CN113678267B - 雪崩光电探测器(变型)及其制造方法(变型) - Google Patents
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Abstract
提出一种雪崩光电探测器(APD)，其中光电转换器和至少一个雪崩放大器位于同一晶片上，雪崩放大器的倍增层覆盖导电晶片的整个表面，接触层形成在倍增层的某一区域中。在接触层外部，倍增层作为光电转换器起作用，从而促进光载流子进入雪崩放大器。围绕雪崩放大器的填充介质的圆形凹槽抑制了由相邻雪崩放大器产生的光电通信噪声，从而允许制造具有更高阈值灵敏度的多通道雪崩仪器。
Description
技术领域
要求保护的发明涉及雪崩光电探测器(APD)，APD是快速且高灵敏度的仪器，广泛用于LiDAR、通信系统、机器视觉、机器人、医学、生物学、环境监测等。
背景技术
常规的雪崩光电探测器(APD)包括放置在半导体晶片上的多个半导体层。
一组半导体层形成光电转换器，在光电转换器中，信号光子被吸收以产生自由电荷载流子，即电子或电子空穴。这些光产生的电荷载流子然后进入另一组半导体层，即雪崩放大器，在雪崩放大器内部形成电场强度足以使电荷载流子雪崩式倍增的区域。
阈值灵敏度是APD的基本参数，并且取决于光电转换器和雪崩放大器两者的特性。
阈值灵敏度在很大程度上受到雪崩放大器的暗电流的限制，该暗电流主要是由光载流子的雪崩式倍增所需的高强度场引起的。
为了减小雪崩放大器的暗电流，从而提高APD的阈值灵敏度，可以使雪崩放大器所占的面积相对于光电转换器所占的面积更小。
可以例如在根据专利US 9,035,410和RU 2,641,620的雪崩光电探测器中看到这方面的例子，在上述专利中，包括两层(接触层和倍增层)的雪崩放大器和光电转换器均位于同一晶片上，其中光电转换器的面积大于放大器的面积。
在根据专利RU 2,641,620的APD中，倍增层由导电类型与信号光电转换器的导电类型相同的半导体材料制成，面向晶片并直接与自主光电转换器邻接，这允许减少由通过外部电路从光电转换器传输到雪崩放大器的光载流子引起的过度暗噪声(参见US 9,035,410)。
主要缺点是使倍增层独立于光电转换器阻碍了光电转换器层中产生的光载流子到达倍增层，从而导致成倍的光信号损失。这导致阈值灵敏度下降，该阈值灵敏度是光电探测器的基本参数。
本发明的目的是制造具有高阈值灵敏度的雪崩光电探测器(APD)，该APD将不受光载流子从光电转换器到雪崩放大器的低效传输的限制。此外，在多个雪崩放大器用于同一APD的情况下，所提出的APD具有较小的暗电流和来自相邻雪崩放大器的更少的干扰噪声。
通过解决所有这些问题，将有可能提高作为APD的基本参数的阈值灵敏度。
发明内容
要求保护的发明包括雪崩光电探测器(APD)以及用于制造该APD的方法，其允许通过将倍增层全部放置在导电晶片上方来使光载流子从光电转换器到雪崩放大器的传输更高效。至少一个雪崩放大器的接触层形成在倍增层的某一区域中。因此，接触层外部的倍增层作为光电转换器起作用。结果，已在光电转换器中被引发的光载流子将无阻碍地进入雪崩放大器的倍增区域。雪崩光电探测器的第一电极和第二电极分别放置在接触层和晶片上。
为了抑制来自相邻雪崩放大器的干扰噪声(当来自相邻雪崩放大器中的热电荷载流子的光子的寄生光电子进入倍增区域时产生的噪声)，使用圆形凹槽，该圆形凹槽填充有介电材料并围绕雪崩放大器的接触层。
为了减少APD的来自相邻晶片区域的暗电流，在倍增层表面上蚀刻封闭凹槽，封闭凹槽的深度大于或等于倍增层的厚度，但小于晶片和倍增层的组合的总厚度，并且在由所述凹槽界定的区域内部形成光电探测器。凹槽填充有导电类型与倍增层的导电类型相同的高掺杂多晶硅。
为了提高效率，半导体晶片应该由低电阻材料制成。
晶片和倍增层两者由相同的半导体材料制成是可行的。
晶片表面上的倍增层可以使用外延方法制成，并且可以通过用形成具有相反导电性的层的掺杂剂掺杂倍增层来制成接触层。
沿光电转换器区域的周界的附加凹槽的宽度不超过2μm也是可行的。
还可以将高电阻层放置在雪崩放大器的接触层与第一电极之间。
附图说明
本发明的目的、特征和优点将在详细说明和附图中进一步指出。
在附图中：
图1是根据第一实施例的所要求保护的APD的示意性横截面，该APD包括：半导体晶片101；倍增层102，覆盖导电类型与倍增层的导电类型相同的半导体晶片的整个表面；圆形凹槽103，填充有介电材料；介电层104，覆盖倍增层102的表面；接触层106，通过导电性与倍增层的导电性相反的高掺杂多晶硅105的扩散制成，其中至少一个雪崩放大器107和雪崩放大器外部的光电转换器108被形成；第一电极109，由透明材料制成并且位于接触层106和介电层104两者的表面上；第二电极110，形成在半导体晶片101的底表面上。
图1A示出了将倍增层102放置在硅晶片101上的工艺。图1B示出了形成填充电介质的圆形凹槽103的工艺。
图1C示出了将介电层104放置在倍增层102的表面的工艺，其中在所述介电层中创建窗口，该窗口填充有导电性与倍增层的导电性相反的高掺杂多晶硅105。
图1D示出了通过来自填充倍增层顶部上的介电层104中的窗口的高掺杂多晶硅105的扩散而创建接触层106，来形成雪崩放大器107区域的工艺，其中至少一个雪崩放大器107和位于雪崩放大器外部的光电转换器108被形成。
图1E示出了在接触层107和介电层104的表面上形成由透明导电材料制成的第一电极109的工艺。
图1F示出了在半导体晶片101上形成第二电极110的工艺。
图2是根据第二实施例的所要求保护的APD的示意性横截面，该APD包括：半导体晶片201；倍增层202，覆盖导电类型与倍增层的导电类型相同的半导体晶片的整个表面；圆形凹槽203，填充有介电材料；介电层204，覆盖倍增层202的表面；接触层206，通过导电性与倍增层的导电性相反的高掺杂多晶硅205的扩散制成，其中至少一个雪崩放大器207和雪崩放大器外部的光电转换器208被形成；附加封闭凹槽211，该附加封闭凹槽211的宽度为1.5μm至2.0μm，深度大于或等于倍增层厚度，但小于晶片和倍增层的组合的总厚度，并且该附加封闭凹槽211填充有导电类型与倍增层的导电类型相同的高掺杂多晶硅，并且环绕雪崩放大器207和光电转换器208；高电阻层212，形成在雪崩放大器207区域内的接触层206上；透明电极209，形成在高电阻层212和介电层204的表面上；以及第二电极210，形成在半导体晶片201的底表面上。
图2A示出了将倍增层202放置在硅晶片201上的工艺。
图2B示出了形成附加封闭凹槽211的工艺，该附加封闭凹槽211填充有导电类型与倍增层的导电类型相同的高掺杂多晶硅，使得光电探测器可以形成在所述凹槽内部。
图2C示出了在雪崩放大器207的建议位置的区域中形成填充有介电材料的圆形凹槽203的工艺。
图2D示出了将介电层204放置在倍增层202的表面的工艺，其中在所述介电层中创建窗口，该窗口填充有导电性与倍增层的导电性相反的高掺杂多晶硅205。
图2E示出了通过填充倍增层顶部上的介电层204中的窗口的高掺杂多晶硅205的扩散而创建接触层206，来形成雪崩放大器207区域的工艺，其中至少一个雪崩放大器207和位于雪崩放大器外部的光电转换器208被形成。
图2F示出了在雪崩放大器207区域内的接触层206上形成高电阻层212的工艺。
图2G示出了在接触层206和介电层204的表面上形成由透明导电材料制成的第一电极209的工艺。
图2H示出了在半导体晶片201上形成第二电极210的工艺。
图3A是根据第二实施例的包括单个雪崩放大器207和凹槽211在内的APD的示意性俯视图。
图3B是根据第二实施例的包括三个雪崩放大器207和凹槽211在内的APD的示意性俯视图。
具体实施方式
在本公开和附图中使用的附图标记(除了编号100(入射光)之外)由三位数字组成，其中第一位数字是图编号，最后两位数字标记设计的特定元素。
例如，标记206指向图2中的元素编号06(参见下面的列表)。
以下标记用于指向设计的特定元素：
01-晶片，
02-倍增层，
03-圆形凹槽，
04-介电层，
05-高掺杂多晶硅层，
06-接触层，
07-雪崩放大器，
08-光电转换器，
09-第一电极，
10-第二电极，
11-附加封闭凹槽，
12-高电阻层。
图1示出根据第一实施例的所要求保护的APD的示意性横截面，该APD包括：半导体晶片101；倍增层102，覆盖导电类型与倍增层的导电类型相同的半导体晶片的整个表面；圆形凹槽103，填充有介电材料；介电层104，覆盖倍增层102的表面；接触层106，通过导电性与倍增层的导电性相反的高掺杂多晶硅层105的扩散制成，其中至少一个雪崩放大器107和雪崩放大器外部的光电转换器108被形成；第一电极109，由透明材料制成并且位于接触层106和介电层104两者的表面上；第二电极110，形成在半导体晶片101的底表面上。
用于制造图1所示的APD的方法进一步由图1A、图1B、图1C、图1D、图1E、图1F示出，包括以下顺序的步骤：
将导电类型与晶片的导电类型相同的倍增层102放置在硅晶片101上(见图1A)；
在倍增层102的表面上形成至少一个圆形凹槽103，然后用介电材料填充所述圆形凹槽(见图1B)；
将介电层104放置在倍增层102的表面上(见图1C)；
在由圆形凹槽103界定的介电层104的区域内创建窗口，然后用导电性与倍增层的导电性相反的高掺杂多晶硅105填充该窗口；然后，通过对介电层104窗口进行填充的高掺杂多晶硅105的扩散而创建接触层106，在倍增层中形成一个或多个雪崩倍增器107区域，从而形成至少一个雪崩倍增器107和位于雪崩倍增器外部的光电转换器108(见图1D)；
在接触层106和介电层104的顶部上形成由透明导电材料制成的第一电极109(见图1E)；
在半导体晶片101上形成第二电极110(见图1F)。
可以使用涉及通过外延法形成倍增层102的方法来制造根据图1的示例性APD，倍增层102具有5μm-7μm的宽度，并且在掺杂浓度高于1018cm-3的p+型硅晶片101上由掺杂浓度为1015cm-3-1017cm-3的p型硅制成。在倍增层的顶部，使用光刻和等离子体蚀刻的方法形成圆形凹槽103，该圆形凹槽103的直径为1.0μm-2.0μm，深度为1.5μm-2.0μm，宽度为0.4μm-0.5μm，并且然后用介电材料填充该圆形凹槽103。使用热化学沉积的方法将厚度约为1.0μm-1.5μm的介电层104放置在倍增层102的表面上，并且在圆形凹槽103所位于的该层104中，使用光刻和等离子体蚀刻的方法创建窗口，然后使用热化学沉积方法将该窗口填充有高掺杂多晶硅105，该高掺杂多晶硅105的导电性与倍增层的导电性相反并且掺杂浓度为至少1019cm-3。在倍增层中，通过来自高掺杂多晶硅105的掺杂剂的扩散而创建接触层106，来形成一个或多个雪崩放大器107区域，来自高掺杂多晶硅105的掺杂剂的渗透深度小于圆形凹槽103的深度。同时，在雪崩放大器外部形成光电转换器层108。由GGO或AZO类型的透明材料制成的第一电极109形成在接触层106和介电层104两者的顶部上，而第二电极110形成在半导体晶片101的底表面上，该第二电极110是厚度约为0.5μm-1.0μm的铝箔。
如图1所示的APD操作如下：
相对于电极110向电极109施加正电压，以足以触发雪崩放大器107的倍增层102中的碰撞电离，从而导致自由电荷载流子倍增。
落在光电转换器108的表面上的入射光100被吸收，产生自由电荷载体，即电子和电子空穴。在光电转换器108中的已由光导致的自由电子(光电子)在电场叠加(其中电场之一从雪崩放大器107渗出，另一电场由光电转换器中的第一电极109导致)的驱动下向雪崩倍增层102漂移，并在那里进行倍增，产生APD的输出信号，同时空穴进入晶片101。在光电转换器104的非耗尽区域中的已由光导致的光电子通过由光电转换器中的自由电子浓度梯度引起的扩散而聚集在光电转换器的耗尽区域中。
图2示出了根据第二实施例的所要求保护的APD的示意性横截面，该APD包括：半导体晶片201；倍增层202，覆盖导电类型与倍增层的导电类型相同的半导体晶片的整个表面；圆形凹槽203，填充有介电材料；介电层204，覆盖倍增层202的表面；接触层206，通过导电性与倍增层的导电性相反的高掺杂多晶硅205的扩散制成，其中至少一个雪崩放大器207和雪崩放大器外部的光电转换器208被形成；附加封闭凹槽211，该附加封闭凹槽211的宽度为1.5μm至2.0μm，深度大于或等于倍增层厚度，但小于晶片和倍增层的组合的总厚度，并且该附加封闭凹槽211填充有导电类型与倍增层的导电类型相同的高掺杂多晶硅，其中在由所述凹槽界定的区域内部，雪崩放大器207和光电转换器208被定位；高电阻层212，形成在雪崩放大器207区域内的接触层206上；透明电极209，形成在高掺杂多晶硅205、高电阻层212和介电层204的表面上；以及第二电极210，形成在半导体晶片201的底表面上。
用于制造图2所示的APD的方法进一步由图2A、图2B、图2C、图2D、图2E、图2F、图2G、图2H示出，并且包括以下顺序的步骤：
将导电类型与晶片的导电类型相同的倍增层202放置在硅晶片201上(见图2A)；
在倍增层202和晶片201中蚀刻附加封闭凹槽211，然后用导电类型与倍增层的导电类型相同的高掺杂多晶硅填充该附加封闭凹槽211，从而在由所述凹槽界定的区域内部形成光电探测器(见图2B)；
在雪崩放大器207所位于的倍增层表面上形成至少一个圆形凹槽203，然后用介电材料填充该圆形凹槽203(见图2C)；
将介电层204放置在倍增层202的表面上(见图2D)；
在倍增层之上并在圆形凹槽203的界限内的介电层204中创建窗口，然后用导电性与倍增层的导电性相反的高掺杂多晶硅205填充该窗口，并且通过来自高掺杂多晶硅205的掺杂剂的扩散而创建接触层206，在倍增层202中形成至少一个雪崩放大器207区域，从而形成至少一个雪崩放大器207和雪崩放大器外部的光电转换器208(见图2E)；
将高电阻层212放置在高掺杂多晶硅205上(见图2F)；
在高电阻层212和介电层204的顶部上形成由透明导电材料制成的第一电极209(见图2G)；
在半导体晶片201的底表面上形成第二电极210(见图2H)。
可以使用涉及通过外延法将倍增层202拼接到掺杂浓度高于1018cm-3的p+型硅晶片201上的方法来制造根据图2的示例性APD，其中倍增层202的宽度为5μm-7μm，并且由掺杂浓度为1015cm-3-1017cm-3的p型硅制成。然后，在倍增层202的表面上蚀刻附加封闭凹槽211，该封闭凹槽211的宽度为1.5μm至2.0μm，并且深度大于或等于倍增层厚度但小于晶片和倍增层的组合的总厚度，并且该附加封闭凹槽211填充有导电类型与倍增层202的导电类型相同的高掺杂多晶硅，使得可以在由所述凹槽界定的区域内部形成光电探测器。在倍增层的顶部，使用光刻和等离子体蚀刻的方法形成圆形凹槽203，该圆形凹槽203的直径为1.0μm-2.0μm，深度为1.5μm-2.0μm，宽度为0.4μm-0.5μm，并且然后用介电材料填充该圆形凹槽203。使用热化学沉积的方法将厚度约为1.0μm-1.5μm的介电层204放置在倍增层202的表面上，并且在圆形凹槽203所位于的该层204中，使用光刻和等离子体蚀刻的方法创建窗口，然后使用热化学沉积方法将该窗口填充有高掺杂多晶硅205，该高掺杂多晶硅205的导电性与倍增层的导电性相反并且掺杂浓度为至少1019cm-3。在倍增层中，通过来自高掺杂多晶硅205的掺杂剂的扩散而创建接触层206，来形成一个或多个雪崩放大器207区域，来自高掺杂多晶硅205的掺杂剂的渗透深度小于圆形凹槽203的深度。同时，在雪崩放大器外部形成光电转换器层208。在高掺杂多晶硅205上形成由高电阻多晶硅制成的高电阻层212。由ITO或AZO类型的透明导电材料制成的第一电极209形成在高电阻层212和介电层204两者的顶部上，而第二电极210形成在半导体晶片201的底表面上，该第二电极210是厚度约为0.5μm-1.0μm的铝箔。
根据如图2所示的第二实施例的APD(即具有沿倍增层边缘延伸的凹槽)的特征在于，它允许抑制从相邻区域进入雪崩放大器的寄生电荷载流子(暗和亮(light))的流入。为了有效抑制这种寄生电流，凹槽将填充有导电类型与倍增层的导电类型相同的高掺杂多晶硅，该凹槽的深度大于倍增层厚度，但小于晶片和倍增层的组合的总厚度。否则，该APD实施例以与图1所示的相同方式起作用。
图3A是根据第二实施例的包括单个雪崩放大器207和凹槽211在内的APD的示意性俯视图。
图3B是根据第二实施例的包括三个雪崩放大器207和凹槽211在内的APD的示意性俯视图。
Claims (11)
1.一种用于制造雪崩光电探测器的方法，所述方法包括以下步骤：
-在半导体晶片的整个顶表面上形成倍增层，
-通过以下操作来在所述倍增层的顶表面的某一区域中形成至少一个雪崩放大器：沿所述倍增层的所述区域的边界蚀刻圆环形凹槽，使得所述圆环形凹槽的深度小于所述倍增层的厚度，然后用介电材料填充所述凹槽，并且将所述至少一个雪崩放大器的接触层置于由所述凹槽界定的区域内部，从而在由所述凹槽界定的区域外部形成光电转换器层，
-将介电层放置在所述光电转换器的顶表面上，
-将由透明材料制成的第一电极放置在所述接触层和所述介电层两者的表面上，以及
-在所述半导体晶片的底表面上形成第二电极。
2.一种用于制造雪崩光电探测器的方法，所述方法包括以下步骤：
-在半导体晶片的整个顶表面上形成倍增层，
-在所述倍增层的顶表面上蚀刻附加封闭凹槽，使得所述附加封闭凹槽的深度大于或等于所述倍增层的厚度，但小于所述晶片和所述倍增层的组合的总厚度，并且在由所述凹槽界定的区域内部形成光电探测器，
-用导电类型与所述倍增层的导电类型相同的高掺杂多晶硅填充所述附加封闭凹槽，
-通过以下操作来在由所述附加封闭凹槽界定的所述倍增层的顶表面的某一区域中形成至少一个雪崩放大器：沿所述倍增层的所述区域的边界蚀刻圆环形凹槽，使得所述圆环形凹槽的深度小于所述倍增层的厚度，然后用介电材料填充所述凹槽，并且将所述至少一个雪崩放大器的接触层置于由所述凹槽界定的区域内部，从而在由所述凹槽界定的区域外部形成光电转换器层，
-将介电层放置在所述光电转换器的顶表面上，
-将由透明材料制成的第一电极放置在所述接触层和所述介电层两者的表面上，以及
-在所述半导体晶片的底表面上形成第二电极。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述半导体晶片由低电阻材料制成。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，使用外延方法在晶片表面上形成所述倍增层。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述晶片和所述倍增层两者由相同的半导体材料制成。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，通过用形成具有相反导电性的层的掺杂剂掺杂所述倍增层来制成所述接触层。
7.根据权利要求2所述的方法，其中，所述附加封闭凹槽的宽度为1.5μm至2.0μm。
8.根据权利要求2所述的方法，其中，在放置所述第一电极之前，将高电阻层放置在所述雪崩放大器的所述接触层上。
9.一种雪崩光电探测器，所述雪崩光电探测器根据权利要求1所述的方法制造，所述光电探测器包括：
-半导体晶片，
-倍增层，覆盖所述半导体晶片的整个顶表面，
-接触层，置于所述倍增层的由填充电介质的圆环形凹槽界定的某一部分上，所述圆环形凹槽的深度小于所述倍增层的厚度，其中所述接触层形成至少一个雪崩放大器和所述凹槽外部的光电转换器，
-介电层，覆盖所述光电转换器的顶表面，
-第一透明电极，覆盖所述接触层和所述介电层两者的表面，以及
-第二电极，形成在所述半导体晶片的底表面上。
10.一种雪崩光电探测器，所述雪崩光电探测器根据权利要求2所述的方法制造，所述光电探测器包括：
-半导体晶片，
-倍增层，覆盖所述半导体晶片的整个表面，
-接触层，置于所述倍增层的由填充电介质的圆环形凹槽界定的某一部分上，所述圆环形凹槽的深度小于所述倍增层的厚度，其中所述接触层形成至少一个雪崩放大器和所述凹槽外部的光电转换器，
-介电层，覆盖所述光电转换器的顶表面，
-第一透明电极，覆盖所述接触层和所述介电层两者的表面，
-附加封闭凹槽，所述附加封闭凹槽的深度大于或等于所述倍增层的厚度，但小于所述晶片和所述倍增层的组合的总厚度，并且所述附加封闭凹槽填充有导电类型与所述倍增层的导电类型相同的高掺杂多晶硅，其中雪崩放大器和光电转换器位于由所述凹槽界定的区域内部，
-高电阻层，位于所述接触层和所述第一电极之间，以及
-第二电极，形成在所述半导体晶片的底表面上。
11.根据权利要求10所述的雪崩光电探测器，其中，所述附加封闭凹槽的宽度为1.5μm至2.0μm。
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