的GaSbAs漸變摻雜吸收層；

s2、利用半開(kāi)關(guān)管Zn擴(kuò)散的方法，在第二吸收區(qū)形成P型的GaSbAs擴(kuò)散吸收層；

s3、通過(guò)電子束蒸發(fā)方法在第二吸收區(qū)頂面蒸鍍Ti/Pt/Au,制作P型電極；通過(guò)快速退火實(shí)現(xiàn)金屬與半導(dǎo)體之間的歐姆接觸；

s4、濕法腐蝕完成雙臺(tái)面腐蝕,并進(jìn)行鈍化，及開(kāi)孔；

s5、在第二吸收區(qū)的InGaAs接觸層上通過(guò)電子束蒸發(fā)方法蒸鍍Ti/Pt/Au,制作N型電極。

優(yōu)選的，在上述的單行載流子探測(cè)器的制作方法中，所述步驟s2中，采用SiN作為擴(kuò)散掩膜層，以Zn₃P₂作為擴(kuò)散源惰性氣體保護(hù)下，在580～600℃的下，使得Zn₃P₂從固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入GaAsSb材料，形成P型GaSbAs漸變摻雜吸收層。

優(yōu)選的，在上述的單行載流子探測(cè)器的制作方法中，

所述步驟s4包括：

通過(guò)溴水進(jìn)行非選擇性腐蝕，形成正梯形側(cè)面，腐蝕至第一吸收區(qū)的INP收集層；

然后采用H₃PO₄體系進(jìn)行選擇性腐蝕除去除第一吸收區(qū)剩余的InP收集層，第二吸收區(qū)的N型InGaAs接觸層作為腐蝕阻擋層。優(yōu)選的，在上述的單行載流子探測(cè)器的制作方法中，電極臺(tái)面制作完成之后，還包括步驟：引入BCB對(duì)器件進(jìn)行鈍化，并對(duì)BCB進(jìn)行固化。

優(yōu)選的，在上述的單行載流子探測(cè)器的制作方法中，還包括步驟：在樣品表面制備一層SIN鈍化抗反射膜。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)、采用分子束外延的方法，通過(guò)擴(kuò)散漸變吸收區(qū)和階梯式漸變吸收區(qū)的引入，實(shí)現(xiàn)了分區(qū)吸收在維持傳統(tǒng)UTC結(jié)構(gòu)3dB帶寬的基礎(chǔ)上，大大提高了探測(cè)器的響應(yīng)度；

(2)、利用半開(kāi)關(guān)管Zn擴(kuò)散的方法形成P型擴(kuò)散吸收層，形成摻雜漸變吸收區(qū)，提高了載流子在吸收區(qū)的輸運(yùn)速度，同時(shí)大大降低了器件暗電流；采用AlGaSbAs作為阻擋層，在實(shí)現(xiàn)GaSbAs材料晶格匹配的同時(shí)，還可以形成較高的導(dǎo)帶帶結(jié)，阻擋了電子的擴(kuò)散，從而形成單行載流子器件；

(3)、引入溴水/氫溴酸和磷酸體系，形成了正梯形側(cè)壁表面，減小了側(cè)向腐蝕，不僅有利于金屬爬坡，還避免了干法刻蝕過(guò)程中造成的等離子體對(duì)側(cè)壁的損傷；

(4)、在鈍化過(guò)程中，采用金屬/RTP/BCB/SIN的方法，不僅降低了器件的寄生電容，還避免了退火對(duì)BCB鈍化效果的影響。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本申請(qǐng)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本申請(qǐng)中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中單行載流子探測(cè)器外延層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中開(kāi)管擴(kuò)散形成擴(kuò)散吸收區(qū)示意圖；

圖3所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中單行載流子探測(cè)器器件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中單行載流子探測(cè)器制作流程示意圖；

圖5所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中溴水系濕法腐蝕臺(tái)面SEM照片；

圖6所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中BCB/SIN固化后顯微鏡照片。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

結(jié)合圖1和圖3所示，單行載流子探測(cè)器，包括襯底10、外延層和電極，外延層形成于襯底上，電極與外延層連接，外延層包括依次形成于外延層上的第一吸收區(qū)20和第二吸收區(qū)30，第一吸收區(qū)20包括沿背離襯底方向依次形成的GaSbAs漸變摻雜吸收層24和InGaAs吸收層25，第二吸收區(qū)30包括沿背離襯底方向依次形成的InGaAs本征吸收層35和GaSbAs擴(kuò)散吸收層36，第一吸收區(qū)20和第二吸收區(qū)30采用AlGaSbAs作為阻擋層23、37。

該技術(shù)方案中，通過(guò)擴(kuò)散漸變吸收區(qū)和階梯式漸變吸收區(qū)的引入，實(shí)現(xiàn)了分區(qū)吸收在維持傳統(tǒng)UTC結(jié)構(gòu)3dB帶寬的基礎(chǔ)上，大大提高了探測(cè)器的響應(yīng)度；采用AlGaSbAs作為阻擋層，在實(shí)現(xiàn)GaSbAs材料晶格匹配的同時(shí)，還可以形成較高的導(dǎo)帶帶結(jié)，阻擋了電子的擴(kuò)散，從而形成單行載流子器件。

進(jìn)一步地，襯底10為InP半絕緣襯底。

進(jìn)一步地，，第一吸收區(qū)20包括依次形成于襯底上的InP緩沖層21、InGaAs接觸層22、AlGaAsSb阻擋層23、GaSbAs漸變摻雜吸收層24、InGaAs吸收層25、InGaAsP渡越層26、InP崖層27和InP收集層28。

在一些實(shí)施例中，InP緩沖層21厚度優(yōu)選為200nm，Be摻雜濃度為5×10¹⁸cm^-3。

在一些實(shí)施例中，InGaAs接觸層22厚度優(yōu)選為50nm，Be摻雜濃度為2×10¹⁹cm^-3。

在一些實(shí)施例中，AlGaAsSb阻擋層23厚度優(yōu)選為15nm，Be摻雜濃度為2×10¹⁸cm^-3。

在一些實(shí)施例中，GaSbAs漸變摻雜吸收層24厚度優(yōu)選為200nm，Be摻雜濃度為5×10¹⁹cm^-3～1×10¹⁷cm^-3。

在一些實(shí)施例中，InGaAs吸收層25厚度優(yōu)選為100nm。

在一些實(shí)施例中，InGaAsP渡越層26厚度優(yōu)選為15nm，禁帶系數(shù)為1.4。

在一些實(shí)施例中，InP崖層27厚度優(yōu)選為20nm，Si摻雜濃度為1×10¹⁷cm^-3。

在一些實(shí)施例中，InP收集層28厚度優(yōu)選為350nm，Si摻雜濃度為1.5×10¹⁶cm^-3。

進(jìn)一步地，第二吸收區(qū)30包括依次形成于第一吸收區(qū)20上的N型InGaAs接觸層31、InP收集層32、InP崖層33、InGaAsP渡越層34、InGaAs本征吸收層35、GaSbAs擴(kuò)散吸收層36、AlGaAsSb阻擋層37和InGaAs接觸層38。

在一些實(shí)施例中，N型InGaAs接觸層31厚度優(yōu)選為50nm，Si摻雜濃度為1×10¹⁹cm^-3。

在一些實(shí)施例中，InP收集層32厚度優(yōu)選為350nm，Si摻雜濃度為1.5×10¹⁶cm^-3。

在一些實(shí)施例中，InP崖層33厚度優(yōu)選為20nm，Si摻雜濃度為1×10¹⁷cm^-3。

在一些實(shí)施例中，InGaAsP渡越層34厚度優(yōu)選為15nm，禁帶系數(shù)為1.4。

在一些實(shí)施例中，InGaAs本征吸收層35厚度優(yōu)選為100nm。

在一些實(shí)施例中，GaSbAs擴(kuò)散吸收層36厚度優(yōu)選為200nm。

在一些實(shí)施例中，AlGaAsSb阻擋層37厚度優(yōu)選為15nm。

在一些實(shí)施例中，InGaAs接觸層38厚度優(yōu)選為50nm，Be摻雜濃度為2×10¹⁹cm^-3。

進(jìn)一步地，與接觸層22連接的電極材料采用P型的Ti/Pt/Au；與接觸層31連接的電極材料采用N型的Ti/Pt/Au；與接觸層38連接的電極材料采用P型的Ti/Pt/Au。

結(jié)合圖4所示，基于GaSbAs/InGaAs吸收區(qū)的單行載流子紅外探測(cè)器的制作方法，其制作工藝主要包括以下步驟：

步驟1：在外延層生長(zhǎng)時(shí)，利用分子束外延的方法在SI-InP襯底上探測(cè)器生長(zhǎng)外延層。其具體過(guò)程包括：

首先,通過(guò)MBE設(shè)備在SI-InP襯底上生長(zhǎng)InGaAs接觸層，AlGaAsSb阻擋層，GaAsSb和U-InGaAs吸收層，U-InGaAsP渡越層以及InP崖層和InP收集層；

其次生長(zhǎng)N型InGaAs接觸層,最后生長(zhǎng)依次InP收集層,InP崖層,U-InGaAsP渡越層,U-InGaAs吸收層,GaAsSb層，AlGaAsSb阻擋層，InGaAs接觸層。

步驟2：GaAsSb擴(kuò)散漸變吸收層的形成

如圖2所示,采用SiN作為擴(kuò)散掩膜層，以Zn₃P₂作為擴(kuò)散源，N₂作為保護(hù)氣體，在600℃的下，使得Zn₃P₂從固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入GaAsSb材料，形成P型擴(kuò)散漸變吸收區(qū)，一方面減小了電子在吸收區(qū)的擴(kuò)散時(shí)間，同時(shí)，大大減小了器件的暗電流。

步驟3：臺(tái)面濕法腐蝕

在外延層上制作P型材料上金屬Ti/Pt/Au電極，通過(guò)快速退火實(shí)現(xiàn)金屬與半導(dǎo)體之間的歐姆接觸，之后進(jìn)行臺(tái)面濕法腐蝕，具體包括：

通過(guò)溴水進(jìn)行非選擇性腐蝕，由于溴水對(duì)GaSbAs材料腐蝕橫向腐蝕速度較低，縱向較快，這樣大大減小了側(cè)面腐蝕，從而形成正梯形側(cè)面，有利于金屬的爬坡；同時(shí)，在溴水腐蝕后，采用H₃PO₄體系進(jìn)行選擇性腐蝕去除InP層，InGaAs背接觸層31作為腐蝕阻擋層，這樣消除溴水腐蝕造成的表面不平整的現(xiàn)象出現(xiàn)，從而形成平整的腐蝕表面，如圖5所示。

步驟4：金屬/退火/BCB/SiN

首先，為了避免退火對(duì)BCB性能的影響，我們將完成P型金屬Ti/Pt/Au之后，首先對(duì)器件進(jìn)行退火形成歐姆接觸，之后進(jìn)行臺(tái)面腐蝕，通過(guò)引入BCB對(duì)器件進(jìn)行鈍化，并通過(guò)N₂烘箱對(duì)BCB進(jìn)行固化,最后，通過(guò)PECVD方法在樣品表面制備一層SIN鈍化抗反射膜，不僅可以降低探測(cè)器表面反射率，還可以和BCB搭配作為鈍化膜，降低器件暗電流，同時(shí)提高介質(zhì)層厚度，減小寄生電容，如圖6所示。

該技術(shù)方案中，在鈍化過(guò)程中，采用金屬/RTP/BCB/SIN的方法，不僅降低了器件的寄生電容，還避免了退火對(duì)BCB鈍化效果的影響。

步驟5：在臺(tái)面下背接觸層上通過(guò)電子束蒸發(fā)方法蒸鍍Ti/Pt/Au,制備N(xiāo)型電極制作電極。

步驟6：通過(guò)電子束蒸發(fā)方法蒸鍍金屬Au，加厚臺(tái)面上下金屬電極。

需要說(shuō)明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類(lèi)的關(guān)系術(shù)語(yǔ)僅僅用來(lái)將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開(kāi)來(lái)，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒(méi)有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅是本申請(qǐng)的具體實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本申請(qǐng)?jiān)淼那疤嵯拢€可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本申請(qǐng)的保護(hù)范圍。