CN116830280A - 具有优化的金属触点的锗光电二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光电二极管，包括：由第一锗基晶体半导体材料制成的检测部分10，检测部分10包括第一掺杂区域11、第二掺杂区域12和中间区域13；与第一掺杂区域11接触的间隙部分27，间隙部分27由晶体半导体材料制成，该晶体半导体材料具有等于第一半导体材料的天然晶格参数的天然晶格参数(误差在1％以内)，并且具有比第一半导体材料的带隙能量高至少0.5eV的带隙能量。

Description

具有优化的金属触点的锗光电二极管
技术领域
本发明的领域是包含优化的金属触点的由锗制造的钝化平面光电二极管(passivated planar photodiodes)的领域。本发明特别适用于检测近红外域中的光辐射的领域。
背景技术
光电检测器件能够包括钝化平面光电二极管的矩阵。然后光电二极管沿着同一主平面在彼此相对且平行的第一表面和第二表面之间延伸。然后，它们各自包括检测部分，该检测部分由例如第一区域、第二区域和中间区域形成，第一区域由n掺杂锗制成并与第一表面齐平，第二区域由p掺杂锗制成并与第二表面齐平，中间区域由本征锗(intrinsicgermanium)或非常低的p掺杂锗制成并位于第一掺杂区域和第二掺杂区域之间。由介电材料制成的钝化层能够覆盖第一表面，以限制暗电流对每个光电二极管所测量的电流的贡献。
在钝化平面光电二极管的情况下，第一n掺杂区域和第二p掺杂区域的电偏置能够在第一表面的一侧进行。因此，外围半导体部分(例如由p掺杂的多晶硅制成)在光电二极管的主平面中围绕检测部分并与第二p掺杂区域接触。此外，设置在第一表面的一侧的金属触点与第一n掺杂区域和p掺杂外围半导体部分接触。
然而，由于在金属/锗界面处的费米能级钉扎，n掺杂锗上的金属触点似乎是整流型而不是欧姆型。然而，存在各种解决方案使金属/n掺杂锗触点为欧姆型。
因此，Paramahans等人的题为“Contacts on n-type germanium using variablydoped zinc oxide and highly doped indium tin oxide interfacial layers”,Appl.Phys.Express 8,051302(2015)的文献中描述了在金属和n掺杂锗之间插入非常薄的介电层，例如，至少2nm厚的ZnO或者或至少2.4nm厚的ITO。此外，Wu等人的题为“Contact ton-type Ge with compositional Ti nitride”Appl.Surf.Sc.284,877-880(2013)的文献中描述了涉及制造TiNx/n-Ge型触点的另一种解决方案，其中x至少等于0.8以实现欧姆触点。然而，这些欧姆触点会是高阻性的，这降低了光电二极管的性能。
此外，文献EP 3657556 A1描述了一种由锗制成的钝化平面光电二极管，其中n掺杂多晶硅的插入半导体部分形成在检测部分上并与检测部分接触。插入半导体部分形成旨在扩散到锗中以产生第一n掺杂区域的n型掺杂剂的储存库。在插入半导体部分上生成金属触点，并且金属触点与插入半导体部分接触并允许对第一n掺杂区域进行电偏置。
然而，需要提供这种具有改进性能的钝化平面光电二极管。
发明内容
本发明的目的在于至少部分地克服现有技术的缺点，更具体地说，在于提出一种具有改进性能的钝化平面光电二极管。
为此，本发明的主题是一种光电二极管，包括：
-检测部分，其具有彼此相对且平行于主平面的第一表面和第二表面，由第一锗基晶体半导体材料制成，该检测部分包括：
o与第一表面齐平的第一n型掺杂区域；
o与第二表面齐平的第二p型掺杂区域；
o中间区域，其位于第一区域和第二区域之间并且在主平面中围绕第一区域；
-外围半导体部分，其由第二p型掺杂半导体材料制成，在主平面中围绕检测部分并与第二区域接触；
-插入半导体部分，其设置在检测部分的第一区域上并与第一区域接触；
-金属触点，其设置在第一表面的一侧，并适于一方面借助于插入半导体部分对第一区域进行电偏置，另一方面借助于外围半导体部分对第二区域进行电偏置。
根据本发明，该插入半导体部分由第三晶体半导体材料制成，第三晶体半导体材料制成具有与第一锗基半导体材料的天然晶格参数相等的天然晶格参数，误差在1％以内；以及比第一锗基半导体材料的带隙能量高至少0.5eV的带隙能量。
该光电二极管的一些优选但非限制性方面如下。
该插入半导体部分能够包含与第一区域中存在的那些n型掺杂剂相同的n型掺杂剂。
该插入半导体部分能够由III-V族晶体半导体化合物制成，并且优选由AlAs或GaAs制成。
该插入半导体部分能够位于检测部分的第一表面的凹口中，使得该插入半导体部分在主平面中被第一区域围绕。
金属触点中被称为中心金属触点的一个金属触点能够位于中间半导体部分上并与中间半导体部分接触。
该光电二极管能够包括位于插入半导体部分上并与插入半导体部分接触的上半导体部分，该上半导体部分由n型掺杂半导体材料制成，该n型掺杂半导体材料具有与插入半导体部分和第一区域的掺杂剂相同的掺杂剂。
金属触点中被称为中心金属触点的一个金属触点则能够位于上半导体部分上并与上半导体部分接触。
该上半导体部分能够由与外围半导体部分的材料相同的材料制成。
该上半导体部分和外围半导体部分能够由硅基半导体材料制成。然后，该光电二极管能包括与金属触点接触的硅化上部区域。
本发明还涉及一种制造根据上述任一特征所述的光电二极管的方法，包括以下步骤：
-生成包括第一子层和第二子层的堆叠，第一子层旨在形成第二区域，第二子层旨在形成中间区域；
-生成覆盖该堆叠的上绝缘层；
-生成穿过该堆叠和上绝缘层以出现在第一子层上的外围半导体部分；
-经由上绝缘层的开口通过从该堆叠的第二子层外延生长来生成插入半导体部分。
该方法能够包括在生成插入半导体部分的步骤之前，通过该开口在堆叠的第二子层中生成凹口的步骤，随后在该凹口中外延生长插入半导体部分。
当插入半导体部分在其外延生长过程中进行非故意掺杂时，该方法则能够包括以下步骤：
-生成n型掺杂上半导体部分；
-退火，其适于使上半导体部分中包含的掺杂剂扩散穿过插入半导体部分，以在检测部分中形成第一区域。
上半导体部分和外围半导体部分能够由相同的硅基材料制成。则该方法能够包括同时生成金属触点的步骤，一个金属触点与上半导体部分接触，并且另一个金属触点与外围半导体部分接触。
该插入半导体部分在其外延生长期间进行n型掺杂。则该方法能够包括以下步骤：生成金属触点，一个金属触点与该插入半导体部分接触，并且另一个金属触点与外围半导体部分接触。
附图说明
在阅读了以下对本发明的优选实施例的详细描述后，本发明的其它方面、目的、优点和特征将变得更加明显，这些优选实施例是参考附图并作为非限制性示例提供的，其中：
图1A是根据一个实施例的钝化平面光电二极管的示意性局部剖面图，其包括与插入半导体部分接触的金属触点，该插入半导体部分与检测部分的第一区域接触；
图1B是根据替选实施例的钝化平面光电二极管的示意性局部剖面图，其包括设置在金属触点和插入半导体部分之间并与金属触点和插入半导体部分接触的上半导体部分；
图2A至图2L示出了制造根据图1B所示实施例的光电二极管的方法的各个步骤；
图3A至图3C示出了制造根据图1A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
在附图和说明书的剩余部分中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。此外，各种元件并不是按比例显示的，以提高图片的清晰度。另外，各实施例和替代实施例并不是互斥的，并且能够相互组合。除非另有说明，否则术语“基本上”、“大约”、“量级”是指在10％以内，优选在5％以内。此外，除非另有说明，否则术语“在...与...范围内”及其等效术语意味着该限制是包容性的。
本发明总体上涉及钝化平面光电二极管，并且优选涉及光电二极管矩阵，以及其制造方法。每个光电二极管包括由锗制造的检测部分，并适用于检测近红外域(SWIR，短波长IR)中的光辐射，近红外域对应于0.8μm至约1.7μm、甚至至约2.5μm的光谱范围。
光电二极管的检测部分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。对于每个光电二极管，这两个表面沿相同的平面延伸，并垂直地(沿厚度轴线)界定检测部分。光电二极管没有台式结构(mesa structure)，因为它们通过填充有掺杂半导体材料的外围沟槽相互光学绝缘。因此，它们具有特别高的填充因子。此外，它们被称为钝化，因为第一表面被介电钝化层部分地覆盖。这有助于减少暗电流的表面成分。
通常，该光电二极管包括：
o由第一锗基晶体半导体材料制成的检测部分，其包括：第一n型掺杂区域、第二p型掺杂区域以及位于两个掺杂区域之间并在光电二极管的主平面中围绕第一掺杂区域的中间区域；
o由第二p型掺杂半导体材料制成的外围半导体部分，其在主平面中围绕检测部分并与第二掺杂区域接触；
o插入半导体部分，其设置在第一n掺杂区域上并与第一n掺杂区域接触，并且由n掺杂晶体半导体材料制成并与第一n掺杂区域接触；
o金属触点，其设置在第一表面的一侧，并且适于一方面借助于插入半导体部分对第一区域进行电偏置，另一方面借助于外围半导体部分对第二区域进行电偏置。
该插入半导体部分的晶体半导体材料具有天然晶格参数，该天然晶格参数等于第一锗基半导体材料的天然晶格参数，误差在1％以内，即等于第一锗基半导体材料的天然晶格参数加上或减去1％，并且优选在0.5％以内。术语“天然晶格参数”被理解为是指无约束(即松弛)材料的晶格参数。在这种情况下，相关的晶格参数定向在光电二极管的主平面中。此外，插入半导体部分的晶体半导体材料具有带隙能量，该带隙能量至少比第一锗基半导体材料的带隙能量高0.5eV。带隙能量对应于导带的最小能量与价带的最大能量之间的能量差。插入半导体部分的晶体半导体材料优选为III-V族化合物，例如二元III-V族化合物，例如AlAs和GaAs，甚至为三元III-V族化合物，例如GaAlAs或GaInP。
图1A是根据一个实施例的钝化平面光电二极管1的局部示意性剖面图，其形成光电二极管矩阵的一部分。光电二极管1由锗制成，并且从第一表面10a反向偏置，同时通过填充有p+掺杂半导体材料的沟槽相互绝缘。它们各自包括插入半导体部分27，在这种情况下插入半导体部分27位于用于电偏置的金属触点32.1和第一n+掺杂区域11之间并与金属触点32.1和第一n+掺杂区域11接触。
在本文的说明书的剩余部分中，定义了直接三维坐标系XYZ，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轴沿光电二极管的检测部分1的厚度从第二表面10b朝向第一表面10a定向。
光电二极管1包括在彼此平行且彼此相对的第一参考表面10a和第二参考表面10b之间沿Z轴延伸的检测部分10。多个光电二极管的第一表面10a彼此平行，并且第二表面10b也彼此平行。第一表面10a由检测部分10的一部分限定，其中第一n+掺杂区域11与中间区域13是齐平的。第二表面10b沿Z轴与第一表面10a相对。
在第一表面10a和第二表面10b之间沿着Z轴限定的检测部分10的最大厚度在这种情况下从一个光电二极管到下一个光电二极管基本上是恒定的，例如几百纳米至几微米，例如大约1微米至5微米。选择厚度以在待检测的光辐射的波长范围内实现良好的吸收。检测部分10在XY平面中具有横向尺寸，其能够为几百纳米至几十微米，例如大约1μm至大约20μm。
检测部分10由锗基晶体半导体材料制成，优选由单晶制成。术语“锗基”是指晶体半导体材料对应于锗或是至少由锗形成的化合物。因此，光电二极管能够例如由锗Ge、硅锗SiGe、锗锡GeSn或甚至硅锗锡SiGeSn制成。在本示例中，检测部分10衍生自由锗制成的至少一层。因此，它能够是由相同的半导体材料制成的层或衬底，并且能够具有带有不同类型的电导率(同质结)区域，从而形成PN或PIN结。作为替代实施例，它能够是由锗形成的不同半导体材料(异质结)的子层的堆叠。
因此，检测部分10由与第一表面10a齐平并形成n型掺杂腔的第一n型掺杂区域11(n或n+)和与第二表面10b齐平的第二p+掺杂区域12形成。术语“齐平”被理解为意思是“达到……的水平”或“从……延伸”。非故意掺杂的中间区域13(在PIN结的情况下)或p掺杂区域(在PN结的情况下)位于两个掺杂区域11和12之间并与两个掺杂区域11和12接触，并在主平面中围绕第一n+掺杂区域11。在该示例中，半导体结为PIN型，其中第一区域11为n+型掺杂，第二区域12为p+型掺杂，并且中间区域13为本征的(非故意掺杂的)。
在这种情况下，第一n型掺杂区域11从第一表面10a延伸并在主平面中被本征区域13围绕。在XY平面中，第一n型掺杂区域11远离检测部分10的侧边缘10c，而侧边缘10c由p+掺杂的外围半导体部分25的内表面限定。因此第一n型掺杂区域11形成与第一表面10a齐平的n+掺杂腔，并且相对于侧边缘10c以及第二表面10b以非零距离间隔开。因此第一n+掺杂区域11有助于界定第一表面10a。第一n+掺杂区域11的掺杂能够为大约5.1018at/cm3至1021at/cm3。
第二p+掺杂区域12在XY平面中与第二表面10b齐平延伸，在这种情况下从侧边缘10c开始延伸。第二p+掺杂区域12沿Z轴从第二表面10b开始延伸。第二p+掺杂区域12沿Z轴能够具有基本均匀的厚度，因此仅与侧边缘10c的下部区域齐平。作为替选实施例，如图1A和图1B所示，第二p+掺杂区域12能够具有p+掺杂的横向区域14，横向区域14沿Z轴连续与侧边缘10c齐平并在检测部分10的整个边缘上延伸。第二p+掺杂区域12的掺杂能够为大约1018at/cm3至1019at/cm3。
中间区域13位于n+掺杂区域11和p+掺杂区域12之间，并且在XY平面中围绕第一n+掺杂区域11。在这种情况下，中间区域13由本征半导体材料制成以形成PIN结，但能够稍微进行p掺杂，以形成PN结(参见图1B)。
在这种情况下，光电二极管1包括下绝缘层21，下绝缘层21由介电材料制成，覆盖检测部分10的第二表面10b以及如下文所述覆盖p+掺杂的外围半导体部分25的下表面。下绝缘层21还能够适于形成针对入射光辐射的抗反射功能。下绝缘层21实际上形成了待检测的光辐射的接收面。
在这种情况下，光电二极管1的检测部分10在XY平面中被优选连续的沟槽横向界定，该沟槽填充有p+掺杂半导体材料，并形成外围半导体部分25，在这种情况下外围半导体部分25为p+掺杂。外围通过部分25有助于对光电二极管1进行电偏置，在这种情况下从第一表面10a的一侧进行电偏置，并对光电二极管矩阵(光学绝缘)进行像素化。在这种情况下，它在检测部分10的整个厚度上延伸以便出现在下绝缘层21上，但是，作为替选实施例，它可以不出现在下绝缘层21上并且够在第二p+掺杂区域12中终止。然后，该p+掺杂的外围半导体部分25的内表面限定检测部分10的侧边缘10c。该半导体材料优选由硅制成，例如由非晶硅、多晶硅、硅锗制成，甚至能由非晶锗制成。
上绝缘层23覆盖光电二极管1的第一表面10a，并允许金属触点32.1和32.2电绝缘。因此上绝缘层23与第一n+掺杂区域11以及中间区域13接触。上绝缘层23由介电材料制成，例如由氧化硅、氮化硅或氮氧硅制成。能够使用其他介电材料，例如铪或氧化铝，甚至氮化铝等。例如，上绝缘层23的厚度为50nm至500nm。
此外，检测部分10有利地包括位于侧边缘10c附近的p+型掺杂侧向区域14。该侧向区域14在掺杂时具有高于中间区域13的掺杂水平的掺杂水平。该p+掺杂侧向区域14与侧边缘10c齐平，并且与p+掺杂的外围半导体部分25接触。因此，第二p+掺杂区域12的偏置得到改善，因为与p+掺杂的外围半导体部分25的接触表面增加。此外，该p+掺杂侧向区域14防止光电二极管1的空间电荷区域延伸到侧边缘10c。因此，该区域(可能不能免除与沟槽产生相关的缺陷)对暗电流的贡献被限制。因此，这提高了光电二极管1的性能。
此外，检测部分10由锗制成，例如由锗制成，并且p+掺杂的外围半导体部分25由硅(例如掺杂多晶硅)制成。然后有利的是，检测部分10包括由硅锗制成的侧向区域15。该侧向区域15与侧边缘10c齐平，并且与p+掺杂的外围半导体部分25接触。因此，该侧向区域15的带隙能量(间隙)大于由锗制成的检测部分10的带隙能量。这种“横向间隙的开口”降低了光电二极管1对沟槽附近存在的任何缺陷的灵敏度。因此，这提高了光电二极管1的性能。
此外，光电二极管1包括设置在第一n+掺杂区域11上并与第一n+掺杂区域11接触的插入半导体部分27。在XY平面中，插入半导体部分27与外围半导体部分25间隔开非零距离，并且在这种情况下被上绝缘层23围绕。它由掺杂晶体半导体材料制成，在这种情况下由n+型掺杂晶体半导体材料制成，其天然晶格参数等于检测部分10的晶体半导体材料(在这种情况下为锗)的天然晶格参数，误差在1％以内，优选在0.5％以内，并且具有比检测部分10的晶体半导体材料(锗)的带隙能量高至少0.5eV的带隙能量。因此，该插入半导体部分27能够由二元或三元III-V族化合物例如GaAs、AlAs、GaAlAs、GaInP等制成。
在该示例中，插入半导体部分27有利地位于在检测部分10的第一表面10a中形成的凹口中，其减少甚至避免了中间部分27中存在的结构缺陷(位错)，如下文所述。作为替选实施例，它能停留在作为连续平面(无凹口)的第一表面10a上。该插入半导体部分27在XY平面中的尺寸取决于光电二极管1的尺寸：对于间距为5μm的光电二极管，其够为大约0.5μm至4μm(优选小于2μm)；并且对于间距为10μm的光电二极管，其能够为大约1μm至9μm。
此处需要注意的是，该插入半导体部分27包含与存在于第一n+掺杂区域11中的那些掺杂剂相同的n型掺杂剂，因为如下文所述，第一区域11的形成是通过使掺杂剂扩散穿过插入半导体部分27(参见图2A至图2L)或扩散最初包含在插入半导体部分27中的掺杂剂来进行的(图3A至图3C)。
光电二极管1还包括金属触点32.1、32.2，以允许从第一表面10a侧反向偏置。因此，在这种情况下，金属触点32.1被设置在插入半导体部分27上并与插入半导体部分27接触，并且允许第一n+掺杂区域11的电偏置。在这种情况下，金属触点32.2被设置在外围半导体部分25上并与外围半导体部分25接触，并且允许第二p+掺杂区域12的电偏置。在这种情况下，金属触点32.1、32.2在XY平面中通过上绝缘层23和介电钝化层29相互电绝缘。光电二极管1旨在被反向偏置，例如通过向p+掺杂的外围半导体部分25施加负电势以及通过将第一n+掺杂区域11接地来被反向偏置。
通常，作为示意，光电二极管1能够在XY平面中具有大约1μm至100μm的尺寸。第二p+掺杂区域12的厚度能够为大约20nm至500nm。当光电二极管1旨在检测SWIR或近红外(NIR)范围内的光辐射时，本征区域13的厚度能够为大约0.7μm至2.5μm。第一n+掺杂区域11的厚度能够为大约10nm至600nm。介电层23和29一起能够具有允许光电二极管1的上表面被完全覆盖的厚度，例如为大约10nm至600nm，并且下绝缘层21的厚度能够为大约50nm至1μm。
因此，与上述现有技术示例相比，光电二极管1的性能得到改进。实际上，通过位于金属触点32.1和n掺杂锗11之间的插入半导体部分27的存在，光电二极管1不包括n掺杂锗(第一区域)上的金属触点，该n掺杂锗随后会形成整流触点，或甚至形成高阻性欧姆触点。因此，串联电阻受到限制，这明显限制了低频噪声。此外，与第一n+掺杂区域11接触的插入半导体部分27由带隙能量比锗的带隙能量至少高0.5eV的半导体材料制成，这一方面允许降低光电二极管1的暗电流，并且另一方面允许降低光电二极管1对插入半导体部分27所在的凹口附近可能存在的任何缺陷的灵敏度。此外，不存在插入半导体部分27的晶体材料和检测部分10的晶体材料之间的晶格参数不匹配，使得能够避免任何会降低光电二极管1性能的结构缺陷(位错等)。
图1B是根据替选实施例的光电二极管1的示意性局部剖面图。在该示例中，光电二极管1与图1A所示的光电二极管不同之处主要在于中间区域13是稍微p掺杂的(PN结)，并且在于上半导体部分28位于中心金属触点32.1和插入半导体部分27之间并与中心金属触点32.1和插入半导体部分27接触。
更具体地说，如上所述，插入半导体部分27位于检测部分10上并与检测部分10接触。因此插入半导体部分27与第一n+掺杂区域11接触。插入半导体部分27由晶体半导体材料制成，该晶体半导体材料具有上述关于带隙能量的性质并且不存在与检测部分10的锗的晶格失配。如下文所述，它是通过锗的外延生长和以非故意掺杂的方式生成的。
因此上半导体部分28位于插入半导体部分27上并与插入半导体部分27接触。在XY平面中，上半导体部分28与外围半导体部分25和金属触点32.2以非零距离间隔开。在这种情况下，该横向空间被介电钝化层29填充。上半导体部分28由具有掺杂剂的n+掺杂半导体材料制成，该掺杂剂能够n+掺杂锗以形成第一n+掺杂区域11，在这种情况下为磷或砷。因此，上半导体部分28是掺杂剂的储存库，所述掺杂剂旨在在扩散退火期间扩散穿过插入半导体部分27，以便加入锗并形成第一n+掺杂区域11。上半导体部分28优选由多晶硅制成，但显然能够使用其他多晶材料。
最后，在这种情况下，金属触点32.1被设置在上半导体部分28上并与上半导体部分28接触。金属触点32.1允许通过上半导体部分28对第一n+掺杂区域域11进行电偏置，并且然后对插入半导体部分27进行电偏置。
图2A至图2L是制造根据图1B的示例的光电二极管的方法的各个步骤的示意性局部剖面图。在这种情况下，该方法尤其具有同时生成金属触点32.1和32.2的优点。它还具有在生长时不对插入半导体部分27实施掺杂(控制掺杂剂的扩散可能是微妙的)或不通过离子注入(会在插入半导体部分27中产生缺陷)对插入半导体部分27实施掺杂的优点。
在该示例中，光电二极管1由锗制成并包括PIN结，并且适于检测SWIR范围内的红外辐射。光电二极管1是平面的和钝化的，并且从第一表面10a被反向偏置，并且在这种情况下借助于与光电二极管1的矩阵混合的控制芯片40被反向偏置。
参照图2A，生成单晶锗的第一半导体子层22.1。第一半导体子层22.1借助于下绝缘层21被固定到支撑层20，支撑层20在这种情况下由硅制成，下绝缘层21在这种情况下由氧化硅制成。该堆叠采用GeOI(绝缘体上锗(Germanium-On-Insulator)))衬底的形式。该堆叠优选借助于Reboud等人的题为“Structural and optical properties of 200mmgermanium-on-insulator(GeOI)substrates for silicon photonics applications”，Proc.SPIE 9367,Silicon Photonics X,936714(2015年2月27日)的公布中所描述的方法来生成。这种方法的优点是能够生成完全没有结构缺陷或者具有低水平结构缺陷(例如位错)的锗半导体子层22.1。能够对锗进行非故意掺杂，或者能够对锗进行掺杂，例如p型掺杂。半导体子层22.1的厚度能够为大约100nm至500nm，例如能够等于大约300nm，并且能覆盖有由氧化硅制成的保护层(未示出)。下绝缘层21(BOX，埋入氧化物)的厚度能够为50nm至1μm，例如它能够为100nm至500nm，并且有利地提供抗反射功能。
然后当第一子层22.1最初由本征锗制成时，通过离子注入掺杂剂(例如硼或镓)对由p+掺杂锗制成的第一子层22.1进行掺杂。在适当的情况下，保护层已通过表面清洁被事先去除，并且锗的第一子层22.1能够涂覆有厚度为几十纳米(例如等于20nm)的预植入氧化层(未示出)。然后，锗的子层22.1的掺杂水平为大约1018at/cm3至1020at/cm3。然后能够在600℃至800℃、例如等于800℃的温度下在氮气下进行掺杂剂的扩散退火，持续几分钟到几个小时，例如1小时。当在生长时对子层22.1掺杂时，可能不会进行这种退火。制造该p+层的另一种方法是在本征锗子层上原位外延生长掺杂有硼的锗层，硼的掺杂为大约1018at/cm3至1019at/cm3。这种外延能够在400℃至800℃进行，但优选在400℃下进行。
参考图2B，锗的第二半导体子层22.2是通过从第一子层22.1外延生长来生成的。这两个子层22.1、22.2旨在形成光电二极管1矩阵的共面锗检测部分10。第二子层22.2是通过外延生长形成的，例如通过化学气相沉积(CVD)和减压优先(RPCVD，减压化学气相沉积)或任何其他外延生长技术形成的。能够进行退火以降低子层22.2中的位错率。在适当的情况下，已通过表面清洁事先去除了预实现氧化层。在这种情况下，锗的第二子层22.2是本征的，即非故意掺杂的，因为其旨在生成PIN结。它旨在形成光电二极管1的光吸收区域。锗的第二子层22.2的厚度取决于在光电二极管1的情况下待检测的光辐射的波长范围。在SWIR光电二极管的情况中，本征锗的子层22.2的厚度为例如0.5μm至3μm，并且优选等于1.5μm。
参考图2C，沉积上绝缘层23以连续覆盖第二子层22.2的上表面，即覆盖光电二极管10的检测部分10。上绝缘层23由介电材料制成，例如由氧化物、氮化物或氮氧化硅制成。可能已经事先进行第二子层22.2的上表面的清洁。上绝缘层23的厚度能够为10nm至600nm。
参考图2D，沟槽24是通过光刻和蚀刻生成的，这些沟槽旨在对光电二极管1进行像素化并参与反向电偏置(借助于随后将生成的外围半导体部分25)。因此对上绝缘层23、本征锗子层22.2和p+掺杂锗子层22.1进行局部蚀刻，直到在这种情况下其出现在下绝缘层21的上表面上(但是沟槽24能够出现在子层22.1上而不穿透子层22.1)。因此每个沟槽24优选围绕光电二极管1连续延伸。因此，得到被连续沟槽24彼此分离的多个检测部分10。优选使用各向异性蚀刻技术来获得多个检测部分10，以便获得沿Z轴基本垂直的侧边缘10c。沟槽24在XY平面中具有横向尺寸(宽度)，该横向尺寸能够为300nm至2μm，例如等于1μm。因此能够假定检测部分10在XY平面中的形状，例如圆形、椭圆形、多边形，例如正方形，或任何其他形状。
参考图2E，然后生成外围半导体部分25。为此，沉积掺杂半导体材料以填充沟槽24。该半导体材料优选为硅基材料，例如非晶硅、多晶硅、硅锗，或者甚至为非晶锗。该半导体材料是掺杂硼或镓的p+掺杂的，掺杂剂浓度为大约1019at/cm至1020at/cm3的量级。因此，该掺杂半导体材料通过沟槽24与侧边缘10c接触。然后进行化学机械抛光(CMP)步骤，在上绝缘层23的上表面上停止，以消除多余的半导体材料并使由上绝缘层23和外围半导体部分25的半导体材料形成的上表面平坦化。由此在每个沟槽24中获得p+掺杂的外围半导体部分25。
参考图2F，沉积介电层以覆盖外围半导体部分25的上表面(从而增加因此覆盖该部分25的上绝缘层23的厚度)。然后，通过光刻和蚀刻，在上绝缘层23内生成通孔26.1，以便其面向中心区域出现在检测部分10上，该中心区域在XY平面中位于距外围半导体部分25一定距离处。通孔26.1的宽度或直径主要取决于第一n+掺杂区域的所需宽度。例如，它能够为0.3μm至5μm。优选地，通孔26.1还在检测部分10内形成凹口，例如该凹口具有约100纳米的深度。
参考图2G，生成插入半导体部分27，其面向检测部分10的中心区域定位并与所述部分接触。插入半导体部分27是通过外延生长生成的，在这种情况下通过从检测部分的锗外延生长来生成，例如通过分子射流(MBE，分子束外延)来生成。它由晶体半导体材料制成，该晶体半导体材料一方面具有与锗的晶格参数几乎相同的晶格参数，即其天然晶格参数等于锗的天然晶格参数，误差最多在1.0％以内，优选最多为0.5％；另一方面，其带隙能量Eg高于(即严格高于)检测部分的锗的带隙能量EgGe。
作为示例，插入半导体部分27由AlAs或GaAs制成(定比化合物，即两种元素的比例相同，AlAs的天然晶格参数为并且GaAs的天然晶格参数为/>它们分别对应于与锗的天然晶格参数/>的0.044％和0.088％的偏差。此外，AlAs的带隙能量为2.12eV，并且GaAs的带隙能量为1.424eV，远高于锗的0.67eV。其它半导体化合物例如三元化合物也是适用的，例如，根据各种化学元素比例的GaAlAs和GaInP。
在该示例中，插入半导体部分27是本征的，即非故意掺杂的。通过使来自掺杂剂储存库(上半导体部分28)的锗掺杂剂(例如磷或砷)扩散穿过插入半导体部分27来形成第一n+掺杂区域11。
参考图2H，生成上半导体部分28，以形成旨在通过插入半导体部分27扩散到检测部分中以最终获得第一n+掺杂区域11的n型掺杂剂的储存库。上半导体部分28由n+型掺杂半导体材料制成，例如由多晶硅或多晶硅锗制成。然而，有利的是，上半导体部分28由与外围半导体部分的材料相同的材料(例如在这种情况下为多晶硅)制成，从而简化了金属触点32.1和32.2的生成。
作为示例，上半导体部分28由掺杂有磷或砷的n+掺杂多晶硅制成，例如在400℃至650℃通过低压化学气相沉积(LPCVD)生成。上半导体部分28在XY平面中的尺寸优选大于插入半导体部分27的尺寸，并且其厚度范围为例如50nm至200nm。
参考图2I，然后进行扩散退火并激活掺杂剂，例如在500℃至800°C下进行并且持续大约10分钟至60分钟。因此，掺杂剂(磷或砷)扩散穿过插入半导体部分27然后进入检测部分10。因此获得第一n+掺杂区域11，该第一n+掺杂区域11如在XY平面中一样在z轴上延伸与插入半导体部分27接触。
需要注意的是，插入半导体部分27已在检测部分10的凹口26.2中外延的事实意味着能够减少插入半导体部分27中的结构缺陷(位错)的数量或者甚至防止所述结构缺陷。因此，晶体材料的晶体质量更好，从而提高了光电二极管的性能。
参考图2J，沉积介电钝化层29以便覆盖上半导体部分28。能够在400℃下沉积该介电层，并且该介电层由介电材料制成，例如由氧化物、氮化硅或氮化硅、氧化铝或氮化物、氧化铪等制成。例如，该介电层的厚度能够为例如200nm至1,000nm。然后进行CMP型平坦化步骤。
然后，形成穿过介电层23、29的通孔30使其出现在外围半导体部分25的上表面上(以便随后形成金属触点32.2)并且出现在上半导体部分28的上表面上(以便随后形成金属触点32.1)。这些通孔30在XY平面中的尺寸能够为0.1μm至1μm，优选在为0.3μm至1μm。能够通过等离子刻蚀来生成这些通孔30，蚀刻在上半导体部分28的多晶硅表面和外围半导体部分25的多晶硅表面上停止。因此，上部分28和外围部分25由相同的材料(在这种情况下为硅)制成的事实意味着能够同时生成金属触点32.1和32.2，从而简化制造方法。
参考图2K，优选生成上半导体部分28的上表面的硅化区域31和外围半导体部分25的上表面的硅化区域31。为此，通过物理气相沉积(PVD)在通孔30的底部沉积由9nm和10nm厚的Ni/TiN堆叠形成的薄膜，然后在大约300℃至350℃下进行硅化退火(silicidationannealing)大约10秒至30秒。然后除去未反应的Ni和TiN，然后在大约400℃至450°C下进行第二次硅化退火步骤大约10秒至30秒。
然后生成中心金属触点32.1和横向金属触点32.2。在这种情况下，通过值相化学气相沉积(value phase chemical vapor deposition)在通孔30.1、30.2中沉积由Ti/TiN/Cu型堆叠形成的薄附着层33，并且空的空间填充有通过电解而沉积的铜34。然后进行CMP型平坦化步骤，在介电钝化层29的氧化物上停止。介电钝化层29与金属触点32.1和32.2一起具有相同的平坦上表面。
参考图2L，将如此获得的光电堆叠杂交在控制芯片40上。因此控制芯片40的连接面能够涂覆有绝缘层41，绝缘层41由介电材料制成且被金属触点42穿过。因此，光电二极管1的矩阵和控制芯片40通过混合分子键合、通过接触金属触点和绝缘层的形成面来组装。能够进行键合退火(Bonding annealing)，以增加两个接触面之间的表面键合能。然后移除支撑层20，例如通过研磨移除支撑层20，以使下绝缘层21露出。因此，该下绝缘层形成了待检测的光辐射的接收面，并有利地提供了抗反射功能。
因此该制造方法允许获取一个或更多个钝化光电二极管1，每个钝化光电二极管包括与检测部分10接触的插入半导体部分27，其关于晶格参数和带隙能量的特性意味着可以避免必须直接在n掺杂的锗上形成金属触点，这种触点是整流型或者是欧姆型，但是高电阻性。由此生成了一个或更多个具有改进性能、特别是在低频噪声方面(如上所述)具有改进性能的光电二极管1。
图3A至图3C是制造根据图1A的示例的光电二极管1的方法的各个步骤的示意性局部剖面图。
光电二极管1与图1B所示的光电二极管的区别基本上在于它不包括上半导体部分28。同样，金属触点32.1在插入半导体部分27上并与插入半导体部分27接触。
同样，第一n+掺杂区域11是通过扩散来自插入半导体部分27的掺杂剂来生成的，插入半导体部分27本身形成掺杂剂储存库(而不是如图2A至图2L一样来自上半导体部分28)。
参考图3A，插入半导体部分27是通过直接从检测部分10外延生长来生成的。该步骤与图2G的步骤相似，并且不同之处在于，插入半导体部分27是掺杂有掺杂剂的n+掺杂的，该掺杂剂适用于对检测部分10的锗进行n掺杂，例如在这种情况下为磷、砷、甚至硅或锌。插入半导体部分27在生长时掺杂而不是通过离子注入掺杂，以避免材料的任何晶体质量的退化。此外，掺杂剂不会改变插入半导体部分27的材料在晶格参数方面的性质。带隙能量保持比检测部分10的锗的带隙能量高至少0.5eV。还需要注意的是，外延生长的温度是受控的，以便限掺杂剂在检测部分10中的任意扩散。
参考图3B，第一n+掺杂区域11是通过对掺杂剂进行扩散退火和活化来生成的。退火的温度和持续时间能够与以上关于图2I描述的相似。因此，掺杂剂从插入半导体部分27扩散到检测部分10中，其形成第一n+掺杂区域11。
参考图3C，最后生成金属触点32.1和32.2。首先，在绝缘层23和29中生成通孔，该通孔出现在外围半导体部分25上，然后生成硅化区域31。然后在绝缘层29中生成通孔，该通孔出现在插入半导体部分27上。最后，在该通孔中沉积薄附着层33，然后用铜34填充自由空间。如此获得金属触点32.1和32.2。
已在上文对具体实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说，各种替代实施和修改将变得显而易见。

Claims (15)

1.一种光电二极管(1)，包括：
o检测部分(10)，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(10b)，由第一锗基晶体半导体材料制成，所述检测部分(10)包括：
●与第一表面(10a)齐平的第一n型掺杂区域(11)；
●与第二表面(10b)齐平的第二p型掺杂区域(12)；
●中间区域(13)，其位于第一区域(11)和第二区域(12)之间并且在所述主平面中围绕第一区域(11)；
o外围半导体部分(25)，其由第二p型掺杂半导体材料制成，在所述主平面中围绕所述检测部分(10)并与第二区域(12)接触；
o插入半导体部分(27)，其设置在所述检测部分(10)的第一区域(11)上并与第一区域(11)接触；
o金属触点(32.1，32.2)，其设置在第一表面(10A)的一侧，并且适于一方面借助于所述插入半导体部分(27)对第一区域(11)进行电偏置，另一方面借助于所述外围半导体部分(25)对第二区域(12)进行电偏置；
o其特征在于，所述插入半导体部分(27)由第三晶体半导体材料制成，第三晶体半导体材料具有：
●等于第一锗基半导体材料的天然晶格参数的天然晶格参数，误差在1％以内；
●比第一锗基半导体材料的带隙能量高至少0.5eV的带隙能量。
2.如权利要求1所述的光电二极管(1)，其中，所述插入半导体部分(27)包含与存在于第一区域(11)中的n型掺杂剂相同的n型掺杂剂。
3.如权利要求1或2所述的光电二极管(1)，其中，所述插入半导体部分(27)由III-V族晶体半导体化合物制成。
4.如权利要求3所述的光电二极管(1)，其中，所述插入半导体部分(27)由AlAs或GaAs制成。
5.如权利要求1至4中任一项所述的光电二极管(1)，其中，所述插入半导体部分(27)位于所述检测部分(10)的第一表面(10a)的凹口中，使得所述插入半导体部分(27)在所述主平面中被第一区域(11)围绕。
6.如权利要求1至5中任一项所述的光电二极管(1)，其中，所述金属触点中被称为中心金属触点的一个金属触点(32.1)位于所述中间半导体部分(27)上并与所述中间半导体部分(27)接触。
7.如权利要求1至5中任一项所述的光电二极管(1)，包括位于所述插入半导体部分(27)上并与所述插入半导体部分(27)接触的上半导体部分(28)，所述上半导体部分(28)由n型掺杂半导体材料制成，所述n型掺杂半导体材料具有与所述插入半导体部分(27)和第一区域(11)的掺杂剂相同的掺杂剂。
8.如权利要求7所述的光电二极管(1)，其中，所述金属触点中被称为中心金属触点的一个金属触点(32.1)位于所述上半导体部分(28)上并与所述上半导体部分(28)接触。
9.如权利要求7或8所述的光电二极管(1)，其中，所述上半导体部分(28)由与所述外围半导体部分(25)的材料相同的材料制成。
10.如权利要求7至9中任一项所述的光电二极管(1)，其中，所述上半导体部分(28)和所述外围半导体部分(25)由硅基半导体材料制成，并且包括与所述金属触点(32.1、32.2)接触的硅化上部区域(31)。
11.一种用于制造如前述权利要求中任一项所述的光电二极管的方法，包括以下步骤：
o生成包括第一子层(22.1)和第二子层(22.2)的堆叠，所述第一子层(22.1)旨在形成所述第二区域(12)，所述第二子层(22.2)旨在形成所述中间区域(13)；
o生成覆盖所述堆叠的上绝缘层(23)；
o生成穿过所述堆叠和所述上绝缘层(23)以出现在所述第一子层(22.1)上的所述外围半导体部分(25)；
o经由所述上绝缘层(23)的开口(26.1)通过从所述堆叠的第二子层(22.2)外延生长来生成所述插入半导体部分(27)。
12.如权利要求11所述的制造方法，包括：在生成所述插入半导体部分(27)的步骤之前，通过所述开口(26.1)在所述堆叠的第二子层(22.2)中生成凹口(26.2)的步骤，随后在所述凹口(26.2)中外延生长所述插入半导体部分(27)。
13.如权利要求11或12所述的制造方法，其中所述插入半导体部分(27)在其外延生长过程中进行非故意掺杂，所述方法包括以下步骤：
o生成n型掺杂上半导体部分(28)；
o退火，其适于使所述上半导体部分(28)中包含的掺杂剂扩散穿过所述插入半导体部分(27)，以在所述检测部分(10)中形成所述第一区域(11)。
14.如权利要求13所述的制造方法，其中所述上半导体部分(28)和所述外围半导体部分(25)由相同的硅基材料制成，所述方法还包括以下步骤：
o同时生成金属触点(32.1，32.2)，一个金属触点(32.1)与所述上半导体部分(28)接触，并且另一个金属触点(32.2)与所述外围半导体部分(25)接触。
15.如权利要求11或12所述的制造方法，其中，所述插入半导体部分(27)在其外延生长过程中进行n型掺杂，所述方法包括以下步骤：
o生成金属触点(32.1，32.2)，一个金属触点(32.1)与所述插入半导体部分(27)接触，并且另一个金属触点(32.2)与所述外围半导体部分(25)接触。
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