DE102021104471B4 - Photodetektoren mit angrenzenden anoden-kathoden-paaren - Google Patents

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Abstract

Struktur für einen Photodetektor, wobei die Struktur umfasst:einen lichtabsorbierenden Bereich, der eine erste Seitenkante (25) umfasst;eine Halbleiterschicht (12), die einen ersten dotierten Bereich (32) und einen zweiten dotierten Bereich (26) umfasst, wobei der erste dotierte Bereich (32) eine erste Anode angrenzend an die erste Seitenkante (25) des lichtabsorbierenden Bereichs definiert,und der zweite dotierte Bereich (26) eine erste Kathode angrenzend an die erste Seitenkante (25) des lichtabsorbierenden Bereichs definiert;eine dielektrische Schicht (14), die unter der Halbleiterschicht (12) positioniert ist; undeinen ersten Flachgrabenisolationsbereich (17), der in der Halbleiterschicht (12) seitlich zwischen dem ersten dotierten Bereich (32) und dem zweiten dotierten Bereich (26) positioniert ist, wobei der erste Flachgrabenisolationsbereich (17) die Halbleiterschicht (12) bis zur dielektrischen Schicht (14) durchdringt,wobei der erste dotierte Bereich (32) einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, und der zweite dotierte Bereich (26) einen zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, der zu dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist.

Description

  • HINTERGRUND
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Photonikchips und insbesondere auf Strukturen für einen Photodetektor und Verfahren zum Fertigen einer Struktur für einen Photodetektor.
  • Photonikchips werden in vielen Anwendungen und Systemen verwendet, wie etwa in Datenkommunikationssystemen und Datenberechnungssystemen. Ein Photonikchip integriert optische Komponenten, wie etwa Wellenleiter und optische Schalter, und elektronische Komponenten, wie etwa Feldeffekttransistoren, in eine vereinigte Plattform. Neben anderen Faktoren können Layoutbereich, Kosten und betrieblicher Overhead durch die Integration beider Arten von Komponenten reduziert werden.
  • Photonikchips umfassen Detektoren, die moduliertes Licht in ein elektrisches Signal konvertieren. Ein üblicher Detektor ist ein Photodetektor, der aus einem Material wie Germanium zusammengesetzt ist, das durch hohe Absorption im infraroten Wellenlängenbereich gekennzeichnet ist. Der Germanium-Photodetektor konvertiert modulierte Lichtimpulse in Strom, da Photonen von elektromagnetischer Strahlung im Germanium absorbiert werden.
  • Aus der US 2019 / 0 019 899 A1 sind PIN-Photodiodenstrukturen mit einer texturierten Oberfläche zur Verbesserund der Lichtabsorption bekannt. Aus der GB 2 590 350 A sind ferner PIN-Photodioden bekannt, die als Mesa-Strukturen ausgebildet sind. Aus der US 2016 / 0 155 884 A1 ist ferner ein Germanium-auf-Silizium-Photodetektor bekannt. Photodetektoren, die in vertikaler oder lateraler PIN-Anordnung designed sind, werden ferner in der US 2020 / 0 028 000 A1 beschrieben. Ferner ist aus der US 2020 / 0 028 000 A1 eine Solarzellenstruktur bekannt, umfassend ein Substrat mit einer texturierten Substratoberfläche, und der Substratoberfläche gegenüberliegend angeordneten leitfähigen Kontakten.
  • Benötigt werden verbesserte Strukturen für einen Photodetektor und Verfahren zum Fertigen einer Struktur für einen Photodetektor.
  • KURZER ABRISS
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Struktur für einen Photodetektor bereitgestellt. Die Struktur umfasst einen lichtabsorbierenden Bereich, der eine Seitenkante umfasst; eine Halbleiterschicht, die einen ersten dotierten Bereich und einen zweiten dotierten Bereich umfasst, wobei der erste dotierte Bereich eine erste Anode angrenzend an die erste Seitenkante des lichtabsorbierenden Bereichs definiert, und der zweite dotierte Bereich eine erste Kathode angrenzend an die erste Seitenkante des lichtabsorbierenden Bereichs definiert; eine dielektrische Schicht, die unter der Halbleiterschicht positioniert ist; und einen ersten Flachgrabenisolationsbereich, der in der Halbleiterschicht seitlich zwischen dem ersten dotierten Bereich und dem zweiten dotierten Bereich positioniert ist, wobei der erste Flachgrabenisolationsbereich die Halbleiterschicht bis zur dielektrischen Schicht durchdringt, wobei der erste dotierte Bereich einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, und der zweite dotierte Bereich einen zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, der zu dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden einer Struktur für einen Photodetektor bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bilden eines lichtabsorbierenden Bereichs, das Bilden eines ersten dotierten Bereichs in einer Halbleiterschicht, wobei der erste dotierte Bereich einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, der erste dotierte Bereich eine erste Anode angrenzend an die erste Seitenkante des lichtabsorbierenden Bereichs definiert, und eine dielektrische Schicht unter der Halbleiterschicht positioniert ist; das Bilden eines zweiten dotierten Bereichs in der Halbleiterschicht, wobei der zweite dotierte Bereich einen zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, und der zweite dotierte Bereich eine erste Kathode angrenzend an die Seitenkante des lichtabsorbierenden Bereichs definiert; und ein Bilden eines Flachgrabenisolationsbereichs, der in der Halbleiterschicht seitlich zwischen dem ersten dotierten Bereich und dem zweiten dotierten Bereich positioniert ist, wobei der Flachgrabenisolationsbereich die Halbleiterschicht bis zur dielektrischen Schicht durchdringt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN
  • Die beigefügten Zeichnungen, die in diese Beschreibung einbezogen sind und einen Teil von ihr darstellen, veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung und dienen, zusammen mit einer oben gegebenen allgemeinen Beschreibung der Erfindung und der nachstehend gegebenen detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen, dazu, die Ausführungsformen der Erfindung zu erläutern. In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten.
    • 1 ist eine Ansicht von oben einer Struktur in einem anfänglichen Fertigungsstadium eines Prozessierungsverfahrens gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
    • 2 ist eine Querschnittsansicht insgesamt entlang einer Linie 2-2 in 1.
    • 3 ist eine Ansicht von oben einer Struktur in einem Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens anschließend an 1.
    • 4 ist eine Querschnittsansicht insgesamt entlang einer Linie 4-4 in 3.
    • 5 ist eine Ansicht von oben einer Struktur in einem Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens anschließend an 3.
    • 6 ist eine Querschnittsansicht insgesamt entlang einer Linie 6-6 in 5.
    • 7 ist eine Ansicht von oben einer Struktur in einem Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens anschließend an 5.
    • 8 ist eine Querschnittsansicht insgesamt entlang einer Linie 8-8 in 7.
    • 8A ist eine Querschnittsansicht insgesamt entlang einer Linie 8A-8A in 7.
    • 9 ist eine Ansicht von oben einer Struktur in einem Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens anschließend an 7.
    • 10 ist eine Querschnittsansicht insgesamt entlang einer Linie 10-10 in 9.
    • 10A ist eine Querschnittsansicht insgesamt entlang einer Linie 10A-10A in 9.
    • 11 ist eine Ansicht von oben einer Struktur in einem Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens anschließend an 9.
    • 12 und 13 sind Ansichten von oben von Strukturen gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Unter Bezugnahme auf die 1, 2 und gemäß Ausführungsformen der Erfindung umfasst ein Substrat 10 in der repräsentativen Form eines Halbleiter-auf-Isolator (semiconductor-on-insulator; SOI)-Substrats eine Vorrichtungsschicht 12, die eine Halbleiterschicht definiert, eine vergrabene Isolatorschicht 14 und einen Handle-Wafer 16. Die Vorrichtungsschicht 12 ist von dem Handle-Wafer 16 durch die dazwischenkommende vergrabene Isolatorschicht 14 getrennt und kann beträchtlich dünner als der Handle-Wafer 16 sein. Die Vorrichtungsschicht 12 und der Handle-Wafer 16 können aus einem einkristallinen Halbleitermaterial, wie etwa einkristallinem Silizium, zusammengesetzt sein und können leicht dotiert sein, um zum Beispiel eine p-Typ-Leitfähigkeit aufzuweisen. Die vergrabene Isolatorschicht 14 kann aus einem dielektrischen Material, wie etwa Siliziumdioxid, zusammengesetzt sein. Die Vorrichtungsschicht 12 ist von dem Handle-Wafer 16 durch die vergrabene Isolatorschicht 14 elektrisch isoliert.
  • Flachgrabenisolationsbereiche 17, 18 können durch Ätzen von Gräben in der Vorrichtungsschicht 12, Abscheiden eines dielektrischen Materials, wie etwa Siliziumdioxid, in den Gräben und Planarisieren mit chemisch-mechanischem Polieren gebildet werden. Die Flachgrabenisolationsbereiche 17, 18 können die Vorrichtungsschicht 12 bis zur vergrabenen Isolatorschicht 14 vollständig durchdringen.
  • Unter Bezugnahme auf die 3, 4, in denen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Merkmale in den 1, 2 beziehen, und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium, wird eine dielektrische Schicht 20 über eine obere Oberfläche 11 des Substrats 10 abgeschieden und durch Lithografie- und Ätzprozesse strukturiert, um ein Fenster oder eine Öffnung 21 zu definieren. Die dielektrische Schicht 20 kann aus einem dielektrischen Material, wie etwa Siliziumnitrid zusammengesetzt sein. Die Öffnung 21, die die dielektrische Schicht 20 vollständig bis zur Vorrichtungsschicht 12 durchdringt, exponiert einen Bereich auf der oberen Oberfläche 11 der Vorrichtungsschicht 12. Die Öffnung 21 in der dielektrischen Schicht 20 kann seitlich zwischen dem Flachgrabenisolationsbereich 17 und dem Flachgrabenisolationsbereich 18 angeordnet sein.
  • In der Vorrichtungsschicht 12 ist ein Graben 22 gebildet, der die Vorrichtungsschicht 12 teilweise durchdringt. Der Graben 22 kann durch einen Ätzprozess, wie einen reaktiven Ionenätzprozess gebildet sein. Die strukturierte dielektrische Schicht 20 fungiert als eine Ätzmaske während des Ätzprozesses und die Öffnung 21 in der strukturierten dielektrischen Schicht 20 definiert die Stelle in der Vorrichtungsschicht 12 für den Graben 22. Oberflächen der Vorrichtungsschicht 12 grenzen an den Graben 22 an.
  • Unter Bezugnahme auf die 5, 6, in denen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Merkmale in den 3, 4 beziehen, und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium, wird eine Schicht 24, die ein lichtabsorbierendes Material enthält, innerhalb des Grabens 22 abgeschieden und definiert einen lichtabsorbierenden Bereich eines Photodetektors. Bei einer Ausführungsform kann die Schicht 24 eine Zusammensetzung aufweisen, die Germanium umfasst. Bei einer Ausführungsform kann die Schicht 24 aus elementarem Germanium zusammengesetzt sein. Bei einer Ausführungsform können sich der Graben 22 und die Schicht 24 innerhalb des Grabens 22 vom Flachgrabenisolationsbereich 17 zum Flachgrabenisolationsbereich 18 erstrecken. Die Schicht 24 umfasst gegenüberliegende Seitenkanten 25, 27, die die Breite des lichtabsorbierenden Bereichs definieren und Enden, die die Seitenkanten 25, 27 verbinden. Der Flachgrabenisolationsbereich 17 endet an der Seitenkante 25 der Schicht 24, und der Flachgrabenisolationsbereich 18 endet an der Seitenkante 27 der Schicht 24.
  • Bei einer Ausführungsform kann die Schicht 24 derart selektiv abgeschieden werden, dass kein Material auf dem dielektrischen Material der dielektrischen Schicht 20 abgeschieden wird. Bei einer Ausführungsform können die Oberflächen der an den Graben 22 angrenzenden Vorrichtungsschicht 12 einem Oberflächenvorbereitungsprozess unterzogen werden, gefolgt von einer chemischen Dampfabscheidung von Germanium, das nur dort wächst, wo die Halbleiteroberflächen der Vorrichtungsschicht 12 exponiert sind, was zu einer selektiven Abscheidung und der Minimierung einer Schraubenversetzungsdichte führt.
  • Unter Bezugnahme auf die 7, 8, 8A, in denen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Merkmale in den 5, 6 beziehen, und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium, werden ein dotierter Bereich 26 und ein dotierter Bereich 28 in jeweiligen Abschnitten der Vorrichtungsschicht 12 gebildet. Bei einer Ausführungsform können sich die dotierten Bereiche 26, 28 durch die gesamte Dicke der Vorrichtungsschicht 12 zu der vergrabenen Isolatorschicht 14 erstrecken. Insbesondere können sich die dotierten Bereiche 26, 28 von der oberen Oberfläche der Vorrichtungsschicht 12 vollständig durch die Vorrichtungsschicht 12 zu der Schnittstelle zwischen der Vorrichtungsschicht 12 und der vergrabenen Isolatorschicht 14 erstrecken. Die Schicht 24 kann seitlich an ihren Seitenkanten 25, 27 zwischen dem dotierten Bereich 26 und dem dotierten Bereich 28 angeordnet sein. Die Flachgrabenisolationsbereiche 17, 18 definieren jeweilige Grenzen für die dotierten Bereiche 26, 28 in einer Richtung parallel zu den Seitenkanten 25, 27 der Schicht 24.
  • Die dotierten Bereiche 26, 28 können beispielsweise durch Ionenimplantation mit einer Implantationsmaske 30 gebildet sein, die einen Bereich über der Vorrichtungsschicht 12 abdeckt, um die implantierten Bereiche der Vorrichtungsschicht 12 für die dotierten Bereiche 26, 28 zu bestimmen. Die Implantationsmaske 30 kann eine Schicht aus einem lichtempfindlichem Material, wie einem Fotolack, umfassen, der durch einen Spin-Coating-Prozess aufgebracht, vorgebacken, einem durch eine Fotomaske projizierten Licht ausgesetzt, nach der Belichtung gebacken, und mit einem chemischen Entwickler entwickelt wurde, um Öffnungen 35 zu definieren. Die Öffnungen 35 in der Implantationsmaske 30 sind über zu implantierenden Bereichen der Vorrichtungsschicht 12 angeordnet und jede Öffnung 35 in der Implantationsmaske 30 kann an einer Kante mit den Flachgrabenisolationsbereichen 17, 18 überlappen. Die Implantationsbedingungen (z. B. lonenspezies, Dosis, kinetische Energie) können ausgewählt sein, um die elektrischen und physikalischen Charakteristika der dotierten Bereiche 26, 28 abzustimmen. Die Implantationsmaske 30 kann nach dem Bilden der dotierten Bereiche 26, 28 gestrippt werden.
  • Bei einer Ausführungsform können jeweilige Abschnitte der Schicht 24 derart implantiert sein, dass Abschnitte der dotierten Bereiche 26, 28 in der Schicht 24 angeordnet sind, wie durch die gestrichelten Linien in den 8, 8A angezeigt ist. Die gleichzeitige Implantation der Schicht 24 kann durch leichtes Überlappen jeder Öffnung 35 in der Implantationsmaske 30 an ihrer Innenkante mit der Schicht 24 derart, dass sich die Öffnungen 35 nach innen über die Seitenkanten 25, 27 der Schicht 24 hinaus erstrecken, bereitgestellt werden. Bei einer Ausführungsform kann das Halbleitermaterial der dotierten Bereiche 26, 28 mit einem p-Typ-Dotierstoff (z.B. Bor) dotiert sein, der eine p-Typ-Leitfähigkeit bereitstellt. Bei einer Ausführungsform können die dotierten Bereiche 26, 28 moderat dotiert sein, um eine Dotierstoffkonzentration in einem Bereich gleich etwa 1×1017 Atome/cm3 bis etwa 5×1018 Atome/cm3 zu enthalten.
  • Unter Bezugnahme auf die 9, 10, 10A, in denen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Merkmale in den 7, 8, 8A beziehen, und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium, wird ein dotierter Bereich 32 und ein dotierter Bereich 34 in jeweiligen Abschnitten der Vorrichtungsschicht 12 gebildet, die nicht mit den Abschnitten der Vorrichtungsschicht 12 übereinstimmen, die die dotierten Bereiche 26, 28 enthalten. Bei einer Ausführungsform können sich die dotierten Bereiche 32, 34 durch die gesamte Dicke der Vorrichtungsschicht 12 bis zur vergrabenen Isolatorschicht 14 erstrecken. Insbesondere können sich die dotierten Bereiche 32, 34 von der oberen Oberfläche der Vorrichtungsschicht 12 vollständig durch die Vorrichtungsschicht 12 zu der Schnittstelle zwischen der Vorrichtungsschicht 12 und der vergrabenen Isolatorschicht 14 erstrecken. Die Flachgrabenisolationsbereiche 17, 18 definieren jeweilige Grenzen für die dotierten Bereiche 32, 34 in einer Richtung parallel zu den Seitenkanten 25, 27 der Schicht 24.
  • Die dotierten Bereiche 32, 34 können, zum Beispiel, durch Ionenimplantation mit einer Implantationsmaske 36 gebildet werden, die einen Bereich über der Vorrichtungsschicht 12 bedeckt, um die implantierten Bereiche der Vorrichtungsschicht 12 für die dotierten Bereiche 32, 34 zu bestimmen. Die Implantationsmaske 36 kann eine Schicht aus einem lichtempfindlichen Material, wie einem Fotolack, umfassen, der durch einen Spin-Coating-Prozess aufgebracht, vorgebacken, einem durch eine Fotomaske projizierten Licht ausgesetzt, nach der Belichtung gebacken, und mit einem chemischen Entwickler entwickelt wurde, um Öffnungen 37 zu definieren. Die Öffnungen 37 in der Implantationsmaske 36 sind über Bereichen der zu implantierenden Vorrichtungsschicht 12 angeordnet und jede Öffnung 37 in der Implantationsmaske 36 kann an einer Kante mit den Flachgrabenisolationsbereichen 17, 18 überlappen. Die Implantationsmaske 36 bedeckt die Abschnitte der Vorrichtungsschicht 12, die die dotierten Bereiche 26, 28 enthält. Die Implantationsbedingungen (z. B. lonenspezies, Dosis, kinetische Energie) können ausgewählt sein, um die elektrischen und physikalischen Charakteristika der dotierten Bereiche 32, 34 abzustimmen. Die Implantationsmaske 36 kann nach dem Bilden der dotierten Bereiche 32, 34 gestrippt werden.
  • Bei einer Ausführungsform können jeweilige Abschnitte der Schicht 24 derart implantiert werden, dass Abschnitte der dotierten Bereiche 32, 34 in der Schicht 24 angeordnet sein können, wie durch die gestrichelten Linien in den 10, 10A angezeigt ist. Die gleichzeitige Implantation der Schicht 24 kann durch leichtes Überlappen jeder Öffnung 37 in der Implantationsmaske 36 an ihrer Innenkante mit der Schicht 24 derart, dass sich die Öffnungen 37 nach innen über die Seitenkanten 25, 27 der Schicht 24 hinaus erstrecken, bereitgestellt werden. Die dotierten Bereiche 32, 34 sind derart dotiert, dass sie einen zu den dotierten Bereichen 26, 28 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann das Halbleitermaterial der dotierten Bereiche 32, 34 mit einem n-Typ-Dotierstoff (z.B. Phosphor und/oder Arsen) dotiert sein, der eine n-Typ-Leitfähigkeit bereitstellt. Bei einer Ausführungsform können die dotierten Bereiche 32, 34 moderat dotiert sein, um eine Dotierstoffkonzentration in einem Bereich gleich etwa 1×1017 Atome/cm3 bis etwa 5×1018 Atome/cm3 zu enthalten.
  • Der dotierte Bereich 26 ist auf einer dem dotierten Bereich 32 längs der Seitenkante 25 der Schicht 24 gegenüberliegenden Seite von dem Flachgrabenisolationsbereich 17 positioniert. Der dotierte Bereich 28 ist auf einer dem dotierten Bereich 34 längs der Seitenkante 27 der Schicht 24 gegenüberliegenden Seite des Flachgrabenisolationsbereichs 18 positioniert. Die Schicht 24 kann seitlich zwischen den dotierten Bereichen 26, 32 und den dotierten Bereichen 28, 34 positioniert sein. Die Seitenkante 25 der Schicht 24 ist angrenzend an die dotierten Bereiche 26, 32 und den Flachgrabenisolationsbereich 17 angeordnet, und die Seitenkante 27 der Schicht 24 ist angrenzend an die dotierten Bereiche 26, 32 und den Flachgrabenisolationsbereich 18 angeordnet.
  • Unter Bezugnahme auf die 11, in der gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Merkmale in den 9, 10, 10A beziehen, und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium, wird ein Wellenleiter 38 gebildet, der mit der Schicht 24 gekoppelt ist. Der Wellenleiter 38 richtet Licht auf die Schicht 24 zur Konvertierung in elektrische Signale. Der Wellenleiter 38 kann durch Strukturieren der Vorrichtungsschicht 12 mit Lithographie- und Ätzprozessen gebildet sein.
  • Eine Middle-of-Line (MOL)-Prozessierung und eine Back-End-of-Line (BEOL)-Prozessierung folgen, was eine Bildung von Silizid, Kontakten, Durchkontaktierungen und einer Verdrahtung für eine Interconnect-Struktur umfasst, die mit dem Photodetektor gekoppelt ist. Insbesondere sind Kontakte 40 zu den dotierten Bereichen 26, 28 und Kontakte 42 zu den dotierten Bereichen 32, 34 diagrammatisch in gestrichelten Linien gezeigt. Stark dotierte Bereiche (nicht gezeigt) können in den dotierten Bereichen 26, 28 und in den dotierten Bereichen 32, 34 vorgesehen sein und können den Kontaktwiderstand senken. Die Schicht 24 wird nicht durch Kontakte der Interconnect-Struktur kontaktiert.
  • Der fertiggestellte Photodetektor umfasst die dotierten Bereichen 26, 28 als Kathoden, die dotierten Bereichen 32, 34 als Anoden und die Schicht 24 als lichtabsorbierenden Bereich. Der Flachgrabenisolationsbereich 17 ist seitlich zwischen der Kathode, die durch den dotierten Bereich 26 repräsentiert ist, und der Anode, die durch den dotierten Bereich 32 repräsentiert ist, positioniert. Der Flachgrabenisolationsbereich 18 ist seitlich zwischen der Kathode, die durch den dotierten Bereich 28 repräsentiert ist, und der Anode, die durch den dotierten Bereich 34 repräsentiert ist, positioniert. Die Schicht 24 ist seitlich zwischen den dotierten Bereichen 26, 32, die ein Anoden-Kathoden-Paar repräsentieren, und den dotierten Bereichen 28, 34, die ebenfalls ein Anoden-Kathoden-Paar repräsentieren, positioniert.
  • Bei der Verwendung wird Laserlicht durch den Wellenleiter 38 auf die Schicht 24 gerichtet, die die Lichtphotonen absorbiert. Die vorgespannten Anoden stellen Multiplikationsbereiche mit hochelektrischen Feldern dar. Die Übergänge erstrecken sich in die Schicht 24 an Stellen nahe bei den Flachgrabenisolationsbereichen 17, 18, und an diesen Stellen, die durch ein hochelektrisches Feld gekennzeichnet sind, tritt ein Avalanche-Effekt auf.
  • Das Platzieren von Anoden-Kathoden-Paaren längs gegenüberliegenden Seitenkanten des lichtabsorbierenden Bereichs kann die Betriebsspannung des Photodetektors reduzieren, die Verstärkung des Photodetektors steigern, die Kapazität des Photodetektors reduzieren und die Bandbreite des Photodetektors steigern. Die Durchschlagsspannung des Photodetektors kann reduziert werden, ohne dass Kontakte auf dem lichtabsorbierenden Bereich platziert werden. Die Struktur für den Photodetektor ist ohne weiteres mit Niedrigspannungs-CMOS-Technologien integriert. Die Struktur für den Photodetektor kann eine hohe Avalanche-Verstärkung bei einer niedrigen Betriebsspannung aufweisen. Das zusätzliche elektrische Feld nahe bei den Flachgrabenisolationsbereichen 17, 18 kann Ladungsträger derart beschleunigen, dass der lichtabsorbierende Bereich ausgeweitet werden kann, ohne die Trägerlaufzeit zu reduzieren, die Quanteneffizienz kann gesteigert werden und die Ansprechbarkeit kann verbessert werden.
  • Unter Bezugnahme auf die 12, in der gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Merkmale in der 11 beziehen, und gemäß alternativen Ausführungsformen kann der Photodetektor modifiziert sein, um die Anzahl von Anoden-Kathoden-Paaren durch Hinzufügen von zusätzlichen dotierten Bereichen 26a, 28a und zusätzlichen dotierten Bereichen 32a, 34a zu erhöhen. Zusätzliche Flachgrabenisolationsbereiche 17a, 17b und 18a, 18b sind ebenfalls in der Vorrichtungsschicht 12 positioniert, um eine elektrische Isolation der zusätzlichen Anoden und Kathoden des Photodetektors bereitzustellen. In der repräsentativen Ausführungsform haben die dotierten Bereiche 26, 26a, 32, 32a einen gleichmäßigen Pitch und die dotierten Bereiche 28, 28a, 34, 34a haben einen gleichmäßigen Pitch. Bei einer alternativen Ausführungsform haben die dotierten Bereiche 26, 26a, 32, 32a einen ungleichmäßigen Pitch und die dotierten Bereiche 28, 28a, 34, 34a haben einen ungleichmäßigen Pitch derart, dass die Anoden und Kathoden mit verschiedenen Größen geformt sein können. Die Flachgrabenisolationsbereiche 17, 17a, 17b enden an der Seitenkante 25 der Schicht 24, und die Flachgrabenisolationsbereiche 18, 18a, 18b enden an der Seitenkante 27 der Schicht 24.
  • Unter Bezugnahme auf die 13, in der gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Merkmale in der 11 beziehen, und gemäß alternativen Ausführungsformen kann der Photodetektor modifiziert sein, um Bereiche 44 hinzuzufügen, die seitlich zwischen den durch die dotierten Bereiche 26, 28 definierten Kathoden und der Schicht 24 positioniert sind. Die Bereiche 44 können aus dem Halbleitermaterial der Vorrichtungsschicht 12 zusammengesetzt sein, die leicht dotiert ist und einen zu den dotierten Bereichen 26, 28 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp (z.B. p-Typ-Leitfähigkeit) aufweist. Die Bereiche 44 können dazu fungieren, die Verstärkung des Photodetektors zu erhöhen. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Photodetektor von 12 mit Bereichen versehen sein, die den Bereichen 44 gleichen, und jeder dieser Bereiche ist zwischen einer der Kathoden und der Schicht 24 positioniert.
  • Die oben beschriebenen Verfahren werden bei der Fertigung von Chips mit integriertem Schaltkreis verwendet. Die resultierenden Chips mit integriertem Schaltkreis können durch den Fertiger in Roh-Wafer-Form (z.B. als einzelner Wafer, der mehrere ungehäuste Chips aufweist), als nackter Chip (bare die), oder in einer gehäusten Form vertrieben werden. Der Chip kann mit anderen Chips, diskreten Schaltelementen und/oder anderen Signalverarbeitungsvorrichtungen als Teil von entweder einem Zwischenprodukt oder einem Endprodukt integriert sein. Das Endprodukt kann irgendein Produkt sein, das Chips mit integriertem Schaltkreis umfasst, wie etwa Computerprodukte, die einen zentralen Prozessor aufweisen, oder Smartphones.
  • Bezugnahmen hierin auf Ausdrücke, die durch eine Näherungssprache modifiziert sind, wie „etwa“, „ungefähr“, und „im Wesentlichen“, sollen nicht auf den spezifizierten präzisen Wert beschränkt sein. Die Näherungssprache kann der Präzision eines Instruments entsprechen, das verwendet wird, um den Wert zu messen, und kann, falls nicht anderweitig abhängig von der Präzision des Instruments, +/- 10% des(der) angegebenen Werts(Werte) sein.
  • Bezugnahmen hierin auf Ausdrücke wie „vertikal“, „horizontal“, etc. erfolgen beispielhaft, um einen Referenzrahmen festzulegen. Der Ausdruck „horizontal“ wie hierin verwendet, ist als eine Ebene definiert, die parallel zu einer konventionellen Ebene eines Halbleitersubstrats ist, ungeachtet seiner tatsächlichen dreidimensionalen räumlichen Ausrichtung. Die Begriffe „vertikal“ und „normal“ beziehen sich auf eine Richtung, die senkrecht zur Horizontalen, wie gerade definiert, ist. Der Begriff „lateral“ bezieht sich auf eine Richtung innerhalb der horizontalen Ebene.
  • Ein Merkmal „verbunden“ oder „gekoppelt“ an ein anderes oder mit einem anderen Merkmal kann an das oder mit dem anderen Merkmal direkt verbunden oder gekoppelt sein oder stattdessen kann eines oder können mehrere dazwischenkommende Merkmale vorhanden sein. Ein Merkmal kann an ein anderes oder mit einem anderen Merkmal „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ sein, falls dazwischenkommende Merkmale nicht vorhanden sind. Ein Merkmal kann an ein anderes oder mit einem anderen Merkmal „indirekt verbunden“ oder „indirekt gekoppelt“ sein, falls wenigstens ein dazwischenkommendes Merkmal vorhanden ist. Ein Merkmal „an“ einem anderen Merkmal oder es „kontaktierend“ kann direkt an oder in direktem Kontakt mit dem anderen Merkmal sein, oder stattdessen kann eines oder können mehrere dazwischenkommende Merkmale vorhanden sein. Ein Merkmal kann „direkt an“ oder in „direktem Kontakt“ mit einem anderen Merkmal sein, falls dazwischenkommende Merkmale nicht vorhanden sind. Ein Merkmal kann „indirekt an“ oder in „indirektem Kontakt“ mit einem anderen Merkmal sein, falls wenigstens ein dazwischenkommendes Merkmal vorhanden ist.

Claims (15)

  1. Struktur für einen Photodetektor, wobei die Struktur umfasst: einen lichtabsorbierenden Bereich, der eine erste Seitenkante (25) umfasst; eine Halbleiterschicht (12), die einen ersten dotierten Bereich (32) und einen zweiten dotierten Bereich (26) umfasst, wobei der erste dotierte Bereich (32) eine erste Anode angrenzend an die erste Seitenkante (25) des lichtabsorbierenden Bereichs definiert, und der zweite dotierte Bereich (26) eine erste Kathode angrenzend an die erste Seitenkante (25) des lichtabsorbierenden Bereichs definiert; eine dielektrische Schicht (14), die unter der Halbleiterschicht (12) positioniert ist; und einen ersten Flachgrabenisolationsbereich (17), der in der Halbleiterschicht (12) seitlich zwischen dem ersten dotierten Bereich (32) und dem zweiten dotierten Bereich (26) positioniert ist, wobei der erste Flachgrabenisolationsbereich (17) die Halbleiterschicht (12) bis zur dielektrischen Schicht (14) durchdringt, wobei der erste dotierte Bereich (32) einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, und der zweite dotierte Bereich (26) einen zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, der zu dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist.
  2. Struktur nach Anspruch 1, wobei der erste Flachgrabenisolationsbereich (17) an der ersten Seitenkante (25) endet.
  3. Struktur nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterschicht (12) einen Graben (22) umfasst, der lichtabsorbierende Bereich eine Schicht (24) ist, die in dem Graben (22) positioniert ist, und die Schicht (24) Germanium umfasst.
  4. Struktur nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterschicht (12) einen Graben (22) umfasst, der lichtabsorbierende Bereich eine Schicht (24) ist, die in dem Graben (22) positioniert ist, und die Schicht (24) elementares Germanium umfasst.
  5. Struktur nach Anspruch 1, wobei der lichtabsorbierende Bereich eine zweite, der ersten Seitenkante (25) gegenüberliegende Seitenkante (27) umfasst, und die Halbleiterschicht (12) einen dritten dotierten Bereich (34) und einen vierten dotierten Bereich (28) umfasst, wobei der dritte dotierte Bereich (34) eine zweite Anode angrenzend an die zweite Seitenkante (27) des lichtabsorbierenden Bereichs definiert und wobei der vierte dotierte Bereich (28) eine zweite Kathode angrenzend an die zweite Seitenkante (27) des lichtabsorbierenden Bereichs definiert, wobei der dritte dotierte Bereich (34) den ersten Leitfähigkeitstyp aufweist und der vierte dotierte Bereich (28) den zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist.
  6. Struktur nach Anspruch 5, ferner umfassend: einen zweiten Flachgrabenisolationsbereich (18), der in der Halbleiterschicht (12) seitlich zwischen dem dritten dotierten Bereich (34) und dem vierten dotierten Bereich (28) positioniert ist, wobei der erste Flachgrabenisolationsbereich (17) an der ersten Seitenkante (25) endet und der zweite Flachgrabenisolationsbereich (18) an der zweiten Seitenkante (27) endet.
  7. Struktur nach Anspruch 6, wobei der zweite Flachgrabenisolationsbereich (18) die Halbleiterschicht (12) bis zur dielektrischen Schicht (14) durchdringt.
  8. Struktur nach Anspruch 5, wobei sich der erste dotierte Bereich (32), der zweite dotierte Bereich (26), der dritte dotierte Bereich (34) und der vierte dotierte Bereich (28) jeweils durch eine gesamte Dicke der Halbleiterschicht (12) zur dielektrischen Schicht (14) erstrecken.
  9. Struktur nach Anspruch 5, wobei die Halbleiterschicht (12) einen Graben (22) umfasst, der lichtabsorbierende Bereich eine Schicht (24) ist, die in dem Graben (22) positioniert ist und die Schicht (24) Germanium umfasst.
  10. Struktur nach Anspruch 5, wobei die Halbleiterschicht (12) einen Graben (22) umfasst, der lichtabsorbierende Bereich eine Schicht (24) ist, die in dem Graben (22) positioniert ist, und die Schicht (24) elementares Germanium umfasst.
  11. Struktur nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterschicht (12) einen dritten dotierten Bereich (32a) und einen vierten dotierten Bereich (26a) umfasst, der dritte dotierte Bereich (32a) eine zweite Anode angrenzend an die erste Seitenkante (25) definiert, und der vierte dotierte Bereich (26a) eine zweite Kathode angrenzend an die erste Seitenkante (25) definiert.
  12. Struktur nach Anspruch 11, ferner umfassend: einen zweiten Flachgrabenisolationsbereich (17a), der zwischen dem ersten dotierten Bereich (32) und dem vierten dotierten Bereich (26a) positioniert ist; und einen dritten Flachgrabenisolationsbereich (17b), der zwischen dem zweiten dotierten Bereich (26) und dem dritten dotierten Bereich (32a) positioniert ist, wobei der erste Flachgrabenisolationsbereich (17), der zweite Flachgrabenisolationsbereich (17a) und der dritte Flachgrabenisolationsbereich (17b) an der ersten Seitenkante (25) enden.
  13. Verfahren zum Bilden einer Struktur für einen Photodetektor, wobei das Verfahren umfasst: Bilden eines lichtabsorbierenden Bereichs; Bilden eines ersten dotierten Bereichs (32) in einer Halbleiterschicht (12), wobei der erste dotierte Bereich (32) einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, der erste dotierte Bereich (32) eine erste Anode angrenzend an die erste Seitenkante (25) des lichtabsorbierenden Bereichs definiert, und eine dielektrische Schicht (14) unter der Halbleiterschicht (12) positioniert ist; Bilden eines zweiten dotierten Bereichs (26) in der Halbleiterschicht (12), wobei der zweite dotierte Bereich (26) einen zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, und der zweite dotierte Bereich (26) eine erste Kathode angrenzend an die erste Seitenkante (25) des lichtabsorbierenden Bereichs definiert; und Bilden eines Flachgrabenisolationsbereichs (17), der in der Halbleiterschicht (12) seitlich zwischen dem ersten dotierten Bereich (32) und dem zweiten dotierten Bereich (26) positioniert ist, wobei der Flachgrabenisolationsbereich (17) die Halbleiterschicht (12) bis zur dielektrischen Schicht (14) durchdringt.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der lichtabsorbierende Bereich eine zweite, der ersten Seitenkante (25) gegenüberliegende Seitenkante (27) umfasst, und ferner umfassend: Bilden eines dritten dotierten Bereichs (34) in der Halbleiterschicht (12), wobei der dritte dotierte Bereich (34) den ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, und der dritte dotierte Bereich (34) eine zweite Anode angrenzend an die zweite Seitenkante (27) des lichtabsorbierenden Bereichs definiert; und Bilden eines vierten dotierten Bereichs (28) in der Halbleiterschicht (12), wobei der vierte dotierte Bereich (28) den zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, und der vierte dotierte Bereich (28)eine zweite Kathode angrenzend an die zweite Seitenkante (27) des lichtabsorbierenden Bereichs definiert.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der erste dotierte Bereich (32), der die erste Anode definiert, durch einen ersten lonenimplantationsprozess gebildet wird, und der zweite dotierte Bereich (26), der die erste Kathode definiert, durch einen zweiten Ionenimplantationsprozess gebildet wird.
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