CN115832078A - 一种光电探测器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光电探测器及其制造方法，在目标衬底上形成有多层光电探测膜层，光电探测膜层包括依次层叠的第一类型掺杂的第一膜层、第二膜层和第二类型掺杂的第三膜层，第一类型掺杂和第二类型掺杂中的其中一个为P型掺杂，另一个为N型掺杂，也就是说，第一类型掺杂的第一膜层、第二膜层和第二类型掺杂的第三膜层构成了一个基于硅锗/硅异质结的光电探测膜层，即构成了一个光电探测单元，能够实现光电转化，多层光电探测膜层重复交叠，即多个光电探测单元的垂直串联，能够直接提高光电探测器的光电转化效率，并且不同数量的光电探测膜层也能对应不同的光生电动势，实现对于光电探测器光生电动势的调控需求。

Description

一种光电探测器及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种光电探测器及其制造方法。

背景技术

随着当前半导体相关技术的发展，半导体器件也广泛应用于多种领域，半导体器件例如光电探测器，能够将光信号转换为电信号，可以应用于探测或者成像等领域。

当前存在对于光电探测器的光生电动势的调控需求，以满足多种应用场景，但是目前对于光生电动势的调控大部分都是基于对光电探测器进行复杂的材料改进以及掺杂工艺，并且存在掺杂工艺制造得到的光电探测器电压较低以及光电转化效率较低的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种光电探测器及其制造方法，能够满足对光电探测器光生电动势的调控需求，提高光电转化效率。

本申请实施例提供了一种光电探测器，所述光电探测器包括：

在目标衬底上形成有多层光电探测膜层；

所述光电探测膜层包括依次层叠的第一类型掺杂的第一膜层、第二膜层和第二类型掺杂的第三膜层；

所述第一类型掺杂和所述第二类型掺杂中的其中一个为P型掺杂，另一个为N型掺杂，所述第二膜层的材料为硅锗，所述第一膜层和所述第三膜层的材料至少包括硅。

可选地，所述第一类型掺杂的第一膜层为P型掺杂的硅，所述第二类型掺杂的第二膜层为N型掺杂的硅。

可选地，所述光电探测器的光生电动势和所述光电探测膜层的层数正相关。

可选地，所述光电探测膜层的层数小于或等于100。

可选地，所述第二膜层中锗的浓度范围为0.1-0.99。

本申请实施例提供一种光电探测器的制造方法，所述方法包括：

在目标衬底上依次形成多层光电探测膜层；

所述光电探测膜层包括依次层叠的第一类型掺杂的第一膜层、第二膜层和第二类型掺杂的第三膜层；

所述第一类型掺杂和所述第二类型掺杂中的其中一个为P型掺杂，另一个为N型掺杂，所述第二膜层的材料为硅锗，所述第一膜层和所述第二膜层的材料至少包括硅。

可选地，所述在目标衬底上依次形成多层光电探测膜层包括：

利用减压化学气相沉积在所述目标衬底上依次形成多层光电探测膜层。

可选地，所述多层光电探测膜层包括第一光电探测膜层，所述第一光电探测膜层包括第一类型掺杂的第一子膜层，所述在目标衬底上依次形成多层光电探测膜层包括：

利用掺杂工艺在所述目标衬底上形成所述第一子膜层，利用减压化学气相沉积在所述第一子膜层上依次形成多层光电探测膜层。

可选地，所述光电探测器的光生电动势和所述光电探测膜层的层数正相关。

可选地，所述光电探测膜层的层数小于或等于100。

本申请实施例提供了一种光电探测器，光电探测器包括：在目标衬底上形成有多层光电探测膜层，光电探测膜层包括依次层叠的第一类型掺杂的第一膜层、第二膜层和第二类型掺杂的第三膜层，第一类型掺杂和第二类型掺杂中的其中一个为P型掺杂，另一个为N型掺杂，第二膜层的材料为硅锗，第一膜层和第二膜层的材料至少包括硅，也就是说，第一类型掺杂的第一膜层、第二膜层和第二类型掺杂的第三膜层构成了一个基于硅锗/硅异质结的光电探测膜层，即构成了一个光电探测单元，能够实现光电转化，多层光电探测膜层重复交叠，即多个光电探测单元的垂直串联，能够直接提高光电探测器的光电转化效率，并且不同数量的光电探测膜层也能对应不同的光生电动势，实现对于光电探测器光生电动势的调控需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1示出了本申请实施例提供的一种光电探测器的结构示意图；

图2示出了本申请实施例提供的另一种光电探测器的结构示意图；

图3示出了本申请实施例提供的一种光电探测器的制造方法的流程示意图；

图4-图5示出了根据本申请实施例提供的制造方法制造光电探测器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

本申请结合示意图进行详细描述，在详述本申请实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本申请保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

随着当前半导体相关技术的发展，半导体器件也广泛应用于多种领域，半导体器件例如光电探测器，能够将光信号转换为电信号，可以应用于探测或者成像等领域。

当前存在对于光电探测器的光生电动势的调控需求，以满足多种应用场景，但是目前对于光生电动势的调控大部分都是基于对光电探测器进行复杂的掺杂工艺，并且存在掺杂工艺制造得到的光电探测器电压较低以及光电转化效率较低的问题。

基于此，本申请实施例提供了一种光电探测器，光电探测器包括：在目标衬底上形成有多层光电探测膜层，光电探测膜层包括依次层叠的第一类型掺杂的第一膜层、第二膜层和第二类型掺杂的第三膜层，第一类型掺杂和第二类型掺杂中的其中一个为P型掺杂，另一个为N型掺杂，第二膜层的材料为硅锗，第一膜层和第二膜层的材料至少包括硅，也就是说，第一类型掺杂的第一膜层、第二膜层和第二类型掺杂的第三膜层构成了一个基于硅锗/硅异质结的光电探测膜层，即构成了一个光电探测单元，能够实现光电转化，多层光电探测膜层重复交叠，即多个光电探测单元的垂直串联，能够直接提高光电探测器的光电转化效率，并且不同数量的光电探测膜层也能对应不同的光生电动势，实现对于光电探测器光生电动势的调控需求。

为了更好地理解本申请的技术方案和技术效果，以下将结合附图对具体的实施例进行详细的描述。

参见图1，该图为本申请实施例提供的一种光电探测器的结构示意图。

本实施例提供的光电探测器100包括：目标衬底110和光电探测膜层120。

具体的，目标衬底110可以是半导体衬底，例如硅衬底。光电探测膜层120的数量可以是多个，即多层光电探测膜层120在目标衬底110上周期性交叠。

在本申请的实施例中，光电探测膜层120包括依次层叠的第一类型掺杂的第一膜层121、第二膜层122和第二类型掺杂的第三膜层123。具体的，第一类型掺杂和第二类型掺杂中的其中一个为P型掺杂，另一个为N型掺杂，第二膜层122的材料为硅锗，第一膜层121和第三膜层123的材料至少包括硅，也就是说，第一膜层121和第三膜层123为P型掺杂或者N型掺杂的硅，第二膜层的材料为硅锗，第一膜层121、第三膜层123分别和第二膜层122形成硅锗/硅异质结，即第一膜层121、第二膜层122和第三膜层123形成的光电探测膜层，为一个独立的光电探测单元，能够实现光电信号转换。

作为一种可能的实现方式，第一类型掺杂的第一膜层可以为P型掺杂的硅，第二类型掺杂的第二膜层可以为N型掺杂的硅。P型掺杂或N型掺杂的离子浓度范围可以是1E19-1E22，相邻的P型掺杂与N型掺杂形成欧姆接触，确保产生电动势主要与光电探测膜层120的数量严格正相关。

在本申请的实施例中，由于一层光电探测膜层120就能形成一个独立的光电探测单元，多层光电探测膜层120周期性交叠，就能够实现多个光电探测单元垂直串联，实现多个光电探测单元都进行光电转换，提高光电探测器100的光电转换效率。此外，多个光电探测膜层120产生的光生电动势大于一个光电探测膜层120产生的光生电动势，不同数量的光电探测膜层120也能对应不同的光生电动势，这样可以通过调整光电探测膜层120的数量实现对于光电探测器100光生电动势的调控需求。

在本申请的实施例中，光电探测器100的光生电动势和光电探测膜层120的层数正相关，也就是说，光电探测器100的光生电动势可以通过光电探测膜层120的层数进行线性调控，例如可以通过增加光电探测膜层120的层数增加光电探测器100的光生电动势，可以通过降低光电探测膜层120的层数降低光电探测器100的光生电动势。

具体的，光电探测膜层120的层数小于或等于100，也就是说，光电探测膜层120的层数范围为0-100。

在本申请的实施例中，第二膜层122中锗的浓度范围为0.1-0.99，也就是说，可以通过调控锗的浓度实现对于光电探测膜层120的光生电动势的调控，进而实现对于整体光电探测器100的光生电动势的调控。

在本申请的实施例中，第一膜层121、第二膜层122和第三膜层123的厚度也能够影响每个光电探测膜层120的光生电动势，也就是说，可以通过调控第一膜层121、第二膜层122或第三膜层123的厚度，进而实现对于整体光电探测器100的光生电动势的调控。

在本申请的实施例中，光电探测器100还可以包括隔离层130，参考图2所示，隔离层130位于光电探测膜层120的侧壁，用于保护以及隔离不同的光电探测器100。隔离层130的材料可以是氮化硅或者氧化硅。

在本申请的实施例中，多层光电探测膜层120包括第一光电探测膜层1201，第一光电探测膜层1201包括第一类型掺杂的第一子膜层1211，其中，第一子膜层1211和目标衬底110接触，即第一子膜层1211设置于目标衬底110上，不同的光电探测器100可以利用第一子膜层1211作为共同电引出的膜层。

本申请实施例提供了一种光电探测器，光电探测器包括：在目标衬底上形成有多层光电探测膜层，光电探测膜层包括依次层叠的第一类型掺杂的第一膜层、第二膜层和第二类型掺杂的第三膜层，第一类型掺杂和第二类型掺杂中的其中一个为P型掺杂，另一个为N型掺杂，第二膜层的材料为硅锗，第一膜层和第二膜层的材料至少包括硅，也就是说，第一类型掺杂的第一膜层、第二膜层和第二类型掺杂的第三膜层构成了一个基于硅锗/硅异质结的光电探测膜层，即构成了一个光电探测单元，能够实现光电转化，多层光电探测膜层重复交叠，即多个光电探测单元的垂直串联，能够直接提高光电探测器的光电转化效率，并且不同数量的光电探测膜层也能对应不同的光生电动势，实现对于光电探测器光生电动势的调控需求。

基于以上实施例提供的一种光电探测器，本申请实施例还提供了一种光电探测器的制造方法，下面结合附图来详细说明其工作原理。

参见图3，该图为本申请实施例提供的一种光电探测器的制造方法的流程示意图。

本实施例提供的光电探测器的制造方法包括以下步骤：

S101，在目标衬底110上依次形成多层光电探测膜层120，参考图5所示。

在本申请的实施例中，可以在目标衬底110上依次形成多层光电探测膜层120，其中，光电探测膜层120包括依次层叠的第一类型掺杂的第一膜层121、第二膜层122和第二类型掺杂的第三膜层123，第一类型掺杂和第二类型掺杂中的其中一个为P型掺杂，另一个为N型掺杂，第二膜层122的材料为硅锗，第一膜层121和第三膜层123的材料至少包括硅。

在实际制造过程中，可以利用减压化学气相沉积(Reduced Pressure ChemicalVapor Deposition，RPCVD)在目标衬底110上依次形成多层光电探测膜层120，也就是说，可以利用RPCVD工艺依次形成第一膜层121、第二膜层122和第三膜层123。

在本申请的实施例中，多层光电探测膜层120包括第一光电探测膜层1201，第一光电探测膜层1201包括第一类型掺杂的第一子膜层1211，第一子膜层1211和目标衬底110接触，即第一子膜层1211设置于目标衬底110上，不同的光电探测器100可以利用第一子膜层1211作为共同电引出的膜层。

具体可以利用掺杂工艺在目标衬底110上形成第一子膜层1211，参考图4所示，而后利用减压化学气相沉积在第一子膜层1211上依次形成多层光电探测膜层120。

作为一种示例，可以利用掺杂工艺在目标衬底110上上形成P型掺杂的第一子膜层1211，掺杂离子可以为B、BF²⁺，能量为1KeV～100KeV，角度7°～87°。利用掺杂工艺形成第一子膜层1211，可以实现第一子膜层1211的重掺杂效果，并且工艺成本较低。

在利用减压化学气相沉积工艺形成周期性重复的光电探测膜层120之后，可以对多层光电探测膜层120进行刻蚀，具体可以刻蚀至第一子膜层1211，而后沉积隔离层130，隔离层130位于多个光电探测膜层120的侧壁，暴露顶层第三膜层123的表面，参考图2所示。

具体的，隔离层120的厚度可以为5nm-100nm，可以利用原子层沉积(Atomic LayerDeposition，ALD)、低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)或等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)形成隔离层130。

由以上工艺可以看出，本申请实施例在形成光电探测膜层120时主要采用RPCVD工艺，能够形成结晶质量较高的膜层，能够实现高光电效率的光电探测器。

在本申请的实施例中，光电探测器100的光生电动势和光电探测膜层120的层数正相关，也就是说，光电探测器100的光生电动势可以通过光电探测膜层120的层数进行线性调控，例如可以通过增加光电探测膜层120的层数增加光电探测器100的光生电动势，可以通过降低光电探测膜层120的层数降低光电探测器100的光生电动势。

具体的，光电探测膜层120的层数小于或等于100，也就是说，光电探测膜层120的层数范围为0-100。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处

以上所述仅是本申请的优选实施方式，虽然本申请已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本申请。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本申请技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种光电探测器，其特征在于，所述光电探测器包括：

在目标衬底上形成有多层光电探测膜层；

所述光电探测膜层包括依次层叠的第一类型掺杂的第一膜层、第二膜层和第二类型掺杂的第三膜层；

所述第一类型掺杂和所述第二类型掺杂中的其中一个为P型掺杂，另一个为N型掺杂，所述第二膜层的材料为硅锗，所述第一膜层和所述第三膜层的材料至少包括硅。

2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述第一类型掺杂的第一膜层为P型掺杂的硅，所述第二类型掺杂的第二膜层为N型掺杂的硅。

3.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器的光生电动势和所述光电探测膜层的层数正相关。

4.根据权利要求3所述的光电探测器，其特征在于，所述光电探测膜层的层数小于或等于100。

5.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述第二膜层中锗的浓度范围为0.1-0.99。

6.一种光电探测器的制造方法，其特征在于，所述方法包括：

在目标衬底上依次形成多层光电探测膜层；

所述光电探测膜层包括依次层叠的第一类型掺杂的第一膜层、第二膜层和第二类型掺杂的第三膜层；

所述第一类型掺杂和所述第二类型掺杂中的其中一个为P型掺杂，另一个为N型掺杂，所述第二膜层的材料为硅锗，所述第一膜层和所述第二膜层的材料至少包括硅。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述在目标衬底上依次形成多层光电探测膜层包括：

利用减压化学气相沉积在所述目标衬底上依次形成多层光电探测膜层。

8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述多层光电探测膜层包括第一光电探测膜层，所述第一光电探测膜层包括第一类型掺杂的第一子膜层，所述在目标衬底上依次形成多层光电探测膜层包括：

利用掺杂工艺在所述目标衬底上形成所述第一子膜层，利用减压化学气相沉积在所述第一子膜层上依次形成多层光电探测膜层。

9.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述光电探测器的光生电动势和所述光电探测膜层的层数正相关。

10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述光电探测膜层的层数小于或等于100。

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