CN112635611A - 制造至少一种拉伸应变的平面光电二极管的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造至少拉伸应变的平面光电二极管1的方法，包括：制造由半导体层53、55和抗反射层20形成的堆叠，该半导体层由第一材料制成；制造外围沟槽30，该外围沟槽通向抗反射层20的由第二材料制成的种子子层22；在外围沟槽30中外延由第二材料制成的外围部分31；以及返回至室温，然后由于两种材料之间的热膨胀系数的差异，检测部分10被拉伸应变。

Description

制造至少一种拉伸应变的平面光电二极管的方法
技术领域
本发明涉及包括至少一个平面光电二极管的光电子器件领域，该平面光电二极管由拉伸应变的半导体化合物制成，例如由锗制成。本发明特别适用于例如属于近红外的光辐射的检测领域，例如在光学通信和红外成像领域。
背景技术
在各种微电子或光电子应用中，有利的是使用由具有拉伸机械应变的晶体，优选为单晶的半导体化合物制成的层。特别在某些光学器件中，其光学活性层的材料具有无应变的间接电子能带结构，然后通过施加足够的拉伸应变直接形成能带结构。晶体半导体化合物可以是基于锗的化合物，例如锗、锗-锡或甚至硅-锗。
因此，文献US2014/0291682描述了一种雪崩光电二极管，其吸收半导体层由拉伸应变的锗制成。光电二极管则适于吸收截止波长大于1550nm的的光辐射，该截止波长是吸收驰豫锗的截止波长。为此，锗层涂覆有应变诱导层，该应变诱导层由氮化硅、氧化硅和非晶硅制成的子层的堆叠形成。然而，该光电二极管特别地具有通过沉积薄层的堆叠而使用用于工程机械应变的技术获得的缺点，这可能使得制造工艺复杂。
文献EP3151265描述了一种包括二极管的光电子器件，其包含由锗制成的拉伸应变的半导体层。在此，半导体层经由在先使层局部结构化、然后经由将结构化的层悬浮在衬底上方、接着通过直接结合与衬底附接而被应变。最后进行固结退火，以便改善结合到衬底的应变结构层的机械强度。然而，这种光电子器件显著地具有的缺点是使用相对复杂的制造方法来获得。此外，如在前述文献中，控制半导体层实际经受的拉伸应变的值可能特别困难。
发明内容
本发明的目的是至少部分地弥补现有技术的缺点，并且更具体地提供一种用于制造至少一个平面光电二极管的方法，其使得能够以简单且精确的方式在光电二极管中产生拉伸机械应变。
为此，本发明的主题是一种用于制造至少一个平面光电二极管的方法，包括以下步骤：
-制造堆叠，该堆叠由以下形成：至少一个半导体层，其由第一晶体半导体制成；以及抗反射层，其与半导体层的第一面接触延伸并且由彼此平行的多个子层形成，包括被称为种子子层的子层，该种子子层由第二晶体半导体制成，其中所述第二晶体半导体的热膨胀系数低于所述第一晶体半导体的热膨胀系数；
-制造至少一个外围沟槽，该至少一个外围沟槽从半导体层的与第一面相对的第二面延伸穿过半导体层并且通向种子子层，以界定半导体层的被称为检测部分的部分；
-通过在高于室温的被称为外延温度的温度下从种子子层外延来制造由第二晶体半导体制成的外围部分，该外围部分完全填充外围沟槽并因此与检测部分接触；
-将温度降低到低于外延温度的值，然后通过外围部分使检测部分拉伸应变。
以下是该制造方法的某些优选但非限制性的方面。
该制造方法可以包括以下步骤：
-制造第一衬底，该第一衬底包括由第一晶体半导体制成的第一半导体层，该第一半导体层涂覆有第一结合电介质层；
-制造第二衬底，该第二衬底包括由第二晶体半导体制成的层，该层用于形成种子子层，该种子子层涂覆有第二结合介电层并通过绝缘层与载体层接合；
-通过直接结合第一结合介电层和第二结合介电层来将两个衬底彼此接合，从而获得抗反射层，第一结合介电层和第二结合介电层形成抗反射层的第一子层，并且绝缘层形成抗反射层的第三子层。
抗反射层可以包括由第一结合电介质层和第二结合电介质层形成的第一子层、第二衬底的种子子层以及由第二衬底的绝缘层形成的第三子层。
检测部分可以由锗制成，并且外围部分和种子子层可以由硅制成。
外延温度可以为500℃至700℃。
可以制造多个平面光电二极管，种子子层连续地面向每个光电二极管延伸，外围部分通过从种子子层外延来制造。
本发明的另一目的是提供一种光电子器件，其包括至少一个平面光电二极管且优选地包括矩阵阵列的平面光电二极管，该光电子器件具有小的体积，并且在矩阵阵列的光电二极管情况下具有高的空间分辨率，并且能够使用简化的制造方法来获得。
光电子器件可以包括至少一个平面光电二极管，所述光电二极管包括：
-检测部分，其具有相互平行的第一面和第二面，其由第一晶体半导体制成，并且在平行于所述面的平面中拉伸应变；
-抗反射层，其在检测部分的第一面上延伸并与第一面接触，该层由相互平行的多个子层形成，包括被称为种子子层的子层，该种子子层由第二晶体半导体制成，其中所述第二晶体半导体的热膨胀系数低于所述第一晶体半导体的热膨胀系数；
-外围部分，其由第二晶体半导体制成，其围绕检测部分延伸并与检测部分接触，并且在外延关系下与种子子层接触。
外围部分可以相对于第一面且相对于第二面突出。
检测部分可以包括第一区域和第二区域，第一区域掺杂为第一导电类型并且与第二面齐平，第二区域掺杂为与第一导电类型相反的第二导电类型并且与第一面齐平并且与外围部分接触，该外围部分掺杂为第二导电类型。
检测部分可以包括本征的或掺杂为第二导电类型的中间区域，该中间区域将第一区域与第二区域分隔开。
外围部分可以连续地围绕检测部分。
附图说明
通过阅读以下参照附图以非限制性示例的方式给出的本发明优选实施例的详细描述，本发明的其它方面、目的、优点和特征将变得更加明显，在附图中：
图1A是根据一个实施例的平面光电二极管的示意性局部截面图；
图1B和图1C是根据图1A所示实施例的变型的平面光电二极管的俯视示意图和局部视图；
图2A至图2K示意性地且局部地示出了用于制造至少一个与图1A所示的相同或相似的平面光电二极管的方法的各个步骤；
图3A和图3B是根据图1A所示实施例的其它变型的平面光电二极管的俯视示意图和局部视图。
具体实施方式
在附图和以下描述中，相同的附图标记表示相同或相似的元素。另外，为了附图的清楚起见，各种元素未按比例示出。此外，各种实施例和变型不是相互排斥的，并且可以彼此组合。除非另有说明，术语“基本上”、“大约”和“约”是指在10％内且优选地在5％内。此外，除非另有说明，否则术语“包含在…和…之间”及其等同词表示包括限制。
本发明特别涉及一种制造至少一个平面光电二极管且优选地为矩阵阵列的平面光电二极管的方法。每个光电二极管优选地适用于检测对应于从0.8μm延伸到大约1.7μm或甚至到大约2.5μm的光谱范围的近红外(SWIR，用于短波长IR)中的光辐射，并且优选地由锗制成。
光电二极管被称为是平面的，因为它们在彼此平行且相对的第一面和第二面之间围绕相同的主平面延伸。它们每个都包括称为检测部分的半导体部分，在该半导体部分中存在PN或PIN结，在第一面和第二面之间具有基本恒定的厚度。每个光电二极管包括：第一区域，其掺杂为第一导电类型例如n+型，与所述面中的一个面齐平并形成n+掺杂阱；第二区域，其掺杂为第二导电类型例如p+型，与相对的面齐平；以及中间区域，其位于两个掺杂区域之间并在主平面中围绕n+掺杂的第一区域。该中间区域可以掺杂为第二导电类型例如p型，以形成PN结，或者是本征的，即无意掺杂，以形成PIN结。然后，平面光电二极管不具有台面结构，并且通过填充有掺杂为第二导电类型的晶体半导体的外围沟槽而彼此光学隔离，从而形成被称为外围部分的半导体部分。
平面光电二极管的检测部分在光电二极管的主平面中被外围部分围绕。如下面详细描述的，外围部分确保了在制造过程期间检测部分在主平面中发生应变，因为掺杂的半导体被制造为在高于室温的外延温度下填充外围沟槽，该掺杂的半导体具有低于与检测部分相关联的热膨胀系数。此外，掺杂的半导体是通过外延从属于位于检测部分相对的抗反射层的种子子层而产生的晶体材料。由于外围部分通过外延连接到种子子层，所以外围部分使得检测部分能够保持拉伸应变。
因此，根据本发明的光电二极管包括：用于检测待检测的光辐射的部分，该部分在主平面中拉伸应变；外围部分，其用于电偏置和光学隔离光电二极管并且使检测部分应变；以及抗反射层，其使得能够减少感兴趣的光辐射在光电二极管的表面处的反射并且确保经由外围部分与种子子层之间的外延连接来维持在检测部分中的拉伸应变。
然后，由检测部分经受的拉伸应变导致光电二极管的光学和/或电学特性的改变，例如，诸如光辐射吸收的光谱范围的加宽。在检测部分(例如锗)处于驰豫状态时具有间接能带结构的情况下，所引起的拉伸应变也可能足以使检测部分的半导体化合物的电子能带结构基本上是直接的。
通常，应变部分是指由晶体半导体化合物制成的部分，该晶体半导体化合物被拉伸或压缩机械应力，以使其晶格的晶胞变形。当该部分经受趋于在平面中拉伸晶格的晶胞的机械应力时，该部分被拉伸应变。在本发明的上下文中，检测部分在光电二极管的平行于所述第一面和第二面的主平面中拉伸应变。这意味着当半导体化合物驰豫(即，无应变)时，其主平面中的晶格参数具有高于其自然值的值，该值被称为其有效值。在本说明书的其余部分中，除非另外指出，所讨论的应变被定向在光电二极管的主平面中。
因此，经历拉伸机械应变的检测部分的晶体半导体表现出改变的光学和/或电学特性。特别地，其带隙能量、尤其是与Γ谷(或直接谷)相关联的带隙能量可以更窄。可以根据拉伸变形来估计带隙，如在Guiloly等人发表的题为Germanium under high tensilestress:Nonlinear dependence of direct band gap vs strain,ACS光子学，2016,3,1907-1911中所描述的锗层的情况一样。此外，检测部分经受的机械拉伸应变可能足以使电子能带结构变得直接。
直接带结构是指L谷(或间接谷)的导带的最小能量EBC,L高于或基本上等于Γ谷(或直接谷)的导带的最小能量EBC,Γ，或者换言之：ΔE＝EBC,L-EBC,Γ≥0。此处，基本上相等意味着该能量差的数量级约为kT或小于kT，其中k是玻尔兹曼常数，T是材料的温度。优选地，检测半导体部分是由锗来制造的，其电子能带结构在驰豫状态下是间接的(换言之，ΔE<0)，并且当其经历充分的拉伸变形时变为直接的。
为了清楚起见，将首先描述包括具有拉伸机械应变的检测部分的平面光电二极管。优选地，检测部分由晶体半导体制成，其电子能带结构通过拉伸机械应变而变得直接。
图1A是属于矩阵阵列的光电二极管1的平面光电二极管1的部分示意性截面图。在该示例中，光电二极管1由锗制成。它们从面10b反向偏置，并且通过外围沟槽30彼此光学隔离，所述外围沟槽填充有掺杂的晶体半导体，这里为基于p+掺杂硅的晶体半导体。
在这里和说明书的其余部分中定义了三维直接坐标系(X，Y，Z)，其中X轴和Y轴形成平行于光电二极管1的主平面的平面，并且其中Z轴沿光电二极管1的检测部分10的厚度方向从第一面10a朝向第二面10b定向。
光电二极管1包括沿Z轴在彼此平行且彼此相对的第一面10a和第二面10b之间延伸的检测部分10。第一面10a和第二面10b对于矩阵阵列的每个光电二极管1是公共的。它们可以基本上是平面的，使得检测部分10具有沿着Z轴基本上恒定的厚度，该厚度为例如几百纳米至几微米，并且例如为大约1μm至5μm。该厚度被选择为使得待检测的光辐射在波长范围内的获得良好的吸收。检测部分10在XY平面内由将两个面10a、10b彼此连接的侧边界10c界定。侧边界10c可以基本上平行于Z轴。检测部分10在XY平面中具有横向尺寸，该横向尺寸可以为几百纳米至约一百微米，例如为约1μm至20μm。
检测部分10是基于第一晶体半导体且优选地为单晶半导体制成的，并且在这里是基于锗制成的。“基于”是指检测部分10由第一晶体半导体或由从至少第一晶体半导体形成的化合物制成。第一晶体半导体有利地为锗，并且因此光电二极管1由锗Ge制成、由硅锗SiGe制成、由锗锡GeSn制成或者由硅锗锡SiGeSn制成。在该示例中，检测部分10由锗制成。
因此，检测部分10由掺杂为第一导电类型(这里是n+型)的第一区域11和掺杂为与第一导电类型相反的第二导电类型(这里是p+型)的第二区域12形成，其中第一区域与面10b齐平并形成n+掺杂阱，第二区域与面10a齐平。齐平是指“达到……的水平”或“从……延伸”。本征的(在PIN结的情况下)或掺杂为第二导电类型的(在PN结的情况下)中间区域13位于两个掺杂区域11、12之间并与其接触，并且在XY平面中围绕n+掺杂的第一区域11。在该示例中，半导体结是PIN类型的半导体结，第一区域11是n+型掺杂的，第二区域12是p+型掺杂的，并且中间区域13是本征的(非有意掺杂的)。
这里，n+掺杂的第一区域11从面10b延伸并且在XY平面中被中间区域13围绕。该第一区域在XY平面中远离检测部分10的侧边界10c。因此，这形成了n+掺杂阱，该n+掺杂阱与面10b齐平并且与侧边界10c和面10a间隔开非零距离。该n+掺杂阱可以具有约5×1018至3×1020at/cm3的掺杂剂密度。
这里，p+掺杂的第二区域12在XY平面中与面10a齐平，并且从侧边界10c延伸。因此，该第二区域从面10a沿着Z轴延伸。该第二区域可以具有沿Z轴基本均匀的厚度，并且因此仅与侧边界10c的下部区域齐平。作为变型，如图1A所示，p+掺杂的第二区域12可以具有p+掺杂的侧面区域14，其沿着Z轴与侧边界10c连续齐平并且围绕检测部分10的整个外围延伸。p+掺杂的第二区域12可以具有约1018至1020at/cm3的掺杂剂密度。
中间区域13位于两个n+掺杂和p+掺杂区域11、12之间。因此该中间区域在XY平面中围绕n+掺杂的第一区域11并且在这里与面10b局部齐平。这里，该中间区域是本征的，以便形成PIN结，但是可以被掺杂为第二导电类型，例如p型，以形成PN结。
光电二极管1包括抗反射层20，该抗反射层在检测部分10上延伸并与其接触，并且在这里与面10a接触。该抗反射层也面向外围部分31(下面将详细描述)延伸，该外围部分在XY平面上围绕检测部分10并且由热膨胀系数低于检测部分10的第一晶体半导体的热膨胀系数的第二晶体半导体制成。抗反射层20被设计成限制检测部分10对入射光辐射的反射，从而提高与光电二极管1相关的吸收率。抗反射层形成用于接收要检测的光辐射的面。抗反射层由彼此平行的多个子层21、22、23的堆叠形成。抗反射层20尤其包括被称为种子层的子层22，在该示例中，该子层位于与检测部分10的面10a接触的第一子层21与相对的第三子层23之间。
种子子层22由第二晶体半导体制成。在该示例中，第二晶体半导体是硅，其热膨胀系数等于2.6×10-6K-1，并且第一晶体半导体是锗，其热膨胀系数等于5.9×10-6K-1。种子子层22的硅优选地是单晶且本征的，而外围部分31的硅是高掺杂的第二导电类型，这里是p+型，外围部分31与种子子层22接触。此外，在矩阵阵列的光电二极管1的情况下，种子子层22连续地延伸面对各个检测部分10和对应的外围部分31。
第一子层21由电绝缘材料制成，例如由电介质制成。这里，第一子层由被称为结合子层的两个子层21.1、21.2的堆叠形成，该子层例如由诸如原硅酸四乙酯(TEOS)的氧化硅制成，其在制造方法期间被用于确保SOI衬底和GeOI衬底的氧化物-氧化物结合，如下面详细描述的。第一子层21位于检测部分10与种子子层22之间并与它们接触。此外，第一子层沿Z轴穿过外围部分31。此外，在矩阵阵列的光电二极管1的情况下，第一子层21面向各个检测部分10和相应的外围部分31连续地延伸。
第三子层23由电绝缘材料制成，例如由电介质制成，并且在这里由氧化硅制成。第三子层23被放置成与种子子层22接触。第三子层由折射率低于种子子层22(这里由硅制成)和检测部分10(这里由锗制成)的材料制成。
各个子层21、22、23在厚度和折射率方面被设计成优化入射光辐射到检测部分10内部的透射。例如，在待检测的光辐射的波长λ等于约1550nm的情况下，第一子层21可以由折射率n1等于1.47且厚度等于约263nm的TEOS制成，种子子层22可以由折射率n2等于3.42且厚度等于约226nm的本征单晶硅制成，并且第三子层23可以由折射率n3等于1.47且厚度为约263nm的SiO2制成。在这种情况下，在检测部分10的面10a处的待检测的光辐射的反射系数为大约11％，而在不存在这种抗反射层20的情况下，其为大约48％。
这里，光电二极管1的检测部分10在XY平面中由外围沟槽(参见图2F)侧面地限制，该外围沟槽围绕检测部分10延伸，优选地是连续的。该外围沟槽填充有掺杂为第二导电类型的第二晶体半导体，并且在这里形成p+掺杂的外围部分31。这里，外围部分31正好延伸穿过检测部分10的厚度并且穿过抗反射层20的第一子层21，以便出现在种子子层22上。然后，p+掺杂的外围部分31与种子子层22接触，并且与检测部分10的侧边界10c接触。第二晶体半导体具有比第一半导体的热膨胀系数低的热膨胀系数。在基于锗的检测部分10的情况下，外围部分31和种子子层22都基于硅制成，并且优选地由硅制成，例如多晶硅，或者甚至SiGe或Si/SiGe的替代物。外围部分31与种子子层22具有外延关系，如下所述，外围部分31是通过从种子子层22外延而产生的。外延关系是指在材料平面中的至少一个方向上、优选地在与材料平面正交的至少一个方向上，外围部分31的p+掺杂硅的晶体结构的晶体取向与晶种硅的晶体结构的晶体取向相一致。
如图1B和图1C所示，外围部分31在XY平面内可以具有各种形状，例如椭圆形或圆形(图1B)，或者甚至是多边形，例如正方形(图1C)。其它形状也是可能的，如下面参照图3A和3B所示。
混合层32覆盖检测部分10的表面10b。混合层与中间区域接触，这里，中间区域与表面10b齐平，并且混合层与n+掺杂的第一区域11接触。混合层由电介质例如氧化硅、氮化硅或氮氧化硅制成。可以使用其它电介质，例如铪或氧化铝，或者甚至氮化铝等等。混合层的厚度例如为50nm至500nm。接触金属化部34延伸通过混合层32，并且与n+掺杂的第一区域11和p+掺杂的外围部分31接触。
矩阵阵列的光电二极管1与控制芯片(未示出)组装在一起。矩阵阵列的光电二极管1与控制芯片的混合即机械组装和电连接是通过混合直接结合(也称为混合分子结合)来执行的。控制芯片的连接面可以涂覆有绝缘层，该绝缘层由电介质制成并且被接触金属化部穿过。经由与接触金属化部之间的机械接触和经由钝化层与绝缘层之间的机械接触来实现混合直接结合(参见图2K)。
检测部分10在XY平面中被拉伸地机械应变，从而易于使第一晶体半导体(这里为锗)的能带结构直接。该拉伸应变是由于外围部分31的晶体材料(这里为硅)的热膨胀系数低于检测部分10的晶体材料(这里是锗)的热膨胀系数，并且外围部分31是通过从种子子层22外延而产生的。因此，在外围部分31外延之后的冷却期间，检测部分10的晶体锗保持被外围部分31的晶体硅拉伸应变。此外，外围部分31的晶体硅是通过从种子子层22外延生长的事实使得检测部分10能够保持在拉伸应力下，防止后者在XY平面中驰豫。
此外，外围部分31的晶体材料(这里为硅)与种子子层22的晶体材料相同(除了掺杂之外)的事实使得能够获得高晶体质量的外延材料(很少“由于晶格失配导致的位错”类型的晶体缺陷)，这有助于改善拉伸应变的大小和空间均匀性。具体地，外围部分31的位错可以局部大小的减小，并且因此导致检测部分10中的拉伸应变的空间均匀性的减小。此外，优选地，外围部分31相对于检测部分10的两个面10a、10b突出，这使得能够进一步提高检测部分10中的拉伸应变的空间均匀性。
因此，可以获得具有高于1550nm或者甚至1620nm的检测截止波长的高灵敏度的光电二极管1(即，能够在光学通信领域中应用的光电二极管)。因此，抗反射层20起到两个作用，即，减少入射在检测部分10的界面上的光辐射的反射的光学作用，以及使得外围部分31的晶体材料能够形成晶种并且使得外围部分31能够机械地附接到种子子层22以使得检测部分10保持在张力下的晶体学和机械作用。
此外，只要外围部分31基本上与检测部分10共面，则光电二极管1具有小的体积。外围部分31相对于每个光电二极管的检测部分10的这种布置使得能够获得光电二极管1的高空间密度，并且因此在矩阵阵列的光电二极管1的情况下获得高空间分辨率。
现在参照图2A至图2K描述用于制造如图1A所示的拉伸应变平面光电二极管的矩阵阵列的方法的示例。
在第一步骤(图2A)中，制造GeOI衬底(GeOI代表绝缘体上锗)。因此，制造单晶锗的第一半导体层53，其经由绝缘层52(这里由氧化硅制成)固定到载体层51(这里由硅制成)。这种堆叠优选地通过在Reboud等人发表的题为Structural and optical properties of200mm germanium-on-insulator(GeOI)substrates for silicon photonicsapplications,Proc.SPIE 9367,硅光子学X,936714(2015.2.27)中描述的方法来制造。这种方法的优点是提供锗的第一半导体层53，该第一半导体层几乎完全不存在诸如位错的结构缺陷。这里，锗是通过镓或硼掺杂的p+型。第一半导体层53的厚度可以为约20nm至600nm，例如等于约300nm。绝缘层52(或BOX，掩埋氧化物的首字母缩写)的厚度可以为50nm至1μm。第一半导体层53被电介质层21.1覆盖，该电介质层被称为结合层，由例如TEOS的氧化物制成。如下所述，该电介质结合层21.1使得GeOI衬底能够与SOI衬底结合，并且有助于形成抗反射层20的第一子层21。
在另一步骤中(图2B)，制造SOI衬底(SOI代表绝缘体上硅)。因此，制造由第二晶体半导体制成的层22，这里，该层由晶体且优选地为单晶硅制成，该层用于形成反射层20的种子子层。该层通过电介质层23(这里是由氧化硅制成的BOX层)与载体层54(这里由硅制成)接合，该电介质层形成抗反射层20的第三子层。制造覆盖硅层22的电介质层21.2，其被称为结合层，并且由氧化物例如TEOS制成。该电介质结合层21.2使得SOI衬底能够与GeOI衬底结合，并且有助于形成抗反射层20的第一子层21。
在随后的步骤中(图2C)，通过氧化物-氧化物结合将GeOI衬底接合到SOI衬底，使两个电介质结合层21.1、21.2的自由面接触。可以在室温下进行结合，并且可以在GeOI的硅载体层51的自由面上进行化学机械抛光以获得平坦面。可以在例如200℃至600℃的温度下进行固结退火，以加强两个介电结合层21.1、21.2之间的粘附。因此，由p+掺杂锗制成的第一半导体层53位于形成抗反射层20的多个层的堆叠上，即由两个介电结合层21.1、21.2形成的第一子层21、形成种子子层22的硅层以及第三子层23。
在随后的步骤中(图2D)，与p+掺杂锗的第一半导体层53的抗反射层20相对的面被释放。为此，例如通过停止研磨来去除GeOI衬底的载体层51，以留下厚度为约10至20μm的残余硅部分，随后通过物理蚀刻(例如等离子体蚀刻)或湿法蚀刻去除残余部分。因此，GeOI衬底的绝缘层52的面被释放。然后，例如通过物理蚀刻(例如等离子体蚀刻)或通过湿法蚀刻去除绝缘层52，从而使GeOI衬底的由p+掺杂锗制成的第一半导体层53的面被释放。
在接下来的步骤中(图2E)，制造由第一晶体半导体(这里是锗)制成的第二半导体层55。因此，在清洁第一半导体层53的自由面以便使表面脱氧之后，通过从由p+掺杂锗制成的第一半导体层53的自由面外延来生长第二半导体层55，这里，该第二半导体层由本征锗制成。外延温度可以为400℃至850℃，并且优选地为700℃至850℃，以便在制造方法结束时增加检测部分中的拉伸应变。具体地，在高温下进行外延可以避免各种污染，并且可以增大区域31和区域10的热膨胀系数(CTE)的差异，这可以增大返回室温后的检测部分中的拉伸应变。第二半导体层55具有取决于待检测的光辐射的波长范围的厚度。在SWIR光电二极管的情况下，第二半导体层的厚度可以为0.5μm至3μm，例如等于大约1.5μm。这旨在形成光电二极管的光吸收区域。只要第二半导体层从第一半导体层53的锗外延生长，则第二半导体层包含非常少量的位错型结构缺陷，这使得可以改善光电二极管的检测部分的吸收。此外，可以进行退火以减少位错的数量。
在随后的步骤(图2F)中，制造外围沟槽30。为此，首先在由本征锗制成的第二半导体层55的自由面上沉积由电介质制成的保护层56。该保护层56可以由氧化硅制成，并且可以具有为约50nm至200nm的厚度。接着，通过光刻和蚀刻，制造外围沟槽30以限定检测部分10，该检测部分由面10a、面10b和侧边界10c界定。每个外围沟槽30优选地在XY平面内连续延伸以限定一个锗检测部分10。外围沟槽沿Z轴延伸穿过由本征锗制成的第二半导体层55、穿过由p+掺杂锗制成的第一半导体层53并穿过两个介电结合层21.1、21.2，以在由本征硅制成的种子子层22上开口。外围沟槽可以在XY平面中延伸，以便形成尤其是圆形或正方形等。外围沟槽沿Z轴具有基本上均匀的宽度，该宽度可以为0.5μm至2μm。
在随后的步骤中(图2G)，制造由p+掺杂硅制成的外围部分31。为此，从种子子层22的自由表面外延生长p+掺杂硅。外延温度高于可以等于25℃的室温，并且可以为约500℃至700℃，即10％以内，并且优选地为约600℃至700℃，以便形成或参与形成基于SiGe的侧向区域14。外延生长的硅从种子子层22生长并填充外围沟槽30。因此，外延生长的硅与锗检测部分10的侧边界10c接触。外延生长的硅被沉积以溢出外围沟槽30并因此覆盖保护层56。
在外延生长的步骤之后，温度降低到外延温度以下的最终温度，例如降低到室温，例如降低到25℃，这使得检测部分10的锗处于张力下。具体地，在p+掺杂硅的外延生长的步骤中，检测部分10的锗由于其热膨胀系数等于5.9×10-6K-1而显著地在XY平面中膨胀。然后，锗在XY平面中的晶格参数从室温下的驰豫值
Figure BDA0002709680550000131
改变为在约700℃下的膨胀值
Figure BDA0002709680550000132
外延生长的硅填充外围沟槽30，并且由于其热膨胀系数等于2.6×10-6K-1，外延生长的硅在XY平面上具有膨胀的晶格参数，该参数例如等于在约700℃下的
Figure BDA0002709680550000133
(室温下，初始值等于
Figure BDA0002709680550000134
)。在冷却步骤期间，由于外围部分31(即位于外围沟槽30中的外延生长的硅)与相应检测部分10的锗之间的机械耦合，因此锗根据硅的热膨胀系数而不再根据其自身的热膨胀系数应变。只要硅的热膨胀系数低于锗的热膨胀系数，则在室温下，锗在XY平面内的晶格参数等于
Figure BDA0002709680550000135
这对应于与其
Figure BDA0002709680550000136
的弛豫值相比大约0.22％的膨胀。因此，检测部分10的锗在冷却步骤结束时被外围部分31的硅有效地拉伸应变。此外，由于外围部分31的硅经由外延关系与种子子层22的硅接合，因此仍然保持应变。因此，种子子层的硅确保各个外围部分31被机械地保持在适当位置，并且因此防止检测部分10在XY平面中驰豫，从而保持检测部分拉伸应变。
在随后的步骤中(图2H)，例如通过停止在保护层56上的化学机械抛光，去除位于保护层56上的硅。例如，可以在700℃至800℃的温度下进行扩散退火，以便使掺杂剂(这里是硼)从外围部分31的p+掺杂硅扩散到检测部分10的本征硅中，从而形成p+掺杂侧向区域14。同时，通过检测部分10的锗与外围部分31的硅之间的相互扩散形成侧向间隙开放区。接下来，去除保护层56。然后，外围部分31相对于检测部分10沿Z轴从表面10a和表面10b突出，这里对于表面10b超过大约100nm的高度。这有助于提高检测部分10内的拉伸应变的空间均匀性。
在随后的步骤中(图2I)，制造n+掺杂的第一部分11。为此，沉积由电介质例如氧化硅制成的保护层57，其厚度例如为大约10nm至30nm。接下来，通过光刻，在光致抗蚀剂(未示出)中限定与限定n+掺杂的第一区域11的注入区相对应的孔。接下来，通过该孔进行掺杂剂如磷或砷的离子注入。第一区域11优选地是n+掺杂的，并且因此可以具有大约5×1018至3×1020at/cm3的掺杂密度。n+掺杂的第一区域11因此形成n+掺杂阱，其在XY平面中并且沿着Z轴由本征锗制成的中间区域13界定。在去除光致抗蚀剂之后，可以进行退火以扩散掺杂剂，例如在400℃至750℃的温度下持续几秒至几十分钟的时间，并且例如在600℃下持续10秒。
在接下来的步骤中(图2J)，制造使得矩阵阵列的光电二极管能够与控制芯片混合的层32。为此，例如通过等离子体蚀刻或通过湿法蚀刻完全去除保护层57，并且沉积钝化层33以覆盖检测部分10和外围部分31。钝化层33由电介质制成，该电介质例如氧化硅、氮化物或氮氧化物、氧化铝或氮化物、或氧化铪等。钝化层的厚度可以为例如10nm至500nm。
然后，通过钝化层33的局部蚀刻来制造孔，其在外围部分31和n+掺杂的第一区域11上开口，然后在该孔中制造接触金属化部34，其可以由Ti/TiN覆层和由钨W或铜制成的芯形成。为此，通过共形沉积在孔中沉积薄金属层，该层例如由厚度为约5nm的钛Ti的子层然后由厚度为约10nm的氮化钛TiN的子层形成。进行退火以便一方面改善钛和锗之间的电接触，另一方面改善钛和硅之间的电接触。在该退火期间，第一区域11的n+掺杂锗扩散以占据检测部分10中的更大体积。然后，沉积例如由钨W或铜Cu制成的金属层，以便填充该孔。然后，进行在钝化层33上停止的化学机械抛光的步骤。由此获得接触金属化部34，其由Ti/TiN覆层形成且由W或Cu芯形成，位于钝化层33中并穿过钝化层。
在下一步骤(图2K)中，将如此获得的矩阵阵列的光电二极管1与控制芯片40混合。因此，控制芯片的连接面可以涂覆有绝缘层41，该绝缘层由电介质制成并且被接触金属化42穿过。光电二极管1的矩阵阵列和控制芯片40因此经由由接触金属化部34、42和绝缘层33、41形成的面的接触通过混合直接结合而组装。可以进行键合退火，以便增加接触的两个面之间的每单位面积的键合能量。
接下来，例如通过研磨从SOI衬底上去除载体层54，以暴露抗反射层20的第三子层23。这因此形成用于接收待检测的光辐射的面。
因此，该制造方法使得能够获得一个或更多个平面的拉伸应变光电二极管1。因此，更准确地说，在外围部分31的外延生长的步骤之后，检测部分10被拉伸应变，因为外围部分由热膨胀系数低于检测部分的材料的热膨胀系数的材料制成。
此外，通过从在检测部分10下方连续延伸的种子子层22外延获得外围部分31的事实使得可以确保检测部分10保持拉伸应变，实际上防止这些部分在XY平面中驰豫。然后，抗反射层20起到双重作用，即使得能够减少待检测的光辐射在锗的界面处的反射，并且确保检测部分10保持经由外围部分31的机械应变。
此外，该制造方法使得能够经由使用GeOI衬底获得由高晶体质量的锗制成的检测部分10。此外，由于使用SOI衬底，种子子层22由高晶体质量的硅制成。因此，该制造方法使用接合在一起的GeOI和SOI衬底。介电结合层21.1、21.2形成抗反射层20的低折射率子层之一。
已经描述了一些特定的实施例。各种变型和修改对于本领域技术人员来说是明显的。
在这点上，图3A和图3B是根据图1A所示实施例的变型的平面拉伸应变光电二极管1的俯视图和局部视图。
在图3A的示例中，外围部分31以圆形方式围绕检测部分10及其n+掺杂的第一区域11延伸，这里，外围部分在XY平面内具有基本上圆形的主要部分31.1，以及沿n+掺杂的第一区域11的方向从圆形主要部分31.1延伸的突出部分31.2或突起。这里，这些突出部分31.2在XY平面内具有矩形形状，但是其它形状也是可能的。在该示例中，这些突出部分相对于n+掺杂的第一区域11的中心对称地成对布置。这样，通过该外围部分31的突出部31.2可以使得分配且最佳化检测部分10内的拉伸应变。
在图3B的示例中，外围部分31以矩形方式围绕检测部分10延伸，外围部分包括基本上矩形的主要部分31.1以及沿n+掺杂的第一区域11的方向从主要部分31.1延伸的突出部分31.2。这里，这些突出部分31.2以直线方式延伸。在该示例中，n+掺杂的第一区域是“相互交叉的”，即，其由彼此连接的并且一方面在突出部分31.2之间连续地延伸而另一方面在突出部分31.2与主要部分31.1之间连续地延伸的各个部分形成。一个或更多个接触金属化部34可以局部地放置成与n+掺杂的第一区域11和外围部分31接触。在该示例中，光电二极管1可以在XY平面中具有大约10μm至100μm的尺寸，并且外围部分31可以在XY平面中具有大约1μm至2μm的宽度。当然，外围部分31和n+掺杂的第一区域11的其它形状和布置也是可能的。

Claims (10)

1.一种用于制造至少一个平面光电二极管(1)的方法，包括以下步骤：
制造堆叠，所述堆叠由以下形成：
至少一个半导体层(53、55)，其由第一晶体半导体制成；以及
抗反射层(20)，其与所述半导体层(53、55)的第一面(10a)接触延伸并且由彼此平行的多个子层(21、22、23)形成，包括被称为种子子层的子层(22)，所述种子子层由第二晶体半导体制成，其中所述第二晶体半导体的热膨胀系数低于所述第一晶体半导体的热膨胀系数；
制造至少一个外围沟槽(30)，所述外围沟槽从所述半导体层(53、55)的与所述第一面(10a)相对的第二面(10b)延伸穿过所述半导体层并且通向所述种子子层(22)，以界定所述半导体层(53、55)的被称为检测部分(10)的部分；
通过在高于室温的被称为外延温度的温度下从所述种子子层(22)外延来制造由所述第二晶体半导体制成的外围部分(31)，所述外围部分完全填充所述外围沟槽(30)并因此与所述检测部分(10)接触；
将所述温度降低到低于所述外延温度的值，然后通过所述外围部分(31)使所述检测部分(10)拉伸应变。
2.根据权利要求1所述的制造方法，包括以下步骤：
制造第一衬底，所述第一衬底包括由所述第一晶体半导体制成的第一半导体层(53)，所述第一半导体层涂覆有第一结合电介质层(21.1)；
制造第二衬底，所述第二衬底包括由所述第二晶体半导体制成的层，所述层用于形成所述种子子层(22)，所述种子子层涂覆有第二结合电介质层(21.2)并通过绝缘层(23)与载体层(54)接合；
通过直接结合所述第一结合介电层(21.1)和第二结合介电层(21.2)来将两个衬底彼此接合，从而获得所述抗反射层(20)，所述第一结合介电层(21.1)和第二结合介电层(21.2)形成所述抗反射层(20)的第一子层(21)，并且所述绝缘层(23)形成所述抗反射层(20)的第三子层(23)。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述检测部分(10)由锗制成，并且所述外围部分(31)和所述种子子层(22)由硅制成。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其中，所述外延温度为500℃至700℃。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其中，制造多个平面光电二极管(1)，所述种子子层(22)面向每个光电二极管(1)连续地延伸，所述外围部分(31)通过从所述种子子层(22)外延来制造。
6.一种光电子器件，包括至少一个平面光电二极管(1)，所述光电二极管包括：
检测部分(10)，其具有相互平行的第一面(10a)和第二面(10b)，其由第一晶体半导体制成，并且在与所述面(10a、10b)平行的面中拉伸应变；
抗反射层(20)，其在所述检测部分(10)的第一面(10a)上延伸并与所述第一面接触，所述抗反射层由相互平行的多个子层(21、22、23)形成，包括被称为种子子层的子层(22)，所述种子子层由第二晶体半导体制成，其中所述第二晶体半导体的热膨胀系数低于所述第一晶体半导体的热膨胀系数；
外围部分(31)，其由所述第二晶体半导体制成，其围绕所述检测部分(10)延伸并与所述检测部分接触，并且在外延关系下与所述种子子层(22)接触。
7.根据权利要求6所述的光电子器件，其中，所述外围部分(31)相对于所述第一面(10a)且相对于所述第二面(10b)突出。
8.根据权利要求6所述的光电子器件，其中，所述检测部分(10)包括第一区域(11)和第二区域(12)，所述第一区域掺杂为第一导电类型并且与所述第二面(10b)齐平，所述第二区域掺杂为与所述第一导电类型相反的第二导电类型并且与所述第一面(10a)齐平并且与所述外围部分(31)接触，所述外围部分(31)掺杂为所述第二导电类型。
9.根据权利要求8所述的光电子器件，其中，所述检测部分(10)包括本征的或掺杂为所述第二导电类型的中间区域(13)，所述中间区域将所述第一区域(11)与所述第二区域(12)分隔开。
10.根据权利要求6所述的光电子器件，其中，所述外围部分(31)连续地围绕所述检测部分(10)。
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