CN116207178A - 一种异质半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种异质半导体器件，至少包括由第一半导体材料构成的第一部件和第二半导体材料构成的第二部件，第一部件和第二部件一般为层状结构(片状结构)；所述的第一部件和第二部件分别构成所述半导体器件的第一活性区域和第二活性区域；所述的第一部件和第二部件仅通过由第三半导体材料构成的第三部件连接，减少了界面面积，进而减少了缺陷数量，能减小器件噪声，提高信噪比。

Description

一种异质半导体器件
技术领域
本发明属于半导体器件，尤其涉及一种异质半导体器件，可用于光电池提升光电转换效率，也可以用于探测器，大大提高信噪比。
背景技术
通过将不同半导体材料结合起来可以实现各种高性能的异质器件：利用异质结构，将不同材料的优良物理特性结合，例如将高载流子迁移率的材料和高光子吸收系数的材料制异质结，可以实现高性能的光电器件等。
但是，目前的异质材料集成技术，包括但不仅限于平面外延，会在不同材料的界面处产生大量缺陷。这是因为不同材料间的存在晶格失配和热失配等，这会导致不同材料的界面处产生应力，为了释放掉这些应力，材料会在界面处产生缺陷，尤其是线性位错等缺陷甚至会传递到半导体材料内部。由于不同半导体材料之间的界面存在大量缺陷，使得探测器产生噪声、光电池产生载流子复合损耗。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种异质半导体器件，至少包括由第一半导体材料构成的第一部件和第二半导体材料构成的第二部件，第一部件和第二部件一般为层状结构(片状结构)；所述的第一部件和第二部件分别构成所述半导体器件的第一活性区域和第二活性区域；所述的第一部件和第二部件仅通过由第三半导体材料构成的第三部件连接，以减少所述第一部件和第二部件的连通面积。由于通常异质材料的晶格失配较大，如果直接将第一部件和第二部件连接在一起，二者界面将产生大量缺陷，而通过第三部件连接第一部件和第二部件，减少了界面面积，进而减少了缺陷数量。而缺陷数量的减少可以减少半导体中产生的复合中心，使得探测器的噪声减少，提高信噪比，也可以降低载流子复合损耗，从而提高光电池的光电转换效率。
为了减少所述第一部件和第二部件的连通面积，第三部件的截面为上下宽度相同的柱形结构或上下宽度不同的梯形结构，但不限于此。柱形结构的第三部件与上下第一部件和第二部件形成工字型结构；截面为梯形结构的第三部件至少其顶面面积小于所述第一部件或第二部件的面积。
第三半导体材料的晶格常数等于或接近第一半导体材料或第二半导体材料的晶格常数，也就是说，第三半导体材料可以为第一半导体材料或第二半导体材料，或者其他不同于第一半导体材料或第二半导体材料，但其晶格常数等于或接近第一半导体材料或第二半导体材料。
或者，第三半导体材料的晶格常数介于第二半导体材料和第一半导体材料的晶格常数之间，例如，第二半导体材料和第一半导体材料组成的固溶体；在通过面积因素减少缺陷的前提下，选择介于(包括等于)第二半导体材料和第一半导体材料的晶格常数之间的第三半导体材料，可以进一步减小各层间的晶格失配，提高晶体质量。
因此，可以选择晶格常数α满足：0.9α1≤α≤1.1α2的第三半导体材料，其中，α1、α2为第一半导体材料、第二半导体材料的晶格常数；或α1、α2为第二半导体材料、第一半导体材料的晶格常数。
在本发明的某些实施例中，第三部件是通过刻蚀形成的，具体的，通过在平面的衬底(可以是第一部件或第二部件)上将半导体材料刻蚀掉一定深度的环形闭合区域，留下的中心部分即为第三部件。
在本发明的某些实施例中，第三部件是通过键合wafer bonding的方式连接与第一部件或第二部件的，具体的，先在第一或第二部件上形成第三器件，再通过晶圆键合的方式将其结合起来。
在本发明的某些实施例中，第三部件，甚至第二部件，都是从第一部件表面外延生长得到的。作为优选的方案，所述第三部件是在一约束通道内，从所述第一部件表面外延生长得到。线性缺陷在约束通道侧面终止，相较于整个平面的外延方法，可以在远离界面的部分得到高质量的半导体材料。
从器件的结构完整性和力学性能考虑，可以在所述第一部件和第二部件之间的第三部件以外的空间，通过介电材料进行填充。例如使用氧化物填充，对第一部件和第二部件起支撑与限制作用，保证结构的耐用性等，介电材料还可以对半导体表面进行保护和钝化。
本发明适用于现有半导体二极管、三极管、雪崩二极管、叠层光电池等异质半导体器件的改进，通过在异质界面引入第三部件，可以有效提高半导体器件的信噪比。
作为半导体光电二极管，第一半导体材料和第二半导体材料可以为硅、锗、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体、SiC等等，第三半导体材料可以为与第一半导体材料或第二半导体材料相同的材料、或二者的固溶体或混合物、或不同于二者但起到隔离作用以防止二者反应的其他材料；第三部件的引入，在不减少感光区域大小的情况下，光信号强度基本不受影响，同时通过减少了第一部件和第二部件之间的异质材料接触面积，进而减少了器件的缺陷数量，减少了器件的噪声，提高了器件信噪比。
作为多结叠层光电池，第一部件与第二部件可以采用硅、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体、钙钛矿等等，第一部件与第二部件各自有两个相反的掺杂区域以形成pn结，第三部件可以采用第一部件或第二部件相同的材料并掺杂、或是采用其他隧穿材料以在多结叠层光电池中形成隧穿层连接两个pn结；第三部件的引入可以在不显著影响光子吸收的同时减小异质材料的接触面积，从而减少了器件中的缺陷和复合中心，减少了光电池的载流子复合损耗，提高了光电转换效率。
作为雪崩二极管(APD)或单光子雪崩二极管(SPAD)，其具有正负二个电极；所述第一部件和第二部件之一为雪崩区，之二为吸收区，而且，雪崩区和吸收区采用两种不同的材料。以Ge-on-Si SPAD为例进行说明：现有技术中，雪崩区可以采用硅，吸收区可以采用锗。由于雪崩区和吸收区采用两种不同的材料，二者的晶格失配达4％，普通的结合方式将会在界面处甚至半导体体内形成大量缺陷，而本申请第三部件的引入，通过减少界面面积大幅度减少了缺陷量，有效提升了器件的信噪比。
在本发明某些优选的实施例中，在通过面积因素减少缺陷的前提下，在第一部件或第二部件中，还有一掺杂层，以调控雪崩区和吸收区的电场。该掺杂层在器件工作时将被耗尽，仅留下带电荷的离子，从而在两侧形成方向相反的附加电场，与外电场结合后就能在其两侧产生不同的电场强度。
在本发明某些优选的实施例中，在通过面积因素减少缺陷的前提下，第一部件或第二部件表面，设有第三电极，以调控雪崩区和吸收区的电场。通过调控第三电极的电势，减小其与吸收区电极的电势差就能减小吸收区的电场强度，同时相应地，其与雪崩区电极的电势差会增加，从而增加其电场强度。
在本发明某些优选的实施例中，在通过面积因素减少缺陷的前提下，所述第一部件和第二部件之间的第三部件以外的空间，还通过介电材料进行填充；且所述介电材料中设有电极，以调控雪崩区和吸收区的电场。同样的，通过调控第三电极的电势，减小其与吸收区电极的电势差，增加其与雪崩区电极的电势差，就能减小吸收区的电场强度，增加其电场强度。
基于上述半导体器件，本发明还提供高性能光电探测器，其包括上述半导体器件，包括但不限于：紫外探测器(例如200-280纳米日盲波段)、可见光探测器(380-780纳米波段)、短波近红外红外探测器(1310纳米、1550纳米)、中红外波段(2000纳米-3000纳米)。由于本发明半导体器件缺陷数量少，大幅度减少半导体中产生的复合中心，从而这种探测器具有低噪声，高信噪比的特点。
基于上述半导体器件，本发明还提供高性能光伏电池，包括上述半导体器件，包括但不限于叠层光伏电池，双层或多层材料可以吸收不同波段的光，如上层为锗材料，下层为硅材料，；或者上层为碲化镉材料，下层为硅材料。叠层光伏电池可以有效提升光电转化效率。由于本发明半导体器件缺陷数量少，载流子复合损耗低，从而这种光电池具有较高的光电转换效率。
本发明的有益效果在于：本发明通过第三部件连接第一部件和第二部件，减少了界面面积，进而减少了缺陷数量，减少了载流子损失，能增大器件信噪比或提升器件的光电转换效率。
附图说明
图1A和B为本发明异质半导体器件结构示意图之一；
图2为本发明异质半导体器件结构示意图之二；
图3为本发明异质半导体器件结构示意图之三；
图4为雪崩区区域构建方式之一；
图5为雪崩区区域构建方式之二；
图6为雪崩区区域构建方式之三；；
图7为本发明异质半导体器件结构示意图之四；
图8A和B为本发明异质半导体器件结构示意图之五；
图中，第一部件1、第二部件2、第三部件3、电介质填充区域4、雪崩区5、辅助电极6；a、b、c、d为掺杂区域。
具体实施方式
实施例1：
本实施例旨在构建一种高性能半导体器件，尤其是具有高信噪比。
参见说明书图1a和图1b，本实施例的半导体器件包括第一部件1、第二部件2以及连接第一部件1和第二部件2的第三部件3；本实施例中，由于第三部件狭小，为了保证器件的稳定性，在第一部件1和第二部件2的间隙由电介质SiO2填充。
本实施例中，第一部件1与第二部件2采用具有不同带隙宽度的半导体材料，其中，第一部件1的半导体材料为Si；第二部件的半导体材料为InGaAs；第二部件2的半导体材料具有更小的带隙，可以吸收波长较大的光，第一部件1的半导体材料具有更大的带隙，可以吸收波长较小的光。
第一部件1与第二部件2靠外侧各有一掺杂区域，其中第一部件1采用P掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3；第二部件2采用Zn掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3，分别构成图1中的掺杂区域b和掺杂区域a。掺杂区域a和掺杂区域b的掺杂类型相反，其余部分则不掺杂，用于形成p-i-n感光结构。第三部件3采用与第一部件1同质的半导体材料为Si。
为了形成上述高性能半导体器件，本实施例采用如下方法：第三部件3由第一部件1半导体材料的衬底刻蚀形成，并在刻蚀掉的区域填充介质材料SiO2。然后与一在另一晶圆上制备好的第二部件2进行晶圆键合。
对比例1：第一部件和第二部件同实施例1，区别在于，不采用第三部件3；制备过程中直接将第二部件与第一部件通过晶圆键合的方式结合；使之感光区域与实施例1几乎一致，吸收光子的能力相差无几。
输入反向偏压3.3V，以在不掺杂的半导体区域形成有电场的感光区。光线(10W/m2，日光)从第二部件2上方入射，波长较长的光子可在第二部件2的感光区吸收，波长较短的光子则由第一部件1的感光区吸收。
根据读出电路读出的光电流信号，结合测试光源输入的光能量，测得信噪比。实验结果表明，对比例1的半导体二极管的信噪比是实施例1的半导体二极管的信噪比的6.7倍。
根据上述比对，我们可以确定，对比例1中两部件的界面处存在大量缺陷，由于这些缺陷处会产生载流子，器件由非感光因素导致的暗电流很大，噪声很大；而实施例1的器件的主要缺陷仅在第三部件与第二部件接触部，数量较少，产生的噪声较小，没有光子进入器件时的暗电流较小。
实施例2：
如图2，本实施例中，第一部件1与第二部件2采用具有不同带隙宽度的半导体材料，其中，第一部件1的半导体材料为Si；第二部件2与第三部件3的半导体材料为InGaAs；第二部件2的半导体材料具有更小的带隙，可以吸收波长较长的光，第一部件1的半导体材料具有更大的带隙，可以吸收波长较短的光。
本实施例中，第二部件2、第一部件1分别形成一PN结，由此构成了光电池。具体的，第一部件1采用B和P掺杂，掺杂浓度为1×1019cm-3和1×1019cm-3，分别构成图2中的掺杂区域c和掺杂区域d；第二部件2外侧采用Zn掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3，构成图2中的掺杂区域a，第二部件2与第三部件3连接处及第三部件3本身采用Si掺杂，掺杂浓度为1×1019cm-3，构成图2中的掺杂区域b。其余部分则不掺杂，用于形成双结叠层光电池结构中的吸收区域。第三部件相当于导线的作用。
光子从上方进入器件，波长较短的光子被第二部件2吸收，波长较长的光子被第一部件1吸收，二者都能产生电流，为外部负载提供激励。
对比例2：
第一部件和第二部件同实施例2，区别在于，不采用第三部件3；制备过程中直接将第二部件与第一部件通过晶圆键合的方式结合；使之感光区域与实施例2几乎一致，吸收光子的能力相差无几。
实施例2和对比例2构建的器件，采用了异质半导体材料吸收不同波段的光子，其效率较单一半导体材料硅的光电池高。例如，对比例2构建的器件光电转换效率相比于单一半导体材料硅的光电池的效率高出10％。
而实施例2构建的窄部器件的光电转换效率效率和对比例2构建的器件相比，效率进一步提升了10％。可见，本发明的窄部结构对于光电转换效率的提升不亚于异质结构的提升作用。这主要是因为：异质半导体材料接触面积过大，其缺陷较多，光生载流子通过缺陷会导致复合，降低了效率。而本申请的窄部连接方式，使得该器件的缺陷较少，光生载流子通过缺陷复合的概率较小，也使效率更高。
实施例3：
本实施例旨在构建一种高性能雪崩二极管，尤其是具有高信噪比。
参见说明书附图3，本实施例的半导体器件包括第一部件1、第二部件2以及连接第一部件1和第二部件2的第三部件3；本实施例中，由于第三部件狭小，为了保证器件的稳定性，在第一部件1和第二部件2的间隙处由电介质(例如SiO2)填充。
本实施例中，第一部件采用适用于雪崩的材料Si，第二部件采用适用于吸收光子的材料Ge。当然，本领域技术人员也可以材料其他材料，例如适用于雪崩的材料InP等，适用于吸收光子的材料InGaAs等。
本实施例中，第一部件与第二部件外侧各设置一掺杂类型相反的掺杂区域，以形成二极管，其中第一部件1采用P掺杂，掺杂浓度为1×1019cm-3；第二部件2采用B掺杂，掺杂浓度为1×1019cm-3。
本实施例通过如下方法构建上述器件：第三部件通过在第一部件半导体材料衬底上刻蚀形成，刻蚀掉的区域用电介质SiO2填充回去，之后通过晶圆键合的方式将第二部件与第三部件键合。
本实施例采用如下方式在第一部件1形成雪崩区5：
①第一部件中还具有一掺杂区域c，见图4；该掺杂区域c与第二部件掺杂的区域a为同型掺杂(掺杂区域c用B掺杂，掺杂浓度为1×1017cm-3)。
当器件工作时，由于掺杂区域c的载流子会被耗尽，在其区域会留下带净电荷的离子，这些电荷会在两侧形成电场。在雪崩区5一侧，该电场与外电场方向相同，电场叠加增强，形成强电场的雪崩区5；在另一侧，该电场与外电场方向相反，电场相互抵消减弱，形成弱电场的感光和导流区域。
②在第一部件1中掺杂区域b的对侧引入辅助电极6，见图5，且该辅助电极6在第三部件3和第一部件1接触区域之外；本实施例中，辅助电极6的引入是通过掺杂实现，用B掺杂，掺杂浓度为1×1019cm-3，以避免引入较大的漏电流。
调节辅助电极6的电位即可调控该电极两侧的电场：增大其与掺杂区域b的电势差可在第一部件1中形成一强电场区域，即雪崩区域；减小其与掺杂区域a的电势差可在第二部件中形成一较弱电场区域，用于吸收光子。
③在介电材料中加入一辅助电极6，可以调控器件内电场，工作原理与②类似。
本实施例通过上述任一方式形成的雪崩二极管，通上反向偏压，在雪崩区域形成较强的电场，而其余工作区域的电场较小；光子从上方入射后会被第二部件2吸收，从而产生载流子，进一步由电场导流经第三部件3进入第一部件1；当其进入雪崩区后会激发雪崩效应，产生大量载流子，器件电流迅速放大，实现极小信号的极快探测。
由于该器件的异质材料接触面积小，界面及体内缺陷少，由缺陷导致的非感光载流子少，因此器件的雪崩误触发次数较少，器件噪声小。
实施例4：
本实施例结构同实施例3，但构造过程不同，具体为：
首先形成第一部件1，在其上通过沉积形成介质材料(SiO2)区域，并通过刻蚀形成一通孔；第三部件3采用与第二部件2相同的半导体材料Si，通过外延生长的方式从第一部件1表面生长出来，限制在通孔内并填满通孔；之后在第三部件3的基础上继续外延生长第二部件Ge。
由于第三部件生长过程中其线性缺陷等延伸到通孔侧壁就被中止，其本身和在其基础上生长的第二部件不论界面还是体内的缺陷都很少，极大地提高了器件的信噪比；同时，该制造方法较晶圆键合的方式更为简单直接，制造成本更低。而原本用于限制生长的介质材料(SiO2)区域也构成了器件的电介质填充区域4，使得器件整体更稳固。
实施例5：
第一部件与第二部件同实施例3，但是第三部件采用第一部件半导体材料和第二部件半导体材料的固溶体，其组分可采取渐变的方式，即靠近第一部件处组分中第一部件半导体成分更多，靠近第二部件处组分中第二部件半导体成分更多，从而是其与第一部件或第二部件的晶格失配更小，使器件缺陷更少。
同时，该器件可采用ART(Aspect Ratio Trpping，深宽比捕获)技术生长，第三部件的形貌可以弯曲，如图7，从而生长过程中线性缺陷将更多地限制在侧壁上，延伸至第二部件的缺陷会更少。
实施例6：
在某些特殊的使用环境中，需要采用特殊的材料作为第一部件和第二部件，以实现特殊环境下吸收区和雪崩区的功能；例如，在用作紫外单光子探测器件时，第一部件采用Si，第二部件采用GaN。GaN能够吸收紫外光，Si可以作为雪崩材料，从而可以实现硅基集成的紫外单光子雪崩二极管；然而，GaN和Si之间会产生化学反应，使得这种GaN-Si器件无法实现。
通过本发明，在第一部件和第二部件之间引入第三部件，例如AlN，利用AlN可以防止该反应的发生，使得GaN-Si器件得以实现。而且基于本发明的结构设计，可以进一步减少缺陷，提高该器件的信噪比。
本实施例中，第三部件的形貌可以为梯形，如图8，从调整电场的方向，更好地将光电子导流到第一部件中。

Claims (10)

1.一种异质半导体器件，其特征在于，至少包括由第一半导体材料构成的第一部件和第二半导体材料构成的第二部件，所述的第一部件和第二部件分别构成所述半导体器件的第一活性区域和第二活性区域；所述的第一部件和第二部件仅通过由第三半导体材料构成的第三部件连接，以减少所述第一部件和第二部件的连通面积。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第三部件为上下宽度相同的柱形结构或上下宽度不同的梯形结构。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，第三半导体材料的晶格常数α满足：0.9α1≤α≤1.1α2，其中，α1、α2为第一半导体材料、第二半导体材料的晶格常数；或α1、α2为第二半导体材料、第一半导体材料的晶格常数。
4.根据权利要求3所述的半导体器件，所述第三半导体材料与第一半导体材料或第二半导体材料为同种材料；或第三半导体材料为第二半导体材料和第一半导体材料组成的固溶体。
5.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第三部件是在一约束通道内，从所述第一部件表面外延生长得到。
6.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第一部件和第二部件之间的第三部件以外的空间，还通过介电材料进行填充。
7.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体器件为线性模式雪崩二极管(APD)或盖革模式单光子雪崩二极管(SPAD)，具有正负二个电极；所述第一部件和第二部件之一为雪崩区，之二为吸收区。
8.根据权利要求7所述的半导体器件，其特征在于，第一部件或第二部件中，有一掺杂层，以调控雪崩区和吸收区的电场；或者第一部件或第二部件表面，设有第三电极，以调控雪崩区和吸收区的电场；或者所述第一部件和第二部件之间的第三部件以外的空间，还通过介电材料进行填充；且所述介电材料中设有电极，以调控雪崩区和吸收区的电场。
9.一种探测器，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的半导体器件。
10.一种光伏电池，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的半导体器件。
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