CN106356419B - 一种含埋氧层结构的光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体器件领域，特别是一种含埋氧层结构的光电探测器，可进行可见光到红外光的探测。其中Ge PIN型光电二极管和Si PIN型光电二极管通过含埋氧层的重掺杂N型Si层背靠背相连，利用Si PIN型光电二极管和Ge PIN型光电二极管分别对短波和长波有较高响应的特点，实现可见光到红外光波段的探测；钝化层既有钝化器件的作用，又有减少短波反射的作用；埋氧层与N型硅层形成布拉格反射镜，可以反射0.85μm左右波段的短波光子，加强Si PIN型光电二极管对0.85μm左右波段短波的吸收；第一金属阳极接触同时作为电极和金属镜，起到加电压和反射长波光子的作用，加强Ge PIN型光电二极管对长波光子的吸收；而且本发明涉及的光电二极管工作电压较低，易与前置放大器混合集成。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，特别是一种含埋氧层结构的光电探测器。
背景技术
光电探测器在光纤通信系统中是必不可少的关键器件。0.8μm～0.9μm波段的短距离、高密度光纤通信系统、数据传输系统常采用Si单晶衬底或GaAs基PIN光电探测器、雪崩光电探测器进行探测。而1.06μm～1.55μm波段光纤通信网，通常采用Ge单晶衬底或InP基PIN光电探测器、雪崩光电探测器进行探测。
硅光电二极管作为其中一个重要分支，因其光谱响应良好、噪声低、寿命长和与CMOS工艺兼容性高等特点被广泛地应用于可见光探测和成像领域。其中，硅光电二极管作为最常用的光电探测器之一，具有快速、廉价、坚固、灵敏度高、量子效率高、体积小、重量轻、可靠性好、使用方便等特点。然而由于Si的禁带宽度高达1.12eV,工作波长区域主要在0.8μm～0.9μm波段，存在对近红外光吸收系数低、对1.1μm以上波段没有响应等问题。
如图1所示为常规硅基光电PIN型二极管结构图。常规硅基光电PIN型二极管包括：重掺杂N型Si层20，在重掺杂N型Si层20上依次层叠有本征Si层21和重掺杂P型Si层22。重掺杂P型Si层22表面左右两侧设置有金属阳极接触23，重掺杂N型Si层20背面设置有金属阴极接触24。重掺杂P型Si层22上设置有抗反射层25。典型地，金属阳极接触23和金属阴极接触24均由金属Al材料构成，抗反射层由SiO2组成。应注意，上述材料仅仅是以示例的方式提供的，本技术领域人员应理解，其他材料也可以用在常规硅基光电PIN型二极管的构造中。
该类型光电二极管的工作原理是入射光射入器件，本征Si层21作为光吸收区，吸收光子，并产生光生载流子。在外加反向偏置作用下，器件内部产生自下而上的电场，光生载流子在电场作用下，分别向两极漂移移动，直至被电极吸收。
如图1所示为常规硅基光电PIN型二极管结构在0.8μm～0.9μm波段具有高响应性，但是由于Si材料能带结构的固有特性，其对1.1μm以上的红外光波段没有响应。
在一些实施例中，本征Si层21的掺杂浓度，达到1013cm-3数量级。
在一些实施例中，重掺杂N型Si层20和重掺杂P型Si层22的掺杂浓度，达到1019cm-3数量级。
Ge材料的直接带隙为0.67eV，对光通信中C波段(1528nm-1560nm)的光信号有较好的响应特性，且Ge/Si异质结由于Ge材料存在应变，使其带隙变窄，吸收系数增大，吸收波长可扩展到1.6μm以上，可以对光通信L波段(1561nm-1620nm)的信号进行检测，满足不断发展的波分复用技术的要求。特别是Ge材料的价格相对低廉以及与现有Si工艺完全兼容。SiGe/Si是非极性材料，没有III-V族材料的极性光学声子散射，允许在较高温度下工作。同时，锗硅材料载流子迁移率高，能带宽度随Ge的组分变化而连续可调，在Si材料上生长SiGe/Si异质结，则可以在Si上灵活地运用能带工程进行能带剪裁，研制新型Si基探测器。
近年来，在硅上外延锗材料取得了一系列重要进展。在硅上外延锗材料方面，国际和国内主要的研究重点为降低材料缺陷带来的暗电流和器件噪音，提高材料的响应度和响应带宽。由于Ge与Si存在4.2％的晶格失配，如果直接在硅上外延生长Ge，薄膜将以层岛状模式生长(SK模式)，并由于界面晶格失配在Ge薄膜中产生大量失配位错，造成薄膜暗电流和器件噪声的增加。针对这一问题，目前国际和国内主要采用三种方式实现低缺陷密度Ge材料在硅上的外延：
方式一：Si1-xGex缓冲层技术
该技术主要在Ge与Si界面引入缓冲层材料，将晶格失配缺陷局域在缓冲层中，降低上层Ge材料的缺陷密度。缓冲层主要为两种，一种是采用Si1-xGex组分线性增加缓冲层技术，逐步弛豫晶格应变，减小位错密度。这种方法获得的缺陷密度为105cm-2到106cm-2量级。但通常需要数微米的缓冲层材料，造成Ge薄膜表面粗糙度较大。另一种是采用Si1-xGex组分线性降低缓冲层技术，这种方法能将缓冲层厚度限制在90nm左右，而外延Ge缺陷密度仍小于106cm-2。
方式二：两步外延Ge材料
采用低温生长的Ge材料作为缓冲层，实现在缓冲层中的应力释放和缺陷控制，然后高温生长Ge材料，再通过对外延的Ge薄膜退火，得到较低的缺陷密度。这种方式得到的Ge薄膜缺陷密度在107cm-2量级，比于组分渐变缓冲层法高，但这种方法的优点在于制备过程简单可控,因此被大量应用。国际上如Intel公司在Ge SACM APD器件中应用这一方法，获得了缺陷密度为5×106cm-2的外延Ge材料。国内如中科院半导体所主要采用这种方法制备低缺陷密度外延锗材料，获得了暗电流密度为14mA/cm2的Ge PIN光电探测器件。
方式三：选区外延技术
这一方法主要为两种，一种是：首先在硅表面通过光刻和刻蚀，获得微纳尺度的Si沟槽结构，然后再在该结构中，实现Ge材料的选区外延，另一种是：在硅片表面淀积一定厚度的SiO2层，然后进行光刻和刻蚀，获得微纳尺度的SiO2沟槽结构，然后再在该结构中，实现Ge材料的选区外延。这种方法将缺陷限制在选区结构中，通过位错瓶颈机制，使位错在结构界面湮灭，从而在上层Ge材料中获得较低的缺陷密度。
由于硅上外延锗材料取得了一系列重要进展，使得在Si上制造Ge PIN成为可能。在现有技术中，0.8μm～0.9μm波段的光，常采用Si PIN光电探测器或Si雪崩光电探测器进行探测，而1.06μm～1.55μm波段的光，常采用Ge PIN光电探测器或Ge雪崩光电探测器进行探测，两个重要波段的探测要分别用两种光电器件进行探测。
发明内容
针对背景技术的不足之处，本发明提出的一种含埋氧层结构的光电探测器，将硅光电二极管与锗光电二极管结合，使其完成从可见光到红外光的探测；且本发明提出的光电二极管工作电压较低，易与前置放大器混合集成。
本发明的技术方案为：
一种含埋氧层结构的光电探测器，包括：由重掺杂P型Ge层7、含埋氧层5的重掺杂N型Si层4和中间掺入的本征Ge层6构成的一个Ge PIN型光电二极管以及由含埋氧层5的重掺杂N型Si层4、重掺杂P型Si层2和中间掺入的本征Si层3构成的一个Si PIN型光电二极管通过含埋氧层5的重掺杂N型Si层4背靠背相连；
所述埋氧层5与重掺杂N型Si层4形成布拉格反射镜；
含埋氧层5的重掺杂N型Si层4、本征Ge层6和重掺杂P型Ge层7构成一个平面结构12，本征Si层3和重掺杂P型Si层2构成一个台面结构11；
重掺杂P型Ge层7下表面设有第一金属阳极接触8，在含埋氧层5的重掺杂N型Si层4上表面左右两侧设有金属阴极接触9，在重掺杂P型Si层2上表面左右两侧设有第二金属阳极接触10；
台面结构11上表面、侧壁和平面结构12上表面左右两侧淀积有一层钝化层1。
进一步的，所述埋氧层5的层数为1-5层，每层形成布拉格反射镜的埋氧层厚度为每层形成布拉格反射镜的重掺杂N型Si层的厚度为式中，λ＝0.85μm，nSi+为重掺杂N型Si层4的折射率，为SiO2的折射率，k为非负整数。
进一步的，第一金属阳极接触8、金属阴极接触9和第二金属阳极接触10的材料为Al。
进一步的，所述钝化层1的材料为SiO2，厚度为式中，λ＝0.85μm，为SiO2的折射率，k为非负整数。
进一步的，所述埋氧层5的横向长度大于本征Si层3的横向长度，但小于重掺杂N型Si层4的横向长度。
进一步的，所述重掺杂P型Si层2的掺杂浓度达到1019cm-3数量级。
进一步的，所述本征Si层3的掺杂浓度达到1013cm-3数量级。
进一步的，所述含埋氧层5的重掺杂N型Si层4的掺杂浓度达到1019cm-3数量级。
进一步的，所述本征Ge层6的掺杂浓度比含埋氧层5的重掺杂N型Si层4的掺杂浓度低至少4个数量级。
进一步的，所述重掺杂P型Ge层7的掺杂浓度达到1019cm-3数量级。
光波探测过程：在探测短波(波长小于1.1μm)时，短波光子被Si PIN型光电二极管吸收。短波光子从钝化层1射入，通过重掺杂P型Si层2，进入本征Si层3，本征Si层3作为光吸收区，吸收短波光子，并产生光生载流子；对于0.85μm左右波段的短波光子，埋氧层5与重掺杂N型Si层4形成的布拉格反射镜，可以反射该波段的短波光子，使透射过本征Si层3的短波光子反射回本征Si层3，继续被本征Si层3吸收，产生光生载流子；在外加电压作用下，金属阴极接触9和第二金属阳极接触10之间产生电场，光生载流子在电场作用下，分别向两极漂移移动，直至被电极吸收；在探测长波(波长大于1.1μm)时，长波光子被Ge PIN型光电二极管吸收。由于Si对于长波光子而言为透明材料，不能吸收长波光子，而且由布拉格反射镜中Si/SiO2介质膜构成的介质膜对长波光子反射作用较弱，可忽略；所以长波光子从钝化层1射入，依次通过重掺杂P型Si层2、本征Si层3和含埋氧层5的重掺杂N型Si层4，到达本征Ge层6，本征Ge层6作为光吸收区，吸收长波光子，并产生光生载流子；由于Al层有反射光的作用，所以透射过本征Ge层6的长波光子，会被第一金属阳极接触8反射回本征Ge层6，继续被本征Ge层6吸收，产生光生载流子。在外加电压作用下，金属阴极接触9和第一金属阳极接触8之间产生电场，光生载流子在电场作用下，分别向两极漂移移动，直至被电极吸收。
本发明的有益效果为：利用Si PIN光电探测器和Ge PIN光电探测器分别在0.8μm～0.9μm以及1.1μm～1.35μm两个重要波段的高响应性，完成可见光到红外光的探测，扩展了硅光电二极管的光探测波段；且本发明光电二极管有较小的工作电压，可在5V及以下的电压工作，易与前置放大器混合集成；本发明提出的光电二极管中的埋氧层5与重掺杂N型Si层4形成布拉格反射镜，可以反射0.85μm左右波段的短波光子，加强Si PIN型光电二极管对0.85μm左右波段短波光子的吸收；第一金属阳极接触同时作为电极和金属镜，起到加电压和反射长波光子的作用，加强Ge PIN型光电二极管对长波光子的吸收。
附图说明
图1为常规硅基光电PIN型二极管结构图；
图2为本发明提供的一种含埋氧层结构的光电探测器的截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。
需要注意的是，图1和图2仅仅表示所述二极管的示意性简化图，因此这两张图并不是按比例绘制的。
如图2所示为本发明提供的一种含埋氧层结构的光电探测器的结构图。该光电二极管由由重掺杂P型Ge层7、含埋氧层5的重掺杂N型Si层4和中间掺入的本征Ge层6构成的一个Ge PIN型光电二极管以及由含埋氧层5的重掺杂N型Si层4、重掺杂P型Si层2和中间掺入的本征Si层3构成的一个Si PIN型光电二极管通过含埋氧层5的重掺杂N型Si层4背靠背相连。其中本征Si层3的横向长度小于所述含埋氧层5的重掺杂N型Si层4。含埋氧层5的重掺杂N型Si层4、本征Ge层6和重掺杂P型Ge层7构成了一个平面结构12，本征Si层3和重掺杂P型Si层2构成了一个台面结构11。在重掺杂P型Ge层7下表面设有第一金属阳极接触8，在含埋氧层5的重掺杂N型Si层4上表面左右两侧设有金属阴极接触9，在重掺杂P型Si层2上表面左右两侧设有第二金属阳极接触10，在台面结构11上表面、侧壁和平面结构12上表面左右两侧淀积有一层钝化层1。
应注意，上述材料仅仅是以示例的方式提供的，本技术领域人员应理解，其他材料也可以用在本发明实施例中的光电二极管的构造中。
本发明实施例光电二极管的原理是：在探测短波(波长小于1.1μm)时，短波光子被Si PIN型光电二极管吸收。短波光子从钝化层1射入，通过重掺杂P型Si层2，进入本征Si层3，本征Si层3作为光吸收区，吸收短波光子，并产生光生载流子；对于0.85μm左右波段的短波光子，埋氧层5与重掺杂N型Si层4形成的布拉格反射镜，可以反射该波段的短波光子，使透射过本征Si层3的短波光子反射回本征Si层3，继续被本征Si层3吸收，产生光生载流子；在外加电压作用下，金属阴极接触9和第二金属阳极接触10之间产生电场，光生载流子在电场作用下，分别向两极漂移移动，直至被电极吸收；在探测长波(波长大于1.1μm)时，长波光子被Ge PIN型光电二极管吸收。由于Si对于长波光子而言为透明材料，不能吸收长波光子，而且由布拉格反射镜中的Si/SiO2介质膜构成的介质膜对长波光子反射作用较弱，可忽略；所以长波光子从钝化层1射入，依次通过重掺杂P型Si层2、本征Si层3和含埋氧层5的重掺杂N型Si层4，到达本征Ge层6，本征Ge层6作为光吸收区，吸收长波光子，并产生光生载流子；由于Al层有反射光的作用，所以透射过本征Ge层6的长波光子，会被第一金属阳极接触8反射回本征Ge层6，继续被本征Ge层6吸收，产生光生载流子。在外加电压作用下，金属阴极接触9和第一金属阳极接触8之间产生电场，光生载流子在电场作用下，分别向两极漂移移动，直至被电极吸收。
在一些实施例中，钝化层1的材料为SiO2，厚度为式中，λ＝0.85μm,为SiO2的折射率，k为非负整数。
在一些实施例中，重掺杂P型Si层2的掺杂浓度，达到1019cm-3数量级。
在一些实施例中，本征Si层3的掺杂浓度，达到1013cm-3数量级。
在一些实施例中，含埋氧层5的重掺杂N型Si层4的掺杂浓度，达到1019cm-3数量级。
在一些实施例中，埋氧层5的横向长度略大于本征Si层3的横向长度，但小于重掺杂N型Si层4的横向长度。
在一些实施例中，每层形成布拉格反射镜的埋氧层厚度为每层形成布拉格反射镜的重掺杂N型Si层的厚度为式中，λ＝0.85μm，nSi+为重掺杂N型Si层4的折射率，为SiO2的折射率，k为非负整数。
在一些实施例中，本征Ge层6的掺杂浓度比含埋氧层5的重掺杂N型Si层4的掺杂浓度低至少4个数量级。
在一些实施例中，重掺杂P型Ge层7的掺杂浓度，达到1019cm-3数量级。
此实施例器件结构，含埋氧层5的重掺杂N型Si层4、本征Ge层6和重掺杂P型Ge层7构成了一个平面结构12，设于平面结构12之上的本征Si层3和重掺杂P型Si层2构成了一个台面结构11。
此实施例器件结构，重掺杂P型Ge层7、本征Ge层6和含埋氧层5的重掺杂N型Si层4构成了一个Ge PIN型光电二极管；含埋氧层5的重掺杂N型Si层4、本征Si层3和重掺杂P型Si层2构成了一个Si PIN型光电二极管；其中，Ge PIN型光电二极管与Si PIN型光电二极管通过含埋氧层5的重掺杂N型Si层4背靠背相连。
此实施例器件结构，台面结构11上表面、侧壁和平面结构12上表面左右两侧淀积有一层钝化层1，该钝化层既有钝化器件的作用，又有减少短波反射的作用；钝化层1的材料为SiO2。
此实施例器件结构，埋氧层5与重掺杂N型Si层4形成布拉格反射镜，可以反射0.85μm左右波段的短波光子，加强Si PIN对0.85μm左右波段的吸收。
此实施例器件结构，第一金属阳极接触8同时作为电极和金属镜，起到加电压和反射长波光子的作用。第一金属阳极接触8与第二金属阳极接触10短接，Si PIN与Ge PIN光电二极管共用了金属阴极接触9，Si PIN型光电二极管与Ge PIN型光电二极管同时工作，从而使本发明结构可对可见光和红外光做出响应，扩展了光的吸收波段。
本发明设计的光电二极管结构，在可见光到红外光波段均能响应，且在0.8μm～0.9μm以及1.1μm～1.35μm两个重要波段均具有较高响应性。此外，本发明涉及的光电二极管电压工作较低，易与前置放大器混合集成。
虽然本发明已经描述了特定实施例，但是将意识到本发明的原理不限于那些实施例。本文描述的发明概念可在探测可见光到红外光时使用。本文公开的实施例能完成可见光到红外光宽光波段的探测，且在0.8μm～0.9μm以及1.1μm～1.35μm两个重要波段均具有较高响应性。
Claims (10)
1.一种含埋氧层结构的光电探测器，包括：由重掺杂P型Ge层(7)、含埋氧层(5)的重掺杂N型Si层(4)和中间掺入的本征Ge层(6)构成的一个Ge PIN型光电二极管以及由含埋氧层(5)的重掺杂N型Si层(4)、重掺杂P型Si层(2)和中间掺入的本征Si层(3)构成的一个Si PIN型光电二极管通过含埋氧层(5)的重掺杂N型Si层(4)背靠背相连；
所述埋氧层(5)与重掺杂N型Si层(4)形成布拉格反射镜；
含埋氧层(5)的重掺杂N型Si层(4)、本征Ge层(6)和重掺杂P型Ge层(7)构成一个平面结构(12)，本征Si层(3)和重掺杂P型Si层(2)构成一个台面结构(11)；
重掺杂P型Ge层(7)下表面设有第一金属阳极接触(8)，在含埋氧层(5)的重掺杂N型Si层(4)上表面左右两侧设有金属阴极接触(9)，在重掺杂P型Si层(2)上表面左右两侧设有第二金属阳极接触(10)；
台面结构(11)上表面、侧壁和平面结构(12)上表面左右两侧淀积有一层钝化层(1)。
2.如权利要求1所述一种含埋氧层结构的光电探测器，其特征在于，所述埋氧层(5)的层数为1-5层，每层形成布拉格反射镜的埋氧层厚度为每层形成布拉格反射镜的重掺杂N型Si层的厚度为式中，λ＝0.85μm，为重掺杂N型Si层(4)的折射率，为SiO2的折射率，k为非负整数。
3.如权利要求1所述一种含埋氧层结构的光电探测器，其特征在于，第一金属阳极接触(8)、金属阴极接触(9)和第二金属阳极接触(10)的材料为Al。
4.如权利要求1所述一种含埋氧层结构的光电探测器，其特征在于，所述钝化层(1)的材料为SiO2，厚度为式中，λ＝0.85μm,为SiO2的折射率，k为非负整数。
5.如权利要求1所述一种含埋氧层结构的光电探测器，其特征在于，所述埋氧层(5)的横向长度大于本征Si层(3)的横向长度，但小于重掺杂N型Si层(4)的横向长度。
6.如权利要求1所述一种含埋氧层结构的光电探测器，其特征在于，所述重掺杂P型Si层(2)的掺杂浓度达到1019cm-3数量级。
7.如权利要求1所述一种含埋氧层结构的光电探测器，其特征在于，所述本征Si层(3)的掺杂浓度达到1013cm-3数量级。
8.如权利要求1所述一种含埋氧层结构的光电探测器，其特征在于，所述含埋氧层(5)的重掺杂N型Si层(4)的掺杂浓度达到1019cm-3数量级。
9.如权利要求1所述一种含埋氧层结构的光电探测器，其特征在于，所述本征Ge层(6)的掺杂浓度比含埋氧层(5)的重掺杂N型Si层(4)的掺杂浓度低至少4个数量级。
10.如权利要求1所述一种含埋氧层结构的光电探测器，其特征在于，所述重掺杂P型Ge层(7)的掺杂浓度达到1019cm-3数量级。
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