CN114256375A - 雪崩光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
提供了雪崩光电探测器及其制备方法。探测器包括：衬底，其表面包括第一半导体层；位于衬底上的第二半导体层；和光波导。第一半导体层包括第一方向上依次排列的第一P型、第二P型、第三N型掺杂区、第一本征区、第三P型掺杂区、第二本征区、第二N型和第一N型掺杂区，第一至第三P型掺杂区、第一至第三N型掺杂区浓度均依次递减；第二P型紧邻第一P型掺杂区的部分区域的第一高度低于其他区域的第二高度以形成槽，光波导位于该槽中且布置成大体沿第二方向延伸且与第二方向成预设夹角，第二半导体层依次覆盖部分第二P型、第三N型掺杂区、第一本征区和第三P型掺杂区；第一N型、第三P型、第一N型掺杂区均连接有电极。
Description
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
雪崩光电探测器作为硅光子架构的核心器件之一，具有实现低功率光信号到电信号转换的功能，其工作原理是通过光电效应产生的光生载流子(空穴电子对)，在高电场区运动时被迅速加速，运动过程中可能发生一次或多次碰撞，通过碰撞电离效应产生二次、三次新的空穴电子对，产生雪崩倍增效应，使载流子数量迅速增加，从而形成比较大的光信号电流。
目前，在硅光子集成芯片中广泛采用兼容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(也称为倍增区)，而锗材料吸收光子。目前该锗硅雪崩光电探测器结构的不足如下：一是需要外延单晶硅工艺，制作相对复杂；二是吸收区通常会被P或N型掺杂，这些掺杂都会造成光吸收损耗，继而降低探测器量子效率；三是吸收区和倍增区不易独立调节，对掺杂区浓度精度要过较高，工艺容忍度低，容易导致增益带宽不理想。因此采用锗硅材料的雪崩光电探测器有待进一步的改进。
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，所述衬底的表面包括第一半导体层；
位于所述第一半导体层之上的第二半导体层，所述第二半导体层的材料不同于所述第一半导体层的材料；
位于所述第一半导体层之上的光波导，包括靠近光入射端的前端和远离所述光入射端的末端，其中，
所述第一半导体层包括在第一方向上依次排列的第一P型掺杂区、第二P型掺杂区、第三N型掺杂区、第一本征区、第三P型掺杂区、第二本征区、第二N型掺杂区和第一N型掺杂区，所述第一至第三P型掺杂区的掺杂剂浓度依次递减，且所述第一至第三N型掺杂区的掺杂剂浓度依次递减，所述第一方向为所述雪崩光电探测器的电子流动方向；
所述第一半导体层中的第二P型掺杂区的紧邻所述第一P型掺杂区的部分区域具有的第一高度H1低于所述第一半导体层中其他区域具有第二高度H2以形成沿第二方向上延伸的槽，所述第二方向为垂直于所述第一方向且垂直于所述衬底表面的方向；
所述第二半导体层沿所述第一方向依次覆盖所述第二P型掺杂区的第二高度H2的部分区域、所述第三N型掺杂区、所述第一本征区和所述第三P型掺杂区的部分区域，所述光波导位于所述槽中且布置成大体沿第二方向延伸且与第二方向成预设夹角，以使其前端靠近所述第一P型掺杂区且末端靠近所述第二P型掺杂区的第二高度H2的部分；
所述第一N型掺杂区连接有第一电极；所述第三P型掺杂区连接有第二电极；所述第一P型掺杂区连接有第三电极。
上述方案中，所述光波导是未掺杂的或轻掺杂的。
上述方案中，所述第一电极和第三电极之间设置有第一反向偏置电压V1，且所述第一电极和第二电极之间设置有第二反向偏置电压V2。
上述方案中，所述第一半导体层的材料为硅，且所述第二半导体层的材料为锗、锗硅合金、III-V族材料及其合金。
上述方案中，所述第一P型掺杂区或所述第一N型掺杂区的掺杂剂浓度为1×1020/cm3～5×1020/cm3，所述第二P型掺杂区或所述第二N型掺杂区的掺杂剂浓度为2×1017/cm3～5×1018/cm3，所述第三P型掺杂区或所述第三N型掺杂区的掺杂剂浓度为1.2×1017～4×1017/cm3。
上述方案中，所述第二本征区在所述第一方向上的尺寸为50nm至800nm。
上述方案中，所述第二半导体层在所述第一方向上的尺寸为150nm至1500nm，在所述第二方向上的尺寸为1μm至100μm，并且在所述第三方向上的尺寸为150nm至600nm，其中，所述第三方向为垂直于所述衬底的方向，且所述第二方向垂直于所述第三方向且垂直于所述第一方向。
本发明实施例还提供了一种雪崩光电探测器的制备方法，包括：
提供衬底，所述衬底的表面上包括第一半导体层；
执行选择性掺杂工艺，以在所述第一半导体层上沿第一方向上形成依次排列的第一P型掺杂区、第二P型掺杂区、第三N型掺杂区、第一本征区、第三P型掺杂区、第二本征区、第二N型掺杂区和第一N型掺杂区，所述第一至第三P型掺杂区的掺杂剂浓度依次递减，且所述第一至第三N型掺杂区的掺杂剂浓度依次递减，其中，在执行选择性掺杂工艺之前，在待形成所述第二P型掺杂区的紧临所述第一P型掺杂区的部分区域上形成两个楔形槽，以在所述两个楔形槽之间保留部分第一半导体层；
形成第二半导体层，所述第二半导体层的材料不同于所述第一半导体层材料，且在所述第一方向上依次覆盖部分所述第二P型掺杂区、所述第三N型掺杂区、所述第一本征区和部分所述第三P型掺杂区；
形成垂直所述衬底平面方向而设置的第一电极、第二电极和第三电极，所述第一电极与所述第一N型掺杂区电连接；所述第二电极与所述第三P型掺杂区电连接，且所述第三电极与所述第一P型掺杂区电连接；
所述第一方向为所述雪崩光电探测器的电子流动方向。
上述方案中，所述保留的部分第一半导体层是不掺杂或轻掺杂的。
上述方案中，所述第一半导体层的材料为硅，且所述第二半导体层的材料为锗、锗硅合金、III-V族材料及其合金。
上述方案中，所述第一P型掺杂区或所述第一N型掺杂区的掺杂剂浓度为1×1020/cm3～5×1020/cm3，所述第二P型掺杂区或所述第二N型掺杂区的掺杂剂浓度为2×1017/cm3～5×1018/cm3，所述第三P型掺杂区或所述第三N型掺杂区的掺杂剂浓度为1.2×1017～4×1017/cm3。
上述方案中，所述形成垂直所述衬底平面方向而设置的第一电极、第二电极和第三电极包括：
形成覆盖所述第一半导体层和所述第二半导体层的覆盖层；
形成分别对应于所述第一N型掺杂区、所述第三P型掺杂区和所述第一P型掺杂区的第一窗口、第二窗口和第三窗口；
在所述第一窗口、第二窗口和第三窗口填充金属以形成第一电极、第二电极和第三电极。
本发明实施例提供的雪崩光电探测器包括：衬底，所述衬底的表面包括第一半导体层；位于所述第一半导体层之上的第二半导体层，所述第二半导体层的材料不同于所述第一半导体层的材料；位于所述第一半导体层之上的光波导，包括靠近光入射端的前端和远离所述光入射端的末端，其中，所述第一半导体层包括在第一方向上依次排列的第一P型掺杂区、第二P型掺杂区、第三N型掺杂区、第一本征区、第三P型掺杂区、第二本征区、第二N型掺杂区和第一N型掺杂区，所述第一至第三P型掺杂区的掺杂剂浓度依次递减，且所述第一至第三N型掺杂区的掺杂剂浓度依次递减，所述第一方向为所述雪崩光电探测器的电子流动方向；所述第一半导体层中的第二P型掺杂区的紧邻所述第一P型掺杂区的部分区域具有的第一高度H1低于所述第一半导体层中其他区域具有第二高度H2以形成沿第二方向上延伸的槽，所述第二方向为垂直于所述第一方向且垂直于所述衬底表面的方向；所述第二半导体层沿所述第一方向依次覆盖所述第二P型掺杂区的第二高度H2的部分区域、所述第三N型掺杂区、所述第一本征区和所述第三P型掺杂区的部分区域，所述光波导位于所述槽中且布置成大体沿第二方向延伸且与第二方向成预设夹角，以使其前端靠近所述第一P型掺杂区且末端靠近所述第二P型掺杂区的第二高度H2的部分；所述第一N型掺杂区连接有第一电极；所述第三P型掺杂区连接有第二电极；所述第一P型掺杂区连接有第三电极。由于多个被掺杂的电荷区以及作为雪崩区的第二本征区均在第一半导体层中，因此不需要额外外延制作单晶硅，制作相对简单，利于降低成本。此外，由于光波导在第二P型掺杂区的紧邻第一P型掺杂区的部分区域上方设置的，光波导与第二半导体层之间存在有部分第二P型掺杂区，因此能够使光更缓慢且稳定传递至第二半导体层以形成光生电子。最后，由于第一N型掺杂区连接有第一电极，第三P型掺杂区连接有第二电极，第一P型掺杂区连接有第三电极，后续可以通过在这三个电极上独立地施加偏置电压，因此能够使位于作为吸收区的第二半导体层和作为雪崩区的第二本征区的电场可以独立调节，对掺杂区浓度精度容忍度较好，有利于实现低噪声、高增益带宽。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种雪崩光电探测器的轴测示意图；
图2为本发明实施例提供的一种雪崩光电探测器的俯视示意图；
图3a为本发明实施例提供的一种雪崩光电探测器沿Y方向的示意图，图3b为本发明实施例提供的一种雪崩光电探测器的局部示意图；
图4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5a至图5g为本发明实施例提供的雪崩光电探测器的制备过程中的器件结构剖视图。
具体实施方式
为使本发明实施例的技术方案和优点更加清楚，以下结合说明书附图及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细阐述。
在本发明实施例中，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，半导体结构中的两层之间的“上”或“下”关系可以是两层之间直接接触，或两层通过中间层间接接触。
在本发明实施例中，术语“层”是指包括具有厚度的区域的材料部分。层可以在下方或上方结构的整体之上延伸，或者可以具有小于下方或上方结构范围的范围。此外，层可以是厚度小于连续结构厚度的均质或非均质连续结构的区域。例如，层可位于连续结构的顶面和底面之间，或者层可在连续结构顶面和底面处的任何水平面对之间。层可以水平、垂直和/或沿倾斜表面延伸。并且，层可以包括多个子层。
在本发明实施例中，空间相对术语，例如“之下”、“下方”、“下”、“上方”、“上”、“朝上”、“朝下”等在本文中为了便于描述可以描述一个元素或特征与另一个(多个)元素或(多个)特征的关系，如图中所示。空间相对术语旨在涵盖在使用或操作中的除了图中描绘的取向之外的器件的不同取向。装置可以以其它方式取向(旋转90度或在其它取向下)，并且本文所使用的空间相对描述符也可以相应地进行解释。
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。这种结合得益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。目前该锗硅雪崩光电探测器结构的不足如下：一是需要外延单晶硅工艺，制作相对复杂；二是吸收区通常会被P或N型掺杂，这些掺杂都会造成光吸收损耗，继而降低探测器量子效率；三是吸收区和雪崩区(也称为倍增区)不易独立调节，对掺杂区浓度精度要过较高，工艺容忍度低，容易导致增益带宽不理想。。
基于此，提出了本申请实施例的以下技术方案。
本发明实施例提供了一种雪崩光电探测器，包括：
衬底，所述衬底的表面包括第一半导体层；
位于所述第一半导体层之上的第二半导体层，所述第二半导体层的材料不同于所述第一半导体层的材料；
位于所述第一半导体层之上的光波导，包括靠近光入射端的前端和远离所述光入射端的末端，
其中，
所述第一半导体层包括在第一方向上依次排列的第一P型掺杂区、第二P型掺杂区、第三N型掺杂区、第一本征区、第三P型掺杂区、第二本征区、第二N型掺杂区和第一N型掺杂区，所述第一至第三P型掺杂区的掺杂剂浓度依次递减，且所述第一至第三N型掺杂区的掺杂剂浓度依次递减，所述第一方向为所述雪崩光电探测器的电子流动方向；
所述第一半导体层中的第二P型掺杂区的紧邻所述第一P型掺杂区的部分区域具有的第一高度H1低于所述第一半导体层中其他区域具有第二高度H2以形成沿第二方向上延伸的槽，所述第二方向为垂直于所述第一方向且垂直于所述衬底表面的方向；
所述第二半导体层沿所述第一方向依次覆盖所述第二P型掺杂区的第二高度H2的部分区域、所述第三N型掺杂区、所述第一本征区和所述第三P型掺杂区的部分区域；
所述光波导位于所述槽中且布置成大体沿第二方向延伸且与第二方向成预设夹角，以使其前端靠近所述第一P型掺杂区且末端靠近所述第二P型掺杂区的第二高度H2的部分；
所述第一N型掺杂区连接有第一电极；所述第三P型掺杂区连接有第二电极；所述第一P型掺杂区连接有第三电极。
以下，请具体参见图1至图3，其中，图1为本发明实施例提供的一种雪崩光电探测器的轴测示意图；图2为本发明实施例提供的一种雪崩光电探测器的俯视示意图；图3a为本发明实施例提供的一种雪崩光电探测器沿Y方向的示意图，图3b为本发明实施例提供的一种雪崩光电探测器的局部示意图。
结合图1至图3，所述雪崩光电探测器包括：
衬底10，所述衬底包括第一半导体层300；在所述第一半导体层300中形成有所述雪崩光电探测器的雪崩区以实现雪崩效果；
第二半导体层400，其采用不同于第一半导体层300的材料。
除此之外，雪崩光电探测器还包括位于第一半导体层300的光波导G，其包括包括靠近光入射端的前端和远离所述光入射端的末端。
以下将详细介绍本发明雪崩光电探测器中各个部分的布局情况。
这里，衬底可为多层结构，其中，衬底的顶部为第一半导体层，之下可以包括单质半导体材料(例如为硅(Si)、锗(Ge)等)、复合半导体材料(例如为锗硅(SiGe)等)构成的层以及其氧化物构成的绝缘层。该实例中，衬底10可以是绝缘体上硅(SOI)或绝缘体上锗(GeOI)等。
本申请实施例以所述衬底表面下方的层为SOI为例进行说明。可以理解，所述第一半导体层300位于本发明衬底10的顶部。
在一些实施例中，第一半导体层300的材料包括硅。位于第一半导体层300下方的层依次包括绝缘层200和底层100。
实际应用中，底层100可以是硅晶圆，也可以是其他材料形成的晶圆。因此底层100的材料可以是硅、锗或蓝宝石等。
在一些实施例中，底层100的材料是硅，对应地，绝缘层200的材料则可以硅的氧化物，例如二氧化硅
所述底层100与所述第一半导体层300相比可以具有更厚的厚度。应当理解，图中为了使得各层结构均能被清晰地示出，可能造成各层结构的尺寸比例关系与实际结构不符。
需要说明的是，为了便于描述，如图1所示，本发明实施例中借助第一方向(X)、第二方向(Y)和第三方向(Z)来描述(参见图1所示)。
这里，衬底10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三方向(Z)。第三方向Z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。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，确定为衬底平面。在所述衬底平面方向上定义两彼此相交的(例如为彼此垂直的)第一方向(X)和第二方向(Y)。在本实施例中，所述第一方向X为电子流动方向；所述第二方向Y为光信号的传播方向。
由于理论上，在雪崩光电探测器中的第一半导体层300的材料可采用任何半导体材料，因此这里并不对第一半导体材料进行严格限定。在所述衬底10包括单质Si底层100的实施例中，所述第一半导体材料为Si。
为了使所述雪崩光电探测器实现雪崩效应，所述雪崩光电探测器的第一半导体层300形成的不同的区域具有不同的掺杂区域，包括掺杂不同浓度的P型掺杂剂、N型掺杂剂，以及未被掺杂的区域(本征区)。
以下将详细说明根据本公开实施例的雪崩光电探测器的第一半导体层300的结构。在一些实施例中，雪崩光电探测器中第一半导体层300包括在第一方向X上依次排列的第一P型掺杂区301、第二P型掺杂区302、第三N型掺杂区303、第一本征区304、第三P型掺杂区305、第二本征区306、第二N型掺杂区307和第一N型掺杂区308。第一P型掺杂区、第二P型掺杂区、第三P型掺杂区的P型掺杂剂浓度依次递减，且第一N型掺杂区、第二N型掺杂区、第三N型掺杂区的N型掺杂剂浓度依次递减。
沿第二方向(Y)第二P型掺杂区302紧邻第一P型掺杂区301的部分具有一个槽。即，第二P型掺杂区302由两部分构成：第二P型掺杂I区3021和第二P型掺杂II区3022，可参考图3b。其中第二P型掺杂I区3021，即槽部，在第三方向(Z)上具有小于第一半导体层300中其他区域的高度；其余的第二P型掺杂区302部分为第二P型掺杂II区3022，其紧邻第三N型掺杂区303，在沿第三方向(Z)上，具有与第一半导体层300中其他区域齐平的高度。需要说明是的，第二P型掺杂区302的两个部分第二P型掺杂I区3021和第二P型掺杂II区3022的掺杂剂浓度是相同的，区别仅在于两者的高度不同。
在一些实施例中，P型掺杂剂可为硼(B)，N型掺杂剂可为磷(P)或砷(As)。
在一些实施例中，第一P型掺杂区301或第一N型掺杂区308的掺杂剂浓度为1×1020/cm3～5×1020/cm3，第二P型掺杂区302或第二N型掺杂区307的掺杂剂浓度为2×1017/cm3～5×1018/cm3，第三P型掺杂区305或第三N型掺杂区303的掺杂剂浓度为1.2×1017～4×1017/cm3。
实用应用中，由于本征区被未掺杂或者是轻掺杂的，其浓度一般小于预定值，例如，小于1×1017/cm3。
需要说明的是，第一P型掺杂区和第一N型掺杂区的掺杂剂浓度可以相同或不同，只要它们的掺杂浓度在上述范围即可。
同理，第二P型掺杂区和第二N型掺杂区，以及第三P型掺杂区和第三N型掺杂区的掺杂剂浓度也分别可以相同或不同。
对于本征区而言，其可以是未被掺杂或被轻掺杂的第一半导体材料。其中，本征区是具体发生碰撞电离从而产生电子-空穴对的区域。
在本发明的雪崩光电探测器中的第一半导体层300中，雪崩区可以是第二本征区306。
应当理解，雪崩光电探测器是基于在雪崩区之间施加电压，产生电场，从而通过电场抽取光生载流子而形成电流。具体地，所述雪崩区沿第一方向的两侧施加偏置电压，实现光电探测。
在本发明的实施例中，第一半导体层300之上包括第二半导体层400，所述第二半导体层400的材料不同于第一半导体层的材料。
在一些实施例中，第一半导体层300的材料为硅，且第二半导体层400的材料为锗、锗硅合金、III-V族材料及其合金。
在进一步的实施例中，第一半导体层300的材料为硅，且第二半导体层的材料为锗。由此形成的雪崩光电探测器为锗硅光电探测器。
这里，由于本发明的提供的雪崩光电探测器中的作为吸收区的第二半导体层400未被P或N型掺杂且不涉及欧姆接触，能够尽可能地降低光吸收损耗，利于提高量子吸收效率。
本实施例的雪崩光电探测器的第二半导体层400沿所述第一方向依次覆盖部分第二P型掺杂区302、第三N型掺杂区303、第一本征区304和部分第三P型掺杂区305。第二半导体层400形成为所述雪崩光电探测器的吸收区。
同时，未被所述第二半导体层覆盖的所述第二P型掺杂区302中具有槽，且所述槽中具有光波导G。光波导G位于第二P型掺杂I区3021的表面，即位于第二P型掺杂区302的槽中，请参考图3b。光波导G具有前端和末端，从其前端至末端大体沿第二方向(Y)延伸。也就是说，光波导G从其前端至末端的延伸方向与第二方向(Y)呈一定夹角，使得其前端与第二P型掺杂II区3022的前端之间具有间隔，而其末端与第二P型掺杂II区3022的末端相互靠近。其中，光波导G的前端靠近第一P型掺杂区301且末端靠近所述第二P型掺杂区302的第二高度H2的部分。这里，所述靠近是指两者相互接触，或者两者间隔较小的距离。在实际工艺中，光波导G的前端与第一P型掺杂区301优选间隔有一定的距离，例如，800nm，以免第一P型掺杂区301中掺杂剂对光在光波导中产生影响。在实际工艺中，光波导G的末端与所述第二P型掺杂区302的第二高度H2的部分相接触。从而光波导G的末端靠近第二半导体层400。光沿Y方向入射进入所述光波导G，进而通过第二P型掺杂区302的第二P型掺杂II区3022被第二半导体层400吸收。这里第二P型掺杂II区3022除了作为电子传输的通道，还作为光波导向第二半导体层传播的媒介。
在一些实施例中，所述光波导是未掺杂的或轻掺杂的。由于光波导以下的第二P型掺杂区302的第二P型掺杂I区3021是P型掺杂的，因此，在实际工艺中，离子注入时受到了光波导的物理阻隔。可通过设置合适的掺杂条件，使第二P型掺杂I区3021实现P型掺杂的同时，使光波导接近于本征状态。
通过设置单独的光波导G，能够使入射光限制在其中传播，减少了光传播损失，提高光传播效率，同时，入射光经过光波导G，再经过第二P型掺杂区302的第二P型掺杂II区3022耦合至第二半导体，该过程相对缓慢，因此相对稳定。
这里，当在雪崩光电探测器的光波导G上施加光信号时，光波导G使光的能量经由第二P型掺杂区302的第二P型掺杂II区3022传递至第二半导体层400。第二半导体层400能够吸收光信号中的光子。由爱因斯坦提出的光电效应可知，一个光子产生一个光生电子。因此，第二半导体层400吸收光子并且产生电子，所产生的电子即为光生电子。
请结合图1至图3a，第二半导体层400覆盖部分第二P型掺杂区302和部分第三P型掺杂区305，从而将第二P型掺杂区302和第三P型掺杂区305桥接起来，形成载流子的通路。上述光生电子在电场的作用上能够从第二P型掺杂区302移动到第三P型掺杂区305。
继续参考图1至图3a，本实施例的雪崩光电探测器还包括第一电极501、第二电极502和第三电极503。所述第一电极501与所述第一N型掺杂区308电连接；所述第二电极502与所述第三P型掺杂区305电连接，且所述第三电极503与所述第一P型掺杂区301电连接。
与第一N型掺杂区308、第三P型掺杂区305和第一P型掺杂区301电连接的第一电极501、第二电极502和第三电极503，能够通过在第一电极501与第三电极503之间提供第一偏置电压V1从而在第一N型掺杂区308和第一P型掺杂区301之间提供第一偏置电压V1，同时通过在第一电极501与第二电极502之间提供第二偏置电压V2从而在第一N型掺杂区308和第三P型掺杂区305之间提供外加第二偏置电压V2。
如上所述，作为吸收区的第二半导体层400将第二P型掺杂区302和第三P型掺杂区305连接起来，形成载流子的通路。因此，通过在第一N型掺杂区308和第一P型掺杂区301之间施加电场(即，通过第一偏置电压V1)时，能够用于调节上述光生电子的能量。
而对于在第三P型掺杂区305和所述第一N型掺杂区308之间提供第二偏置电压V2，由于其位于第二本征区306的两端，第二本征区306用作雪崩区，因此第二偏置电压V2可调控雪崩区的电场分布。雪崩光电探测器的雪崩区是指发生载流子(这里为电子)倍增的区域，因此也可以称为倍增区。雪崩光电探测器的吸收区能够将入射的光信号转换成多个电子，这些电子对在电场作用下发生流动而形成光电流；雪崩区能够通过雪崩效应将吸收区形成的少量电子进一步激发，形成大量的电子以实现放大作用；最后通过一对金属电极传导光电流，实现光电探测。
上述光生电子在存在电场的情况下(由于施加到雪崩光电探测器的第一偏置电压V1)，这些光生电子被加速去往第二本征区306进行倍增。当光生电子穿过第二本征区306时，它们与结合在半导体原子晶格中的其他载流子碰撞，从而通过称为“碰撞电离”的过程产生更多的自由载流子。这些新的自由载流子也被施加的电场加速并产生更多的自由载流子。
此外，本发明实施例中雪崩光电探测器的第三N掺杂区303、第一本征区304和第三P掺杂区305这三个区域的排布方式，以及第三N掺杂区303和第三P掺杂区305各自的掺杂剂的浓度范围，对于作为吸收区的第二半导体层400内的电场分布是有利的。由于第一本征区304的存在，即使在第一偏置电压V1的作用下，电子也无法通过第一本征区304，第一本征区304起到了一定的阻隔作用。来自第二P掺杂区302方向的电子可通过第三N掺杂区303，经由第二半导体层400，再经过第三P掺杂区305去往雪崩区。
为实现上述雪崩效果，现有的雪崩光电探测器仅在雪崩区的两端施加偏置电压，这种做法存在一些缺点，例如，吸收区和雪崩区(也称为倍增区)不易独立调节，对掺杂区浓度精度要过较高，工艺容忍度低，容易导致增益带宽不理想。为此，本发明在雪崩光电探测器的吸收区和雪崩区的两端同时设置偏置电压，即，在第一P掺杂区301和第一N掺杂区308之间提供有第一偏置电压V1，且在第一N掺杂区308和第三P型掺杂区305之间提供有第二偏置电压V2。由此，实现吸收区和雪崩区对应的电场的独立调节，并能够进一步提高增益带宽。
需要说明的是，第一偏置电压V1和所述偏置电压V2是相对独立的，第一偏置电压V1作用于吸收区，其值为可为1至4伏。而第二偏置电压V2作用于雪崩区，其值可以为3至20伏。
在一些实施例中，第二本征区306在第一方向X上的尺寸为50nm至800nm，也就是说第二本征区306的宽度在上述区间内。由此，在实现较高增益的同时实现大的带宽。由于第二本征区306为本发明实施例的雪崩光电探测器的雪崩区，因此，第二本征区306第一方向X上的尺寸不宜太小。例如，小于50nm时，从吸收区运动过来的电子没有充分的雪崩空间，不能有效地被吸收，倍增效果较差。其尺寸也不宜过大，否则雪崩区两端所需的电压要求过高，电子发生雪崩的时间过长，响应降低，影响探测效果。
在一些实施例中，所述第二半导体层在第一方向X上的尺寸为150nm至1500nm，在第二方向Y上的尺寸为1μm至100μm，并且在第三方向Z上的尺寸为150nm至600nm。本发明实施例中的第二半导体层的尺寸限定在上述范围内，能够降低噪声的同时，减少暗电流的产生。
这里，在描述所述第二半导体层的尺寸时，可以不考虑第二半导体层在外延生长过程中的上下表面的尺寸差异。
需要说明的是，所述第二半导体层400在平行于所述衬底10的形状可以是规则的矩形，也可以具有沿所述第一方向X具有一定尺寸的倒角的梯形。作为示例图1仅示出了第二半导体层400为矩形形状的情况。
本发明的雪崩光电探测器还可以包括覆盖所述第一半导体层300、第二半导体层400、第一电极501、第二电极502和第三电极503的覆盖层800(参见图5f)。
需要说明的是，本发明的雪崩光电探测器的结构也可以为其自身的镜像结构，例如，参考图3，本发明实施例中的第一方向X为从右到左，则镜像结构的第一方向X’为从左到右。因此，本发明实施例所提供的雪崩光电探测器及其镜像结构均在本发明保护的范围之内。
本发明实施例提供的雪崩光电探测器包括：
衬底，所述衬底的表面包括第一半导体层；位于所述第一半导体层之上的第二半导体层，所述第二半导体层的材料不同于所述第一半导体层的材料；位于所述第一半导体层之上的光波导，包括靠近光入射端的前端和远离所述光入射端的末端，其中，所述第一半导体层包括在第一方向上依次排列的第一P型掺杂区、第二P型掺杂区、第三N型掺杂区、第一本征区、第三P型掺杂区、第二本征区、第二N型掺杂区和第一N型掺杂区，所述第一至第三P型掺杂区的掺杂剂浓度依次递减，且所述第一至第三N型掺杂区的掺杂剂浓度依次递减，所述第一方向为所述雪崩光电探测器的电子流动方向；所述第一半导体层中的第二P型掺杂区的紧邻所述第一P型掺杂区的部分区域具有的第一高度H1低于所述第一半导体层中其他区域具有第二高度H2以形成沿第二方向上延伸的槽，所述第二方向为垂直于所述第一方向且垂直于所述衬底表面的方向；所述第二半导体层沿所述第一方向依次覆盖所述第二P型掺杂区的第二高度H2的部分区域、所述第三N型掺杂区、所述第一本征区和所述第三P型掺杂区的部分区域；所述光波导位于所述槽中且布置成大体沿第二方向延伸且与第二方向成预设夹角，以使其前端靠近所述第一P型掺杂区且末端靠近所述第二P型掺杂区的第二高度H2的部分；所述第一N型掺杂区连接有第一电极；所述第三P型掺杂区连接有第二电极；所述第一P型掺杂区连接有第三电极。由于多个被掺杂的电荷区以及作为雪崩区的第二本征区均在第一半导体层中，因此不需要额外外延制作单晶硅，制作相对简单，利于降低成本；此外此外，由于光波导在第二P型掺杂区的紧邻第一P型掺杂区的部分区域上方设置的，光波导与第二半导体层之间存在有部分第二P型掺杂区，因此能够使光更缓慢且稳定传递至第二半导体层以形成光生电子，最后，由于第一N型掺杂区连接有第一电极，第三P型掺杂区连接有第二电极，第一P型掺杂区连接有第三电极，后续可以通过在这三个电极上独立地施加偏置电压，因此能够使位于作为吸收区的第二半导体层和作为雪崩区的第二本征区的电场可以独立调节，对掺杂区浓度精度容忍度较好，有利于实现低噪声、高增益带宽。
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4以及5a至5g。如图所示，所述方法包括以下步骤：
步骤201：提供衬底，所述衬底的表面上包括第一半导体层；
步骤202：执行选择性掺杂工艺，以在所述第一半导体层上沿第一方向上形成依次排列的第一P型掺杂区、第二P型掺杂区、第三N型掺杂区、第一本征区、第三P型掺杂区、第二本征区、第二N型掺杂区和第一N型掺杂区，其中，在执行选择性掺杂工艺之前，在待形成所述第二P型掺杂区的紧临所述第一P型掺杂区的部分区域上形成两个楔形槽，以在所述两个楔形槽之间保留部分第一半导体层。
步骤203：形成第二半导体层，所述第二半导体层的材料不同于所述第一半导体层材料，且在所述第一方向上依次覆盖部分所述第二P型掺杂区、所述第三N型掺杂区、所述第一本征区和部分所述第三P型掺杂区；
步骤204：形成垂直所述衬底平面方向而设置的第一电极、第二电极和第三电极，所述第一电极与所述第一N型掺杂区电连接；所述第二电极与所述第三P型掺杂区电连接，且所述第三电极与所述第一P型掺杂区电连接。
上述第一方向为所述雪崩光电探测器的电子流动方向。
下面，结合图5a至图5g中雪崩光电探测器的制备过程中的器件结构剖视图，对本发明实施例提供的雪崩光电探测器及其制备方法再作进一步详细的说明。
首先，执行步骤201。提供衬底，所述衬底包括第一半导体层。
请参考图5a，提供衬底10；衬底10可以包括多层结构，而多层结构之上进一步生长有功能层。因此，本发明的衬底10可包括多层结构，其中，衬底10的表面包括第一半导体层300，而位于表面之下的层可以包括单质半导体材料(例如为硅(Si)、锗(Ge)等)、复合半导体材料(例如为锗硅(SiGe)等)以及其氧化物构成的绝缘层，因此，衬底10可以是或绝缘体上硅(SOI)或绝缘体上锗(GeOI)等。
本申请实施例以所述衬底10为SOI为例进行说明。可以理解，所述第一半导体层300位于本发明衬底10的表面。
衬底10还包括位于第一半导体层300下的中间层200(实际应用中可以是绝缘层)以及底层100(实际应用中可以是硅层)。所述绝缘层200例如为二氧化硅层，其可以直接通过对底层100进行热氧化而获得。底层100与所述第一半导体层300相比可以具有更厚的厚度。
在该步骤中，在执行后续选择性掺杂工艺步骤之前，在待形成所述第二P型掺杂区的紧临所述第一P型掺杂区的部分区域上形成两个楔形槽C；参考图5b和图5c。由此，在所述两个楔形槽C之间保留部分第一半导体层G，且所保留的部分第一半导体层G不进行掺杂或进行轻掺杂；这里，这部分第一半导体层G不进行掺杂或轻掺杂的是为了在所形成的光电探测器中用作光波导以传递光的能量至后续部分。
实际工艺中，可通过掩膜版结合刻蚀，以形成上述两个楔形槽C，由此在两个楔形槽C形成部分第一半导体层G。
接下来，执行选择性掺杂工艺，参考图5d，以在所述第一半导体层300上沿第一方向X上形成依次排列的第一P型掺杂区301、第二P型掺杂区302、第三N型掺杂区303、第一本征区304、第三P型掺杂区305、第二本征区306、第二N型掺杂区307和第一N型掺杂区308。
如上所述的，在两个楔形槽C之间保留的部分第一半导体层G是未掺杂或轻掺杂的，在实际工艺中，可利用掩膜版光刻工艺，依次对需要掺杂的区域进行开窗口。随后在窗口中进行离子注入，以形成上述掺杂浓度不同的掺杂区。通过利用合适的离子注入工艺，使部分第一半导体层G是未掺杂或轻掺杂的。
具体地，上述所述第一P型掺杂区或所述第一N型掺杂区的掺杂浓度为1×1020/cm3～5×1020/cm3，所述第二P型掺杂区或所述第二N型掺杂区的掺杂浓度为2×1017/cm3～5×1018/cm3，所述第三P型掺杂区或所述第三N型掺杂区的掺杂浓度为1.2×1017～4×1017/cm3。在一些实施例中，以第一P型掺杂区301、第二P型掺杂区302、第三P型掺杂区305中掺杂剂为硼(B)元素；而第一N型掺杂区308、第二N型掺杂区307、第三N型掺杂区303的掺杂剂为磷(P)元素或砷(As)元素。
接下来，执行步骤203。请参考图5e，形成第二半导体层400，且在第一方向X上覆盖所述第一本征区304和第三N型掺杂区303，且覆盖部分第二P型掺杂区302和第三P型掺杂区305。
在一些实施例中，首先形成覆盖第一半导体材料300的初始第二半导体层400’(图中未示出)，然后利用图形化的光刻胶层对初始第二半导体层400’进行刻蚀以形成第二半导体层400，再除去光刻胶层。
这里，所形成的第二半导体层400为矩形形状(其形状可参考图1或图2中第二半导体层400)。
在一些实施例中，第一半导体层的材料不同于第二半导体层的材料。例如，在第一半导体层的材料为Si的情况下，第二半导体层的材料为锗、锗硅合金、III-V族材料及其合金。
本发明实施例的雪崩光电探测器中的一个具体实施例中，第一半导体层的材料为硅，第二半导体层的材料为锗，换句话说，本发明实施例的雪崩光电探测器为锗硅雪崩光电探测器。
可利用分子束外延生长等工艺外延生长高质量多晶锗材料，即形成第二半导体层400。
接下来进行步骤204。可参考图5f。形成垂直所述衬底平面方向而设置的第一电极501、第二电极502和第三电极503，所述第一电极501与所述第一N型掺杂区308电连接；所述第二电极502与所述第三P型掺杂区305电连接，且所述第三电极503与所述第一P型掺杂区301电连接。
在一些实施例中，所述形成垂直所述衬底平面方向而设置的第一电极501、第二电极502和第三电极503包括：
形成覆盖所述第一半导体层300和所述第二半导体层400的覆盖层800；
分别在第一N型掺杂区308、第三P型掺杂区305和第一N型掺杂区308上方形成第一窗口、第二窗口和第三窗口；
在所述第一窗口、第二窗口和第三窗口填充金属材料以形成第一电极501、第二电极502和第三电极503。
在一个实施例中，覆盖层800可直接采用绝缘材料形成。参考图5g，可首先利用绝缘材料，例如二氧化硅形成覆盖层800以覆盖已掺杂的第一半导体层300和第二半导体层400。然后利用光刻与电感等离子刻蚀在所述覆盖层800上进行开窗口，形成第一窗口、第二窗口和第三窗口以暴露出第一半导体层300中的第一N型掺杂区308、第三P型掺杂区305和第一P型掺杂区301的表面，然后利用例如磁控溅射工艺在第一窗口、第二窗口和第三窗口中沉积金属材料，以分别形成第一N型掺杂区308、第三P型掺杂区305和第一P型掺杂区301电连接的第一电极501、第二电极502和第三电极503。
在形成电极后，还可以对覆盖层800的上表面进行平坦化的步骤，具体可以采用化学机械研磨(CMP)工艺。如此，可通过外部引线在第一电极501和第二电极502之间，以及第一电极501和第三电极503之间施加不同的电压，从而在第一电极501和第三电极503之间，以及在第一电极501和第三电极503提供偏置电压。
需要说明的是，本发明提供的雪崩光电探测器实施例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。但需要进一步说明的是，本发明实施例提供的雪崩光电探测器，其各技术特征组合已经可以解决本发明所要解决的技术问题；因而，本发明实施例所提供的雪崩光电探测器可以不受本发明实施例提供的雪崩光电探测器的制备方法的限制，任何能够形成本发明实施例所提供的雪崩光电探测器结构的制备方法所制备的雪崩光电探测器均在本发明保护的范围之内。
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 (12)
1.一种雪崩光电探测器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底的表面包括第一半导体层；
位于所述第一半导体层之上的第二半导体层，所述第二半导体层的材料不同于所述第一半导体层的材料；和
位于所述第一半导体层之上的光波导，包括靠近光入射端的前端和远离所述光入射端的末端，
其中，
所述第一半导体层包括在第一方向上依次排列的第一P型掺杂区、第二P型掺杂区、第三N型掺杂区、第一本征区、第三P型掺杂区、第二本征区、第二N型掺杂区和第一N型掺杂区，所述第一至第三P型掺杂区的掺杂剂浓度依次递减，且所述第一至第三N型掺杂区的掺杂剂浓度依次递减，所述第一方向为所述雪崩光电探测器的电子流动方向；
所述第一半导体层中的第二P型掺杂区的紧邻所述第一P型掺杂区的部分区域具有的第一高度H1低于第一半导体层中其他区域具有第二高度H2以形成沿第二方向上延伸的槽，所述第二方向为垂直于所述第一方向且平行于所述衬底表面的方向；
所述第二半导体层沿所述第一方向依次覆盖所述第二P型掺杂区的第二高度H2的部分区域、所述第三N型掺杂区、所述第一本征区和所述第三P型掺杂区的部分区域；
所述光波导位于所述槽中且布置成大体沿第二方向延伸且与第二方向成预设夹角，以使其前端靠近所述第一P型掺杂区且末端靠近所述第二P型掺杂区的第二高度H2的部分；且
所述第一N型掺杂区连接有第一电极；所述第三P型掺杂区连接有第二电极；所述第一P型掺杂区连接有第三电极。
2.根据权利要求1所述雪崩光电探测器，其特征在于，所述光波导是未掺杂的或轻掺杂的。
3.根据权利要求1所述雪崩光电探测器，其特征在于，所述第一电极和第三电极之间设置有第一反向偏置电压V1，且所述第一电极和第二电极之间设置有第二反向偏置电压V2。
4.根据权利要求1所述雪崩光电探测器，其特征在于，所述第一半导体层的材料为硅，且所述第二半导体层的材料为锗、锗硅合金、III-V族材料及其合金。
5.根据权利要求1所述雪崩光电探测器，其特征在于，所述第一P型掺杂区或所述第一N型掺杂区的掺杂剂浓度为1×1020/cm3～5×1020/cm3，所述第二P型掺杂区或所述第二N型掺杂区的掺杂剂浓度为2×1017/cm3～5×1018/cm3，所述第三P型掺杂区或所述第三N型掺杂区的掺杂剂浓度为1.2×1017～4×1017/cm3。
6.根据权利要求1所述雪崩光电探测器，其特征在于，所述第二本征区在所述第一方向上的尺寸为50nm至800nm。
7.根据权利要求1所述雪崩光电探测器，其特征在于，所述第二半导体层在所述第一方向上的尺寸为150nm至1500nm，在所述第二方向上的尺寸为1μm至100μm，并且在所述第三方向上的尺寸为150nm至600nm，其中，所述第三方向为垂直于所述衬底的方向，且所述第二方向垂直于所述第三方向且垂直于所述第一方向。
8.一种雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底，所述衬底的表面上包括第一半导体层；
执行选择性掺杂工艺，以在所述第一半导体层上沿第一方向上形成依次排列的第一P型掺杂区、第二P型掺杂区、第三N型掺杂区、第一本征区、第三P型掺杂区、第二本征区、第二N型掺杂区和第一N型掺杂区，所述第一至第三P型掺杂区的掺杂剂浓度依次递减，且所述第一至第三N型掺杂区的掺杂剂浓度依次递减，其中，在执行选择性掺杂工艺之前，在待形成所述第二P型掺杂区的紧临所述第一P型掺杂区的部分区域上形成两个楔形槽，以在所述两个楔形槽之间保留部分第一半导体层，且所保留的部分第一半导体层是不掺杂或轻掺杂的；
形成第二半导体层，所述第二半导体层的材料不同于所述第一半导体层材料，且在所述第一方向上依次覆盖部分所述第二P型掺杂区、所述第三N型掺杂区、所述第一本征区和部分所述第三P型掺杂区；
形成垂直所述衬底平面方向而设置的第一电极、第二电极和第三电极，所述第一电极与所述第一N型掺杂区电连接；所述第二电极与所述第三P型掺杂区电连接，且所述第三电极与所述第一P型掺杂区电连接；
所述第一方向为所述雪崩光电探测器的电子流动方向。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述保留的部分第一半导体层是不掺杂或轻掺杂的。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一半导体层的材料为硅，且所述第二半导体层的材料为锗、锗硅合金、III-V族材料及其合金。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一P型掺杂区或所述第一N型掺杂区的掺杂剂浓度为1×1020/cm3～5×1020/cm3，所述第二P型掺杂区或所述第二N型掺杂区的掺杂剂浓度为2×1017/cm3～5×1018/cm3，所述第三P型掺杂区或所述第三N型掺杂区的掺杂剂浓度为1.2×1017～4×1017/cm3。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述形成垂直所述衬底平面方向而设置的第一电极、第二电极和第三电极包括：
形成覆盖所述第一半导体层和所述第二半导体层的覆盖层；
分别在所述第一N型掺杂区、所述第三P型掺杂区和所述第一P型掺杂区的沿第二方向的一端形成第一窗口、第二窗口和第三窗口，以暴露述第一P型掺杂区、所述第三P型掺杂区和所述第一N型掺杂区的部分表面；
在所述第一窗口、第二窗口和第三窗口填充金属以形成第一电极、第二电极和第三电极。
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