基區Ge組分分段分布的SiGe/Si異質結光敏晶體管探測器的制作方法

本發明屬于半導體光電子技術領域，特別涉及一種兼顧可見光和近紅外光的sige/si異質結光敏晶體管探測器。這種光敏晶體管探測器在可見光波段和近紅外光波段入射光下都有高的吸收效率。

背景技術：

硅基光電探測器具有低成本和易大規模集成的優點，且吸收譜落在光互聯技術中的短距通信和甚短距通信用到的近紅外波段和可見光波段。因此，相比價格昂貴、工藝復雜的化合物光電探測器，硅基光電探測器在短距和甚短距通信的應用等方面具有巨大的應用潛力。另外，紅外探測還大量應用于預警、制導、夜視、跟蹤及空間技術、天文、醫學工業以及輻射測量，自動控制和激光探測，資源探測，大氣監測等領域。而成本低，無電磁輻射，高速率高保密性的可見光通信(lifi)也越來越成為研究的一個熱點。

目前所報道的硅基光電探測器大多僅能在近紅外波段或可見光波段實現光信號的高效吸收探測，全波段的探測器則鮮有報道。2008年，中國臺灣報道了一種基于標準bicmos工藝的可見光sige/sihpt探測器，該器件由一個sige/sihpt和一個表面探測二極管構成，在vce為0.5v偏壓下，450nm光信號的響應度為5.69a/w，670nm光信號的響應度為9.47a/w；2011年，法國報道了基于標準80ghzbicmos工藝制備的sige/sihpt探測器，對于850nm波長的激光作為載波的50mhz光學微波信號，響應度為5.62a/w；2013年，中國臺灣報道了基于0.18umbicmos工藝制備的sige/sihpt探測器，通過將襯底與基極連接，依靠襯底吸收產生的光生電流為光敏晶體管提供基極偏置提高器件的響應度，對750nm的光吸收獲得了75a/w的響應度。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的主要目的是提供一種高效全波段光敏晶體管探測器，實現作為單一器件就可以兼顧可見光和近紅外光波段的高效吸收。

1.基區ge組分分段分布的sige/si異質結光敏晶體管探測器，其特征在于包括：

si襯底；在si襯底上依次制備出的si亞集電區、si集電區、sige基區/吸收層、多晶si發射區；探測器的光窗口位于sige基區/吸收層；sige基區/吸收層的ge組分分段分布，從發射結異質結到集電結異質結依次分為四段，其第一段的厚度介于0.02μm到0.05μm之間，ge組分介于0到20％之間，其第二段的厚度介于0.03μm到0.06μm之間，ge組分介于20％到50％之間，其第三段的厚度介于0.06μm到0.09μm之間，ge組分介于50％到80％之間，其第四段的ge組分線性減少到0，厚度介于0.02μm到0.03μm之間。

sige基區/吸收層的ge組分分段分布中第一段、第二段和其第三段，ge組分的分布是均勻或漸變或均勻與漸變相組合的形式。

更具體的，一種基區ge組分分段式分布的sige/si異質結光敏晶體管探測器，包括：

si襯底1；在si襯底上依次制備出的si亞集電區2、si集電區3、sige基區/吸收層4、多晶si發射區5；發射極6，制作在多晶si發射區5上；基極7，制作在sige基區/吸收層4上；集電極8，制作在si亞集電區2上。

上述方案中si襯底為p型si襯底1，摻雜濃度≥1.0×10¹⁷cm^-3且＜1.0×10¹⁹cm-^3，厚度介于0.8μm到1.2μm之間；

上述方案中si亞集電區為n型si亞集電區2，摻雜濃度≥1.0×10¹⁹cm^-3且≤1.0×10²¹cm^-3，厚度介于0.3μm到0.5μm之間；

上述方案中si集電區為n型si集電區3，摻雜濃度≥1.0×10¹⁷cm^-3且≤1.0×10¹⁹cm^-2，厚度介于0.6μm到0.7μm之間；

上述方案中sige基區/吸收層為p型sige基區/吸收層4，摻雜濃度≥1.0×10¹⁹cm^-3且≤1.0×10²¹cm^-3，厚度介于0.1μm到0.16μm之間；

上述方案中sige基區/吸收層中的ge組分從發射結異質結到集電結異質結依次分為四段，其第一段的厚度介于0.02μm到0.05μm之間，ge組分介于0到20％之間，ge組分的分布可以是均勻或漸變或均勻與漸變相組合的形式；其第二段的厚度介于0.03μm到0.06μm之間，ge組分介于20％到50％之間，ge組分的分布可以是均勻或漸變或均勻與漸變相組合的形式；其第三段的厚度介于0.06μm到0.09μm之間，ge組分介于50％到80％之間，ge組分的分布可以是均勻或漸變或均勻與漸變相組合的形式；其第四段的ge組分線性減少到0，厚度介于0.02μm到0.03μm之間；

上述方案中sige基區/吸收層4中ge組分的第一段主要對應吸收波長較短的可見光；

上述方案中sige基區/吸收層4中ge組分的第二段主要對應吸收波長較長的可見光和波長較短的近紅外光；

上述方案中sige基區/吸收層4中ge組分的第三段主要對應吸收波長較長的近紅外光；

上述方案中sige基區/吸收層4中ge組分的第四段可以減弱異質結勢壘效應；

上述方案中光窗口位于sige基區/吸收層4沒有被覆蓋部分的上表面，使入射光直接照射在sige基區/吸收層上；

上述方案中多晶si發射區為n型多晶si發射區5，摻雜濃度≥1.0×10¹⁹cm^-3且≤1.0×10²¹cm^-3，厚度介于0.4μm到0.5μm之間。

附圖說明

為進一步說明本發明的技術特征，結合以下附圖，對本發明作一個詳細的描述，其中：

圖1是基區ge組分分段分布的sige/si異質結光敏晶體管探測器的二維結構示意圖；

圖2是器件sige基區/吸收層中的ge組分分布曲線；

圖3是器件在可見光波段和近紅外光波段入射光下的吸收率曲線；

圖4是器件在可見光波段和近紅外光波段入射光下，當入射光強為100w/cm²時的輸出電流曲線。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。

如圖1所示，本發明實施例提供的基區ge組分分段分布的sige/si異質結光敏晶體管探測器包括：

si襯底1；在si襯底上依次制備出的si亞集電區2、si集電區3、sige基區/吸收層4、多晶si發射區5；發射極6，制作在多晶si發射區5上；基極7，制作在sige基區/吸收層4上；集電極8，制作在si亞集電區2上。

其中所述的si襯底1為p型中等摻雜，摻雜濃度為1.0×10¹⁸～1.5×10¹⁸cm^-3，厚度為1μm；

其中所述的si亞集電區2為n型重摻雜，摻雜濃度為1.0×10¹⁹～1.5×10¹⁹cm^-3，厚度為0.3μm；

其中所述的si集電區3為n型中等摻雜，摻雜濃度為9.5×10¹⁷～1.0×10¹⁸cm^-3，厚度為0.6μm；

其中所述的sige基區/吸收層4為p型重摻雜，摻雜濃度為1.0×10¹⁹～1.5×10¹⁹cm^-3，厚度為0.16μm；

其中所述的sige基區/吸收層4中ge組分從發射結異質結到集電結異質結依次分為四段，如圖2所示，第一段厚度為0.03μm，厚度的前1/3范圍內ge組分從0線性增加到10％，之后保持10％不變；第二段厚度為0.05μm，厚度的前2/5范圍內ge組分從10％線性增加到50％，之后保持50％不變；第三段厚度為0.06μm，厚度的前1/3范圍內ge組分從50％線性增加到80％，之后保持80％不變；第四段厚度為0.02μm，ge組分從80％線性減少到0；

其中所述的sige基區/吸收層4，其沒有被覆蓋部分的上表面為sige/si異質結光敏晶體管探測器的光窗口；

其中所述的多晶si發射區5為n型重摻雜，摻雜濃度為1.0×10¹⁹～1.5×10¹⁹cm^-3，厚度為0.3μm；

其中所述的多晶si發射區5與sige基區/吸收層4形成發射結異質結，sige基區/吸收層4與si集電區3形成集電結異質結。

上述sige基區/吸收層中ge組分的第一段主要對應吸收波長較短的可見光；ge組分的第二段主要對應吸收波長較長的可見光和波長較短的近紅外光；ge組分的第三段主要對應吸收波長較長的近紅外光。當有可見光或近紅外光照射sige基區/吸收層上的光窗口時，sige基區/吸收層中產生的光生電子被集電結耗盡層中的電場掃入si集電區，進而傳輸至集電極，形成初始光生電流；sige基區/吸收層中產生的光生空穴被傳輸至發射結，降低了發射結勢壘，引發光生電流的放大。如圖3所示，本實施例中的sige/si異質結光敏晶體管探測器在可見光波段和近紅外光波段入射光下的吸收率均在70％以上；如圖4所示，本實施例中的sige/si異質結光敏晶體管探測器在可見光波段和近紅外光波段入射光下，當入射光強為100w/cm²時，輸出電流均保持在1μa左右。

上述sige基區/吸收層4中的ge組分階梯型變化，可促使基區形成對光生電子加速的內建電場，減少光生電子在基區的渡越時間。在保證一定的發射效率的前提下線性減少發射結附近ge含量可減小基區復合對器件增益的影響。同時集電結附近的ge組分線性減少可消除一部分集電結處的能帶差，從而消弱異質結勢壘效應。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。