CN107068784B - 一种横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器，器件制作在SOI(Silicon‑on‑Insulator)衬底上，具有双台面结构，包括：衬底、埋层氧化硅、硅台面区、硅空间区、硅接触区、电极和锗外延层。埋层氧化硅形成于硅衬底上，硅台面区形成于埋层氧化硅上，硅空间区形成于硅台面区两侧的埋层氧化硅上，硅接触区形成于硅空间区外侧的埋层氧化硅上，锗外延层形成于硅台面区上，电极与硅接触区欧姆接触。两个电极制作在硅层上，锗光吸收层在硅层上面，施加在两个电极上的偏压使光吸收层和硅层中形成强度不同的电场分布，光吸收在锗中实现而雪崩倍增过程在硅层中实现。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电探测器领域，具体涉及一种横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器及其制备方法。
背景技术
雪崩光电探测器是一种具有光响应倍增功能的光电探测器，特别适用于对微弱光信号的探测。其基本原理是光被探测器吸收而产生光生载流子，在电场作用下，电子和空穴获得能量而加速运动，当电场强度足够强时，通过运动中的碰撞离化实现电子和空穴的倍增，经过倍增的电子和空穴被电极收集，从而获得经过倍增而放大的响应电流。虽然获得了光生电流的倍增，但同时也会产生很大的倍增过剩噪声，影响信号质量。该噪声与半导体倍增材料的电子/空穴离化率比相关，离化率比越小，噪声电可以越小。半导体材料中，硅的离化率比最小，是最好的倍增材料。然而，由于硅的带隙限制，其不能对光通信和光互连主要应用波段1310nm和1550nm的光进行探测，而锗对于1310nm和1550nm的光有很好的响应吸收，而且与硅同属四族半导体材料，其工艺与硅CMOS工艺能很好地兼容。所以人们提出了锗/硅异质结雪崩光电探测器结构，一方面利用锗的通信波段良好的光吸收特性，同时利用硅的良好的雪崩倍增特性，实现了高性能的吸收区与倍增区分离的锗/硅雪崩光电探测器。
然而这种雪崩光电探测器结构复杂，特别是对于掺杂的控制要求很高，制备难度比较大。因此本领域亟需一种工艺简单可行、重复一致性好的锗/硅异质结雪崩光电探测器。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述问题，本发明提供一种横向结构的锗/硅异质结雪崩光电探测器，该雪崩光电探测器的电学结构都制备在硅上，而且只需要在欧姆接触区进行重掺杂，而锗层外延生长在未掺杂的硅平台上，实现与硅层的电学连接。
(二)技术方案
一种横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器，其具有双台面结构，包括：衬底、埋层氧化硅、硅台面区、硅空间区、硅接触区、电极和锗外延层；
埋层氧化硅形成于硅衬底上，
硅台面区形成于埋层氧化硅上，
硅空间区形成于硅台面区两侧的埋层氧化硅上，
硅接触区形成于硅空间区外侧的埋层氧化硅上，
锗外延层形成于硅台面区上，
电极与硅接触区欧姆接触。
上述方案中，
所述硅空间区包括第一硅空间区和第二硅空间区，第一硅空间区和第二硅空间区分别形成于硅台面区两侧的埋层氧化硅上；
所述硅接触区包括硅P+接触区和硅N+接触区，硅P+接触区形成于第一硅空间区外侧的埋层氧化硅上，硅N+接触区形成于第二硅空间区外侧的埋层氧化硅上；
所述电极包括正电极和负电极，正电极形成在硅P+接触区上，与硅P+接触区欧姆接触，负电极形成在硅N+接触区上，与硅N+接触区欧姆接触。
上述方案中，
所述第一硅空间区和第二硅空间区的高度低于硅台面区；
所述锗外延层的面积小于硅台面区；
硅台面区和锗外延层形成双台面结构。
上述方案中，所述硅P+接触区和硅N+接触区是通过离子注入或者杂质扩散的方法对硅进行掺杂而形成的。
上述方案中，
所述硅P+接触区是由硼离子注入或氟化硼离子注入形成；
所述硅N+接触区是由磷离子注入或砷离子注入形成。
上述方案中，还包括表面钝化层，除正电极和负电极外，其表面被表面钝化层所覆盖。
上述方案中，所述表面钝化层是氧化硅、氮化硅、氮化铝中的一种或多种。
上述方案中，所述硅台面区为本征硅或N型低掺杂或P型低掺杂。
上述方案中，电极被施加偏压后，锗外延层形成的电场分布和硅台面区与硅空间区形成的电场分布强度不同，锗外延层实现光吸收，雪崩倍增过程在硅台面区和硅空间区中完成。
一种横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
对SOI材料进行刻蚀，形成硅台面区，并在硅台面区两侧形成硅空间区和离子注入区；
分别对离子注入区进行离子注入，形成硅接触区；
在硅台面区、硅空间区和硅接触区表面形成氧化硅层，并刻蚀硅台面区上方的氧化硅层露出锗外延区；
在露出的锗外延区外延生长锗外延层；
腐蚀氧化硅层，并在硅台面区、硅空间区、硅接触区和锗外延层表面沉积钝化层，并刻蚀钝化层，在硅接触区上方形成接触孔；
沉积金属层，并刻蚀金属层在接触孔中形成电极。
(三)有益效果
本发明提供的一种横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器，
(1)雪崩光电探测器中的电场分布合理，电子和空穴在锗中不发生倍增，而在硅中发生倍增，实现吸收区与倍增区的分离，充分利用锗和硅各自优势，可以满足对1310nm和1550nm波段微弱光的低噪声探测需求，提高器件的噪声特性；
(2)结构简单，制备容易，除锗外延以外的工艺均是CMOS工艺，制备工艺与CMOS工艺具有很好的兼容性，稳定性、一致性好。
附图说明
图1是本发明专利实施例提供的一种横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器的结构示意图；
图2是本发明专利实施例提供的一种横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器制备方法流程图；
图3是本发明专利实施例提供的一种横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器制备方法的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
实施例1如图1所示为本发明实施例提供的一种横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器，包括：正电极11、负电极12、硅P+接触区210、硅N+接触区220、硅台面区23，第一硅空间区24、第二硅空间区25、锗外延层31、表面钝化层43、埋层氧化硅41和硅衬底26。
硅衬底26和埋层氧化硅41采用SOI材料，埋层氧化硅41形成于硅衬底26上。硅台面区23形成于埋层氧化硅41上，通过腐蚀埋层氧化硅41上的表面器件硅层而形成。
第一硅空间区24和第二硅空间区25分别形成于硅台面区23两侧的埋层氧化硅41上，且高度低于硅台面区23。硅P+接触区210形成于第一硅空间区24外侧的埋层氧化硅41上，硅N+接触区220形成于第二硅空间区25外侧的埋层氧化硅41上，硅P+接触区210和硅N+接触区220通过离子注入或者杂质扩散对表面器件硅层进行掺杂而形成，其在离硅台面区23两侧壁一定距离。P+接触区210与硅台面区23之间的为第一硅空间区24，硅N+接触区220与硅台面区23之间为第二硅空间区25。
锗外延层31形成于硅台面区23上，锗外延层31的面积小于硅台面区23，从而形成双台面结构。锗外延层31、硅台面区23和第一硅空间区24、第二硅空间区25形成双台面结构，锗外延层31为一个台面，即锗台面；硅台面区23为另一个台面，即硅台面，这两个台面不完全重合，形成双台面结构。
正电极11形成在硅P+接触区210上，与硅P+接触区210欧姆接触，负电极12形成在硅N+接触区220上，与硅N+接触区220欧姆接触。除正、负电极外，硅台面区23、第一硅空间区24、第二硅空间区25、硅P+接触区210和硅N+接触区220均被表面钝化层43所覆盖。
本实施例的雪崩光电探测器，其电学结构都制备在埋层氧化硅41上，电学结构包括正负电极、硅P+接触区和硅N+接触区，而且本发明只需要在欧姆接触区进行重掺杂，而锗外延层生长在未掺杂的硅台面区23上，实现与器件中硅层的电学连接，施加在两个电极上的偏压使光吸收层和硅层中形成强度不同的电场分布，光吸收在锗外延层中实现而雪崩倍增过程在硅层中实现，其中光吸收层为锗外延层，硅层包括硅台面区和硅空间区。
硅台面区和两个硅空间区均为表面器件硅层，并没有对硅台面区和硅空间区进行额外的掺杂，因此掺杂相同，它们的掺杂状态是由表面器件硅层本身的掺杂状态所决定。
锗台面可以是平面也可以是非平面，锗外延层可以位于硅台面的中心，也可以偏离中心位置。
硅台面区可以为本征硅，或N型低掺杂，掺杂浓度小于2×1017cm-3，或P型低掺杂，掺杂浓度小于2×1017cm-3。
两个硅空间区的宽度可以相同，也可以不同，两个硅空间区的高度可以相同，也可以不同。
表面钝化层可以是氧化硅、氮化硅或者氮化铝，也可以它们组成的多层膜结构。
实施例2
图2本发明专利实施例提供的一种横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器制备方法的步骤流程图，图3给出了器件制备过程中的结构示意图，与下面的实施步骤相对应。下面结合图2和图3介绍器件的制备方法：
步骤S1：对SOI材料进行刻蚀，形成硅台面区、并在硅台面区两侧形成硅空间区和离子注入区。
如图3(a)所示，制备从SOI材料开始，SOI材料具有三层结构，包括层叠的衬底26、埋层氧化硅41以及埋层氧化硅41上面的表面器件硅层。
首先，通过有机和无机溶剂的对SOI材料进行清洗处理。若SOI材料具有良好的洁净包装，也可以不经过清洁处理，直接用于制备。
然后，如图3(b)所示，对SOI材料进行光刻和刻蚀，形成硅台面区、硅空间区和离子注入区。对SOI材料进行光刻，将硅台面图形转移到表面器件硅层，利用光刻胶为掩膜，采用干法刻蚀或者湿法刻蚀刻蚀表面器件硅层，形成硅台面区以及硅空间区和离子注入区。
硅台面区两侧不要腐蚀到埋层氧化硅41，硅台面区两侧的表面器件硅层区域留有适当厚度，作为硅空间区和离子注入区。
硅台面区的一侧为第一硅空间区24和P+型离子注入区21，硅台面区的另一侧为第二硅空间区25和N+型离子注入区22，P+型离子注入区21和N+型离子注入区22分别位于硅台面区两侧的边缘区域，第一硅空间区24为P+型离子注入区21与硅台面区23之间的区域，第二硅空间区25为N+型离子注入区22与硅台面区23之间的区域。
步骤S2：分别对离子注入区进行离子注入，形成硅接触区。
如图3(c)所示，首先，以光刻胶为掩膜对P+型离子注入区21进行硼离子注入，形成硅P+接触区210；硼离子注入也可以用氟化硼离子注入代替。光刻胶要求足够厚，以免在有光刻胶保护的地方，离子穿过光刻胶，注入到表面器件硅层。
如图3(d)所示，其次，以光刻胶为掩膜对N+型离子注入区22进行磷离子注入，形成硅N+接触区220；也可以用砷离子注入代替磷离子注入。
然后，P+型离子注入和N+型离子注入后，进行退火处理。离子注入会对注入区的硅晶格结构造成严重的损伤，注入的离子也处于混乱的位置，通过适当温度的退火处理，可以使硅晶体质量得到恢复，同时尽量使得注入的离子处于晶格替代位置，使之具有掺杂活性，在材料中提供大量电子或者空穴，形成有效的掺杂。
步骤S3：在硅台面区、硅空间区和硅接触区表面形成氧化硅层，并刻蚀硅台面区上方的氧化硅层露出锗外延区。
首先，如图3(e)所示，在硅台面区、硅空间区和硅接触区表面形成氧化硅层42。
然后，光刻并刻蚀硅台面区上方的氧化硅层42，露出锗外延区。
氧化硅层可以采用PECVD、电子束蒸发、溅射等方法制备。刻蚀氧化硅可以采用干法或湿法刻蚀。优选湿法刻蚀，或者先进行干法刻蚀，当只留有较薄的氧化硅时停止干法刻蚀，改用湿法刻蚀，直到刻蚀区露出硅台面区。
步骤S4：在露出的锗外延区外延生长锗外延层。
如图3(f)所示，采用化学气相淀积方法，在露出的锗外延区外延生长出锗外延层31。
锗外延层31作为光吸收层，其质量对于探测器性能的影响很大。采用化学气相沉淀方法可以在硅台面区上外延生长出高质量的锗材料，同时可以实现选区外延，就是在露出硅台面区的区域，会外延生长锗材料，而在硅台面区的被氧化硅覆盖区域，锗不会沉积，这为制备提供了很大的方便。
步骤S5：腐蚀氧化硅层，并在硅台面区、硅空间区、硅接触区和锗外延层表面沉积钝化层，并刻蚀钝化层，在硅接触区上方形成接触孔。
首先，如图3(g)所示，腐蚀掉氧化硅层，并重新淀积氧化硅层作为表面钝化层43。在沉积前，要对表面进行严格的清洁处理，尽量减小表面沾污，优化钝化效果。
其次，如图3(h)所示，光刻并刻蚀钝化层，在硅P+接触区21和硅N+接触区22上形成接触孔。刻蚀钝化层时要采取过刻蚀，刻蚀区的氧化硅刻蚀干净，露出硅P+接触区21和硅N+接触区22，使后续电极制备时，电极能与P+接触区21和硅N+接触区22形成良好的欧姆接触。
步骤S6：沉积金属层，并刻蚀金属层在接触孔中形成电极。
首先，如图3(i)所示，沉积金属层，并光刻和刻蚀，留下接触孔中的电极，将其它区域的金属腐蚀掉，形成与硅P+接触区21接触的正电极11和与硅N+接触区22接触的负电极12。
其次，进行热退火处理，使电极与其下面与之接触的硅接触区形成良好的欧姆接触。
以上只是依据本发明专利的器件介绍了实施的一个例子，在实际的制备过程中，一些工艺是完全可以替换成为其它的工艺手段来实现的，工艺流程也可以根据实际情况而有所调整。从以上的介绍可以看出本发明的一种横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器，器件工艺制备非常简单，硅台面区23、硅空间区24和硅空间区25都直接来源于SOI的表面硅器件层，制备中不需要对它们进行掺杂等工艺。在加反偏压下，雪崩光电探测器中的电场分布合理，使得当雪崩光电探测器在一定的反向偏压下，载流子在硅中的某些区域发生雪崩倍增，而在锗中有足够的电场使载流子快速移动但又不会发生雪崩倍增，从而达到吸收区与倍增区分离的要求。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器，其特征在于，其具有双台面结构，包括：衬底、埋层氧化硅、硅台面区、硅空间区、硅接触区、电极和锗外延层；
埋层氧化硅形成于硅衬底上，
硅台面区形成于埋层氧化硅上，
硅空间区形成于硅台面区两侧的埋层氧化硅上，
硅接触区形成于硅空间区外侧的埋层氧化硅上，
锗外延层形成于硅台面区上，
电极与硅接触区欧姆接触，
其中，所述硅空间区包括第一硅空间区和第二硅空间区，第一硅空间区和第二硅空间区分别形成于硅台面区两侧的埋层氧化硅上，所述第一硅空间区和第二硅空间区的高度低于硅台面区，所述锗外延层的面积小于硅台面区，所述硅台面区、所述锗外延层、所述第一硅空间区和所述第二硅空间区形成双台面结构。
2.根据权利要求1所述的横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器，其特征在于，
所述硅接触区包括硅P+接触区和硅N+接触区，硅P+接触区形成于第一硅空间区外侧的埋层氧化硅上，硅N+接触区形成于第二硅空间区外侧的埋层氧化硅上；
所述电极包括正电极和负电极，正电极形成在硅P+接触区上，与硅P+接触区欧姆接触，负电极形成在硅N+接触区上，与硅N+接触区欧姆接触。
3.根据权利要求2所述的横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器，其特征在于，所述硅P+接触区和硅N+接触区是通过离子注入或者杂质扩散的方法对硅进行掺杂而形成的。
4.根据权利要求3所述的横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器，其特征在于，
所述硅P+接触区是由硼离子注入或氟化硼离子注入形成；
所述硅N+接触区是由磷离子注入或砷离子注入形成。
5.根据权利要求2所述的横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器，其特征在于，还包括表面钝化层，所述硅接触区、所述硅空间区、所述硅台面区和所述锗外延层的表面被表面钝化层所覆盖。
6.根据权利要求5所述的横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器，其特征在于，所述表面钝化层是氧化硅、氮化硅、氮化铝中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器，其特征在于，所述硅台面区为本征硅或N型低掺杂或P型低掺杂。
8.根据权利要求1所述的横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器，其特征在于，电极被施加偏压后，锗外延层形成的电场分布和硅台面区与硅空间区形成的电场分布强度不同，锗外延层实现光吸收，雪崩倍增过程在硅台面区和硅空间区中完成。
9.一种横向结构锗/硅异质结雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
对SOI材料进行刻蚀，形成硅台面区，并在硅台面区两侧形成硅空间区和离子注入区；
分别对离子注入区进行离子注入，形成硅接触区；
在硅台面区、硅空间区和硅接触区表面形成氧化硅层，并刻蚀硅台面区上方的氧化硅层露出锗外延区；
在露出的锗外延区外延生长锗外延层；
腐蚀氧化硅层，并在硅台面区、硅空间区、硅接触区和锗外延层表面沉积钝化层，并刻蚀钝化层，在硅接触区上方形成接触孔；
沉积金属层，并刻蚀金属层在接触孔中形成电极；
其中，所述硅空间区包括第一硅空间区和第二硅空间区，第一硅空间区和第二硅空间区分别形成于硅台面区两侧的埋层氧化硅上，所述第一硅空间区和第二硅空间区的高度低于硅台面区，所述锗外延层的面积小于硅台面区，所述硅台面区、所述锗外延层、所述第一硅空间区和所述第二硅空间区形成双台面结构。
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