CN112018211B - 一种雪崩光电探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种雪崩光电探测器及其制备方法。其中，所述雪崩光电探测器包括：衬底，以及位于衬底上的器件结构层；器件结构层至少包括沿垂直衬底平面方向向上依次设置的电荷层、过渡层、吸收层以及第一电极接触层；其中，电荷层为具有第一掺杂类型的第一半导体材料层；过渡层外延生长于电荷层上，过渡层为本征层；吸收层外延生长于过渡层的第一区域上，吸收层为本征的第二半导体材料层；第一电极接触层外延生长于过渡层的第二区域上，第一电极接触层的高度高于吸收层的高度以使第一电极接触层包覆吸收层，第一电极接触层为第一半导体材料层；过渡层的材料为第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料。

Description

一种雪崩光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光子集成芯片探测技术领域，具体涉及一种雪崩光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器是光通信、光互连和光电集成技术中关键的光电器件之一，目前在军事和国民经济的各个领域都有广泛的用途，而雪崩光电探测器又以高响应度和灵敏度受到市场欢迎。
然而，目前的雪崩光电探测器具有暗电流高、响应度低等缺点，因此有待进一步的改进。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例为解决背景技术中存在的至少一个问题而提供一种雪崩光电探测器及其制备方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例一方面提供了一种雪崩光电探测器，包括：衬底，以及位于所述衬底上的器件结构层；所述器件结构层至少包括沿垂直所述衬底平面方向向上依次设置的电荷层、过渡层、吸收层以及第一电极接触层；其中，
所述电荷层为具有第一掺杂类型的第一半导体材料层；
所述过渡层外延生长于所述电荷层上，所述过渡层为本征层；
所述吸收层外延生长于所述过渡层的第一区域上，所述吸收层为本征的第二半导体材料层；
所述第一电极接触层外延生长于所述过渡层的第二区域上，所述第一电极接触层的高度高于所述吸收层的高度以使所述第一电极接触层包覆所述吸收层，所述第一电极接触层为第一半导体材料层；
所述过渡层的材料为第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料。
上述方案中，所述第一半导体材料为硅；所述第二半导体材料为锗；所述第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料为锗硅。
上述方案中，所述第一掺杂类型为P型。
上述方案中，所述雪崩光电探测器还包括：位于所述第一电极接触层内的第一电极接触区，所述第一电极接触区为具有第一掺杂类型的第一半导体材料区。
上述方案中，所述第二区域环绕所述第一区域；或者，所述第二区域包括被所述第一区域间隔的两个子区域。
本发明实施例另一方面提供了一种雪崩光电探测器的制备方法，所述方法包括以下步骤：
提供衬底；
在所述衬底上生长第一外延层，所述第一外延层为第一半导体材料层；对所述第一外延层进行第一掺杂类型的离子掺杂，形成电荷层；
在所述电荷层上生长第二外延层，形成本征的过渡层；所述第二外延层的材料为第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料；
在所述过渡层的第一区域上生长第三外延层，形成本征的吸收层；所述第三外延层为第二半导体材料层；
在所述过渡层的第二区域上生长第四外延层，所述第四外延层的高度高于所述第三外延层的高度，以形成一包覆所述吸收层的第一电极接触层；所述第四外延层为第一半导体材料层。
上述方案中，所述第一半导体材料为硅；所述第二半导体材料为锗；所述第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料为锗硅。
上述方案中，所述第一掺杂类型为P型。
上述方案中，所述方法还包括：对所述第四外延层进行第一掺杂类型的离子掺杂，以在所述第一电极接触层内形成第一电极接触区。
上述方案中，所述第二区域环绕所述第一区域；或者，所述第二区域包括被所述第一区域间隔的两个子区域。
本发明实施例提供了一种雪崩光电探测器及其制备方法，其中，所述雪崩光电探测器包括：衬底，以及位于所述衬底上的器件结构层；所述器件结构层至少包括沿垂直所述衬底平面方向向上依次设置的电荷层、过渡层、吸收层以及第一电极接触层；其中，所述电荷层为具有第一掺杂类型的第一半导体材料层；所述过渡层外延生长于所述电荷层上，所述过渡层为本征层；所述吸收层外延生长于所述过渡层的第一区域上，所述吸收层为本征的第二半导体材料层；所述第一电极接触层外延生长于所述过渡层的第二区域上，所述第一电极接触层的高度高于所述吸收层的高度以使所述第一电极接触层包覆所述吸收层，所述第一电极接触层为第一半导体材料层；所述过渡层的材料为第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料。本发明实施例中，通过设置过渡层，并且过渡层的材料为第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料，由此，过渡层与电荷层、吸收层和第一电极接触层之间都能够具有较好的晶格匹配度；从而，一方面，过渡层可以在电荷层上较好的生长，避免了直接在电荷层上生长吸收层而产生的晶格失配问题；另一方面，借助过渡层的第一区域外延生长吸收层，借助过渡层的第二区域外延生长第一电极接触层，可以使得吸收层和第一电极接触层均具有较好的生长质量，如此，不仅有利于降低暗电流、提高探测器的响应度，而且器件结构简单，工艺成本较低。
附图说明
图1为相关技术中雪崩光电探测器的侧面剖视图；
图2为本发明实施例提供的雪崩光电探测器的侧面剖视图；
图3为本发明实施例提供的雪崩光电探测器的俯视图；
图4为本发明实施例提供的雪崩光电探测器的过渡层的另一实施例的俯视图；
图5为本发明实施例提供的雪崩光电探测器的制备方法的流程示意图；
图6a-6h为本发明实施例提供的雪崩光电探测器在制备过程中的器件结构剖面示意图。
附图标记说明：
111-底层衬底；112-埋氧层；
113-顶硅层(硅平板层)；1131-第一掺杂区；1132-第二掺杂区(第二电极接触区)；1133-第二金属电极；
120-雪崩层；
30、130-电荷层；
140-过渡层(界面层)；141、141’-第一区域；142、142’-第二区域；
50、150-吸收层；
60、160-第一电极接触层(第四外延层)；61、161-第一电极接触区；162-第一金属电极；
170-填充层；
180-光波导；181-光输入端口；182-第一波导区。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。
在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“与……相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“与……直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本发明必然存在第一元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料(如SiGe/Si、绝缘体上硅等)，利用现有互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。硅光子技术结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，是应对摩尔定律失效的颠覆性技术。这种结合得力于半导体晶圆制造的可扩展性，因而能够降低成本。光电探测器作为硅光子架构的核心器件之一，具有实现光信号到电信号转换的功能。但晶体硅材料的能带结构决定其在光通信波段探测效率很低，虽然III-V族半导体材料更适合用于光电探测器，但是III-V族半导体材料与硅工艺不兼容，无法与硅进行有效的单片集成；考虑到锗材料与CMOS工艺的兼容性，本领域提出了采用锗材料作为光吸收层材料而形成锗硅光电探测器的技术。
硅光子集成芯片中可采用兼容CMOS工艺的锗硅材料实现雪崩光电探测，它是利用硅材料作为光波导，同时作为雪崩增益区，锗材料吸收光子。
图1为相关技术中雪崩光电探测器的侧面剖视图。在相关技术中，需要在电荷层30上外延生长一层吸收层50，所述电荷层30用于调控探测器内部电场分布，所述吸收层50用于吸收目标探测光，将目标探测光的光子转化为光生载流子对，从而将光信号转化为电信号；其中，电荷层30为掺杂硅层，吸收层50为锗层。但是，由于电荷层30和吸收层50为不同的半导体材料层，并且电荷层30中具有掺杂离子，故在外延生长时，因电荷层30和吸收层50之间存在晶格不匹配，会导致吸收层50生长质量差，进而导致探测器响应度降低。此外，在雪崩光电探测器中，需要在吸收层50的一侧提供一个重掺杂的第一电极接触区，以便与第二电极接触区之间形成电场抽取光生载流子。如果直接在吸收层50上掺杂形成第一电极接触区，由于吸收层50作为光吸收区，进行掺杂会造成光吸收损耗，降低探测器量子效率。因此，一般采用先在吸收层50上外延生长一层第一电极接触层60的方式，在第一电极接触层60内进行掺杂，形成第一电极接触区61；第一电极接触层60通常为硅层。但是，吸收层50和第一电极接触层60之间又会因为材料的不同，在外延生长时，出现晶格不匹配的情况，从而导致第一电极接触层60生长质量差。为改善生长质量问题，可以在每两层材料不同的半导体层之间加一层过渡层，但若电荷层30和吸收层50之间、吸收层50和第一电极接触层60之间都加一层过渡层，又会使工艺复杂，成本较高。
基于此，提出了本发明实施例的以下技术方案。
图2为本发明实施例提供的雪崩光电探测器的侧面剖视图，图3为本发明实施例提供的雪崩光电探测器的俯视图，需要说明的是，图2为沿图3中虚线方向的侧面剖视图，如图2和图3所示，本发明实施例提供的雪崩光电探测器的结构至少包括：衬底，以及位于所述衬底上的器件结构层；所述器件结构层至少包括沿垂直所述衬底平面方向向上依次设置的电荷层130、过渡层140、吸收层150以及第一电极接触层160；其中，所述电荷层130为具有第一掺杂类型的第一半导体材料层；所述过渡层140外延生长于所述电荷层130上，所述过渡层140为本征层；所述吸收层150外延生长于所述过渡层140的第一区域141上，所述吸收层150为本征的第二半导体材料层；所述第一电极接触层160外延生长于所述过渡层140的第二区域142上，所述第一电极接触层160的高度高于所述吸收层150的高度以使所述第一电极接触层160包覆所述吸收层150，所述第一电极接触层160为第一半导体材料层；所述过渡层140的材料为第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料。
在本发明实施例中，在电荷层130和吸收层150之间加了一层过渡层140，吸收层150位于过渡层140的第一区域141上，第一电极接触层160位于过渡层140的第二区域142以及吸收层150上，且过渡层140为本征层，过渡层的材料为第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料；如此，改善了吸收层150和第一电极接触层160的生长质量，如此，不仅有利于降低暗电流、提高探测器的响应度，而且器件结构简单，工艺成本较低。
在一实施例中，所述衬底可以为单质半导体材料衬底(例如为硅(Si)衬底、锗(Ge)衬底等)、复合半导体材料衬底(例如为锗硅(SiGe)衬底等)，或绝缘体上硅(SOI)衬底、绝缘体上锗(GeOI)衬底等。本实施例以所述衬底为SOI衬底为例进行说明，所述SOI衬底包括底层衬底111、埋氧层112和顶硅层113；所述底层衬底111为可以底层硅材料；所述埋氧层112位于所述底层衬底111上；所述埋氧层112例如为二氧化硅层；所述顶硅层113位于所述埋氧层112上。
这里，衬底可以包括处于正面的顶表面以及处于与正面相对的背面的底表面；在忽略顶表面和底表面的平整度的情况下，定义垂直衬底顶表面和底表面的方向为第二方向。第二方向也为后续在衬底上沉积各层结构的层叠方向，或称器件的高度方向。而衬底顶表面和底表面所在的面，或者严格意义上讲衬底厚度方向上的中心面，即确定为衬底平面；平行衬底平面的方向即为沿衬底平面方向。在所述衬底平面方向上定义两彼此相交的第一方向和第三方向；所述第一方向和所述第三方向例如为彼此垂直的两个方向。在本实施例中，如图3所示，图中虚线方向为第一方向，与虚线方向垂直的方向为第三方向。
在一实施例中，所述顶硅层113内形成有邻接布置的第一掺杂区1131和第二掺杂区1132；所述第一掺杂区1131和所述第二掺杂区1132的掺杂类型相同，均为不同于所述第一掺杂类型的第二掺杂类型；所述第二掺杂区1132的掺杂浓度大于所述第一掺杂区1131的掺杂浓度；所述第一掺杂区1131例如为N+掺杂区，所述第二掺杂区1132例如为N++掺杂区；所述第一掺杂区1131的掺杂浓度为2×1017/cm3～8×1018/cm3；所述第二掺杂区1132的掺杂浓度为1×1020/cm3～8×1020/cm3。
所述电荷层130、所述过渡层140、所述吸收层150以及所述第一电极接触层160设置于所述第一掺杂区1131的正上方；所述第二掺杂区1132作为所述雪崩光电探测器的第二电极接触区。
需要说明的是，所述顶硅层113上的第二电极接触区1132可以为一个或多个，图2和图3仅示例出所述顶硅层113上形成有两个第二电极接触区1132的情况；两个所述第二电极接触区1132分别位于所述第一掺杂区1131的两侧。
所述雪崩光电探测器还包括外延生长于所述顶硅层113上的雪崩层120，所述雪崩层120为本征的第一半导体材料层。
所述雪崩层120在第一方向上的尺寸范围为700nm～7000nm；在第二方向上的尺寸范围为100nm～1500nm；在第三方向上的尺寸范围为4μm～30μm。
这里，所述雪崩光电探测器的雪崩层是指发生载流子雪崩倍增的区域。雪崩光电探测器的吸收层能够将入射的光信号转换成多个电子-空穴对，这些空穴-电子对在电场作用下流向电极从而形成光电流；雪崩层能够通过雪崩倍增的作用将吸收层形成的光电流进一步放大；进而通过一对金属电极传导光电流，实现光电探测。
在一实施例中，所述电荷层130位于所述雪崩层120上，所述电荷层130为具有第一掺杂类型的第一半导体材料层。
所述电荷层130用于调控探测器内部电场分布，使所述雪崩层120内有足够高的电场，从而可以发生雪崩倍增，同时使所述吸收层150有适当的电场强度，在保证载流子高速漂移的同时防止所述吸收层150内电场过高，以防止过高的电场产生过大的隧道暗电流或产生有害的雪崩倍增。
所述电荷层130在第一方向上的尺寸范围为700nm～7000nm，在第二方向上的尺寸范围为50～1000nm，在第三方向上的尺寸范围为4μm～30μm。
在一实施例中，所述过渡层140外延生长于所述电荷层130上，所述过渡层140为本征层；所述过渡层140的材料为第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料。
所述过渡层140又可以称为界面层。
所述过渡层140在第一方向上的尺寸范围为700nm～7000nm，在第二方向上的尺寸范围为20～100nm，在第三方向上的尺寸范围为4μm～30μm。
在一实施例中，所述吸收层150外延生长于所述过渡层140的第一区域141上，所述吸收层150为本征的第二半导体材料层。
所述吸收层150用于吸收目标探测光，将目标探测光的光子转化为光生载流子对，从而将光信号转化为电信号。
所述吸收层150的下表面与所述过渡层140的所述第一区域141直接接触；所述第一电极接触层160的下表面的一部分与所述过渡层140的所述第二区域142直接接触，另一部分与所述吸收层150的上表面直接接触。所述第一电极接触层160还覆盖所述吸收层150的侧壁，从而与所述侧壁直接接触。
所述吸收层150在第一方向上的尺寸范围为450nm～5500nm。所述吸收层150在第一方向上的尺寸小于所述过渡层140在第一方向上的尺寸，并且二者之间的尺寸差值例如在150nm～1500nm的范围内。
所述吸收层150在第二方向上的尺寸范围为150nm～600nm。
所述吸收层150在第三方向上的尺寸可以小于所述过渡层140在第三方向上的尺寸；二者之间的尺寸差值例如大于150nm。所述第二区域142环绕所述第一区域141；所述第二区域142为所述过渡层140上除所述第一区域141以外的区域。具体地，如图3所示，所述第一区域141例如为图中较小的虚线方框以内的区域，所述第二区域142例如为图中较小的虚线方框和较大的虚线方框之间的区域。
在其他一些实施例中，所述吸收层150在第三方向上的尺寸也可以等于所述过渡层140在第三方向上的尺寸；此时，所述吸收层150在第三方向上的尺寸范围可以为4μm～30μm。具体地，如图4所示，过渡层140的第二区域142’位于第一区域141’的两侧，从而第一电极接触层160与过渡层140相接触的部分在第三方向上被所述吸收层150间隔；也即，第二区域142’包括被第一区域141’间隔的两个子区域。所述第二区域142’同样可以为所述过渡层140上除所述第一区域141’以外的区域。
在一实施例中，所述第一电极接触层160外延生长于所述过渡层140的第二区域142上，所述第一电极接触层160的高度高于所述吸收层150的高度以使所述第一电极接触层160包覆所述吸收层150，所述第一电极接触层160为第一半导体材料层；
这里，所述第一半导体材料为硅；所述第二半导体材料为锗；所述第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料为锗硅(SixGe1-x，其中0<x<1)；所述第一掺杂类型为P型。
所述雪崩层120的掺杂浓度为≤2×1016/cm3；所述电荷层130的掺杂浓度为2×1017/cm3～6×1018/cm3；所述过渡层140的掺杂浓度为≤2×1015/cm3；所述吸收层150的掺杂浓度为2×1017/cm3～6×1018/cm3。
所述顶硅层113也可称为硅平板层；所述雪崩层120和所述电荷层130也可称为条形硅波导层；如此，所述雪崩光电探测器可以包括硅材料区，所述硅材料区可以包括所述硅平板层和所述条形硅波导层。
在一实施例中，所述雪崩光电探测器还包括，位于所述第一电极接触层160内的第一电极接触区161，所述第一电极接触区161为具有第一掺杂类型的第一半导体材料区；应当理解，所述第一电极接触层160内还可以包括未被掺杂的本征区域。在一具体实施例中，所述第一电极接触区161为P+掺杂区，例如为P+掺杂硅区。所述第一电极接触区161的掺杂浓度为1×1019/cm3～2×1020/cm3。
需要说明的是，所述第一电极接触层160上的第一电极接触区161可以为一个或多个，图2和图3仅示例出所述第一电极接触层160上形成有两个第一电极接触区161的情况。
所述第一电极接触区161位于所述吸收层150上；换言之，所述第一电极接触区161位于所述第一电极接触层160的覆盖所述吸收层150上的部分内。
在一实施例中，所述雪崩光电探测器还包括光波导180，所述光波导180沿平行于所述衬底平面的方向设置于所述吸收层150的侧方；所述光波导180用于传输光信号，并将所述光信号耦合至所述吸收层150。
所述光波导180的材料具体可以为氮化硅，即所述光波导180可以为氮化硅光波导。在其他一些实施例中，所述光波导180的材料还可以为硅。
在一实施例中，所述光波导180的上表面可以齐平于或高于所述吸收层150的上表面；所述光波导180的下表面可以齐平于或低于所述吸收层150的下表面。
所述光波导180与所述吸收层150之间的距离为100nm～500nm。
所述光波导180包括光输入端口181和第一波导区182，所述第一波导区182为直形波导区。
所述光波导180传输的光信号沿所述光输入端口181至所述第一波导区182的方向传播。
所述光波导180在第一方向上的尺寸范围为500nm～3000nm，在第二方向上的尺寸范围为100nm～900nm，在第三方向上的尺寸范围为5μm～32μm。
所述光波导180与所述吸收层150之间具有填充层170，所述光波导180与所述顶硅层113之间具有填充层170。如图2所示，所述填充层170覆盖所述顶硅层113和所述吸收层150，所述光波导180设置在所述填充层170中，并与所述顶硅层113和所述吸收层150各间隔一定距离，所述填充层170用于支撑和固定所述光波导180，且所述填充层170具有较低的折射率，从而可以对传输的光信号进行光约束。
所述光波导180的折射率和所述吸收层150的折射率的差较大，且光波导180设置在吸收层150的侧面，如此提高了光信号从光波导180到吸收层150的耦合效率；可以理解的是，耦合效率越高，耦合进入吸收层150中的光子数就越多，这样仅需要较短的耦合区长度就可以实现高响应速度。需要说明的是，耦合区长度等于所述吸收层150在第三方向上的长度。如此可以通过减少所述吸收层150区域的尺寸，进而提高探测器的增益带宽积。
所述吸收层150的侧壁在所述硅平板层113上的投影具有第二形状，在图3所示实施例中，该第二形状可以为矩形，所述矩形具有沿所述第三方向延伸的长边和沿所述第一方向延伸的短边；其中，所述第二形状在第三方向上的长度为矩形长边的长度，所述第一形状在第一方向上的长度为矩形短边的长度。结合图3可以理解的是，耦合区长度即为所述第二形状在第三方向上的长度。例如，所述吸收层150在第三方向上的长度为4μm～30μm。也就是说，耦合区的长度为4μm～30μm。通过控制所述吸收层150在第三方向上的长度，即可以控制耦合区的长度。
在一实施例中，所述光波导180为侧向波导的设计，实现了光缓慢耦合进入吸收层150，与吸收层150强相互作用，同时得益于所述吸收层150和所述雪崩层120的解耦以及增加本征的过渡层140的设计，能够实现低暗电流、高增益、大带宽、高量子效率雪崩光电探测。
在一实施例中，所述第一电极接触层160上形成有第一电极接触区161，所述顶硅层113上形成有第二电极接触区1132；在所述第一电极接触区161上和所述第二电极接触区1132上分别设有第一金属电极162和第二金属电极1133。
所述第一金属电极162和所述第二金属电极1133中任意一者与所述光波导180之间的距离大于等于700nm。
在一实施例中，通过在所述顶硅层113上的第二金属电极1133和所述第一电极接触层160上的第一金属电极162之间施加外加电压以形成外加电场，抽取所述吸收层150内产生的载流子，且外加电场的电场方向与所述吸收层150内形成的内建电场的电场方向相同，从而所述外加电场可以加快载流子的移动速度，从而提高雪崩探测器的响应度。
在一实施例中，所述雪崩光电探测器基于垂直电极设计结构，使得吸收层内电场分布均匀，同时解耦光传输、光吸收、光倍增，易于光生载流子输运，有助于提高增益带宽积。
本发明实施例还提供了一种雪崩光电探测器的制备方法，具体请参见附图5，如图所示，所述方法包括以下步骤：
步骤501、提供衬底；
步骤502、在所述衬底上生长第一外延层，所述第一外延层为第一半导体材料层；对所述第一外延层进行第一掺杂类型的离子掺杂，形成电荷层；
步骤503、在所述电荷层上生长第二外延层，形成本征的过渡层；所述第二外延层的材料为第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料；
步骤504、在所述过渡层的第一区域上生长第三外延层，形成本征的吸收层；所述第三外延层为第二半导体材料层；
步骤505、在所述过渡层的第二区域上生长第四外延层，所述第四外延层的高度高于所述第三外延层的高度，以形成一包覆所述吸收层的第一电极接触层；所述第四外延层为第一半导体材料层。
下面结合具体实施例对本发明的雪崩光电探测器的制备方法再作进一步详细的说明。
图6a-6h为本发明实施例提供的雪崩光电探测器在制备过程中的器件结构剖面示意图。
首先，参考图6a，执行步骤501，提供衬底；所述衬底可以为单质半导体材料衬底(例如为硅(Si)衬底、锗(Ge)衬底等)、复合半导体材料衬底(例如为锗硅(SiGe)衬底等)，或绝缘体上硅(SOI)衬底、绝缘体上锗(GeOI)衬底等。
本发明实施例以所述衬底为SOI衬底为例进行说明，所述SOI衬底包括底层衬底111、埋氧层112和顶硅层113；所述底层衬底111为可以底层硅材料；所述埋氧层112位于所述底层衬底111上；所述埋氧层112例如为二氧化硅层；所述顶硅层113位于所述埋氧层112上。
在一实施例中，通过光刻和离子注入掺杂等工艺，在所述顶硅层113上形成具有邻接布置的第一掺杂区1131和第二掺杂区1132；所述第一掺杂区1131和所述第二掺杂区1132的掺杂类型相同，均为第二掺杂类型；所述第二掺杂区1132的掺杂浓度大于所述第一掺杂区1131的掺杂浓度；所述第一掺杂区1131例如为N+掺杂区，所述第二掺杂区1132例如为N++掺杂区；所述第一掺杂区1131的掺杂浓度2×1017/cm3～8×1018/cm3；所述第二掺杂区1132的掺杂浓度为1×1020/cm3～8×1020/cm3。
需要说明的是，在所述顶硅层113上可以形成一个或多个第二掺杂区1132，图6a仅示例出在所述顶硅层113上形成两个第二掺杂区1132的情况；两个所述第二电极接触区1132分别位于所述第一掺杂区1131的两侧。
接下来，参考图6b，执行步骤502，执行选择性外延生长工艺，在所述顶硅层113上生长第一外延层，形成雪崩层120；所述第一外延层为第一半导体材料层；接着，执行选择性掺杂工艺，对所述第一外延层进行第一掺杂类型的离子掺杂，形成电荷层130。
所述雪崩层120在第一方向上的尺寸范围为700nm～7000nm；在第二方向上的尺寸范围为100nm～1500nm；在第三方向上的尺寸范围为4μm～30μm。
所述电荷层130在第一方向上的尺寸范围为700nm～7000nm，在第二方向上的尺寸范围为50～1000nm，在第三方向上的尺寸范围为4μm～30μm。
接下来，参考图6c，执行步骤503，执行选择性外延生长工艺，在所述电荷层130上生长第二外延层，形成本征的过渡层140；所述第二外延层的材料为第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料。
所述过渡层140在第一方向上的尺寸范围为700nm～7000nm，在第二方向上的尺寸范围为20～100nm，在第三方向上的尺寸范围为4μm～30μm。
接着，参考图6d，执行步骤504，再次执行选择性外延生长工艺，在所述过渡层140的第一区域141上生长第三外延层，形成本征的吸收层150；所述第三外延层的材料为第二半导体材料。
所述吸收层150在第一方向上的尺寸范围为450nm～5500nm。所述吸收层150在第一方向上的尺寸小于所述过渡层140在第一方向上的尺寸，并且二者之间的尺寸差值例如在150nm～1500nm的范围内。
所述吸收层150在第二方向上的尺寸范围为150nm～600nm。
所述吸收层150在第三方向上的尺寸可以小于所述过渡层140在第三方向上的尺寸；二者之间的尺寸差值例如大于150nm。所述第二区域142环绕所述第一区域141；所述第二区域142为所述过渡层140上除所述第一区域141以外的区域。具体地，如图3所示，所述第一区域141例如为图中较小的虚线方框以内的区域，所述第二区域142例如为图中较小的虚线方框和较大的虚线方框之间的区域。
在其他一些实施例中，所述吸收层150在第三方向上的尺寸也可以等于所述过渡层140在第三方向上的尺寸；此时，所述吸收层150在第三方向上的尺寸范围可以为4μm～30μm。具体地，如图4所示，过渡层140的第二区域142’位于第一区域141’的两侧，从而第一电极接触层160与过渡层140相接触的部分在第三方向上被所述吸收层150间隔；也即，第二区域142’包括被第一区域141’间隔的两个子区域。所述第二区域142’同样可以为所述过渡层140上除所述第一区域141’以外的区域。
所述雪崩层120的掺杂浓度为≤2×1016/cm3；所述电荷层130的掺杂浓度为2×1017/cm3～6×1018/cm3；所述过渡层140的掺杂浓度为≤2×1015/cm3；所述吸收层150的掺杂浓度为2×1017/cm3～6×1018/cm3
接着，参考图6e，执行步骤505，执行选择性外延生长工艺，在所述过渡层140的第二区域142上生长第四外延层，所述第四外延层的高度高于所述第三外延层的高度，以形成一包覆所述吸收层150的第一电极接触层160；所述第四外延层为第一半导体材料层。
所述吸收层150的下表面与所述过渡层140的所述第一区域141直接接触；所述第一电极接触层160的下表面的一部分与所述过渡层140的所述第二区域142直接接触，另一部分与所述吸收层150的上表面直接接触；所述第一电极接触层160还覆盖所述吸收层150的侧壁，从而与所述侧壁直接接触。
这里，所述第一半导体材料为硅；所述第二半导体材料为锗；所述第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料为锗硅；所述第一掺杂类型为P型。
参考图6f，执行完步骤405后，所述方法还包括，利用光刻和离子注入掺杂等工艺，对所述第四外延层进行第一掺杂类型的离子掺杂，以在所述第一电极接触层160内形成第一电极接触区161，即所述第一电极接触区161为P+掺杂硅区。所述第一电极接触区161的掺杂浓度为1×1019/cm3～2×1020/cm3。
需要说明的是，所述第一电极接触层160上的第一电极接触区161可以为一个或多个，在本实施例中，所述第一电极接触区161可以为两个。
所述第一电极接触区161位于所述吸收层150上；换言之，所述第一电极接触区161位于所述第一电极接触层160的覆盖所述吸收层150上的部分内。
应当理解，在上述执行选择性外延生长工艺后，均可以包括平坦化的步骤，这里未予详述。
在一实施例中，所述顶硅层113也可称为硅平板层；所述雪崩层120和所述电荷层130也可称为条形硅波导层；如此，所述雪崩光电探测器可以包括硅材料区，所述硅材料区可以包括所述硅平板层和所述条形硅波导层。
接下来，参考图6g及6h。首先，参考图6g，所述方法还包括，形成光波导180，所述光波导180沿平行于所述衬底平面的方向设置于所述吸收层150的侧方。
在一实施例中，在形成光波导180之前，先在所述衬底上，具体在所述顶硅层113上形成填充层170。
所述填充层170的材料可以包括二氧化硅。
在实际工艺中，可以通过沉积一定厚度的二氧化硅材料，并进行平坦化处理，以形成所述填充层170。
接下来，可以通过图案化的掩膜层(图中未示出)，在填充层170上定义出需要形成光波导的区域；在所述区域内生长光波导材料，具体例如为沉积氮化硅材料或者生长硅材料，以形成所述光波导180。
在一实施例中，所述光波导180的上表面可以齐平于或高于所述吸收层150的上表面；所述光波导180的下表面可以齐平于或低于所述吸收层150的下表面。
所述光波导180的材料具体可以为氮化硅，即所述光波导180可以为氮化硅光波导。在其他一些实施例中，所述光波导180的材料还可以为硅。
所述光波导180用于传输光信号，并将所述光信号耦合至所述吸收层150。
所述光波导180与所述吸收层150之间的距离为100nm～500nm。
所述光波导180包括光输入端口181和第一波导区182，所述第一波导区182为直形波导区。
所述光波导180传输的光信号沿所述光输入端口181至所述第一波导区182的方向传播。
所述光波导180在第一方向上的尺寸范围为500nm～3000nm，在第二方向上的尺寸范围为100nm～900nm，在第三方向上的尺寸范围为5μm～32μm。
接下来，参考图6h，所述方法还包括，在所述第一电极接触层160的第一电极接触区161上和所述顶硅层113的第二电极接触区1132上分别形成垂直所述衬底平面方向(即第二方向)而设置的第一金属电极162和第二金属电极1133。
具体可以利用光刻与电感等离子刻蚀开窗口、磁控溅射沉积金属材料等工艺制作上述两个金属电极。
所述第一金属电极162和所述第二金属电极1133中任意一者与所述光波导180之间的距离大于等于700nm。
所述第一金属电极162和所述第二金属电极1133的上表面应当高于所述光波导180的上表面。具体地，还包括在所述光波导180上形成填充层170，利用光刻与刻蚀(如电感等离子刻蚀)等工艺在填充层170内形成暴露所述第一电极接触区161和所述第二电极接触区1132的窗口；在所述窗口内填充电极材料(如磁控溅射沉积金属材料)，以形成所述第一金属电极162和所述第二金属电极1133。
如此，基本完成了所述雪崩光电探测器的制备。后续可能还会涉及到一些互连工艺，这里不再展开论述。
需要说明的是，本发明实施例提供的雪崩光电探测器与雪崩光电探测器的制备方法实施例属于同一构思；各实施例所记载的技术方案中各技术特征之间，在不冲突的情况下，可以任意组合，这里不再赘述。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种雪崩光电探测器，其特征在于，包括：衬底，以及位于所述衬底上的器件结构层；所述器件结构层至少包括沿垂直所述衬底平面方向向上依次设置的电荷层、过渡层、吸收层以及第一电极接触层；其中，
所述电荷层为具有第一掺杂类型的第一半导体材料层；
所述过渡层外延生长于所述电荷层上，所述过渡层为本征层；
所述吸收层外延生长于所述过渡层的第一区域上，所述吸收层为本征的第二半导体材料层；
所述第一电极接触层外延生长于所述过渡层的第二区域上，所述第一电极接触层的高度高于所述吸收层的高度以使所述第一电极接触层包覆所述吸收层，所述第一电极接触层为第一半导体材料层；
所述过渡层的材料为第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料；
所述雪崩光电探测器还包括光波导，所述光波导沿平行于所述衬底平面的方向设置于所述吸收层的侧方。
2.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，
所述第一半导体材料为硅；
所述第二半导体材料为锗；
所述第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料为锗硅。
3.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，
所述第一掺杂类型为P型。
4.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，还包括：
位于所述第一电极接触层内的第一电极接触区，所述第一电极接触区为具有第一掺杂类型的第一半导体材料区。
5.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，
所述第二区域环绕所述第一区域；或者，所述第二区域包括被所述第一区域间隔的两个子区域。
6.一种雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上生长第一外延层，所述第一外延层为第一半导体材料层；对所述第一外延层进行第一掺杂类型的离子掺杂，形成电荷层；
在所述电荷层上生长第二外延层，形成本征的过渡层；所述第二外延层的材料为第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料；
在所述过渡层的第一区域上生长第三外延层，形成本征的吸收层；所述第三外延层为第二半导体材料层；
在所述过渡层的第二区域上生长第四外延层，所述第四外延层的高度高于所述第三外延层的高度，以形成一包覆所述吸收层的第一电极接触层；所述第四外延层为第一半导体材料层；
形成光波导，所述光波导沿平行于所述衬底平面的方向设置于所述吸收层的侧方。
7.根据权利要求6所述的雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，
所述第一半导体材料为硅；
所述第二半导体材料为锗；
所述第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料为锗硅。
8.根据权利要求6所述的雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，
所述第一掺杂类型为P型。
9.根据权利要求6所述的雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
对所述第四外延层进行第一掺杂类型的离子掺杂，以在所述第一电极接触层内形成第一电极接触区。
10.根据权利要求6所述的雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，
所述第二区域环绕所述第一区域；或者，所述第二区域包括被所述第一区域间隔的两个子区域。
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