CN110326116A - 半导体结构及其制造 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种沿横向方向具有宽度的层状半导体结构(100)，具有覆盖所述半导体结构的部分宽度的操作区域(101)，该半导体结构包括：具有第一极性的多数电荷载流子的半导体衬底(102)；和在半导体衬底上具有第一极性的感应净电荷的第一介电层(104)。通过由所述感应净电荷在半导体衬底中产生的电场在半导体衬底中感应出感应结(505)。所述半导体结构被配置成将所述半导体衬底中产生的电场限制在所述操作区域中。

Description

半导体结构及其制造
背景技术
各种类型的半导体光电探测器，诸如光电二极管广泛用于不同的光感测应用，例如用于医疗、安全和工业应用中的成像和非成像光感测系统。
通常，半导体光电探测器包括基于p-n结的光电二极管。p-n结通常通过在半导体衬底表面上注入外来杂质，即与半导体衬底导电类型不同的杂质，并对所经注入的区域进行退火来形成。
作为替代方法，已经提出了基于感应结来代替传统p-n结的光电探测器。感应结可在包括半导体衬底和介电层的结构中产生，其中介电层在该半导体衬底上具有固定净电荷。利用足够高的与衬底的多数载流子极性相同的固定净电荷，可以在衬底表面附近产生经由耗尽区与衬底主体隔开的反型层。从而可以在反型层和衬底主体之间有效地形成p-n型结。例如，Juntunen等人在“Near-unity quantum efficiency of broadband blacksilicon photodiodes with an induced junction”,Nature Photonics 10,777-781(2016)中报道了基于n型Si衬底上的Al2O3介电层产生的感应结的光电探测器。
除了光电探测器之外，由介电层的外部固定净电荷感应出的反型层和耗尽区可以用于其他类型的半导体结构和器件，例如二极管和晶体管。
通常，具有感应结的半导体结构具有待利用的感应结的操作区域。另一方面，在这种操作区域之外，感应结的影响通常是不利的。例如，对于利用感应结的光电探测器，已经提出了各种保护环和其他类型的“沟道阻挡”结构来切断由光电探测器的有源区外部的反型层形成的水平沟道。然而，现有技术的沟道阻挡结构并不理想，并且还可能需要额外的处理步骤。
发明内容
提供本部分是为了简略地介绍所选择的发明理念，这些理念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本部分并不意于确定所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不意于限制所要求保护主题的范围。
在一个方面中，公开了一种半导体结构，该半导体结构具有宽度和部分覆盖该宽度的操作区域，该半导体结构包括：具有第一极性的多数电荷载流子的半导体衬底；和，在半导体衬底上具有第一极性的感应净电荷的第一介电层。由此，通过由所述感应净电荷在半导体衬底中产生的电场在半导体衬底中感应出具有反型层和耗尽区的感应结。有利地，光电探测器结构配置成将半导体衬底中产生的电场限制在操作区域中。
半导体结构可例如以各种类型的半导体光电探测器来实施。这种光电探测器可用于医疗、安全和工业等多种应用中。光电探测器可用于例如摄影成像传感器、照度计和快门控制器、成像和X光成像系统、烟雾探测器、微光探测器、光纤链路、位置传感器、计算机断层摄影(CT)系统或光伏/太阳能电池。通常，光电探测器可以用于任何成像或非成像光感测或光能收集设备或系统。
另一方面，半导体结构可用于任何利用由半导体衬底上介电层的净电荷在半导体衬底中感应的反型层的其它合适的半导体器件中。这种半导体器件可以是例如二极管或晶体管，或者任何其他合适类型的微电路。
在另一方面，公开了可用于制造如上所述的半导体结构的制造方法。
通过参考结合附图描述的以下详细描述，随着更深入的理解，可知晓更多的随附特征。
附图说明
基于所附附图阅读下文详细描述，将更好地理解本说明书，其中：
图1和图2示出了半导体结构的示意性截面透视图；
图3示出了光电探测器结构的横截面图；
图4示出了制造半导体结构的方法的流程图；和
图5示出了制造光电探测器结构的方法。
图1至图3和图5的绘制未按比例。
具体实施方式
以下结合附图提供的详细描述旨在描述多个实施方式，而并不旨在表示可以构造、实现或利用这些实施方式的唯一形式。
层状半导体结构100形成为在图1所示的横截面位置处具有宽度W的片状结构。该宽度和横向尺寸通常显著大于半导体衬底的厚度H。然而，横向尺寸和厚度之间的精确关系在不同的实施方式中可能会变动。此外，绝对宽度可以依据半导体结构的实施方式和应用领域而变动，并且可例如在几百微米至几厘米范围内。
半导体结构100可以实施为用于分立半导体器件、元件或组件的分立结构，在这种情况下，其宽度可以覆盖这种器件、元件或组件的整个横向范围。在其他实施方式中，半导体衬底可以形成较大半导体组件的组成结构，例如，半导体结构阵列。
“半导体结构”是指可以包括完整的、可操作的半导体组件、元件或器件(例如光电探测器)中所有或部分结构部件、层和元件的结构。在仅形成部分这种组件、元件或器件的情况下，术语“结构”因此可以被认为是“用于”这种组件、元件或器件的结构或者构件块。
图1的半导体结构100可以实施为例如光电探测器结构。“光电探测器结构”是指可以形成光电探测器的一部分或形成完整光电探测器的结构。因此，除了光电探测器结构之外，可操作的完整光电探测器可包括层和结构。另一方面，光电探测器结构可替代地包括可操作的光电探测器的所有必要部件。
“光电探测器”进而是指能够将在光电探测器中吸收的入射光能转换成电信号和/或电能(光伏/太阳能电池)的半导体组件。光电探测器的主要目的可以是感测或收集光，并且将光能转换成电能。“光”是指电磁波谱的紫外区域、可见光区域和红外区域。除了直接检测入射光之外，还可以单独使用光电探测器或与闪烁器结合以检测电离辐射，例如X射线。
“光电探测器”可以是完整的独立的光感测组件。或者，它可以形成较大探测器组件的组成部分，例如光电探测器元件的阵列。例如，可布置多个光电探测器或光电探测器元件中以形成传感器，其中，每个光电探测器或光电探测器元件形成传感器的一个像素。
在其他实施方式中，与图1的半导体结构基本符合的半导体结构例如可实施为二极管或晶体管，或者实施为利用反型层的任何合适类型的微电路。
图1的半导体结构100在横向方向上大致为矩形，图1所示的横截面是在半导体结构的中心线处被切割。因此，图1示出了整个半导体结构的一半。
半导体结构100具有在图1中用虚线标出的操作区域101。“区域”是指在半导体结构的横向方向上观察或界定的区(region)或域(zone)。
在图1的示例中，操作区域101大致位于半导体衬底的中心，并且大致为圆形。在其他实施方式中，可以使用不同形状和/或不同位置的操作区域。在一些实施方式中，半导体结构可具有多于一个的操作区域。
“操作区域”是指在半导体具有其宽度的横向方向或平面上观察到的特定区域，该操作区域特别配置成设计为其中利用半导体结构的半导体特性以发挥半导体结构的主功能的区域。这种主功能可以包括例如通过位于具有不同导电类型或电荷载流子极性的半导体区域之间的结来检测光。因此，在光电探测器结构的情况下，操作区域可以形成用于接收和吸收待检测光的有源区。在其他实施方式中，这种主功能可以包括例如用作电流通道。如下所述，在图1的示例中，感应结用于这种主功能。
另一方面，仅覆盖半导体结构部分宽度的特定“操作区域”是指设计为在这些操作区域之外，不发生的主功能和/或主功能所基于的特定半导体特性不具有任何特定效果。
图1的层状半导体结构100包括具有第一极性的多数电荷载流子的半导体衬底102。
半导体“衬底”是指由半导体材料形成的衬底层或基底层，该半导体材料可以是元素半导体或化合物半导体。
“极性”是指半导体材料的电荷载流子(即电子或空穴)的正电性或负电性，其中，极性相应地为n型(导电性)或p型(导电性)。
第一极性可以是n型或p型。在实施方式中，半导体衬底是n掺杂的硅，因此第一极性是n型。
n型或p型导电性可通过在半导体衬底的半导体材料中存在合适的杂质来实现。
在图1的示例中，半导体衬底102延伸到半导体结构的整个宽度，即它覆盖半导体结构的整个区域。在其他实施方式中，半导体衬底可以仅覆盖半导体结构的部分区域或宽度。
半导体衬底102具有前表面103，该前表面界定光电探测器结构100的前侧。
半导体衬底的“前”表面和由其界定的光电探测器结构的“前”侧是指半导体衬底的表面和光电探测器衬底的相关侧，在该表面和该侧上设置有以下讨论的具有感应净电荷第一介电层。待检测的光或电离辐射可以从前侧或从相对的“后”侧入射到光电探测器结构上并被光电探测器结构接收。
在厚度方向上，半导体结构100的主功能可设计为在仅覆盖半导体结构的一部分的厚度的区域中发生。取决于所讨论的半导体结构的类型及其设计的操作，上述操作区域可以位于半导体结构中的不同高度处，即，位于距离半导体结构的表面不同的深度处。如下所述，在图1的示例中，上述区域靠近半导体衬底102的前表面103。
半导体结构100在半导体衬底上进一步包括第一介电层104，该介电层104具有第一极性的感应净电荷。
“介电层”是指由介电材料形成的层状结构，即沿半导体结构的横向方向延伸的结构。介电层可以使用任何合适的加成工艺通过在半导体衬底的现有表面上添加介电材料来形成。或者，例如，作为介电层的氧化物层可通过仅将氧引入到半导体衬底上或半导体衬底中来形成，由此半导体衬底材料的一部分与氧可以形成氧化物层。位于半导体衬底“上”不需要第一介电层直接位于半导体衬底上(与半导体衬底直接接触)，而是在第一介电层和半导体衬底之间可存在一个或多个中间层。
第一介电层可包含例如氧化物。特别是在半导体结构100实施为光电探测器结构的情况下，这种氧化物可以是透明氧化物，例如氧化铝Al2O3。
“透明”是指由透明氧化物形成的层在相关波长范围内使入射到该层上的光能的主要部分透过的能力。在光电探测器结构的情况下，相关波长范围是指光电探测器结构的预期操作波长。例如，在相关波长下，透明层可以透过入射到其上的50％或更多，例如80％或更多的光能。透明度越高，光电探测器结构的灵敏度可越高。
“净电荷”是指第一介电层中具有与半导体衬底相同的第一极性(相同导电类型)的电荷的总和。因此，对于具有p型或n型导电性的半导体衬底，第一介电层的净电荷相应地为正或负。
第一介电层的负净电荷或正净电荷可以是第一介电层材料的固有特性，或者可由其制造方法不可避免地产生。它也可以通过适当选择制造工艺参数来调节。
例如，氧化物层的最终净电荷可取决于氧化前的表面预处理。相关因素包括实际使用的清洁方法、形成天然氧化物的可能容许量以及由清洁产生的可能的化学氧化物。最终净电荷还取决于氧化物沉积工艺的细节，例如前体材料、沉积和清洗循环持续时间、温度等。氧化物层的净电荷可以进一步受到沉积的氧化物层的后处理的影响，例如，通过退火和/或暴露于各种压力和气氛。上述Al2O3是介电材料的实例，当通过常规方法生产时，其固有地具有负净电荷。
表述“感应”净电荷是指通过该感应净电荷在半导体衬底中产生的电场E而在半导体衬底中感应有感应结105。
“感应结”与半导体中由与该半导体导电类型相同的外部电荷感应而形成的反型层或区域相关联。例如，当具有负净电荷的介电层(例如Al2O3层)形成在由n型半导体(例如n掺杂Si)形成的衬底的顶部时，衬底中产生的电场朝向介电层位于其上的衬底表面吸引空穴，并且排斥电子远离该介电层位于其上的衬底表面。如果电场足够强并且衬底的掺杂浓度足够低，则空穴将衬底的薄层转化成p型。由于反型层和主体相接触，它们将有效地形成p-n结，并且该系统将表现为二极管。如果介电层的净电荷为正，则相同的原理也适用于p型衬底。
“反型”是指少数载流子浓度超过多数载流子浓度的层或区域。这可称为弱反型界限。如果少数载流子浓度还超过主体掺杂浓度，则达到强反型。
实现感应结所需的净电荷取决于衬底载流子密度。在具有低载流子密度的非常高的电阻率材料的情况下，即使小于1×109e/cm3的净电荷可能引起反型。例如在电阻率更典型的太阳能工业中，下限可以处于1·1011e/cm3的范围。
因此，当足够的外部负净电荷以在该半导体衬底中产生反型的程度(导致感应“p在n上”结，即感应结)吸引衬底的n型半导体材料中的空穴时，在该n型半导体衬底中会形成感应结。
因此，通过具有与半导体衬底相同的导电类型外部电荷感应(即，半导体衬底外部的电荷)在给定导电类型的单个半导体衬底内形成感应结，来代替基于具有相反导电类型的两个半导体区域的常规p-n结。在图1的光电探测器结构100中，适于在半导体衬底102中形成感应结105的上述外部电荷由氧化物层104的感应净电荷来提供。
感应结105以及与之相关联的反型层106和耗尽区107邻近半导体结构100的前表面103布置。它们一起形成在半导体衬底100的厚度方向上界定或观察的操作区域108，在该操作区域中设计发挥半导体结构100的主功能，例如在光电探测器或光伏结构的情况下，发挥光感测功能。
感应结与传统的p-n结的操作基本类似并且用于相同的目的。例如，在光电探测器结构中，感应结用于与传统光电二极管的p-n结或基于p-n结的其他类型光电探测器相同的目的和功能。因此，通过光吸收在半导体衬底的半导体材料中产生的自由载流子可以被收集到不同侧的感应结及其耗尽区中。
半导体衬底100的感应结105可以提供多个优点。例如，由带负电的氧化物层提供的负电荷感应的感应结105使得能够制造并具有二极管型光电探测器，而不需要注入离子以用于p-n结，其通常提高自由电荷载流子的再结合。因此，例如，可实现具有低表面再结合的光电探测器结构。此外，提供形成感应结所需的感应净电荷的第一介电层也可用于半导体衬底103表面的有效钝化。
在图1的示例中，第一介电层104基本上覆盖半导体结构100的整个前表面103，即其基本上延伸至半导体结构100的整个宽度W。因此，第一介电层不仅位于操作区域101中，还延伸到其外部。在其他实施方式中，可以使用在半导体结构的操作区域外延伸但不覆盖其整个前表面的第一介电层。
图1的半导体结构100进一步包括：在操作区域外部的第二介电层109。在图1的示例中，第二介电区域覆盖半导体结构100中除操作区域101之外的整个前表面103。在其他实施方式中，第二介电层可以包括半导体结构中在操作区域外部的前表面的不同部分。同样在这些实施方式中，第二介电层的延伸与第一介电层的延伸可以在操作区域的外部重叠或重合。
第二介电层具有与第一极性相反的第二极性的补偿净电荷，该补偿净电荷至少部分地、可能完全地补偿由感应净电荷在半导体衬底中产生的电场。第二极性的“相反性”是指在第一极性为n型或p型的情况下，第二极性相应地为p型或n型。
“补偿”由感应净电荷产生的电场E是指第二介电层的补偿净电荷产生相反的电场E’，使得在同时第一介电层和第二介电层的区域中由它们在半导体衬底103产生的净电场E”减小。净电场可以是零或甚至是负的，即具有与由第一介电层的感应净电荷产生的电场E的方向相反的方向。
由此，光电探测器结构有利地被配置成将在半导体衬底中产生的电场E限制在操作区域101中。因此，随着足够的补偿使净电场E”降低到产生反型的极限以下，使得形成感应结的反型层也将被限制在操作区域101中，即基本上仅限于在操作区域101中延伸。从而可以在半导体结构的操作和性能方面带来许多优点。
首先，将电场E限制在操作区域101中使得半导体结构的主功能(例如光感测)在空间上得到很好的控制。此外，还可以避免不希望的侧边效应，例如由于存在通过反型层形成的电流通道而导致电流通过半导体结构边缘的横向泄漏。后者可以提高性能，特别是提高光电探测器结构的性能。
类似于第一介电层，第二介电层的负净电荷或正净电荷可以是第二介电层材料的固有特性，或者可由其制备方法不可避免地产生。它也可以通过适当选择制造工艺参数来调节。
第二介电材料可包括例如氧化物，例如二氧化硅SiO2。二氧化硅可以例如形成为热氧化物，由此其具有固有的负净电荷。因此，例如，在第一介电层包含氧化铝Al2O3的情况下，二氧化硅可用于形成第二介电材料。
在图1的示例中，第二介电层109位于第一介电层104和半导体衬底103之间。例如，在这种情况下，半导体结构100的制造工艺包括在半导体衬底上形成热氧化物，这可为直接的解决方案。然后，从半导体结构100的操作区域101移除该热氧化物就足够了。在其他实施方式中，第一介电层可以位于半导体结构的第二介电层和半导体衬底之间。
图2的半导体结构与以上参考图1所讨论的任何半导体结构可基本一致。与那些半导体结构不同之处在于，它不存在第二介电层，并且第一介电层204仅延伸到操作区域201，因此仅位于操作区域201中。由此，第一介电层“被限制”在操作区域中。在其他实施方式中，半导体结构的第一介电层可以不太严格地“被限制”在半导体衬底的操作区域中，即可能部分地延伸在半导体衬底的外部。因此，“被限制”在操作区域中是指第一介电层的至少大部分，可能全部地位于操作区域中。
第一介电层204的上述限制的延伸使得由第一介电层204的感应净电荷在半导体衬底202中产生的电场E被限制在操作区域201中。因此，在图2的示例中，不是用另一相反的电场来补偿由第一介电层产生的电场，而是最初产生的电场被限制在操作区域201中。
在半导体衬底202中产生的电场E被“限制”在操作区域201中是指使反型层206形成的电场主要，可能完全地在操作区域中产生。
在图1和图2中，示出了半导体结构100、半导体结构200，除了半导体衬底和第一介电层和可能的第二介电层之外，半导体结构可以不包括任何接触结构或其他层或元件。当然，半导体结构可包括任何合适的附加层和元件。
图3的光电探测器结构300可以与上文参考图1所讨论的那些光电探测器结构基本一致。
图3中半导体结构300的半导体衬底302具有本体折射率n。
与图1的半导体结构100不同的是，图3的示例的半导体衬底300的前表面303包括基本垂直于横向方向(即半导体结构宽度方向)延伸的高纵横比的纳米结构310。
“纳米结构”是指具有至少一个在亚微米(即小于或等于1微米)范围内的特征尺寸的结构。从光学角度来看，这种尺寸基本落在典型光电探测器的相关检测波长范围以内或以下。如本领域技术人员所知，亚波长特征和基本在相关波长范围内的特征会不同于本体材料地影响光的传播。
基本垂直延伸的“高纵横比”的纳米结构是指其高度是其横向尺寸的数倍的结构。这种纳米结构可以包括例如柱形柱或锥形柱、窄角锥状，或其相反形状为相应空腔的那些形状。
纳米结构310沿垂直于横向方向的方向中可具有范围在500nm至1500nm，例如约600nm至1000nm或800nm至1000nm的平均高度，并且在水平方向上可具有范围在50nm至400nm或100nm至400nm，例如200nm至300nm的平均宽度。
纳米结构310形成光学转换层311，其中由于纳米结构的尺寸在相关波长范围以内或以下，光在光学转换层311中的行为不同于在半导体衬底本体材料中的行为。光学转换层具有有效折射率neff，该有效折射率neff从接触纳米结构的材料的环境折射率向本体折射率逐渐变化，以减少从光电探测器结构的前侧入射到光电探测器结构上的光的反射。例如，在将光电探测器结构设计成以折射率为1来暴露于环境空气时，有效折射率可以从1逐渐变化到本体折射率。因此，平均有效折射率被设定在环境折射率和本体折射率之间。
“有效折射率”是与光和纳米结构材料层的相互作用相关的辅助定义。在相关波长范围以内或以下的纳米结构使得光在上述纳米结构层中的行为不同于在相同材料的无纳米结构的相应层中的行为。这种不同的行为可以用辅助术语“有效折射率”来描述；光在这种纳米结构材料层中的行为以及与纳米结构材料层的相互作用，就好像该层将由逐渐变化的本体材料制成，该逐渐变化的本体材料在转换层的每一水平上具有等于该水平的有效折射率的的折射率。
半导体衬底302可包括可具有n型或p型导电性的硅。在这种情况下，光学转换层311可以包括黑硅。
如本领域技术人员所知，“黑硅”是指硅表面上的纳米结构，产生具有逐渐变化的有效折射率的光学转换层。据报道，黑硅例如用作在其后侧具有p-n结的p型硅太阳能电池的前表面上的抗反射层；参见例如Savin,H.等人，“Black silicon solar cells withinterdigitated back-contacts achieve 22.1％efficiency”，Nature Nanotechnology10,624-628(2015)。类似的结构也可以实施在光电二极管型光电探测器结构中。
在图3的示例中，在半导体衬底302的前表面上，即半导体结构中与形成半导体结构的实际有源部分的感应结305相同的一侧上使用黑硅或其它类型具有纳米结构的光学转换层。
可能包括黑硅的光学转换层通过减少从光电探测器结构的前侧入射到光电探测器结构上的光的反射可提高光电探测器结构的整体灵敏度。有利地，光学转换层的抗反射性能可具有非常低的温度依赖性。此外，与半导体衬底的平坦的前表面相比，由纳米结构形成的光学转换层可以深化反型层。这种深化可以通过增加半导体衬底的表面积来实现，使得在半导体衬底上需要更大量的第一介电层材料及感应净电荷，更大量的感应净电荷进而能够吸引更多的空穴。反型层的这种深化可以提高感应结的性能。
类似于图1的光电探测器结构100，在图3的光电探测器结构300中，第一介电层304位于半导体衬底302的前表面303上。它基本上共形地覆盖纳米结构310，即基本依据纳米结构310，且基本具有均匀的层厚度。例如，这种共形涂层可以例如通过原子层沉积(ALD)形成第一介电层来实现。
如上文参考图1所讨论的，例如，第一介电层304可包括透明氧化物(例如氧化铝Al2O3)或具有足够的感应净电荷来感应感应结305的任何其它合适的透明氧化物层。
如图1的光电探测器结构100，在操作区域301的外部，第二介电层309被设置在半导体衬底302和第一介电层304之间，并且具有与第一介电质层的第一极性和半导体衬底的多数电荷载流子相反的第二极性的补偿净电荷。由此，在半导体衬底302中产生的电场E被限制在操作区域中。
在其他实施方式中，光电探测器结构可以实施为其中第一介电层而不是第二介电层被限制在操作区域中(根据图2的半导体结构200)，而在其他方面类似于以上参考图3讨论的结构。
在图3的光电探测器结构300中，纳米结构310和由此形成的光学转换层311仅存在于操作区域301中。
在操作区域301的外部，半导体衬底302的前表面303具有无纳米结构的圆周非结构化的平坦区域312。用作光电探测器结构的阳极/阴极触点的导电的圆周前触点313形成在该平坦区域中的穿过第一介电层304和第二介电层309形成的圆周开口314中。前触点延伸穿过半导体衬底302的前表面303到感应结305上方的半导体衬底的上部。
可能与在平坦区域312上形成前触点313类似，在前触点313和半导体结构300的边缘之间形成用作保护环的附加圆周触点316。“保护环”是指环绕相关的阳极触点或阴极触点的圆周或环形触点结构。保护环的存在可用于收集泄漏电流，否则泄漏电流可能流过光电探测器结构边缘，从而干扰从阳极触点收集的光生电流。在其他实施方式中，光电探测器可实施为没有任何保护环。图5中示出了这样的示例。
在其他实施方式中，在光电探测器结构的不同位置处可存在有任意数量的离散的平坦区域和各自的离散开口和触点，来代替连续的圆周平坦区域、氧化物层中的相应的圆周开口、圆周前触点和可能的保护环。
半导体衬底302具有与前表面304相对的后表面317，并且用作光电探测器结构的阴极/阳极触点的导电后触点318形成在该后表面上并且邻近该后表面形成。
前触点313和后触点318可以例如由包括金属和/或具有足够高导电性的任何其他合适材料制成。前触点和后触点提供了用于使光电探测器与外部电路连接的手段。如果需要，这种外部电路可以用于偏置感应结305，并用于收集响应于光电探测器结构300中的光吸收而产生的电信号。
在其他实施方式中，光电探测器结构可以包括任意数量的离散的后接触元件或结构，来代替连续的后接触层。
此外，在其他实施方式中，也可以在半导体衬底的前表面上形成一个或多个阴极触点/阳极触点，来代替在半导体衬底的后表面上形成的单个连续阴极/阳极触点或多个离散的阴极/阳极触点。因此，实施例可能具有均位于半导体衬底的前表面上的阳极/阴极触点和阴极/节点触点。
为了改善后触点性能和半导体衬底后表面的电流扩散，半导体衬底可以包括例如导电性高于半导体衬底的其余部分的后表面层。相应地，适当极性/导电类型的掺杂可以靠近半导体衬底的前表面布置，以改善前侧触点与反型区或反型层之间的接触。以下参考图5更详细地讨论前触点和后触点的结构。
符合上文所讨论的那些的前触点结构和后触点结构也可以存在于符合以上参考图1和图2讨论的光电探测器结构中。在半导体衬底的前表面的半导体结构无纳米结构的情况下，不需要特定的平坦区域，因为前触点可以形成在半导体衬底的基本平坦的前表面中的任何地方，当然这要考虑半导体结构的期望性能和设计的操作方式。
以上，主要讨论了光电探测器结构的结构和材料方面。在下文中，更多的重点将放在与光电探测器结构相关的制造方面。上文中与结构方面和材料方面相关的实施、限定、细节和优点经适当变动后，适用于下文所讨论的方法方面。反之亦然。
图4的方法400可用于制造具有横向方向上的宽度的半导体结构，该半导体结构具有覆盖该半导体结构的部分宽度的操作区域。这种半导体衬底可以符合上文参考图1和图2所讨论的任何半导体衬底。
方法400开始于在操作401中提供具有第一极性的多数电荷载流子的半导体衬底。第一极性可以是n型或p型。半导体衬底可以由任何合适的元素半导体(例如硅Si或锗Ge)或化合物半导体(例如砷化镓GaAs或氮化镓GaN)，或者它们的其任何合适的衍生物形成。在一个实施方式中，半导体衬底由n型硅形成。
在步骤402中，在操作区域外部的半导体衬底上形成第二介电层。第二介电层具有与第一极性相反的第二极性的补偿净电荷。
该方法包括：在操作403中，在半导体衬底上以及实际上还在已设置其上的第二介电层上形成具有第一极性的感应净电荷的第一介电层。第一介电可以包括例如氧化物(例如透明氧化物，如氧化铝Al2O3)或者由该氧化物形成。在半导体衬底由n型硅形成的情况下，可例如使用具有负净电荷的氧化铝。然后，第二介电层可以包括例如固有地具有正净电荷的二氧化硅SiO2。然后二氧化硅可以形成例如热氧化物。其他可能的氧化物可以是例如氧化铪HfO2、二氧化钛TiO2和氧化锌ZnO。第一介电层可以包括氮化物，例如氮化钛TiN来代替氧化物，或者完全由上述氮化物例如氮化钛TiN形成。
在图4的示例中，第二介电层在第一介电层之前形成半导体衬底上，使得在完成的半导体结构中，第二介电层位于半导体衬底和第一介电层之间。在其他实施方式中，第一介电层可以在第二介电层之前形成在半导体衬底上，由此完成的结构中的第一介电层和第二介电层的顺序可以是相反的。
对半导体衬底的导电性和第一介电层的感应净电荷进行选择和调整，从而通过感应净电荷在半导体衬底中产生的电场来感应在半导体衬底中的感应结。
此外，对第二介电层的补偿净电荷进行选择和调整，从而第二介电层的补偿净电荷至少部分地补偿在操作区域的外部由第一介电层的感应净电荷在半导体衬底中产生的电场。由此，光电探测器结构被形成为在半导体衬底中产生的电场被限制在半导体结构的操作区域内。
在其他实施方式中，可以使用在其中不形成第二介电层的方法，或者在其中在形成该层之后除去该层的方法。然后，通过形成限制在操作区域的第一介电层能够实现将半导体衬底中产生的电场限制在操作区域中。
图5的方法可以用于制造基本符合上文参考图3所描述的光电探测器结构500。然而，图5的光电探测器结构500不包括任何保护环。
该方法开始于提供沿横向方向具有宽度W的半导体衬底502，具有本体折射率以及界定光电探测器结构前侧的前表面503。
在图5的示例中，半导体具有n型导电性。在其他实施方式中，可以使用具有p型导电性的半导体衬底。
半导体衬底可以形成为用于单个光电探测器结构的衬底。或者，它可以包括用于多个光电探测器结构的整体衬底结构。
作为该方法的第一实际作用，在操作A中，在半导体衬底中形成圆周p+掺杂区513a，其从前表面503延伸到半导体衬底中的预定深度。p+掺杂区可以通过例如将合适的离子注入到半导体衬底中来形成。离子注入之后，可以在升高的温度下进行退火。此外，在半导体衬底中邻近后表面517处可形成n+掺杂表面层518a。类似于前触点的p+掺杂区，n+掺杂区可以例如通过离子注入来形成，随后可能进行退火。如上文参考图3所述，在其他实施方式中，还可以在半导体衬底的前表面上形成至本体衬底的触点来代替后触点。
在形成圆周p+掺杂区513a时，在半导体衬底的前表面503上形成的热氧化物的层509被用作用于离子注入的掩模层。在经由热氧化物形成的圆周开口514来形成p+掺杂区513a之后，热氧化物留在半导体结构的边缘区域，即设计的中心区域501的外部以形成完整半导体结构的操作区域。剩余的热氧化物在完整半导体结构中形成“第二介电层”。
p+掺杂区513a和n+掺杂表面层518a的目的分别是用作完整光电探测器结构的前/阳极触点和后/阴极触点的一部分。
在其他实施方式中，在形成前触点的同时，还可以形成保护环，类似于图3的光电探测器300。
在操作B中，使半导体衬底502的前表面503结构化，以在其上形成基本垂直延伸的高纵横比的纳米结构510。由此，形成光学转换层511，其具有朝向本体折射率逐渐变化的有效折射率，以减少从光电探测器结构的前侧入射到光电探测器结构上的光的反射。
在结构化半导体衬底的前表面时，可以使用任何合适的已知技术和工艺。例如，高纵横比的纳米结构可以通过激光纹理化、等离子体浸没离子注入、金属辅助湿法蚀刻或低温深反应离子蚀刻(DRIE)来形成。在图5所示的实施方式中，仅对半导体结构500的中心区域501应用结构化，从而使未结构化前表面的外围区域保留平坦区域512，即没有纳米结构。平坦区域和p+掺杂区513a对齐，使得p+掺杂区位于平坦区域512的区域上。
取决于用于使半导体衬底的前表面结构化的技术，可以使用各种替代方法来保留未进行结构化的平坦区域512。在例如激光纹理化的一些技术中，在空间上控制结构化可能就足够了，因此并不将结构化应用至平坦区域的区域上。另一方面，例如，在包括蚀刻半导体衬底前表面在内的技术中，可以在半导体衬底的前表面上形成掩模层，该掩模层包括掩模区域和开口区域。这种掩模层可以防止蚀刻期间在掩模区域下方的半导体衬底的前表面上形成高纵横比的纳米结构。由此，平坦区域保留在每个掩模区域下方，并且在去除掩模层之后，可以在其上形成前触点。
在操作C中，将外部负电荷提供至半导体衬底的前表面，以在半导体衬底中感应出感应结505。在图5所示的实施方式中，外部电荷通过在半导体衬底的前表面及其上设置的热氧化物上形成具有负净电荷的附加介电层504来提供。在完整的半导体结构500中，该层形成“第一介电层”。
在一个实施方式中，在操作A中提供的半导体衬底包括n型硅，并且在操作B中形成的转换层511包括黑硅。
在其中n型硅作为半导体衬底的材料的一个实施方式中，提供外部负电荷包括形成具有负净电荷的透明氧化物层，该氧化物层基本上共形地覆盖具有纳米结构的半导体衬底的前表面。在该实施方式中，感应结505由作为附加介电层504的氧化物层的负净电荷来感应。具有负净电荷的氧化物层可包括例如氧化铝Al2O3。
包含氧化铝的氧化物层可以例如通过原子层沉积ALD来形成。
“原子层沉积”有时称为原子层外延ALE(atomic layer epitaxy)，是指这样的工艺：其中衬底交替地暴露于至少两种前体，一次一种前体，以通过在衬底的表面(在稍后的阶段，自然是已经形成在衬底上的涂层的表面)与前体之间交替重复衬底基本上自限制的表面反应来在衬底上形成涂层。结果，涂层材料通过分子层在衬底分子层上“生长”。这使得薄膜涂层的生产能够精确且受制。
在上述实施方式中，ALD使得能够形成厚度明确限定的并且与半导体衬底的纳米结构化的前表面同样优异的氧化物层。
在半导体衬底502的整个前表面503上最初形成附加层504之后，最初延伸穿过热氧化物层509的圆周开口514也穿过附加介电层504而存在。
为了最终确定光电探测器结构的触点，图5所示的方法进一步包括，在操作D中，完成圆周开口514中的导电性前触点513，该前触点在平坦区域512中延伸穿过半导体衬底502的前表面503，到达感应结505上方的半导体衬底的上部。
此外，在操作D中，还完成了在半导体衬底502的后表面517上并与其相邻的导电行后触点518。
前触点和后触点可以例如与上文参考图3讨论的前触点和后触点一致。
在图5所示的实施方式中，该前触点的完整化包括在p+掺杂区513a上形成圆周金属垫513b。因此，完整的前触点513包括半导体衬底上部的p+掺杂区513a和在p+掺杂区上的金属垫513b。
该后触点518的完整化进而包括在邻近半导体衬底的后表面517处在该半导体衬底中形成的n+掺杂表面层518a上形成金属层518b。因此，完整的后触点518包括金属层518b和半导体衬底502的n+掺杂表面层518a。
金属垫513b和金属层518b可以例如通过溅射铝或一些其他合适的触点金属来形成。
在其他实施方式中，不同类型和配置的前触点和后触点可形成并存在于光电探测器结构中。特别地，与参考图3所讨论的那些结构相似，可以形成不同于一个或多个圆周前触点以及连续的后触点层。
此外，应当注意的是，上述用于形成前触点和后触点的操作仅代表一个示例。在其他实施方式中，可以使用任何其他合适的方法来形成触点。例如，在不限制潜在工艺范围的情况下，可使用各种激光辅助处理方法来形成触点，例如金属触点和掺杂剂的激光转移，或者金属的激光诱导化学气相沉积。使用不同于上文参考图5所讨论的方法，触点可以在整个制造方法的任何适当阶段形成。
在上文讨论的任何实施方式中，半导体衬底可以在垂直方向上具有例如范围在100μm至500μm或200μm至500μm的厚度。该厚度应该足够厚以确保衬底吸收足够大的部分的入射光。在实施方式中，当外部电荷由氧化物层(例如包含氧化铝Al2O3的氧化物层)提供时，则氧化物层的厚度可以例如在几十纳米的范围内。
以上，讨论了关于光电探测器结构和光电探测器的方面。然而，在其他实施方式中，如上所述的光电探测器或光电探测器结构的结构和器件还可以用于检测在电磁波谱的可见光部分之外的电磁辐射，以及粒子辐射。从这个意义上说，更普遍的是，上文中涉及光电探测器和光电探测器结构的所有描述经适当变动后同样适用于检测电磁辐射或粒子辐射(包括电离辐射)的辐射探测器和辐射探测器结构。
例如，通过以比光电探测器操作所用电压更高的电压来偏置探测器结构，可以实现对这种其他类型辐射的合适探测性能。
在可见光谱和/或粒子辐射之外的电磁辐射的情况下，(光学)转换层或黑硅层也可以提供优点。例如，这种层的表面积是平坦表面的表面积的多倍，因此可产生高得多的电荷，产生更深的感应，进而产生更好的导电性，这对于任何的探测器应用都是有利的。
下面将对一些方面进行进一步讨论。
在第一方面中，沿横向方向具有宽度的层状半导体结构，具有覆盖所述半导体结构的部分宽度的操作区域，所述层状半导体结构包括：具有第一极性的多数电荷载流子的半导体衬底；以及，在半导体衬底上具有第一极性的感应净电荷的第一介电层；感应结(105)，所述感应结通过由感应净电荷在半导体衬底中产生的电场而在半导体衬底中感应出；该半导体结构被配置成将半导体衬底中产生的电场限制在操作区域中。
在一个实施方式中，第一极性是n型。
在根据前一实施方式的实施方式中，半导体衬底由硅形成。
在可根据任何前述任一实施方式的实施方式中，第一介电层包括透明氧化物。
在根据前一实施方式的实施方式中，透明氧化物是氧化铝Al2O3。
在可根据前述任一实施方式的实施方式中，第一介电层在操作区域外部延伸，并且半导体结构进一步包括在操作区域外部的第二介电层，该第二介电层具有与第一极性相反的第二极性的补偿净电荷，该补偿净电荷至少部分补偿由感应净电荷在半导体衬底中产生的电场。
在根据前一实施方式的实施方式中，第二介电层位于第一介电层和半导体衬底之间。
在可根据前面两个实施方式中任一个的实施方式中，第一极性是n型，并且第二介电层包括二氧化硅SiO2。
在可根据前四个实施方式中任一个的实施方式中，第一介电层被限制在操作区域中。
在可根据前述任一实施方式的实施方式中，层状半导体结构实施为光电探测器，操作区域是用于接收和吸收待检测光的有源区。
在根据前一实施方式的实施方式中，其中半导体衬底具有本体折射率以及界定光电探测器结构前侧的前表面，第一介电层位于前表面上；该前表面包括基本垂直于横向方向延伸的高纵横比的纳米结构，该纳米结构形成光学转换层，该光学转换层具有朝向本体折射率逐渐变化的有效折射率，以减少从光电探测器结构的前侧入射光电探测器结构上的光的反射；第一介电层基本共形地覆盖纳米结构。
在第二方面，一种用于制造沿横向方向具有宽度的半导体衬底的方法，所述半导体衬底具有覆盖半导体结构的部分宽度的操作区域，所述方法包括：提供具有第一极性的多数电荷载流子的半导体衬底；在半导体衬底上形成具有第一极性的感应净电荷的第一介电层；通过由感应净电荷在半导体衬底中产生的电场来在半导体衬底中感应感应结；所形成的半导体结构使在半导体衬底中产生的电场限制在操作区域中。
在第二方面的实施方式中，第一极性是n型。
在根据前一实施方式的第二方面的实施方式中，半导体衬底由硅形成。
在可根据第二方面的前述任一实施方式的第二方面的实施方式中，所形成的第一介电层包括透明氧化物。
在根据前一实施方式的第二方面的实施方式中，透明氧化物是氧化铝Al2O3。
在可根据第二方面的前述任一实施方式的第二方面的实施方式中，所形成的第一介电层在操作区域外部延伸，并且所述方法进一步包括：在操作区域外部，形成具有与第一极性相反的第二极性的补偿净电荷的第二介电层，该补偿净电荷至少部分补偿由感应净电荷在半导体衬底中产生的电场。
在根据前一实施方式的第二方面的实施方式中，所形成的第二介电层位于第一介电层和半导体衬底之间。
在可根据前面两个实施方式中任一个的第二方面的实施方式中，第一极性是n型，并且所形成的第二介电层包括二氧化硅SiO2。
在可根据上述第二方面的前四个实施方式中任一个的第二方面的实施方式中，所形成第一介电层被限制在操作区域中。
在可根据第二方面的任一实施方式的实施方式中，层状半导体结构实施为光电探测器，操作区域是用于接收和吸收待检测光的有源区。
在可根据第二方面的前一实施方式的第二方面的实施方式中，其中，半导体衬底具有本体折射率以及界定光电探测器结构前侧的前表面，所形成的第一介电层位于前表面上；所述方法包括：在半导体衬底的前表面上形成基本垂直延伸的高纵横比的纳米结构，该纳米结构形成光学转换层，该光学转换层具有朝向本体折射率逐渐变化的有效折射率，以减少从光电探测器结构的前侧入射到光电探测器结构上的光的反射；所形成的第一介电层基本共形地覆盖纳米结构。
在根据前一实施方式的第二方面的实施方式中，第一介电层通过原子层外延ALD来形成。
尽管已经通过特定于结构特征和/或方法论动作的语言对主题进行了描述，但是应当理解，所附权利要求中定义的主题不一定限于上述特定特征或动作。相反，上述具体特征和动作是实施权利要求的示例性形式。
应当理解，上述益处和优点可以涉及一个实施方式，或者可以涉及几个实施方式。实施方式不限于解决任何或所有所述问题的那些实施方式或者具有任何或所有所述益处和优点的那些实施方式。还应理解，对“一(an)”项目的描述是指一个或多个这些项目。
本说明书中的术语“包括”用于表示包括随后的特征或动作，而不排除一个或多个附加特征或动作的存在。

Claims (15)

1.一种沿横向方向具有宽度的层状半导体结构(100)，所述层状半导体结构具有覆盖所述半导体结构的部分宽度的操作区域(101)，所述半导体结构包括：
半导体衬底(102)，具有第一极性的多数电荷载流子；和
在所述半导体衬底上的第一介电层(104)，具有第一极性的感应净电荷；
通过由所述感应净电荷在所述半导体衬底中产生的电场在所述半导体衬底中感应出感应结(105)；
所述半导体结构配置成使所述半导体衬底中产生的电场限制在所述操作区域中。
2.根据权利要求1所述的半导体结构(100)，其中，所述第一极性为n型。
3.根据权利要求2所述的半导体结构(100)，其中，所述半导体衬底(102)由硅形成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体衬底(100)，其中，所述第一介电层(104)包括透明氧化物。
5.根据权利要求4所述的半导体衬底(100)，其中，所述透明氧化物是氧化铝Al2O3。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体结构(100)，其中，所述第一介电层(104)延伸到所述操作区域(101)的外部，并且所述半导体结构在所述操作区域外部进一步包括第二介电层(109)，所述第二介电层具有与所述第一极性相反的第二极性的补偿净电荷，所述补偿净电荷至少部分地补偿由所述感应净电荷在所述半导体衬底中产生的电场。
7.根据权利要求6所述的半导体结构(100)，其中，所述第二介电层(109)位于所述第一介电层(104)和所述半导体衬底(102)之间。
8.根据权利要求6或7所述的半导体结构(100)，其中，所述第一极性为n型，并且所述第二介电层(109)包括二氧化硅SiO2。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体结构(200)，其中，所述第一介电层(204)被限制在所述操作区域中。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的半导体结构(100)，所述半导体结构(100)实施为光电探测器，所述操作区域是用于接收和吸收待检测光的有源区。
11.根据权利要求10所述的半导体结构(300)，其中，所述半导体衬底(302)具有本体折射率和界定所述光电探测器结构的前侧的前表面(303)，所述第一介电层(304)位于所述前表面上；所述前表面包括基本垂直于横向方向延伸的高纵横比的纳米结构(310)，所述纳米结构形成光学转换层(311)，所述光学转换层具有朝向所述本体折射率逐渐变化的有效折射率，以减少从所述光电探测器结构的前侧入射到所述光电探测器结构上的光的反射；所述第一介电层基本共形地覆盖所述纳米结构。
12.一种用于制造沿横向方向具有宽度的半导体衬底(500)的方法，所述半导体衬底具有覆盖半导体结构的部分宽度的操作区域(501)，所述方法包括：
提供具有第一极性的多数电荷载流子的半导体衬底(502)；和
在所述半导体衬底上形成具有第一极性的感应净电荷的第一介电层(504)；
通过由所述感应净电荷在所述半导体衬底中产生的电场在所述半导体衬底中感应出感应结(505)；
所述半导体结构以使所述半导体衬底中产生的电场限制在所述操作区域中来形成。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一介电层(504)形成为延伸到所述操作区域(501)的外部，并且所述方法进一步包括：在所述操作区域外部，形成第二介电层(509)，所述第二介电层具有与所述第一极性相反的第二极性的补偿净电荷，所述补偿净电荷至少部分地补偿由所述感应净电荷在所述半导体衬底(502)中产生的电场。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述半导体衬底(502)具有本体折射率和界定所述光电探测器结构的前侧的前表面(503)，所述第一介电层(504)形成在所述前表面上；所述方法包括：在所述半导体衬底的前表面上形成基本垂直延伸的高纵横比的纳米结构(510)，所述纳米结构(510)形成光学转换层(511)，所述光学转换层具有朝向所述本体折射率逐渐变化的有效折射率，以减少从所述光电探测器结构的前侧入射到所述光电探测器结构上的光的反射；所述第一介电层以基本共形地覆盖所述纳米结构来形成。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一介电层(504)通过原子层外延ALD形成。
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