红外光电器件及其制备方法与硅基光电集成芯片

本发明涉及光电器件，特别涉及一种红外光电器件及其制备方法与硅基光电集成芯片。

背景技术：

1、随着摩尔定律的发展，硅的微电子电路逐渐接近物理极限，带来的功耗和延迟等技术瓶颈，难以逾越。光信号具有速度快，容量大，损耗低的优点，被认为是可以用来代替电信号作为信息传输的理想载体。光进铜退已经在高性能芯片中的应用越来越清晰了。硅基光电集成技术与硅的cmos工艺兼容，是芯片光互连的理想选择。

2、光源和探测器是硅基光电集成芯片中重要的组成部分，一般采用在硅基衬底上外延单晶锗或锗锡材料，然后在制备成响应的光电子器件。然而，由于锗和锗锡材料与硅的晶格失配大，外延生长单晶材料晶体质量差，制备的器件性能不高。此外，外延生长单晶材料不仅设备价格昂贵，而且维护成本高。快速熔融生长技术一般采用电子束蒸发设备或磁控溅射设备，再通过快速热退火技术就可以获得，成本较低，且与硅的cmos工艺兼容。然而，由于采用快速熔融外延生长的单晶材料很难做掺杂，导致快速熔融生长的单晶材料难以用于做高性能的光电子器件。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的主要目的在于提供了一种红外光电器件及其制备方法与硅基光电集成芯片，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、作为本发明的第一个方面，提供一种红外光电器件，包括：

4、p型衬底；

5、单晶窄带隙材料台面，设置在p型衬底上；

6、介质层，设置在单晶窄带隙材料台面表面且介质层顶部开设有生长窗口，其中，生长窗口用于沉积n型材料；

7、n型材料层，设置在介质层背离p型衬底一侧的表面并填充生长窗口；

8、第一金属电极，设置在p型衬底上，且设置在介质层外侧；

9、第二金属电极，设置在n型材料层上，且设置在n型材料层外侧；

10、其中单晶窄带隙材料台面，介质层，n型材料层和第二金属电极组成的结构宽度小于p型衬底宽度，且组成的结构与第一金属电极之间存在间隙。

11、作为本发明的第二个方面，提供一种红外光电器件的制备方法，包括如下步骤：

12、步骤s110、获取p型衬底；

13、步骤s120、在p型衬底上对依次沉积第一介质层，窄带隙材料层和第二介质层分别进行光刻和蚀刻，以在p型衬底上制备得到微坩埚结构层，以实现拉出单晶窄带隙材料；

14、步骤s130、利用快速熔融法拉出微坩埚结构层中的单晶窄带隙材料后消除第一介质层和第二介质层，并通过自建合技术使得单晶窄带隙材料在p型衬底上完成单晶生长，形成单晶窄带隙材料台面；

15、步骤s140、在单晶窄带隙材料台面表面沉积第三介质层，并覆盖单晶窄带隙材料台面；

16、步骤s150、在第三介质层顶部开设生长窗口并暴露出部分单晶窄带隙材料台面上表面，生长窗口用于沉积n型材料；

17、步骤s160、在顶部开设生长窗口的第三介质层上沉积n型材料，以形成n型材料层；

18、步骤s170、在p型衬底上表面制备第一金属电极；

19、步骤s180、在n型材料层上表面制备第二金属电极。

20、作为本发明的第三个方面，提供一种硅基光电集成芯片，其特征在于，硅基光电集成芯片包括上述的红外光电器件。

21、基于上述技术方案，本发明提供的一种红外光电器件及其制备方法与硅基光电集成芯片至少包括以下有益效果之一或其中一部分：

22、本发明提供一种红外光电器件，该电器件在p型衬底表面设置单晶窄带隙材料台面，实现晶格大失配材料的异质生长，继而在单晶窄带隙材料台面上设置介质层，n型材料层，以及在p型衬底上设置第一金属电极，在n型材料层上表面外侧设置第二金属电极，首次实现垂直型的pin光电器件结构，将电场主要分布在单晶窄带隙材料层中，极大提高了载流子的注入和提取能力，解决传统快速熔融生长法制备的单晶材料难以实现载流子有效注入或提取的效率低的难题，实现了高效的红外光电器件，为将来片上硅基光电器件制备提供一种解决方案。

23、本发明提供一种红外光电器件的制备方法，该方法采用快速熔融法制备单晶窄带隙材料且通过自键合技术获得p型衬底上单晶窄带隙材料，实现晶格大失配材料的异质外延。通过材料的异质生长，在快速熔融生长法制备单晶材料中首次实现了垂直型的pin光电器件结构，解决了采用快速熔融法制备的光电器件载流子收集(或注入)效率低难题，为实现硅基光电集成芯片中的有源器件提供新型解决方案。此外，该方法与硅的cmos工艺兼容，以实现将上述红外光电器件用于硅基光电集成芯片的制备中。

24、附图说明

25、图1是本发明实施例的红外光电器件结构示意图；

26、图2是本发明实施例的红外光电器件制备方法流程示意图；

27、图3是本发明实施例和对比例的红外光电器件设置电压后的电场分布示意图。

技术特征：

1.一种红外光电器件，包括：

2.根据权利要求1所述的红外光电器件，其特征在于，所述p型衬底的材料包括以硅材料或soi材料为主要成分并含有p型掺杂剂，其中所述p型掺杂剂包括硼元素，掺杂浓度范围为1e18cm-3～1e19cm-3。

3.根据权利要求1或2所述的红外光电器件，其特征在于，所述单晶窄带隙材料台面通过窄带隙材料制备得到的，所述窄带隙材料包括锗，锗锡合金，锗铅合金，砷化镓，锑化镓，砷化镓铟中的一种或者多种组合。

4.根据权利要求1或2所述的红外光电器件，其特征在于，所述介质层的材料包括氧化硅，氮化硅，氧化铝中的一种或者多种组合，厚度范围为20nm～1000nm；所述生长窗口宽度范围为2μm～20μm，长度范围为2μm～20μm。

5.根据权利要求1或2所述的红外光电器件，其特征在于，所述n型材料层的厚度范围为100nm～500nm，所述n型材料层的材料包括以氧化锌为主要成分含有相对于氧化锌为n型掺杂剂的铝元素，掺杂浓度范围为1e18cm-3～1e19cm-3。

6.根据权利要求1或2所述的红外光电器件，其特征在于，所述第一金属电极和所述第二金属电极的材料包括镍铝合金，镍钨合金，铝镍合金中的一种或者多种组合，以形成欧姆接触，其中所述第一金属电极和所述第二金属电极为不同材料制备得到。

7.一种如权利要求1～6中任一项所述的红外光电器件的制备方法，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述p型衬底上对依次沉积第一介质层，窄带隙材料层和第二介质层分别进行光刻和蚀刻，包括：

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述p型衬底可由区域掺杂或均匀掺杂方式得到，其中所述区域掺杂的范围为所述微坩埚结构层边界25μm外。

10.一种硅基光电集成芯片，其特征在于，所述硅基光电集成芯片包括如权利要求1至6任一项所述的红外光电器件。

技术总结
本发明提供了一种红外光电器件及其制备方法与硅基光电集成芯片，该红外光电器件包括p型衬底；单晶窄带隙材料台面，设置在P型衬底上；介质层，设置在单晶窄带隙材料台面表面且介质层顶部开设有生长窗口，其中，生长窗口用于沉积n型材料；n型材料层，设置在介质层背离p型衬底一侧的表面并填充生长窗口；第一金属电极，设置在p型衬底上，且设置在介质层外侧；第二金属电极，设置在n型材料层上，且设置在n型材料层外侧；其中单晶窄带隙材料台面，介质层，n型材料层和第二金属电极组成的结构宽度小于p型衬底宽度，且组成的结构与第一金属电极之间存在间隙。

技术研发人员：郑军,刘香全,刘智,左玉华,成步文
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13