CN118198172A - 适于检测相关光辐射的电流辅助光子解调器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

适于检测相关光辐射的电流辅助光子解调器及其制造方法。本发明涉及一种电流辅助光子解调器，其包括基于锗产生的检测部分(10)，检测部分包含至少两个掺杂调制区域和至少一个掺杂收集区域，并由外围侧向部分(2)围绕，外围侧向部分在检测部分(10)中生成水平拉伸机械应力和竖向压缩机械应力。掺杂收集区域根据相对于掺杂调制区域的竖向布置来设置。

Description

适于检测相关光辐射的电流辅助光子解调器及其制造方法
技术领域
本发明的领域在于适于检测近红外范围中的光辐射的电流辅助光子解调器(CAPD)的领域。本发明尤其在遥测、生物分析和工业检查(表面缺陷的非接触式检测)中得到应用。
背景技术
电流辅助光子解调器是其中对漂移电场的分布进行调制的光电检测器。它们最初在Van Nieuwenhove等人题为“Novel Standard CMOSDetector using Majority Currentfor guiding Photo-Generated Electrons towards Detecting Junctions(使用多数电流将光生电子引导向检测结的新型标准CMOS检测器)”的科学文章中进行了特别描述，参见Proc.Symp.IEEE/LEOS Benelux Chapter，第229-232(2005)页。这种类型的光电子设备特别用于测量飞行时间(TOF)的遥测。
这种解调器通常包括基于轻p掺杂半导体材料产生的检测部分，该检测部分在其面中的一个面上具有用于产生和调制漂移电流的两个p+掺杂区域，以及位于所述p+掺杂区域附近用于收集光电流的两个n+掺杂区域。在p+掺杂区域之间施加电势差，这在检测部分中产生漂移电场。因此，当光辐射在检测部分中被吸收时，产生电子-空穴对，然后光生空穴在漂移场的作用下在具有最低电势的p+掺杂区域的方向上传送，而光生电子被在相反的p+掺杂区域的方向上引导，然后被相邻的n+掺杂区域收集。由此，可以通过该解调器有效地测量光电流(少数电子)。
由于多数空穴的电流与光电流(少数电子)之间存在分离，因此多数空穴的电流对散射噪声和热噪声的贡献是受到限制。然而，需要这样一种电流辅助光子解调器，其适于在近红外中进行检测，同时具有良好的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种电流辅助光子解调器，其适用于在截止波长大于1.55μm的近红外中进行检测，并具有减少的暗电流。这样的解调器因此可以具有良好的性能，特别是在AC解调对比度和带宽方面。
为此，本发明涉及一种适于检测相关光辐射的电流辅助光子解调器，包括：
-检测部分，检测部分具有彼此相对且平行于主平面的第一面和第二面，并且检测部分包括中心入射光辐射检测区域。检测部分由第一锗基晶体半导体材料制成，并包括掺杂区域，其中：至少两个p掺杂调制区域，p掺杂调制区域用于在检测部分中产生并调制漂移电流；和至少一个n掺杂收集区域，并且其用于收集在吸收相关光辐射期间
所光生的少数电荷载流子；
-电介质钝化层，其基于电绝缘材料产生并覆盖第一面；和位于第一面处且穿过电介质钝化层的电极，电极中的调制电极与掺杂调制区域电接触；电极中的至少一个收集电极与至少掺杂收集区域电接触。
根据本发明，光子解调器包括在主平面中围绕检测部分的外围侧向部分，其基于热膨胀系数小于第一材料的热膨胀系数的第二材料产生，检测部分由此在主平面中具有拉伸机械应力并且在正交于主平面的竖向轴线上具有压缩机械应力。
此外，掺杂区域根据竖向布置来设置，使得：称为上部掺杂区域的至少一个根据第一类型导电性掺杂的区域与第一面齐平并且位于中心区域附近；称为下部掺杂区域的至少两个根据与第一类型导电性相反的第二类型导电性掺杂区域位于沿着竖向轴线与上部掺杂区域相距一定距离处。
应理解，下部掺杂区域位于第二面的一侧上，而上部掺杂区域与第一面齐平。优选地，下部掺杂区域离第二面比离第一面更近。下部掺杂区域与上部掺杂区域由中间区域隔离开，中间区域是非故意掺杂或轻掺杂的，并形成待检测光辐射的主要吸收区域。
该光子解调器的一些优选但非限制性方面如下。
每个下部掺杂区域可以与主平面平行地朝向中心区域和上部掺杂区域延伸，并且具有远离所述中心区域的远端和朝向所述中心区域定向的近端。
解调器可以包括导电过孔，导电过孔沿着第一面的竖向轴线延伸并与下部掺杂区域电接触。
导电过孔可以与外围侧向部分不同。
替代地，导电过孔可以是外围侧向部分的相互不同的部分，外围侧向部分则由导电材料制成。
接触上部掺杂区域的电极与接触导电过孔的电极相比可以在主平面中更靠近中心区域。
解调器可包括两个下部掺杂调制区域并且可包括单个上部掺杂收集区域，单个上部掺杂收集区域位于中心区域中并且在主平面中与下部掺杂调制区域相距一定距离处。
解调器可包括两个上部掺杂区域，每个上部掺杂区域定位成垂直于下部掺杂区域中的一者。
对于上部掺杂区域和竖向相邻的下部掺杂区域，沿着竖向轴线在掺杂区域之间的竖向距离可以小于在主平面中在连接到上部掺杂区域的电极与连接到相邻的下部掺杂区域的导电过孔的电极之间的水平距离。
上部掺杂区域可以是收集区域，并且下部掺杂区域因此可以是调制区域。
外围侧向部分可以基于硅产生，并且检测部分可以因此包括位于与外围侧向部分的交界处的基于SiGe产生的侧向区域。
本发明还涉及一种用于制造根据前述特征中任一项的光子解调器的方法，该方法包括以下步骤：
-通过从支撑层外延生长来产生基于掺杂锗的第一层；
-通过基于掺杂锗的第一层的局部蚀刻来产生下部掺杂区域；
-在下部掺杂区域上或与下部掺杂区域接触地通过外延生长来产生
基于非有意掺杂锗的主层；
-产生围绕检测部分穿过主层的沟槽；
-在高于环境温度的温度下在沟槽中产生外围侧向部分，使得在返回到环境温度之后，检测部分在主平面中是拉伸的并且沿着竖向轴线是
压缩的；
-在检测部分中产生一个或多个上部区域；
-在检测部分上沉积电介质钝化层；
-产生调制电极和收集电极。
该方法可以包括在产生沟槽之前产生在下部掺杂区域上开口的两个第一凹口的步骤，随后是在第一凹口中产生导电过孔的步骤。
该方法可以使得当产生沟槽时，沟槽在下部掺杂区域上开口，使得外围侧向部分随后与下部掺杂区域接触。
上部掺杂区域可以通过局部离子注入来产生。
附图说明
本发明的其他方面、目的、优点和特征将在阅读以下作为非限制性示例并参考附图的优选实施例的详细描述后变得更加明显，其中：
图1A和图1B是根据一个实施例的电流辅助光子解调器的示意性局部横截面图(图1A)和示意性局部顶视图(图1B)；
图1C示出了检测部分的吸收率、透射率和反射率根据其厚度的变化过程；
图2A是根据替代实施例的电流辅助光子解调器的示意性局部横截面图；
图2B和图2C是根据另一替代实施例的电流辅助光子解调器的示意性局部横截面图(图2B)和示意性局部顶视图(图2C)；
图3A至图3L图示了与图1A类似的用于制造解调器的方法的不同步骤。
具体实施方式
在附图和说明书的其余部分中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。此外，为了提高图的清晰度，不同的元件没有按比例显示。此外，不同的实施例和变体不是相互排斥的，并且可以组合在一起。除非另有说明，否则术语“基本上”、“近似”、“约为”表示在10％的裕度内，并且优选地在5％的裕度以内。此外，除非另有说明，否则术语“在…和…之间”及其等同语意味着包括边界。
本发明涉及一种电流辅助光子解调器，其适用于检测近红外光谱带(SWIR)中的光辐射，光谱带对应于大约0.8μm至1.7μm，或大约2.5μm的光谱范围。此外，它优选地属于包括彼此相同的检测像素的阵列的阵列光电检测器，其中每个检测像素包括平面解调器。
作为总体规则，解调器包括：
○检测部分，检测部分基于锗产生，其中中心区域是待检测光辐射的主要吸收部位。它在竖向上在顶面F1和底面F2之间延伸并且在水平方向上在主平面XY中延伸。它包括：至少两个p掺杂调制区域，其适于产生和调制漂移电流；以及至少一个n掺杂收集区域，其适于
收集所光生的少数载流子；
○电介质钝化层，其由至少一种电绝缘材料制成并覆盖顶面F1；
○电极，电极位于顶面F1处并穿过电介质钝化层，电极中的调制电极M1、M2与掺杂调制区域电接触；并且电极中的至少一个收集电极C1、C2与掺杂收集区域电接触。
根据本发明，如下文所述，基于锗的检测部分在主平面XY中具有拉伸机械应力，并且具有朝向竖向轴线Z定向的压缩机械应力。检测部分的锗的这种水平拉伸应力使得解调器能够在近红外光谱带中检测直到大于1.55μm的截止波长(弛豫的锗截止波长值)。此外，通过泊松效应，检测部分经历竖向压缩。
为了产生这种机械应力，解调器包括外围侧向部分，该外围侧向部分基于其热膨胀系数小于检测部分的材料的热膨胀系数的材料产生，并且在平面XY上围绕检测部分。因此，在产生外围侧向部分之后，在检测部分中产生机械应力。
此外，检测部分的竖向压缩用于增强解调器的性能。为此，不是像现有技术中那样以与掺杂调制区域共面的方式布置掺杂收集区域，而是根据竖向构造来布置它们，同时保持来自相同顶面F1的电极化。更具体地，掺杂区域被布置如下：
○至少一个掺杂区域与顶面F1齐平并且位于中心区域附近。其由此称为“上部掺杂区域”。上部掺杂区域根据第一类型导电性被掺杂；
○至少两个掺杂区域位于沿着竖向轴线Z与上部掺杂区域相距一定距离处。它们由此被称为“下部掺杂区域”。因此，上部掺杂区域沿着竖向轴线Z位于下部掺杂区域上方。它们根据与第一类型导电性相反的第二导电性类型进行掺杂。下部掺杂区域通过导电过孔与相应的电极电接触，导电过孔可以不同于外围侧向部分，或者可以是外围侧向部分的一部分。
因此，由于检测部分的间接禁带能量的增加，掺杂的收集区域和调制区域在竖向压缩检测部分内的这种竖向布置使得特别有可能减少掺杂收集区域和掺杂调制区域之间的暗电流，从而提高了解调器的性能。此外，可以减小掺杂收集区域和掺杂调制区域之间的(竖向)距离，从而有助于增强AC解调对比度和带宽。在阵列光电检测器的情况下，则可以减小像素间距，从而提高了阵列光电检测器的分辨率。
作为一般规则，掺杂收集区域可以是上部掺杂区域，并且掺杂调制区域则是下部掺杂区域。反向构造是可能的，其中掺杂收集区域是下部掺杂区域，而掺杂调制区域是上部掺杂区域。
图1A和图1B是根据一个实施例的电流辅助光子解调器1的示意性局部横截面图(图1A)和示意性局部顶视图(图1B)，电流辅助光子解调器1在这里属于相同的平面解调器1的阵列。
在该示例中，检测部分10包括两个上部掺杂区域11(在这里是n+掺杂收集区域)和两个下部掺杂区域12(其则是p+掺杂调制区域)。此外，掺杂调制区域通过特定的导电过孔3(因此不同于外围侧向部分2)连接到调制电极M1和M2，并且基于锗来产生。此外，下面F2在这里是接收待检测的光辐射的面。
这里定义了三维直接参考系XYZ，用于以下描述，其中轴X和Y平行于解调器1的主平面，并且其中竖向方向+Z沿着解调器1的检测部分10的厚度从下面F2在顶面F1的方向上定向。术语“下部”和“上部”是指在图1A中定义的+Z方向上增加的定位。此外，术语“水平”是指平行于平面XY的定向，并且术语“竖向”是指与轴Z平行的定向。
在这个例子中，解调器1具有平面构造，因为它们在这里是由相同的主半导体层23产生的(见图3C)。主半导体层在主平面XY中在上面F1和下面F2之间延伸，上面F1和下面F2彼此相对且平行于主平面。因此，对于解调器1中的每一个，两个面F1、F2沿着相同的平面延伸，并且(沿着厚度轴Z)对解调器1的检测部分10在竖向上限界。因此，解调器1不具有台面结构，因为它们在这里由相同的主半导体层23产生。
每个解调器1包括基于锗产生的检测部分10，并且检测部分10因此适用于检测近红外(SWIR)中的光辐射。只要检测部分10是基于锗制造的并且在平面XY中受到拉伸机械应力，则解调器1适于检测截止波长大于1.55μm的光辐射。
检测部分10的厚度是沿着竖向轴线Z在上面F1和下面F2之间限定，在这里从一个解调器1到另一个是基本上恒定的，例如在几百纳米到几微米之间，例如在大约1μm到5μm之间。选择该厚度以便在待检测的光辐射的波长范围内获得良好的吸收。检测部分10在平面XY中的横向尺寸可以在几百纳米和几十微米之间，例如在大约1μm和20μm之间，例如等于10μm。
检测部分10是基于锗产生的，即半导体材料是锗或由至少锗形成的化合物(二元或三元等)。因此，检测部分10可以由例如锗Ge、硅锗SiGe、锗锡GeSn或者甚至硅锗锡SiGeSn制成。因此，它可以由相同的半导体材料制成，并具有不同导电性类型的区域(同质结)，从而形成pn或pin结。在一个变体中，它可以是各种半导体材料的子层的堆叠(异质结)，这些子层因此是基于锗形成。
检测部分10包括中间区域13，其不是有意掺杂的(具有可选的残余p掺杂)或轻p掺杂的。中间区域13在面F1和F2之间且在平面XY中延伸，并且形成吸收待检测的光辐射的主要区域。
检测区域10的中心区域Zc被定义为待检测的光辐射的主要吸收部位。该中心区域Zc有利地在平面XY中由面F1或F2的接收待检测光辐射的那一侧上的光学盖界定。优选地，待检测的光辐射入射在下面F2的那一侧(称为前面)上，下部掺杂区域12由此可以形成该光学盖，从而有助于限定解调器1的光学窗口，特别是如下文所述，当它们用硼p掺杂(调制)时。
因此，上部掺杂区域11在这里是n掺杂区域，优选地是n+掺杂的。它们适于经由由收集电极C1和C2施加到检测部分10的中心区域Zc(在中间区域13中)的电势，收集从对待检测光辐射的吸收获得的光生少量载流子(光电流)。它们在这里是n+掺杂的，并且可以具有大约在5×1018at/cm3至2×1020at/cm3之间的掺杂。
上部掺杂区域11与顶面F1齐平，并且位于中心区Zc附近。“与……齐平”的意思是“到达”某处或“从”某处延伸。它们沿着竖向轴线Z延伸预定义的深度。此外，每个上部掺杂区域11在平面XY中并且沿着方向-Z被中间区域13包围。它直接通向顶面F1，而不被中间区域13的区域隔开。
两个上部掺杂区域11在平面XY中设置在中心区域Zc的两侧及其附近中。因此，收集电极C1和C2位于中心区域Zc的附近，而调制电极M1和M2远离中心区域。更一般地，上部掺杂区域11的电极位于中心区域Zc附近，而下部掺杂区域12的电极远离中心区域Zc。
注意，上部掺杂区域11在这里是通过从顶面F1在检测部分10中的局部离子注入而产生的。替代地，它们可以通过在由检测部分10的顶面F1形成的凹口中的外延再生长期间掺杂生长来产生。
下部掺杂区域12在此是p掺杂区域，优选地是p+掺杂的。它们适合于经由调制电极M1和M2对它们施加的电势而产生并调制漂移电流。它们在这里是p+掺杂的，并且例如具有大约1018at/cm3至1020at/cm3之间、优选1019at/cm3的掺杂。
下部掺杂区域12位于沿着竖向轴线Z与上部掺杂区域11相距一定距离处。换言之，上部掺杂区域11沿着竖向轴线Z位于下部掺杂区域12上方(可选地具有它们的重叠)。因此，下部掺杂区域12与上部掺杂区域11在竖向压缩中通过中间区域13的区域间隔开。此外，下部掺杂区域12在这里与底面F2间隔开一非零距离，但可替换地，它们可以与底面F2齐平(参见图2A和图2B中的变体)。
下部掺杂区域12在平面XY中位于检测部分10的中心区域Zc两侧上。此外，下部掺杂区域12的电极(此处为M1和M2)比上部掺杂区域11的电极更远离中心区域Zc。
下部掺杂区域12在远端12d(即远离中心区域)和近端12p(即靠近中心区域)之间平行于平面XY朝向中心区域Zc和上部掺杂区域11延伸。术语“远”和“近”是相对于中心区域Zc限定的。远端12d是与调制电极电连接的区域，这里专指特定的导电过孔3，而近端12p是主要的漂移电流产生区域。
在该示例中，下部掺杂区域12在平面XY中朝向中心区域Zc延伸直到垂直于上部掺杂区域11。换言之，在平面XY中的投影中，下部掺杂区域12的至少一部分与相邻的上部掺杂区域11重叠。替代地，如图2B所示，下部掺杂区域12可以不垂直于上部掺杂区域11。
注意，下部掺杂区域12是通过在产生检测部分10时发生的外延再生长期间掺杂生长而产生的。每个下部掺杂区域12沿着竖向轴线Z具有相同的预定厚度，并且在平面XY中是基本恒定的，例如等于几十或几百纳米。该厚度在这里等于大约200nm，但是它可以在100nm至500nm之间。
下部掺杂区域12(此处为调制)通过导电过孔3电连接到电极(此处为M1、M2)，导电过孔3沿着竖向轴线Z在相关电极和下部掺杂区域12的远端12d之间延伸。在该示例中，导电过孔3不同于外围侧向部分2。它们由至少一种导电材料(这里是基于p掺杂锗的材料)沉积在凹口24中制成，凹口24从顶面F1形成在主半导体层23中(参见图3F)并开口到下部掺杂区域12上。
检测部分10在平面XY中由外围侧向部分2在侧向上界定，该外围侧向部分2基于热膨胀系数小于检测部分10的基于锗的材料的热膨胀系数的材料而产生。该材料优选地基于硅，并且优选地是多晶硅。它也可以由单晶硅、非晶硅或硅锗组成。该材料可以任选地被掺杂。外围侧向部分2在平面XY中连续地(参见图1B)或不连续地(参考图2C)围绕检测部分10。
由于热膨胀差，在通过在高于环境温度的温度下沉积(例如通过在500℃至700℃之间的温度下外延生长)产生外围侧向部分2之后，检测部分10具有水平拉伸机械应力，并且通过泊松效应具有竖向压缩机械应力。
外围侧向部分2进一步确保解调器1在平面XY中的侧向光学隔离。这里，它优选地在检测部分10的整个厚度上延伸以出现在支撑层5上。
当外围侧向部分2的材料是基于硅产生的时，基于硅锗生产的侧向区域14可以存在于检测部分10和外围侧向部分2之间并与之接触。侧向区域14的禁带能量(间隙)大于由锗制成的检测部分10的禁带能量。这种侧向的“间隙开口”使得可以降低解调器1对存在于外围侧向沟槽附近的缺陷的灵敏度。因此，解调器1的性能也得到了改善。
此外，检测部分10安置在支撑层5上。该层可以由适合于检测部分10的锗的外延生长的半导体晶体材料制成。这种材料可以选择性地掺杂。该支撑层5可以是SiGeOi基板或GeOi基板的顶层。这里它是由硅制成的。
在此，在其中下部掺杂区域12不与支撑层5接触的情况下(参见图1A)，支撑层5的材料可以被掺杂并被承载到(carried to)电势，例如通过外围侧向部分2。在其中下部掺杂区域12与支撑层5接触的相反情况下(图2A)，其材料是非故意掺杂的。替代地，检测部分10可以安置在由绝缘材料制成的支撑层5上。
解调器1包括电介质钝化层4，该电介质钝化层4由至少一种不导电材料制成，例如绝缘体或本征半导体。它覆盖顶面F1，并且使得可以钝化检测部分10并且使电极M1、M2、C1、C2电绝缘。因此，它与中间区域13、上部掺杂区域11、导电过孔3和外围侧向部分2接触。它优选地由氧化物制成，例如硅、铝、锗、氧化铪等，或者由本征硅制成。它具有例如在2nm至500nm之间的厚度。
解调器1包括位于顶面F1的一侧上的电极M1、M2、C1、C2，这些电极穿过电介质钝化层4并电连接到上部掺杂区域11和下部掺杂区域12。调制电极M1、M2使得能够产生并调制漂移电流。它们在这里与导电过孔3接触，并且因此使得可以在下部掺杂区域12(在这里是调制)处施加正电势或零电势。它们连接到电气控制电路。收集电极C1、C2使得可以收集光生电子(光电流)。它们在此与上部掺杂区域11(此处为收集)接触，以向它们施加正电势。它们连接到电气读取电路。如上所述，下部掺杂区域12的电极比上部掺杂区域11的电极更远离中心区域Zc。
因此，解调器1适于在截止波长大于1.55μm的近红外中进行检测。这是由于基于锗的检测部分10在平面XY中的张紧，这导致检测部分10的材料的光学间隙的减小。此外，检测部分10的这种水平张力使得可以增加电荷载流子的迁移率，并因此提高解调器1的带宽。
此外，检测部分10的竖向压缩导致检测部分10的基于锗的材料的间接间隙的增加，并且因此导致在竖向上布置的各掺杂调制区域和相邻的掺杂收集区域之间的暗电流的减少。
由此，可以减小各掺杂调制区域与相邻的掺杂收集区域之间的竖向距离。因此，在防止泄漏电流增加的风险的同时，提高了解调器1的AC解调对比度和带宽。此外，在阵列光电检测器的情况下，可以减小像素间距。
在后面(底面F2)上照明的情况下，并且当下部掺杂区域12是p+掺杂区域(掺杂有例如浓度为约1019cm-3的硼的锗)时，这些相同的下部掺杂区域形成反射器，并且因此形成光学盖，该光学盖在平面XY中限定光学窗口，并且因此限定中心区域Zc。因此，不需要生产特定的光学盖。
此外，优化检测部分10的厚度是有利的，以便有效地吸收所需波长的红外光辐射，同时产生足够的拉伸和压缩机械应力。
在这方面，图1C示出了检测部分10的吸收率A、透射率T和反射率R相对于波长为1.55μm的光辐射的变化的示例。
在该示例中，电介质钝化层4由厚度为280nm的SiO2制成，因此使得可以成为良好的防眩光涂层。检测部分10由锗制成，并且中间区域13具有大约1015cm-3的p掺杂。下部掺杂部分12(调制)由掺杂有浓度为大约1019cm-3的硼的锗制成，并且具有200nm的厚度。上部掺杂部分11(收集)由掺杂有浓度为约1019cm-3的磷(或砷或锑)的锗制成。检测部分10具有变化的厚度(在两个面F1和F2之间)。它被由多晶硅制成的外围侧向部分2围绕。
图1C中所示的吸收率A、透射率T和反射率R是通过使用COMSOL Multiphysics软件对电磁方程进行数字模拟获得的。对于大约300nm、480nm、670nm和860nm的检测部分10的厚度，吸收峰似乎是适合的。因此，对于295nm的厚度，吸收率A等于大约85％。对于480nm的厚度，吸收率A上升到大约88％，并且对于670nm的厚度上升到大约90％。
此外，对于检测部分10的不同厚度值，使用相同的软件来确定机械应力。因此，对于295nm的厚度，获得+0.36％的水平拉伸变形和-0.14％的竖向压缩变形。对于480nm的厚度而言，获得+0.30％的水平张力和-0.12％的竖向压缩。对于670nm的厚度，获得+0.25％的水平张力和-0.11％的竖向压缩。因此，机械应力随着检测部分10的厚度的增加而减小。
此外，在该示例中，480nm的厚度呈现出在光学吸收和机械变形之间的良好折衷。因此，它使得可以获得高的吸收率(此处为88％)以及足够的机械应力(+0.30％的水平张力和-0.12％的竖向压缩)。
这种解调器1的性能特别高，无论是在时间脉冲响应和带宽方面，只要对于AC解调对比度Cac以及约400MHz到500MHz的带宽获得95％的最大值。这里，掺杂收集区域(上部区域11)被承载到+1V的电极化，并且掺杂调制区域(下部区域12)中的一个被承载到0V，另一个被承载到0.7V。在操作中，这两个调制器是反相的并且被频率调制。
这里应指出，时间脉冲响应对应于AC解调对比度Cac。对比度CAC由以下方程定义(这里简化为二维构型)：Cac(f)＝(QC1(t)-QC2(t))/Qtot，其中QC1和QC2是电极C1和C2处的电荷，Qtot是解调器1中的总电荷。AC解调对比度Cac是从n+掺杂收集区域收获的电流的时间变化中提取的对比度。将这两个电流积分得到解调器1中的电荷的量。另一方面，DC解调对比度Cdc不涉及频率(静态对比度)。
正如Dalla Betta等人在题为“Design and Characterization of Current-Assisted Photonic Demodulators in 0.18-μm CMOS Technology(0.18-μm CMOS技术中电流辅助光子解调器的设计和表征”的科学文章中特别描述的那样，参见IEEETrans.Electron Devices，第58卷，第6期，第1702-1707页，2011年6月，解调对比度Cd定义为：其中Itot是在电极C1和C2处收集的总的光电流：ltot＝lC1+lC2；并且fC1是由电极C1收集的光电流Itot的分数。在其中入射光辐射在功率上被正弦调制，并且施加在调制电极M1和M2之间的电压也是正弦的(两个调制器仍然相互反相)，具有与光辐射相同的频率的情况下，所收集的光电流由此可以写为：
其中和/>是所测量的光电流Itot的连续分量和交变分量，/>是分数fC1的AC分量的幅度，f是调制频率，/>是发射光和接收光之间的相位差。使用这两个方程，可以访问直接包含相位/>的电流IC1和IC2的平均值，使用该相位/>可以确定位于照明场景中的物体的距离。这些电流使得可以确定AC解调对比度Cac。
图2A是根据替代实施例的电流辅助光子解调器1的示意性局部横截面图。
在该示例中，解调器1与图1A的解调器的不同之处在于，检测部分10是通过从SOI基板外延生长而产生的。检测部分10然后与由硅(优选单晶)制成的支撑层5接触。该支撑层5是用于检测部分的锗的成核层。它安置在由氧化硅(BOX)制成的绝缘层20上。可以存在与氧化物层20接触的厚硅层(未示出)。这里，下部掺杂区域12与支撑层5接触。此外，它由非故意掺杂的硅制成，以防止下部掺杂区域之间的任何短路。
图2B和图2C是根据另一替代实施例的电流辅助光子解调器1的示意性局部横截面图(图2B)和示意性局部顶视图(图2C)。
在该示例中，解调器1与图1A和图2A的解调器的不同之处特别在于，它仅包括单个的掺杂收集区域，该收集区域则是位于中心区域Zc的中心处的上部掺杂区域11。掺杂调制区域则是下部掺杂区域12。
此外，提供下部掺杂区域12的电极化的导电过孔3不是与外围侧向部分2不同的过孔，而是外围侧向部分2的(相互不同的)部分。后者在这里由平面XY中的多个不同部分形成(它们之间没有材料连续性)。外围侧向部分2由与下部掺杂区域12(此处为p型)具有相同类型导电性的掺杂导电材料制成。在本例中，它由硼浓度为约1020cm-3的p+掺杂多晶硅制成。由此，电极与外围侧向部分2的部分接触。
当检测部分10像这里一样是p型时，p掺杂的侧向区域15可以沿着外围侧向部分2存在于检测部分10中。该p+掺杂侧向区域15使得可以避免解调器1的空间电荷区域延伸到检测部分10的侧向边界。因此，该区域(可能没有与沟槽的产生相关的缺陷)对暗电流的贡献受到限制。
图3A至图3L示出了与图1A所示类似的电流辅助光子解调器1的阵列的制造方法的各个步骤。这里的解调器1具有平面构型。它们是基于锗生产的，因此适用于检测近红外中的红外辐射。检测部分10由锗制成。在这个例子中，它们是由生长SOI基板生产的。
参考图3A，提供了生长SOI基板，其顶层5是厚度为10nm至100nm的单晶硅层。然后通过外延生长产生几十纳米、例如50nm的非有意掺杂锗(nid)层21。生长温度可以是400℃。然后，在400℃的温度下，通过外延生长产生浓度为约1019cm-3、厚度为约200nm的p掺杂锗的层22。
参考图3B，然后通过p+掺杂层22的光刻和局部蚀刻来产生下部掺杂区域12，在nid锗的底层21上停止蚀刻。每个下部掺杂区域12在平面XY中在近端12p和远端12e之间延伸。近端12p沿着轴线X界定光学窗口。光学窗口的沿着X轴的尺寸取决于像素间距，并且因此可以在1.5μm到几十微米的范围内。
参考图3C，主半导体层23通过从nid锗层21和下部掺杂区域12外延生长而产生。主半导体层23由非有意掺杂锗制成，并且具有在约700nm至800nm之间的厚度。它可以如由Hartmann和Aubin在题为“Assessment of the growth/etch back technique for theproduction of Ge strain-relaxed buffers on Si“评估用于在Si上生产Ge应变弛豫缓冲部的生长/回蚀技术)”的出版物中特别描述的那样生产，参见Journal of Crystalgrowth，488(2018)，43。主半导体层23由此具有非常低的出射位错密度(例如大约107个位错/cm2)，这有助于减少解调器1的检测部分10中的暗电流。
然后执行化学机械平坦化(CMP)步骤，以平坦化顶面F1，并将主半导体层23的厚度减小到预定的最佳值(例如，等于大约480nm)。将成为检测部分的厚度被限定在底面F2(nid锗层21和成核支撑层5之间的界面)和顶面F1之间。
参考图3D，在主半导体层23的顶面F1上沉积电介质钝化层4(层21集成在层23中)。该电介质钝化层4可以由第一钝化子层形成，该第一钝化子层例如由通过原子层沉积(ALD)沉积的具有10nm至50nm、例如约10nm的厚度的氧化铝产生，或者甚至由通过外延生长沉积在检测部分10的锗上的、具有1nm至4nm范围的厚度的非有意掺杂硅的薄层形成。然后，在第一下衬子层上沉积由例如厚度为大约100nm至500nm的诸如SiO2 TEOS(原硅酸四乙酯)的氧化硅制成的第二子层。
参考图3E，然后在主层23中产生凹口24，凹口24沿着轴线Z从顶面F1延伸到远端12d处的下部掺杂区域12上。这些凹口24是通过光刻和局部蚀刻产生的，其中蚀刻停止在下部掺杂区域12的p++掺杂锗上。这些凹口24的横向尺寸可以是大约0.5μm至1μm。
参考图3F，然后通过在凹口24中沉积导电材料来产生导电过孔3。这里，通过在大约600℃的温度下用浓度为大约1019cm-3的硼p掺杂的锗的外延生长来填充凹口24。然后，执行CMP平坦化步骤，以去除安置在电介质钝化层4上的p+掺杂锗。
参考图3G，然后在主层23中产生外围沟槽25，从而使得可以通过外围侧向部分2对解调器1进行像素化。然后，在BOX氧化物层20上打开主层23的局部蚀刻。每个沟槽25在平面XY中围绕检测部分10连续地延伸。由此获得通过连续沟槽25而彼此分离开的多个检测部分10。它们优选地通过各向异性蚀刻技术获得，从而获得沿着轴线Z的基本竖向的侧向边界。沟槽25在平面XY中的横向尺寸(宽度)可以在0.5μm和2μm之间，例如等于1μm。因此，检测部分10可以具有平面XY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3H，通过在沟槽25中外延生长，在500℃和700℃之间的温度下，由此处基于硅的晶体半导体材料产生外围侧向部分2。这里它由多晶硅组成。它可以是p掺杂的，例如掺杂水平为约4×1019cm-3的硼。这种材料的热膨胀系数小于检测部分10的锗的热膨胀系数，使得在返回到环境温度时(在外围沟槽25中的多晶硅的外延生长之后)，检测部分10具有水平拉伸机械应力和竖向压缩机械应力。
参考图3I，进行互扩散退火以形成基于SiGe的侧向区域14。最后，然后执行化学机械抛光(CMP)步骤，在电介质钝化层4的顶面上停止，以消除基于硅的过量材料并使堆叠的顶面平坦化。
参考图3J，在电介质钝化层4中产生非穿透凹口26，留下例如20nm的非蚀刻部分。然后沉积树脂27(注入掩模)，留下由凹口26限定的注入区域。然后，通过在检测部分10中离子注入磷(或者甚至用砷或锑)来产生上部掺杂区域11，这里是n+掺杂的。掺杂水平可以是约5×1018到1020cm-3。因此，上部掺杂区域11与顶面F1齐平并且位于下部掺杂区域12上方。这里，它们被定位成垂直于下部掺杂区域12的近端12p。然后去除树脂27，并进行磷的活化退火。
注意，上部掺杂区域11也可以通过锗在从面F1形成在检测部分10中的凹口中的外延再生长来产生，其中在生长时进行n掺杂。然而，优选离子注入，以保持在检测部分10中存在的机械应力。
参考图3K，在下衬电介质层4上沉积新的电介质层，以覆盖检测部分10、导电过孔3和外围侧向部分2。
参考图3L，产生了延伸穿过电介质钝化层4并与导电过孔3接触的调制电极M1、M2，以及延伸穿过电介质保护层4并与上部掺杂区域11接触的收集电极C1和C2。
因此，获得了电流辅助光子解调器1的阵列，这里呈现平面构型，其适于在截止波长大于1.55μm的近红外中进行检测，并且由于其竖向布置和竖向压缩机械应力，其具有在掺杂调制区域和相邻的掺杂收集区域之间的暗电流。
刚刚描述了特定的实施例。各种变化和修改对于本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (15)

1.一种适于检测相关光辐射的电流辅助光子解调器(1)，包括：
检测部分(10)，所述检测部分具有彼此相对且平行于主平面的第一面(F1)和第二面(F2)，并且所述检测部分(10)包括中心入射光辐射检测区域(Zc)，
由基于锗的第一晶体半导体材料制成，
包括掺杂区域，其中：
至少两个p掺杂调制区域，所述p掺杂调制区域用于在所述检测部分(10)中产生并调制漂移电流；
至少一个n掺杂收集区域，所述n掺杂收集区域用于收集在吸收所述相关光辐射期间所光生的少数电荷载流子；
电介质钝化层(4)，所述电介质钝化层基于电绝缘材料产生，并覆盖所述第一面(F1)；
电极(M1、M2、C1、C2)，所述电极位于所述第一面(F1)处并穿过所述电介质钝化层(4)，所述电极中的调制电极(M1、M2)与所述掺杂调制区域电接触；并且所述电极中的至少一个收集电极(C1、C2)与至少所述掺杂收集区域电接触；
其特征在于，所述电流辅助光子解调器(1)包括在所述主平面中围绕所述检测部分(10)的外围侧向部分(2)，
基于第二材料产生，所述第二材料的热膨胀系数小于所述第一材料的热膨胀系数，所述检测部分(10)由此在所述主平面中具有拉伸机械应力并且在正交于所述主平面的竖向轴线上具有压缩机械应力；
o并且在于，所述掺杂区域根据竖向布置来设置，使得：
称为上部掺杂区域(11)的至少一个根据第一类型导电性掺杂的区域与所述第一面(F1)齐平并且位于中心区域(Zc)附近；
称为下部掺杂区域(12)的至少两个根据与所述第一类型导电性相反的第二类型导电性掺杂的区域位于沿着所述竖向轴线与所述上部掺杂区域(11)相距一定距离处。
2.根据权利要求1所述的光子解调器(1)，其中每个下部掺杂区域(12)与所述主平面平行地朝向所述中心区域(Zc)和所述上部掺杂区域(11)延伸，并且具有远离所述中心区域(Zc)的远端(12d)和朝向所述中心区域(Zc)定向的近端(12p)。
3.根据权利要求1所述的光子解调器(1)，包括导电过孔(3)，所述导电过孔沿着所述第一面(F1)的竖向轴线延伸并且与所述下部掺杂区域(12)电接触。
4.根据权利要求3所述的光子解调器(1)，其中所述导电过孔(3)与所述外围侧向部分(2)不同；或者所述导电过孔(3)是所述外围侧向部分(2)的相互不同的部分，所述外围侧向部分(2)则是由导电材料制成。
5.根据权利要求3所述的光子解调器(1)，其中接触所述上部掺杂区域(11)的电极与接触所述导电过孔(3)的电极相比更靠近所述中心区域(Zc)。
6.根据权利要求1所述的光子解调器(1)，包括两个下部掺杂调制区域(12)并且包括单个上部掺杂收集区域(11)，所述单个上部掺杂收集区域(11)位于所述中心区域(Zc)中并且在所述主平面中与所述下部掺杂调制区域(12)相距一定距离处。
7.根据权利要求1所述的光子解调器(1)，包括两个上部掺杂区域(11)，每个所述上部掺杂区域(11)定位成垂直于所述下部掺杂区域(12)中的一者。
8.根据权利要求1所述的光子解调器(1)，其中，对于上部掺杂区域(11)和竖向相邻的下部掺杂区域(12)，沿着所述竖向轴线在所述掺杂区域(11、12)之间的竖向距离小于在所述主平面中在连接到所述上部掺杂区域(11)的电极与连接到所述相邻的下部掺杂区域(12)的所述导电过孔(3)的电极之间的水平距离。
9.根据权利要求1所述的光子解调器(1)，其中所述上部掺杂区域(11)是收集区域，并且所述下部掺杂区域(12)是调制区域。
10.根据权利要求1所述的光子解调器(1)，其中所述外围侧向部分(2)基于硅产生，并且所述检测部分(10)包括位于与所述外围侧向部分(2)的交界处的基于SiGe产生的侧向区域(14)。
11.根据权利要求1所述的光子解调器(1)，其中所述下部掺杂区域(12)离所述第二面(F2)比离所述第一面(F1)更近。
12.一种根据前述权利要求中任一项所述的光子解调器(1)的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：
通过从支撑层(5)外延生长来产生基于掺杂锗的第一层(22)；
通过所述基于掺杂锗的第一层(22)的局部蚀刻来产生下部掺杂区域(12)；
在所述下部掺杂区域(12)上或与所述下部掺杂区域(12)相接触地通过外延生长来产生基于非有意掺杂锗的主层(23)；
产生围绕所述检测部分(10)穿过所述主层(23)的沟槽(25)；
在高于环境温度的温度下在所述沟槽(25)中产生所述外围侧向部分(2)，使得在返回到环境温度之后，所述检测部分(10)在所述主平面中是拉伸的并且沿着所述竖向轴线是压缩的；
在所述检测部分(10)中产生一个或多个上部区域(11)；
在所述检测部分(10)上沉积电介质钝化层(4)；
产生调制电极和收集电极。
13.根据权利要求12所述的制造方法，包括在产生所述沟槽(25)之前产生在所述下部掺杂区域(12)上开口的两个第一凹口(24)的步骤，随后是在所述第一凹口(24)中产生导电过孔(3)的步骤。
14.根据权利要求12所述的制造方法，使得当产生所述沟槽(25)时，所述沟槽在所述下部掺杂区域(12)上开口，使得所述外围侧向部分(2)随后与所述下部掺杂区域接触。
15.根据权利要求12所述的制造方法，其中所述上部掺杂区域(11)是通过局部离子注入来产生的。
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