CN114256360A - 包括铁电外围部分的钝化光电二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光电二极管，包括：具有掺杂的第一区域(11)、掺杂的第二区域(12)和中间区域(13)的检测部分(10)；介电层(30)；以及半导体外围部分(25)。光电二极管还包括铁电外围部分(26.1)，其位于中间层(13)与介电层(30)之间并与中间层和介电层接触，并且位于第一区域(11)与半导体外围部分(25)之间并在主平面中围绕第一区域(11)。

Description

包括铁电外围部分的钝化光电二极管
技术领域
本发明的领域是被介电钝化层钝化的光电二极管领域。本发明尤其应用于对属于例如近红外的光辐射进行检测的领域，一个或多个光电二极管则能够基于锗。
背景技术
光电检测器件可以包括钝化光电二极管阵列。光电二极管则是在彼此平行的第一和第二相对表面之间的同一个主平面中延伸。然后，它们每个都具有掺杂(例如n掺杂)的第一区域，并且第一区域与第一表面齐平，以及掺杂的第二区域(例如p掺杂)，并且第二区域与第二表面齐平。两个掺杂区域则通过本征中间区域或极轻微掺杂(例如p掺杂)的区域彼此分隔。由介电材料制成的钝化层覆盖第一表面，以限制暗电流对每个光电二极管测量的电流的影响。
然而，看起来介电钝化层的存在仍然可能有助于生成不可忽略的暗电流。由此，Sood等人在名为“Characterization of SiGe-Detector Arrays for Visible-NIRImaging Sensor Applications”(国际光学工程学会会议记录VOL.8012,801240,2011)的文章描述了一种用于制造钝化光电二极管以限制暗电流的方法。暗电流与位于光电二极管半导体材料中与介电钝化层的界面处的耗尽区的存在有关。该制造方法则包括了在N2H2下对光电二极管进行退火的步骤，使得可以将该耗尽区转换成空穴累积区。该步骤可以降低暗电流的强度。
然而，该退火步骤用于将耗尽区改变为累积区，这看起来可能会使光电二极管的性能劣化，尤其是由于对n掺杂的第一区域的尺寸进行了不希望的更改，特别是当n型掺杂元素的横向扩散很重要时。此外，耗尽区的存在和特性可能与用于沉积介电钝化层的技术以及操作条件有关。因此，所讨论的退火则可能会无法可重复地获得期望的累积区，并且因此无法获得期望的暗电流的减小。
另外，文献EP3657556A1描述了基于锗的钝化光电二极管的一个示例，其包括p掺杂的外围区域，该外围区域围绕n+掺杂阱并且与由介电钝化层覆盖的锗面齐平。该外围区域尤其可以通过限制暗电流的表面分量来减小暗电流。
还已知文献EP3660930A1，其描述了基于锗的钝化光电二极管的另一个示例。该钝化层不是由介电材料制成的，而是基于硅的。进行退火以引起来自钝化层的硅和检测层的锗的相互扩散。由此，n+掺杂阱被基于SiGe的外围区域围绕，该外围区域形成允许限制暗电流的表面分量的“带隙开口”。
然而，存在提供可以减小钝化光电二极管中的暗电流、尤其是其表面分量的其它解决方案的需求。
发明内容
本发明的目的在于至少部分地弥补现有技术的缺陷，更具体地，在于提供一种钝化光电二极管，使其可以实现低暗电流、尤其是其表面分量。
为了该目的，本发明的主题是一种光电二极管，其具有彼此相对且平行于主平面的第一表面(10a)和第二表面，其包括：
-由半导体材料制成的检测部分，其包括：
o掺杂有第一导电类型并与第一表面齐平的第一区域，并且该第一区域用于进行电偏置；
o掺杂有与第一类型相反的第二导电类型并与第二表面齐平的第二区域；
o位于第一区域与第二区域之间的中间区域；
-覆盖第一表面上的检测部分并与第一区域接触的介电层；
-由掺杂有第二导电类型的半导体材料制成的半导体外围部分，该半导体外围部分用于进行电偏置，并在主平面中围绕检测部分且与第二区域接触外围。
根据本发明，该光电二极管还包括由铁电材料制成的铁电外围部分，该铁电外围部分位于中间区域与介电层之间并与它们接触，并且位于第一区域与半导体外围部分之间并在主平面中围绕第一区域。
该光电二极管的一些优选但非限制性方面如下。
铁电外围部分可以在一侧与第一区域横向接触，并在另一侧与半导体外围部分接触。
检测部分可以具有在主平面中限定被铁电外围部分围绕的凸出部分的外围凹入(外围凹部)。
检测部分可以是基于锗的，并且外围半导体部分可以是基于硅的。
铁电外围部分可以是基于选自PZT、PLZT、BT、PT、PLT、PVDF和选自HfO2、ZnO和AlN的材料的。
介电层可以被与第一区域接触的中央金属化部和与半导体外围部分接触的横向金属化部穿过。
光电二极管可以包括在介电层之上延伸并与横向金属化部接触的外围电极，其围绕第一区域并与铁电外围部分竖直对齐。
本发明还涉及一种光电二极管阵列，其包括多个根据前述特征中任一项所述的光电二极管，其中，与第二区域相对的第一区域的上表面是共面的，并且第二表面是共面的。
本发明还涉及一种光电器件，其包括根据前述特征中任一项所述的光电二极管阵列和控制芯片，该控制芯片与光电二极管阵列混合，且被设计为对光电二极管进行反向偏置。
本发明还涉及一种用于生成根据前述特征中任一项所述的光电二极管的方法，其包括以下步骤：
-生成包括覆盖有第二子层的第一子层的堆叠，该第一子层掺杂有第二导电类型并用于形成第二区域，该第二子层用于形成中间区域；
-在第二子层上沉积上绝缘层；
-生成穿过上绝缘层和第二子层延伸直至达到第一子层的半导体外围部分；
-通过围绕上绝缘层的中央部分的外围开口，在第二子层中生成外围凹入(即外围凹部)；
-生成填充外围凹入的铁电外围部分；
-去除中央部分；
-在第二子层中生成第一区域；
-在铁电外围部分和第一区域上并与之接触地沉积介电层。
该方法可以包括用于对铁电外围部分的材料进行结晶退火的步骤，进一步确保掺杂元素从半导体外围部分到检测部分中的扩散，由此在检测部分中形成掺杂有第二导电类型的横向区域。
检测部分可以是基于锗的，外围半导体部分可以是基于硅的。结晶退火可以进一步确保硅从半导体外围部分到检测部分的扩散，由此形成基于硅-锗的横向区域。
生成第一区域的步骤可以包括通过中央部分将掺杂元素植入到第二子层中。
植入深度可以小于与由外围凹入限定的第二子层的凸出部分横向接触的铁电外围部分的厚度。该方法可以包括用于激活掺杂元素的退火，铁电外围部分横向阻挡所述掺杂元素在该退火期间的扩散。
附图说明
阅读以下作为非限制性示例并参照附图给出的对本发明的优选实施例的详细说明，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光电二极管的横截面的局部示意图，其包括铁电外围部分，该铁电外围部分的铁电偶极子在光电二极管偏置时水平取向；
图1B是根据一个变型实施例的光电二极管的横截面的局部示意图，其包括铁电外围部分，该铁电外围部分的铁电偶极子在光电二极管偏置时竖直取向；
图2A至图2O示出了用于生成根据图1A所示实施例的光电二极管的方法的各个步骤；
图3A至图3C示出了用于生成根据图1B所示实施例的光电二极管的方法的各个步骤。
具体实施方式
在附图中和本说明书的下文中，相同的附图标记代表相同或相似的元件。此外，为了提高附图的清晰度，各个元件没有按比例示出。而且，各个实施例和变型不相互排斥，可以相互组合。除非另有说明，“基本”、“大约”和“约”意指在10％内，优选地意指在5％内。而且，术语“……至……”和等同的词意指包括边界，除非另有说明。
本发明涉及一种钝化光电二极管，优选地涉及光电二极管阵列和生成方法。每个光电二极管优选基于锗，并被设计成检测对应于从0.8μm至大约1.7μm或者甚至大约2.5μm的光谱范围的近红外(SWIR，Short Wavelength IR)中的光辐射。
光电二极管具有彼此相对且平行于光电二极管的主平面的第一表面和第二表面。这些第一表面和第二表面称作参考表面，其可以是平面的，并从一个光电二极管到下一个光电二极管是公共的。光电二极管各自具有所谓的半导体检测部分，在该半导体检测部分内存在竖直地(沿着厚度的轴线)限定在第一参考表面与第二参考表面之间的PN结或PIN结。每个光电二极管具有掺杂有第一导电类型(例如n型)且与第一表面齐平并形成掺杂阱的第一区域、掺杂有第二导电类型(例如p型)且与第二表面齐平的第二区域，以及位于两个掺杂区域之间并在主平面中围绕掺杂的第一区域的中间区域。该中间区域可以掺杂有第二导电类型(例如p型)，以形成PN结，或是本征的，也就是说没有进行有意图的掺杂来形成PIN结。
这些光电二极管不具有台面结构，这是因为它们通过填充有掺杂的半导体材料的外围的槽彼此光学隔离。此外，由于半导体检测部分的表面被设置在该半导体检测部分与介电层之间的铁电部分覆盖，从而使光电二极管的暗电流的表面分量减小，因此称光电二极管是钝化的。
通常，光电二极管的暗电流是在操作期间，当光电二极管不受光辐射时，存在于光电二极管内的电流。它可能由在半导体检测部分的体积内的热产生电流(扩散电流、耗尽电流、隧道电流等)和表面电流形成。表面电流可能与Sood等人在2011年的文章中提到的介电钝化层中电荷的存在有关。具体地说，这些电荷可能会引起靠近表面的能带曲率的改变，导致在检测部分中形成耗尽区或者甚至是反转区。当该耗尽区位于光电二极管的空间电荷区时，其可能会导致杂散的产生-复合电流。此外，导电的反转区可能会允许电荷在位于与介电钝化层的界面处的n掺杂和p掺杂的偏置区域之间移动。
由此，根据本发明的一个或更多个光电二极管包括，对于每个光电二极管，沿着与光电二极管的主平面正交的轴线位于中间区域与介电层之间并与它们接触的由铁电材料制成的外围部分，该外围部分在主平面中围绕第一区域。由此，如在下文进一步解释的，减小了暗电流的表面分量，从而可以改善一个或更多个光电二极管的性能。具体地说，通过铁电偶极子在光电二极管偏置时沿着偏好的方向取向，该铁电外围部分可以限制或防止在检测部分中形成耗尽区或反转区，并可以防止电荷载流子流通过掺杂的第一区域与掺杂的半导体外围区域之间的该同一铁电外围部分。
图1A是根据一个实施例的属于光电二极管阵列的一个钝化光电二极管1的横截面局部示意图。在该示例中，光电二极管1是基于锗的。它们从第一表面10a侧反向偏置，并通过填充有掺杂的半导体材料的槽彼此光学隔离。
在此，对用于本说明书下文的三维直接参考系(X，Y，Z)进行定义，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轴沿着光电二极管1的检测部分10的厚度取向，从第二表面10b向第一表面10a的方向。术语“下”和“上”指代沿+Z方向增加距离的位置。
光电二极管1具有沿着Z轴在相互平行并彼此相对的第一参考表面10a与第二参考表面10b之间延伸的检测部分10。第一表面10a和第二表面10b对于阵列的每个光电二极管1是公共的。如下文所述，第一表面10a由n+掺杂的第一区域11的上表面和铁电外围部分26的上表面的一部分限定。这里，从一个光电二极管到下一个光电二极管，检测部分10在第一表面10a与第二表面10b之间沿着Z轴限定的最大厚度基本上恒定；例如，其值为数百纳米至数微米，例如，大约为1μm至5μm。对厚度进行选择以便获得在待检测光辐射的波长范围中的良好吸收。检测部分10在XY平面中具有可为数百纳米至数十微米的横向尺寸，例如1μm至大约20μm。
检测部分10由至少一种晶体(优选单晶)半导体材料制成。而且，其是基于感兴趣的化学元素的，在此是基于锗的。“基于”应理解为指晶体半导体材料对应于感兴趣的化学元素，或是由至少感兴趣的化学元素形成的合金。感兴趣的化学元素有利地是锗，因此光电二极管由锗Ge、硅锗SiGe、锗锡GeSn和硅锗锡SiGeSn制成。在本示例中，检测部分10源自至少一个由相同的感兴趣的化学元素制成的层，即在示例中源自锗。因此，可以由该相同的半导体材料制成层或衬底，并形成不同导电类型的区域(同质结)，以形成PN结或PIN结。作为变型，可以是各种半导体材料子层的堆叠(异质结)，然后这些子层基于感兴趣的化学元素形成。
由此形成了检测部分10，包括掺杂有第一导电类型(在此为n型)且与第一表面10a齐平并形成n+掺杂阱的第一区域11，和掺杂有第二导电类型(在此为p型)且与第二表面10b齐平的第二区域12。“齐平”应理解为指“达到……的水平”或“自……延伸”。本征(在PIN结的情况下)中间区域13或掺杂有第二导电类型(在PN结的情况下)的中间区域13位于两个掺杂区域11与12之间并与它们接触，并在主平面中围绕n掺杂的第一区域11。在本示例中，半导体结是PIN类型的，第一区域11是n+掺杂的，第二区域12是p+掺杂的，中间区域13是本征的(没有进行有意图的掺杂)。
在本示例中，n+掺杂的第一区域11自第一表面10a延伸，并在主平面中被铁电外围部分26.1围绕，并且可能被中间区域13围绕。它在XY平面中与检测部分10的横向边缘10c相距一距离，横向边缘10c由p+掺杂的半导体外围部分25的内表面限定外围。由此形成了与第一表面10a齐平的n+掺杂阱，并相对于横向边缘10c以及第二表面10b隔开一非零距离。n+掺杂的第一区域11由此有助于限定第一表面10a。其可以呈现大约1019至1021at/cm3掺杂密度。
这里，第二区域12是p+掺杂的，在XY平面中自横向边缘10c延伸，与第二表面10b齐平。第二区域12沿着Z轴自第二表面10b延伸。它可以具有沿着Z轴的基本均匀的厚度，因此仅与横向边缘10c的下部区域齐平。作为变型，如图1A和图1B所示，p+掺杂的第二区域12可以具有沿着Z轴与横向边缘10c连续齐平的p+掺杂的横向区域14，该区域在检测部分10的整个外围上延伸。p+掺杂的第二区域12可以呈现大约1018至1020at/cm3的掺杂密度。
中间区域13位于两个n+掺杂和p+掺杂的区域11、12之间。它可在XY平面中围绕n+掺杂的第一区域11，通过铁电外围部分26.1与第一表面10a分隔，并因此与介电层30分隔。这里，中间区域由本征半导体材料制成以形成PIN结，但可以掺杂有第二导电类型(例如p型)，以形成PN结(见图1B)。
这里，光电二极管1具有下绝缘层21，下绝缘层由介电材料制成，覆盖检测部分10的第二表面10b和(如下所述的)p+掺杂的半导体外围部分25的下表面。下绝缘层21还可以被设计为形成对于入射光辐射的防反射功能。具体地说，它形成了要进行检测的光辐射的接收表面。
这里，光电二极管1的检测部分10通过优选连续的槽在XY平面中横向限定，该槽填充有掺杂有第二导电类型(在此为p型)的半导体材料，并形成p+掺杂的外围半导体部分25。外围贯穿部分25有助于对光电二极管1进行电偏置，这里，是从第一表面10a一侧进行偏置的，并且有助于光电二极管阵列的像素化(光学隔离)。这里，其跨检测部分10的整个厚度延伸，终止在下绝缘层21处，但作为变型，其可以不终止于下绝缘层21，而是可以终止在p+掺杂的第二区域12中。该p+掺杂的半导体外围部分25的内表面则限定检测部分10的横向边缘10c。半导体材料优选基于硅(例如非晶硅、多晶硅、硅锗)，或可以甚至由非晶锗制成。
介电层30覆盖光电二极管1的第一表面10a，并允许触点31.1和32.2电绝缘。因此，其与n+掺杂的第一区域11和铁电外围部分26.1接触。介电层由介电材料(例如硅的氧化物、硅的氮化物或硅的氮氧化物)制成。可以使用其它介电材料，例如铪的氧化物或铝的氧化物，或者甚至是铝的氮化物，等等。介电层具有例如50nm至500nm的厚度。
然而，看起来使用的钝化沉积技术可能会在其落在中间区域13并与之接触时促使生成对暗电流有贡献的表面。具体地说，如在上文提及的Sood等人在2011年的文章中所指出的，介电层可能会导致在中间区域13中自第一表面10a开始形成耗尽区。当该耗尽区位于光电二极管1的空间电荷区中时，则它可能会是杂散的产生-复合电流的位置。而且，这种介电层可能会形成导电的反转区，因此可能会将n+掺杂的第一区域11连接到p+掺杂的半导体外围部分。
由此，每个光电二极管1包括位于中间区域13与介电层30之间并与它们接触的由铁电材料制成的外围部分26.1，该外围部分位于n+掺杂的第一区域11与半导体外围部分25之间，并在XY平面中围绕n+掺杂的第一区域11外围。因此，铁电外围部分26.1通过上表面与介电层30接触，并通过其下表面与中间区域13接触。
“围绕”应理解为指铁电外围区域26.1在主平面中围绕n+掺杂的第一区域11，连续地或可能不连续地延伸。铁电外围区域26.1由此沿着Z轴自第一表面10a延伸，并在XY平面中围绕n+掺杂的第一区域11。这里，铁电外围区域定位为与n+掺杂的第一区域11接触(零间距)，尤其是当n+掺杂的第一区域11的掺杂元素是倾向于快速地扩散的磷时，但作为变型，可以不与之接触(非零间距)。其还定位为与p+掺杂的半导体外围部分接触(零间隔间距)，但作为变型，可以不与之接触(非零间隔间距)。
铁电材料表现出自发的电极化(或电偶极矩)，可以通过施加外部电场来进行取向，这里，电场是在光电二极管(反)偏置时在n+的第一区域11与p+掺杂的半导体外围区域25之间生成的。铁电外围区域26.1可以由选自具有钙钛矿结构的氧化物(例如PZT Pb(Zr,Ti)O3、PLZT(Pb,La)(Zr,Ti)O3、BT BaTiO3、PT PbTiO3、PLT(Pb,La)TiO3、聚偏二氟乙烯(PVDF))和选自HfO2、ZnO、AlN等及其混合物的材料制成。特别地，出于在用于生成这种光电二极管的方法中易于使用的原因，铁电材料优选选自PZT、BT、PVDF、HfO2、ZnO、AlN。
因此，光电二极管1的偏置允许存在于铁电外围区域26.1中的铁电偶极子沿偏好方向取向，例如，在XY平面中沿径向方向或沿着Z轴的竖直方向。因此，该铁电外围区域26.1位于介电层30与中间区域13之间，并与它们接触，并在一侧在XY平面中围绕n+掺杂的第一区域11，使得可以避免在中间区域13中在第一表面10a下方存在耗尽区或者甚至是反转区。另外，该铁电外围区域26.1中的铁电偶极子的取向使得可以阻挡该相同的铁电外围区域26.1中的、介电层30下方的、n+掺杂的第一区域11与p+掺杂的半导体外围部分25之间外围的电荷载流子通道。因此，提供了n+掺杂的第一区域11与p+掺杂的半导体外围部分25之间在第一表面10a的水平面处的横向电绝缘功能，从而降低了由于例如反转区而导致的光电二极管1的这些部分之间短路的风险。因此减小了暗电流的表面分量，从而可以改善光电二极管的性能。
另外，该铁电外围区域26.1的存在允许减小n+掺杂的第一区域11与p+掺杂的半导体外围部分25之间的横向间距，从而改善光电二极管1的性能。以这种方式，避免了如下情况的出现：在不存在这种铁电外围区域26.1的情况下，中间区域13中的光生载流子接近第一表面10a，由于该第一表面10a的钝化质量不足，这些载流子不被收集。
另外，检测部分10有利地具有掺杂有第二导电类型(在此为p+型)的横向区域14，该横向区域位于横向边缘10c处。该横向区域14(在其被掺杂时)具有高于中间区域13的掺杂水平的掺杂水平。p+掺杂的横向区域14与横向边缘10c齐平并与p+掺杂的半导体外围部分25接触。p+掺杂的第二区域12的偏置由此得到改善，这是因为与p+掺杂的半导体外围部分25的接触表面增加。另外，该p+掺杂的横向区域14可以避免光电二极管1的空间电荷区延伸到横向边缘10c。因此，该区域(潜在不存在与槽的生成有关的缺陷)对暗电流的贡献是有限的。光电二极管1的性能由此得到改善。
此外，检测部分10是基于锗的，例如由锗制成，并且p+掺杂的半导体外围部分25是基于硅的，例如由掺杂的多晶硅制成。然后，检测部分10有利地包括基于硅锗的横向区域15。横向区域15与横向边缘10c齐平并与p+掺杂的半导体外围部分25接触。横向区域15由此具有比由锗制成的检测部分10的带隙能量更大的带隙能量。该横向“带隙开口”可以减小光电二极管1对于存在于槽附近的缺陷的灵敏度。光电二极管1的性能也由此得到改善。
光电二极管1还包括用于反向偏置的电路。在本示例中，该电路使得可以从第一表面10a侧对光电二极管1进行偏置。该电路可以具有接触金属化部31.1、31.2，它们延伸穿过介电层30中的贯穿的开口，并分别与n+掺杂的第一区域11和p+掺杂的半导体外围部分25接触。光电二极管1用于进行反向偏置，例如通过向p+掺杂的半导体外围部分25施加负电势并使n+掺杂的第一区域11接地。
在该方面，图1A示出了被称为横向的第一电阻挡配置，其中，当光电二极管反向偏置时，铁电偶极子取向为基本平行于XY平面，沿从n+掺杂的第一区域11到p+掺杂的半导体外围部分25的径向方向。具体地说，光电二极管的反向偏置在n+掺杂的第一区域11与p+掺杂的半导体外围部分25之间产生电场E，这使得铁电偶极子在XY平面中沿所述径向方向取向。由此，该配置尤其可以阻挡在铁电外围部分26.1中、在第一表面10a的水平面处的电荷载流子外围通道，由此减小暗电流的表面分量。
XY平面中的n+掺杂的第一区域11与p+掺杂的半导体外围部分25之间的径向间距可以为约100nm至2μm。大约100nm至200nm的值可以在最大化填充系数(在光电二极管阵列的情况下)的同时确保有效的横向电阻挡。填充系数定义为检测部分10在XY平面中的面积与光电二极管1(在此由p+掺杂的半导体外围部分25的外表面限定)在XY平面中的面积的比。
图1B是根据图1A所示实施例的一个变型的光电二极管的局部示意图，其示出了在此被称为竖直的第二电阻挡配置。在该配置中，当光电二极管反向偏置时，铁电偶极子竖直取向，即沿着Z轴取向。为此，光电二极管1包括设置为与外围接触金属化部31.2接触的至少一个外围平面电极32.2，其在XY平面中延伸，面对(即与其竖直对齐)铁电外围部分26.1，并可能面对n+掺杂的第一区域11的至少一部分。外围接触金属化部31.2与p+掺杂的半导体外围部分25接触。
因此，例如通过向p+掺杂的半导体外围部分25施加负电势并使n+掺杂的第一区域11接地来将光电二极管1反向偏置，在一手边的n+掺杂的第一区域11与另一手边的外围平面电极32.2和p+掺杂的第二区域12之间产生电场E，使得铁电偶极子沿着Z轴取向。具体地说，由于外围平面电极32.2面对铁电外围部分26.1(和可能的n+掺杂的第一区域11的一部分)的可观的面积，电场E在铁电外围部分26.1处的竖直(沿着Z轴的)分量大于水平(在XY平面中的)分量。因此，该配置可以降低在中间区域13中在介电层30下方形成耗尽区或者甚至是反转区的风险，由此减小了暗电流的表面分量。另外，外围平面电极32.2可以反射初始没有被吸收的检测电磁辐射，因此可以增加光电二极管的灵敏度。
通常，作为示例，光电二极管1在XY平面中的尺寸可以为大约1μm至100μm。p+掺杂的第二区域12的厚度可以为大约20nm至500nm。当光电二极管1用于检测SWIR范围中或近红外线范围(NIR)中的光辐射时，本征区域13的厚度可以为大约0.7μm至2.5μm。n+掺杂的第一区域11的厚度可以是大约10nm至600nm。介电层30可以具有允许光电二极管1的整个上表面被覆盖的厚度，即例如为大约10nm至600nm，下绝缘层21的厚度可以是大约500nm至1μm。
现在参照图2A至图2O描述一个示例方法，该示例方法用于生成根据图1A所示的实施例的一个变型的光电二极管阵列。在该示例中，光电二极管1由锗制成并具有PIN结，其被设计为检测SWIR范围中的红外辐射。光电二极管1是平面并钝化的，并通过与光电二极管阵列混合的控制芯片从第一表面10a反向偏置。
参照图2A，生成第一单晶锗半导体子层22.1。第一半导体子层22.1通过下绝缘层21附接到支撑层20，在此，支撑层由硅制成，下绝缘层由硅的氧化物制成。该堆叠采用GeOI衬底(GeOI指绝缘体上锗)的形式。该堆叠优选通过在Reboud等人的名为“Structural andoptical properties of 200mm germanium-on-insulator(GeOI)substrates forsilicon photonics applications”(国际光学工程学会会议记录9367硅基光子学介绍X,936714(2015年2月27日))的出版物中所述的工艺来生成。这种方法的优点在于生成完全不具有或具有较低水平的结构缺陷(例如错位)的锗半导体子层22.1。锗可以不有意掺杂或者掺杂，例如是p掺杂的。半导体子层22.1的厚度可以是100nm至大约500nm，例如等于大约300nm，并可以覆有由硅的氧化物制成的保护层(未示出)。下绝缘层21(BOX，即埋藏氧化物)的厚度可以是50nm至1μm，例如是100nm至500nm，并有利地提供防反射功能。
然后，当第一子层22.1最初是由本征锗制成时，通过离子植入诸如硼或镓的掺杂物，由锗制成的第一子层22.1就被掺杂了第二导电类型，在此为p型。在适当的情况下，已经事先通过表面清理去除了保护层，并且可以利用厚度为数十纳米(例如厚度等于20nm)的预植入氧化物层(未示出)来涂覆第一锗子层22.1。然后，锗子层22.1的掺杂密度为大约1018至1020at/cm3。然后，掺杂物可以在氮环境中，在可以为600℃至800℃(例如等于800℃)的温度下，扩散退火数分钟至数小时，例如1小时。在生长子层22.1时对其进行了掺杂的情况下，可以不执行退火。另一生成该p+层的方式是通过在本征锗子层上原位外延掺杂有大约1018至1020at/cm3的硼的锗层。该外延可以在400至800℃温度下但优选在400℃温度下实施。
参照图2B，从第一子层22.1外延生成第二锗半导体子层22.2。两个子层22.1、22.2用于在形成光电二极管1阵列的共平面的锗检测部分10。第二子层22.2是外延形成的，例如通过化学气相沉积(CVD)、优选地通过减压化学气相沉积(RPCVD)或任何其它外延生长技术。可以执行退火操作以减小子层22.2中的错位率。在适当的情况下，会事先通过表面清理去除预植入氧化物层。第二锗子层22.2在此是本征的，也就是说没有有意掺杂，只要希望生成PIN结。其用于形成光电二极管1的光吸收区域。其厚度取决于在光电二极管1的情况下待检测光辐射的波长范围。在SWIR光电二极管的情况下，本征锗子层22.2的厚度例如为0.5μm至3μm，优选等于1.5μm。
参照图2C，沉积上绝缘层23以连续地覆盖第二子层22.2的上表面，也就是说，以覆盖光电二极管1的检测部分10。上绝缘层23由介电材料制成，例如，硅的氧化物、硅的氮化物或硅的氮氧化物。第二子层22.2的上表面可以预先清理过。上绝缘层23的厚度可以为10nm至600nm。
参照图2D，通过光刻和蚀刻生成槽24，槽24用于像素化光电二极管1并有助于对光电二极管进行电反向偏置。因此，对上绝缘层23、本征锗子层22.2和p+掺杂的锗子层22.1执行局部蚀刻，直至槽开口到下绝缘层21的上表面上(但槽24可以开口到子层22.1上而不穿过子层22.1)。每个因此，槽24优选连续地围绕光电二极管1延伸。由此获得通过连续槽24彼此分隔的多个检测部分10。槽24优选使用各向异性蚀刻技术获得，以获得沿着Z轴基本竖直的横向边缘10c。槽24在XY平面中的横向尺寸(宽度)可以为300nm至2μm，例如等于1μm。因此，检测部分10在XY平面中可以具有例如圆形、椭圆形、多边形(例如正方形)的形状或任何其它形状。
参照图2E，然后生成半导体外围部分25。为了该目的，沉积掺杂的半导体材料以填充槽24。半导体材料优选地是基于硅的材料，例如非晶硅、多晶硅、硅锗或者甚至是非晶锗。半导体材料掺杂有第二导电类型，在此为p型的硼或镓，掺杂浓度大约为1019至1020at/cm3。由此，掺杂的半导体材料通过槽24与横向边缘10c接触。然后执行化学机械抛光(CMP)步骤，其停止在上绝缘层23的上表面，以去除多余的半导体材料并平整由上绝缘层23和半导体外围部分25的半导体材料形成的上表面。由此在每个槽24中获得了p+掺杂的半导体外围部分25。
参照图2F，通过光刻和蚀刻，在上绝缘层23中制成外围开口23.2，该外围开口是贯穿的开口，因此开口到本征子层22.2的上表面。对于每个光电二极管1，外围开口23.2在XY平面中围绕上绝缘层23的中央部分23.1，该中央部分可以用于之后n+掺杂的第一区域11的形成。外围开口23.2在XY平面中具有自中央部分23.1开始的径向尺寸，该径向尺寸将在之后限定铁电外围部分26.1的径向尺寸。该径向尺寸取决于光电二极管1的尺寸。它可以是100nm至数微米。在本示例中，外围开口23.2在XY平面中径向延伸直至终止于p掺杂的半导体外围部分25的内边缘，但作为变型，它可以不终止于p掺杂的半导体外围部分25，由此在XY平面中仍由上绝缘层23限定。
参照图2G，通过在本征锗子层22.2中蚀刻来生成外围凹入27，其具有与外围开口23.2相同的径向尺寸，并具有与以下厚度相同的深度，所述厚度有利地取决于n+掺杂的第一区域11的期望厚度(该深度可以避免掺杂物在生成n+掺杂的第一区域11的步骤中过多的横向扩散)。该深度可以为50nm至600nm，例如等于200nm。接下来，可以对本征锗子层22.2实施表面清理。中间区域13则具有沿+Z方向凸出的部分13.1，其在XY平面中被外围凹入27围绕并被上绝缘层23的中央部分23.1覆盖。
参照图2H，沉积由铁电材料制成的层26以填充外围凹入27(也称为外围凹部)。该铁电层26的厚度至少等于外围凹入27的深度。因此它连续地覆盖上绝缘层23(尤其是中央部分23.1)和半导体外围部分25的上表面，以及外围凹入27中的锗子层22.2的自由表面。铁电外围部分26.1是层26的位于外围凹入27中与子层22.2(因此为中间区域13)的锗接触的部分。它在XY平面中围绕中间区域13的凸出部分13.1。
参照图2I，然后实施铁电材料的结晶退火，例如在500℃至750℃的温度下进行5至30分钟。该退火还允许通过掺杂元素从p+掺杂的半导体外围部分25扩散到中间区域13而形成p+掺杂的横向区域14。而且，同时，通过检测部分10的锗与半导体外围部分25的硅之间的相互扩散，形成具有带隙开口的横向区域15。
参照图2J，沉积光刻胶掩膜28以期生成n+掺杂的第一区域11。该掩模28具有可以用于将n型掺杂物植入中间区域13的锗中的开口28.1。对位于该植入开口28.1处的铁电层26的部分进行蚀刻，以释放上绝缘层23的中央部分23.1的表面。
参照图2K，通过植入开口28.1，将n型掺杂元素(例如，磷、砷或锑(或这些元素的组合))离子植入到检测部分10的本征锗中。掺杂元素的浓度可以为1019至1021at/cm3。
参照图2L，在例如550℃至700℃的温度下执行退火，持续时间5秒至30秒，用于扩散和激活已经植入的掺杂元素。在掺杂元素的植入深度小于铁电层26的厚度的情况下，这可以阻挡掺杂元素向p+掺杂的半导体外围部分25的方向横向扩散。在任何情况下，所获得的是具有期望横向尺寸的n+掺杂的第一区域11，并且该n+掺杂的第一区域11与p+掺杂的半导体外围部分25之间短路的风险受到限制。还去除了光刻胶层28。
参照图2M，去除上隔离层23的中央部分23.1以释放检测部分10的上表面，其在此对应于n+掺杂的第一区域11的上表面。还去除了与中央部分接触的铁电层26的部分。接下来，可以对n+掺杂的第一区域11的上表面进行清理。这导致铁电外围部分26.1的上表面与n+掺杂的第一区域11的上表面共面。它们一同限定与第二表面10b相对的第一表面10a。
参照图2N，沉积介电层30以覆盖由此在第一表面10a的一侧生成的光电堆叠。因此，该介电层30在铁电层26和n+掺杂的第一区域11上延伸并与它们接触。介电层由介电材料制成，例如，硅的氧化物、硅的氮化物或硅的氮氧化物、铝的氧化物或铝的氮化物、铪的氧化物等。其具有10nm至600nm的厚度。
然后，生成延伸通过介电层30并与n+掺杂的第一区域11接触(中央金属化部31.1)以及与p+掺杂的半导体外围部分25接触的接触金属化部31(对于横向金属化部31.2)。接触金属化部31可以常规地通过如下步骤生成，利用至少一种金属材料(基于钛的阻挡层，铜芯)填充贯穿介电层30的贯穿开口，随后通过CMP进行平坦化。介电层30和接触金属化部31一起具有同一共面的上表面。
参照图2O，由此获得的光电堆叠在控制芯片40上进行混合。因此，控制芯片40的连接表面可以涂覆有由介电材料制成的绝缘层41，金属化部42穿过该绝缘层。光电堆叠和控制芯片40由此通过混合分子粘附，通过由接触金属化部31、42和绝缘层30、41形成的表面之间的接触进行组装。可以执行键合退火以增加接触的两个表面之间的表面键能。然后例如通过磨蚀(研磨)，去除支撑层20，以暴露下绝缘层21。由此形成了用于对光辐射进行检测的接收表面，并有利地提供了防反射功能。
因此，该生成方法可以获得一个或更多个钝化的光电二极管1，其每个包括在XY平面中围绕n+掺杂的第一区域11且位于介电层30与中间区域13之间并与它们接触的铁电外围部分26.1。当光电二极管1偏置时，这种铁电外围部分26.1的存在可以使铁电偶极子水平地取向，由此允许减小暗电流的表面分量，因此，改善了光电二极管1的性能。
图3A至图3C示出了用于生成与图1B中所示的光电二极管类似的光电二极管的方法中的一些步骤。在该示例中，光电二极管1包括允许铁电偶极子沿竖直方向取向的平面电极。这里，考虑在步骤2N中获得的光电堆叠。
参照图3A，生成例如基于Ti/TiN的平面电极32，其与金属化部31接触，并具有大约10至40nm的厚度。由此，所生成的外围电极32.2与外围金属化部31.2接触并在XY平面中在介电层30上延伸，以面对(竖直对齐)铁电外围部分26.1，以及这里还面对n+掺杂的第一区域11的一部分外围。还生成了与中央金属化部31.1接触的中央电极32.1。
参照图3B，沉积第二上绝缘层33以覆盖介电层30和平面电极32.1和32.2。穿过绝缘层33生成第二接触金属化部34.1、34.2。
参照图3C，由此获得的光电堆叠在控制芯片40上混合。光电堆叠和控制芯片40在此通过混合分子粘附，通过由接触金属化部34、42和绝缘层33、41形成的表面之间的接触组装。然后例如通过研磨，去除支撑层20，以暴露下绝缘层21。
因此，该生成方法可以获得一个或更多个钝化的光电二极管1，其每个包括围绕n+掺杂的第一区域11且位于第一表面10a的水平面处并因此与介电层30接触的铁电外围部分26.1。当光电二极管1偏置时，借助于平面电极32.2，这种铁电外围部分26.1的存在可以使铁电偶极子竖直地取向，由此允许减小暗电流的表面分量，因此，改善了光电二极管1的性能。
已经描述了具体实施例。对于本领域技术人员，各种改动和变型将是显而易见的。

Claims (14)

1.一种光电二极管(1)，具有彼此相对并平行于主平面的第一表面(10a)和第二表面(10b)，包括：
o由半导体材料制成的检测部分(10)，其包括：
·掺杂有第一导电类型并与所述第一表面(10a)齐平的的第一区域(11)，所述第一区域用于进行电偏置；
·掺杂有与所述第一类型相反的第二导电类型并与所述第二表面(10b)齐平的第二区域(12)；
·位于所述第一区域(11)与所述第二区域(12)之间的中间区域(13)；
o在所述第一表面(10a)上覆盖所述检测部分(10)并与所述第一区域(11)接触的介电层(30)；
o由掺杂有所述第二导电类型的半导体材料制成并用于进行电偏置的半导体外围部分(25)，所述半导体外围部分在所述主平面中围绕所述检测部分(10)并与所述第二区域(12)接触外围；
o由铁电材料制成的铁电外围部分(26.1)，其中，
·所述铁电外围部分位于所述中间区域(13)与所述介电层(30)之间并与所述中间区域和所述介电层接触，并且
·所述铁电外围部分位于所述第一区域(11)与所述半导体外围部分(25)之间并在所述主平面中围绕所述第一区域(11)。
2.根据权利要求1所述的光电二极管(1)，其中，所述铁电外围部分(26.1)在一侧与所述第一区域(11)横向接触，并在另一侧与所述半导体外围部分(25)横向接触。
3.根据权利要求1所述的光电二极管(1)，其中，所述检测部分(10)具有在所述主平面中限定被所述铁电外围部分(26.1)围绕的凸出部分(13.1)的外围凹入(27)。
4.根据权利要求1所述的光电二极管(1)，其中，所述检测部分(10)是基于锗的，并且所述外围半导体部分(25)是基于硅的。
5.根据权利要求1所述的光电二极管(1)，其中，所述铁电外围部分(26.1)是基于选自PZT、PLZT、BT、PT、PLT、PVDF和选自HfO2、ZnO和AlN的材料的。
6.根据权利要求1所述的光电二极管(1)，其中，所述介电层(30)被与所述第一区域(11)接触的中央金属化部(31.1)和与所述半导体外围部分(25)接触的横向金属化部(31.2)穿过。
7.根据权利要求6所述的光电二极管(1)，包括在所述介电层(30)之上延伸并与所述横向金属化部(31.2)接触的外围电极(32.2)，所述外围电极围绕所述第一区域(11)并与所述铁电外围部分(26.1)竖直对齐。
8.一种光电二极管(1)阵列，包括多个根据权利要求1至7中任一项所述的光电二极管(1)，其中，与第二区域(12)相对的第一区域(11)的上表面是共面的，并且第二表面(10b)是共面的。
9.一种光电器件，包括根据权利要求8所述的光电二极管(1)阵列和被设计成对所述光电二极管进行反向偏置且与所述光电二极管阵列混合的控制芯片。
10.一种用于生成根据权利要求1至7中任一项所述的光电二极管(1)的方法，包括以下步骤：
o生成包括覆盖有第二子层(22.2)的第一子层(22.1)的堆叠，所述第一子层掺杂有第二导电类型并用于形成第二区域(12)，所述第二子层用于形成中间区域(13)；
o在所述第二子层(22.2)上沉积上绝缘层(23)；
o生成穿过所述上绝缘层(23)和所述第二子层(22.2)延伸直至达到所述第一子层(22.1)的半导体外围部分(25)；
o通过围绕所述上绝缘层(23)的中央部分(23.1)的外围开口(23.2)，在所述第二子层(22.2)中生成外围凹入(27)；
o生成填充所述外围凹入(27)的铁电外围部分(26.1)；
o去除所述中央部分(23.1)；
o在所述第二子层(22.2)中生成第一区域(11)；
o在所述铁电外围部分(26.1)和所述第一区域(11)上并与之接触地沉积介电层(30)。
11.根据权利要求10所述的生成方法，包括用于对所述铁电外围部分(26.1)的材料进行结晶退火的步骤，以进一步确保掺杂元素从所述半导体外围部分(25)到检测部分(10)中的扩散，以在所述检测部分(10)中形成掺杂有所述第二导电类型的横向区域(14)。
12.根据权利要求11所述的生成方法，所述检测部分(10)是基于锗的，并且所述半导体外围部分(25)是基于硅的，其中，所述结晶退火进一步确保硅从所述半导体外围部分(25)到所述检测部分(10)的扩散，以形成基于硅-锗的横向区域(15)。
13.根据权利要求10所述的生成方法，其中，生成所述第一区域(11)的步骤包括通过所述中央部分(23.1)将掺杂元素植入到所述第二子层(22.2)中。
14.根据权利要求13所述的生成方法，其中，植入深度小于与由所述外围凹入(27)限定的所述第二子层(22.2)的凸出部分(13.1)横向接触的所述铁电外围部分(26.1)的厚度，并且所述生成方法包括用于激活所述掺杂元素的退火，所述铁电外围部分(26.1)横向阻挡所述掺杂元素在该退火期间的扩散。
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