DE602005001401T2 - Struktur und verfahren für die herstellung eines cmos-kompatiblen hochgeschwindigkeits-ge-on-isolator-photodetektors - Google Patents

Struktur und verfahren für die herstellung eines cmos-kompatiblen hochgeschwindigkeits-ge-on-isolator-photodetektors Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleiter und Photodetektoren und spezieller auf Germanium-auf-Isolator-Photodetektoren sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • In der Halbleiterindustrie bestand ein Problem in der Erzeugung eines Hochgeschwindigkeits-Photodetektors mit hoher Effizienz, der mit der herkömmlichen Si-Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter(CMOS)-Technologie kompatibel ist. So wurde in einem Versuch, dieses Problem zu lösen, viel Forschungsanstrengung ausgeführt.
  • Eine Lösung ist der laterale Grabendetektor, der zum Beispiel von M. Yang et al., IEEE Elect. Dev. Lett., Bd. 23, Seite 395 (2002) und im US-Patent Nr. 6 177 289 von Crow et al. beschrieben ist. Dieser Detektor verwendet tiefe Gräben in Si, um Licht zu sammeln, das tief in dem Substrat absorbiert wird. Trotz seiner leichten Integration mit CMOS weist dieses Bauelement wegen RC-Verzögerungen aufgrund seiner hohen Kapazität Probleme beim Erreichen einer hohen Geschwindigkeit und ebenso Beschränkungen seiner Fähigkeit auf, Ladungsträger zu sammeln, die tiefer als die Grabentiefe erzeugt werden.
  • Neuerungen, wie die Verwendung eines vergrabenen pn-Übergangs (Q. Ouyang et al., Device Research Conference, (2003)) oder einer vergrabenen Isolatorschicht (M. Yang et al., IEDM Tech. Digest, S. 547, 2001), können das letztere Problem etwas verbessern, aufgrund der Tiefe der Finger (mehrere Mikrometer) sind diese Neuerungen jedoch nicht leicht in einen Standard-CMOS-Prozess zu integrieren.
  • Eine weitere Lösung ist der Aufbau entweder eines lateralen oder eines vertikalen p-i-n-Detektors auf einer relaxierten Ge-Schicht, die durch Gradieren des Ge-Gehalts von SiGe von reinem Si zu reinem Ge aufgewachsen wird, siehe zum Beispiel J. Oh, IEEE J. Quantum Electron., Bd. 38, 1238 (2002) und S.B. Samavedam et al., Appl. Phys. Lett., Bd. 73, 2125 (1998). Diese Technik weist den Vorteil auf, dass Ge eine viel höhere Absorption als Si aufweist, speziell bei 850 nm, und daher sind keine tiefen Gräben notwendig, was den Aufbau von Detektoren mit niedriger Kapazität ermöglicht. Ge weist außerdem eine höhere Elektronen- und Löcherbeweglichkeit als Si auf, was ein schnelleres Sammeln photoerzeugter Ladungsträger ermöglicht. Die gradierte Pufferschicht ermöglicht außerdem, dass in der endgültigen Ge-Schicht geringe Defektdichten erreicht werden. Diese Technik weist jedoch das Problem auf, dass sehr dicke Schichten (in der Größenordnung von mehr als 1 μm) notwendig sind, um die Versetzungsdichte zu reduzieren und außerdem sicherzustellen, dass das gesamte Licht in der oberen Ge-Schicht gesammelt wird. Dies kann zu einer reduzierten Bandbreite führen, da Ladungsträger, die tief innerhalb des Substrats erzeugt werden, einen größeren Abstand zum Erreichen der Elektroden haben. Die dicken Schichten verursachen außerdem Probleme bei der Integration, da dicke Schichten typischerweise eine nichtplanare Oberfläche für den Prozessablauf erzeugen.
  • Eine weitere Lösung, die vorgeschlagen wurde, ist der Aufbau von vertikalen oder lateralen p-i-n-Detektoren unter Verwendung von Ge, das direkt auf einem Si-Substrat aufgewachsen wird, siehe zum Beispiel L. Colace et al., IEEE J. Quantum Electron., Bd. 35, 1843 (1999). Diese Technik weist den Vorteil auf, dass keine dicken gradierten Schichten notwendig sind, da das Ge direkt auf Volumen-Si-Substraten aufgewachsen wird. Daher ist die absorbierende Schicht für große Wellenlängen (λ > 1,1 μm) auf die Ge-Schicht beschränkt, was eine schnelle Ladungsträgersammlung ermöglicht. Diese Technik weist jedoch das Problem auf, dass für Licht kürzerer Wellenlänge (wie zum Beispiel 850 nm) Ladungsträger auch in der darunterliegenden Si-Schicht erzeugt werden, was die Geschwindigkeit des Detektors beträchtlich reduziert. Außerdem weist Ge, das direkt auf Si aufgewachsen wird, eine hohe Defektdichte auf, und entweder ist ein selektives Flächenwachstum oder ein Tempern bei hoher Temperatur zur Reduzierung der Versetzungsdichte notwendig, siehe zum Beispiel H.S. Luan et al., Appl. Phys. Lett., Bd. 75, 2909 (1999) und das US-Patent Nr. 6 635 110 für Luan et al. Das Tempern ist besonders problematisch, da es zu einer signifikanten Si-Diffusion in die Ge-Schicht führen kann, was die Absorption beträchtlich reduzieren kann. Die Interdiffusion ist ein spezielles Problem für dünne Ge-Schichten, da das Si durch die gesamte Ge-Schicht diffundieren kann.
  • Noch eine weitere Lösung besteht darin, einen Resonanzhohlraumdetektor herzustellen, wie in J.D. Schaub et al., IEEE Phot. Tech. Lett., Bd. 11, 1647 (1999) beschrieben. Dieser frühere Detektor verwendet Spiegel auf der Oberseite und der Unterseite des absorbierenden Bereichs, um das Antwortvermögen zu steigern, während weiterhin eine hohe Geschwindigkeit erreicht wird. Das absorbierende Material kann in diesem Fall weiterhin Si sein. Diese Technik weist jedoch das Problem auf, dass sie lediglich nahe der Resonanzwellenlänge eine hohe Absorption aufweist, was ein ziemlich schmaler Peak sein kann. Daher sind eine präzise Abstimmung der einfallenden Wellenlänge und der Hohlraumabmessungen notwendig. Außerdem ist die Herstellung des unteren Spiegels und der lateralen Überwachsepitaxie kompliziert, die zur Erzeugung von Si über diesem Spiegel erforderlich ist.
  • Die vorstehenden Probleme können unter Verwendung eines Aspekts der Erfindung gelöst werden, die im US-Patent Nr. 5 525 828 für Bassous et al. als Teil einer breiteren Erfindung bzgl. lateraler p-i-n- und MSM-Detektoren mit Si oder SiGe beschrieben ist. In dem '828-Patent ist ein p-i-n- oder MSM-Detektor beschrieben, der einen absorbierenden Bereich verwendet, der aus Ge über einer vergrabenen isolierenden Schicht besteht. Dies ist die Grundstruktur, die zur Herstellung eines Hochleistungs-Photodetektors erforderlich ist, da das Ge eine äußerst hohe Absorption bei 850 nm (~70× jener von Si bei der gleichen Wellenlänge) aufweist, während die vergrabene isolierende Schicht langsame Ladungsträger, die in dem Si-Substrat erzeugt werden, davon abhält, an den Oberflächenelektroden gesammelt zu werden. Das '828-Patent beschreibt jedoch weder eine spezifische Struktur, die tatsächlich eine hohe Leistungsfähigkeit erreichen oder CMOS- kompatibel sein kann, noch stellt es ein Verfahren bereit, durch das eine derartige Struktur hergestellt werden kann.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Struktur für einen Hochleistungs-Photodetektor nach Anspruch 1 bereit, der eine absorbierende Ge-Schicht auf einem dünnen SOI-Substrat beinhaltet und alternierende n- und p-leitende Oberflächenelektroden verwendet. Mit "Hochleistungsfähigkeit" ist ein Photodetektor gemeint, der eine -3dB-Bandbreite von mehr als 15 GHz und eine externe Quanteneffizienz von mehr als 15 % zeigt.
  • Vorteilhafterweise erzielen die Photodetektoren der vorliegenden Erfindung: (a) eine hohe Bandbreite durch Verwenden einer vergrabenen isolierenden Schicht, um Ladungsträger zu isolieren, die in dem darunterliegenden Substrat erzeugt werden, (b) eine hohe Quanteneffizienz über ein breites Spektrum hinweg durch Verwenden einer absorbierenden Ge-Schicht, (c) eine niedrige Betriebsspannung durch Verwenden einer absorbierenden Schicht, die dünn ist, und von engen Elektrodenabständen und (d) Kompatibilität mit CMOS-Bauelementen dank ihrer planaren Struktur und Verwendung eines absorbierenden Materials der Gruppe IV. Beispiele für absorbierende Materialien der Gruppe IV umfassen C, Si, Ge, Sri, Pb und Kombinationen derselben.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 12 angegeben.
  • Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Hochleistungs-Photodetektors nach Anspruch 13 bereit, das ein direktes Aufwachsen von Ge auf einer dünnen SOI-Schicht und ein nachfolgendes thermisches Tempern verwendet, um eine absorbierende Schicht hoher Qualität zu erzielen.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 14 bis 19 angegeben.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Nunmehr wird die vorliegende Erfindung lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1(a) eine Querschnittansicht und 1(b) eine Draufsicht ist, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, die aus einer Struktur für einen lateralen p-i-n-Ge-auf-Isolator-Photodetektor mit hoher Geschwindigkeit besteht,
  • 1(c)-1(e) Querschnittansichten sind von: 1(c) einem einseitigen lateralen p-i-n-Ge-auf-Isolator-Photodetektor, 1(d) einem symmetrischen Metall-Halbleiter-Metall(MSM)-Ge-auf-Isolator-Photodetektor, 1(e) einem asymmetrischen MSM-Ge-auf-Isolator-Photodetektor,
  • 2(a) eine Querschnittansicht des Bauelements in 1(a) mit einer kompositionell gradierten Si1-xGex-Schicht zwischen der Si- und der Ge-Schicht zeigt, die durch Tempern und nachfolgende Interdiffusion gebildet wird, 2(b) das gleiche Bauelement wie in 2(a) zeigt, wobei Tempern eine ausreichende Interdiffusion derart verursacht hat, dass der gesamte Bereich über der vergrabenen isolierenden Schicht aus einer kompositionell gradierten Si1-xGex-Schicht besteht,
  • 3(a) Daten der Bandbreite in Abhängigkeit von Vorspannungsdaten zeigt, 3(b) Daten der Absorption in Abhängigkeit von Wellenlängen zeigt, und 3(c) die LIV-Charakteristika bei λ = 822 nm für eine Bauelementstruktur ähnlich jener in 2(a) beschriebenen zeigt,
  • 4 die Bauelementstruktur in 1(a) zeigt, die zusätzlich eine Antireflexbeschichtung beinhaltet,
  • 5 die Bauelementstruktur in 1(a) zeigt, die zusätzlich eine SiGe-Oberflächenschicht beinhaltet,
  • 6 eine Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der sich eine Ge-Schicht direkt auf einem vergrabenen Isolator befindet,
  • 7 die Bauelementstruktur in 1(a) kombiniert mit einem SOI-CMOS zeigt,
  • 8 die Bauelementstruktur in 1(a) kombiniert mit einem Volumen-CMOS unter Verwendung eines selektiven SOI zeigt und
  • 9(a) bis 9(g) ein Verfahren zur Herstellung der Ge-auf-Isolator-Photodetektorstruktur mit hoher Geschwindigkeit der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • In den 1(a) und 1(b) sind Querschnitt- und Draufsichtdarstellungen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in 1(a) gezeigt, stellt die vorliegende Erfindung einen Ge-auf-Isolator-Photodetektor bereit, der aus einem einkristallinen Halbleitersubstrat 10 (z.B. Si, Ge, SiGe, GaAs, InAs, SiGeC oder SiC), einer isolierenden Schicht 20 (z.B. einem Oxid, Nitrid, Oxynitrid oder irgendeiner Kombination derselben) und einer dünnen Schicht aus im Wesentlichen Si (im Folgenden Si-Schicht) 30 (z.B. einer SOI-Schicht, Epi-Si oder amorphem Si) besteht. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Anfangssubstrat ein Si-auf-Isolator(SOI)-Wafer, und daher besteht die Schicht 10 aus Si, und Schicht 20 ist ein vergrabenes Oxid, z.B. SiO2. Auf der Oberseite der dünnen Si-Schicht 30 befindet sich eine Schicht aus im Wesentlichen Ge (im Folgenden Ge-Schicht) 40, die gemäß der vorliegenden Erfindung viel dicker als die Si-Schicht 30 ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Schichten 30 und 40 nicht absichtlich dotiert und sollten eine so geringe Dotierkonzentration wie möglich aufweisen. Der Rest des Photodetektors besteht aus Isolationsbereichen 50, verschachtelten p-leitenden Kontaktbereichen 60 und n-leitenden Kontaktbereichen 70 und Oberflächenelektroden 80. Die Draufsichtdarstellung von 1(b) zeigt, dass die Isolationsbereiche 50 die gesamte aktive Fläche des Bauelements umgeben. Alternierende Oberflächenelektroden sind entfernt von der aktiven Fläche des Bauelements über den Isolationsbereichen 50 miteinander verbunden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die kombinierte mittlere Ge- Konzentration der Si-Schicht und der Ge-Schicht größer als 80 %.
  • Der Photodetektor der vorliegenden Erfindung arbeitet, indem Licht im nahen Infrarot senkrecht auf die Oberseite der Schicht 40 eingestrahlt wird. In der Ge-Schicht 40 erzeugte Elektron-Loch-Paare werden durch n-leitende beziehungsweise p-leitende Kontakte 60 und 70 gesammelt. Unterhalb der isolierenden Schicht 20, das heißt in dem Substrat 10, erzeugte Elektron-Loch-Paare sind von den Kontakten 60 und 70 isoliert und rekombinieren daher einfach. Das Photodetektorbauelement der vorliegenden Erfindung erreicht eine hohe Geschwindigkeit in der Größenordnung von etwa 15 GHz oder mehr, da Licht nur in den Schichten 30 und 40 über der isolierenden Schicht 20 absorbiert wird und so der absorbierende Bereich, d.h. die Schichten 30 und 40, sehr dünn gemacht werden können. Das Bauelement erreicht außerdem aufgrund der geringen Absorptionslänge von Infrarotlicht in Ge (-0,25 μm bei λ = 850 nm, ~1 μm bei λ = 1.300 nm) ein hohes Antwortvermögen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sollte die kombinierte Dicke d der Si-Schicht 30 und der Ge-Schicht 40 nicht mehr als etwa 500 nm betragen. Des Weiteren sollte die Ge-Schicht 40 eine minimale Dicke von 50 nm aufweisen, um zur Herstellung eines nutzbaren Detektors ausreichend Licht zu absorbieren.
  • Die dünne absorbierende Ge-Schicht 40 ermöglicht, dass die Kontaktbereiche 60 und 70 dicht beieinander liegen, was eine schnelle Sammlung der photoerzeugten Ladungsträger ermöglicht. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Abstand S zwischen dem p-leitenden Kontaktbereich 60 und dem n-leitenden Kontaktbereich 70 im Bereich d < S < 2d, wobei typische Werte zwischen 0,1 μm und 1,0 μm liegen. Im Allgemeinen degradiert eine vergrößerte Kapazität und eine höhere Oberflächenreflektion die Leistungsfähigkeit, wenn S viel kleiner als d ist, während die lange Ladungsträgertransitzeit die Bandbreite reduziert, wenn S viel größer als 2d ist. Außerdem kann ein übermäßiger Dunkelstrom daraus resultieren, dass d zu klein ist. Es ist außerdem wünschenswert, die Oberflächenelektroden 80 aus einem Metall und so dick wie möglich herzustellen, um den Serienwiderstand zu reduzieren.
  • Mögliche Materialien für die Elektroden beinhalten Al, Cu, Ti, TiN, Pt, W, Ta, TaN, Pt, Pd, Hf, Indium-Zinn-Oxid (ITO) und Kombinationen oder Legierungen derselben, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Das Elektrodenmaterial kann auch Silicide und/oder Germanide der zuvor erwähnten Metalle beinhalten. Die Kombination von niedriger Kapazität aufgrund der lateralen Geometrie, niedrigem Serienwiderstand aufgrund von dicken Metallelektroden und kurzen Transitzeiten zusammen mit dem hohen Absorptionskoeffizienten von Ge ermöglichen, dass die Photodetektoren der vorliegenden Erfindung gleichzeitig eine hohe Geschwindigkeit und ein hohes Reaktionsvermögen erreichen.
  • Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann einer oder beide der implantierten Bereiche eliminiert sein. Insbesondere ist es häufig günstig, den p-leitenden Dotierstoff zu eliminieren, da viele Metalle mit hoher Austrittsarbeit eine niedrige Barrierenhöhe zum Valenzband von Ge aufweisen. Mit "niedriger Barrierenhöhe" ist gemeint, dass der Unterschied zwischen dem Fermi-Niveau der Elektrode und dem Leitungs- oder Valenzband von Ge kleiner als Eg/2 für die positiv vorgespannte beziehungsweise negativ vorgespannte Elektrode ist, wobei Eg die Bandlücke der absorbierenden Ge-Schicht ist. Diese Situation ist in 1(c) gezeigt, in der die Elektrode 82, zuvor über der p-leitenden Implantation, nun einen direkten Kontakt zu der Ge-Schicht 40 herstellt. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Elektrode 82 eine niedrige Barrierenhöhe zum Valenzband der Ge-Schicht 40 auf, um den Dunkelstrom zu minimieren. In einer ähnlichen Weise könnte eine p-leitende Implantation verwendet werden und dann die n-leitende Implantation eliminiert werden. Im Fall einer Eliminierung beider Implantationen wird der Detektor im Wesentlichen zu einem Metall-Halbleiter-Metall(MSM)-Photodetektor, wobei beide Sätze von Elektroden in direktem Kontakt mit der absorbierenden Ge-Schicht sind. Wenngleich diese Konfiguration dazu tendiert, einen höheren Dunkelstrom als die laterale p-i-n-Geometrie aufzuweisen, kann die MSM-Geometrie einen akzeptabel niedrigen Dunkelstrom aufweisen, wenn sie bei ausreichend niedrigen Vorspannungen betrieben wird. Die MSM-Geometrie kann Elektroden mit dem gleichen Metall (symmetrische Konfiguration), wie in 1(d) gezeigt, aufweisen oder verschiedene Materialien für die positiven und negativen Elektroden verwenden (asymmetrische Konfiguration), wie in 1(e) gezeigt. In der symmetrischen Konfiguration sind die Elektroden 85 in direktem Kontakt mit dem absorbierenden Bereich 40 und beinhalten vorzugsweise ein Material mit einem Fermi-Niveau nahe der Bandmitte von Ge, um den Dunkelstrom zu minimieren. Das Konzept der Verwendung eines asymmetrischen MSM-Photodetektors, um den Dunkelstrom zu reduzieren, wurde bereits für III-Vs von W.A. Wohlmuth et al., Appl. Phys. Lett., Bd. 69, S. 3578 (1996) und für Volumen-Ge von C.O. Chui et al. in IEEE Photo. Tech. Lett., Bd. 15, S. 1585 (2003) demonstriert. In dieser Konfiguration weisen die positiv vorgespannten Elektroden 90 und die negativ vorgespannten Elektroden 92 Barrierenhöhen zu dem Leitungsbeziehungsweise Valenzband auf, die niedriger als Eg/2 und vorzugsweise so niedrig wie möglich sind.
  • Das in 1(a) gezeigte Mehrschicht-Strukturdesign kann außerdem dazu optimiert werden, die optische Interferenz zwischen den Oberflächen der isolierenden Schicht 20 auszunutzen. Ein Peak in der von diesen Grenzflächen reflektierten Lichtintensität tritt auf, wenn die folgende Beziehung erfüllt ist: t2 = 0,5(i + 0,5) (λ/n2),wobei i eine ganze Zahl ist, λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts in Vakuum ist, t2 die Dicke der isolierenden Schicht 20 ist und n2 der Brechungsindex der isolierenden Schicht 20 ist. In dem Fall, in dem das vergrabene Oxid eine Dicke bei oder nahe der Bedingung für Peakreflektion aufweist, können die Dicke t3 der Si-Schicht 30 und die Dicke t4 der Ge-Schicht 40 ebenfalls eingestellt werden, um Peakabsorption zu erreichen. In diesem Fall tritt die Bedingung für Peakabsorption auf, wenn t3n3 + t4n4 = (i + 1) (λ/2),wobei i eine ganze Zahl ist und λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts in Vakuum ist und n3 und n4 die Brechungsindizes der Si-Schicht 30 beziehungsweise der Ge-Schicht 40 sind. Aufgrund der starken Absorption von Infrarotstrahlung durch Ge kann jedoch weiterhin selbst bei Bedingungen außerhalb der Resonanz eine adäquate Antwort erreicht werden, und so stellen die vorstehenden Bedingungen ein Mittel zum Optimieren der Bauelementleistungsfähigkeit bereit, sind jedoch keine strenge Anforderung. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die isolierende Schicht eine Dicke t2 und einen Brechungsindex n2 derart auf, dass die folgende Beziehung erfüllt ist: 0,5(i + 0,4) (λ/n2) < t2 < 0,5(i + 0,6) (λ/n2),wobei i eine ganze Zahl ist und λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts in Vakuum ist. In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Si-Schicht eine Dicke t3 und einen Brechungsindex n3 auf, und die Ge-Schicht weist eine Dicke t4 und einen Brechungsindex n4 derart auf, dass die folgende Beziehung erfüllt ist: (i + 0,9) (λ/2) < t3n3 + t4n4 < (i + 1,1) (λ/2),wobei i eine ganze Zahl ist und λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts in Vakuum ist.
  • Weitere Einschränkungen für die Schichtstrukturauslegung sind gegeben, wenn das Material einer Hochtemperatur-Temperung unterworfen wird. Mit "Hochtemperatur" ist eine Tempertemperatur von mehr als etwa 750 °C gemeint. Ein Tempervorgang wird zur Reduzierung der Versetzungsdichte des Materials, wie es aufgewachsen ist, verwendet und ist außerdem als Teil des Fertigungsprozesses notwendig, um die n- und p-leitenden Implantationsstoffe zu aktivieren, die bei der Bildung des Kontaktbereichs 60 beziehungsweise 70 verwendet werden. In diesem Fall ist die Bauelementstruktur durch 2(a) beschrieben, die ein einkristallines Halbleitersubstrat 110, eine isolierende Schicht 120, eine Si-Schicht 130, eine interdiffundierte Si1-xGex-Schicht 140 und eine Ge-Schicht 150 beinhaltet. Die interdiffundierte Si1-xGex-Schicht 140 weist eine Ge-Konzentration x auf, die kontinuierlich zwischen 0 benachbart zu der Si-Schicht 130 und 1 benachbart zu der Ge-Schicht 150 variiert. Die in 2(a) gezeigte Struktur beinhaltet außerdem alternierende Kontaktbereiche 60 und 70, Elektroden 80 und Isolationsbereiche 50.
  • In dem beschränkenden Fall eines Tempervorgangs mit sehr hoher Temperatur, wie er nach einem anfänglichen Aufwachsen der Ge-Schicht (siehe zum Beispiel US-Patent Nr. 6 635 110 für Luan et al.) verwendet werden kann, tritt eine ausreichende Interdiffusion derart auf, dass der gesamte Bereich über der isolierenden Schicht 120 aus einer kompositionell gradierten Si1-xGex-Schicht 160, wie in 2(b) gezeigt, mit einer Ge-Konzentration x besteht, die ein Minimum benachbart zu der isolierenden Schicht 120 und ein Maximum an der Oberseite der Si1-xGex-Schicht 160 aufweist. Die in 2(b) gezeigte Struktur beinhaltet außerdem alternierende Kontaktbereiche 60 und 70, Elektroden 80 und Isolationsbereiche 50. Unter diesen Bedingungen sind die Vorteile der vorliegenden Erfindung beträchtlich, da der vergrabene Isolator das für eine Interdiffusion zu der ursprünglichen Si-Schicht zur Verfügung stehende Si begrenzt. Daher sollten die ursprünglichen Si- und Ge-Schichtdicken für die in 2(b) gezeigte Ausführungsform derart sein, dass die durchschnittliche Ge-Konzentration der gesamten Schichtstruktur über dem vergrabenen Isolator 120 höher als ungefähr 0,8 und so dicht bei 1 ist wie möglich. Um diese Maßgabe zu erfüllen, sollte die ursprüngliche Ge-Schicht wenigstens das Fünffache der ursprünglichen Dicke der ursprünglichen Si-Schicht sein. Wenn zum Beispiel die anfängliche Si-Schicht 50 nm dick ist, dann sollte die Ge-Schicht nicht weniger als 250 nm dick sein.
  • Ein Photodetektor ähnlich jenem in 2(a) beschriebenen wurde hergestellt, und die Resultate sind in den 3(a) bis 3(c) beschrieben. Die anfängliche Si-Schicht war etwa 45 nm dick, und die Ge-Schicht wurde mit einer Gesamtdicke von 400 nm aufgewachsen. Nach dem Aufwachsen erfuhr die Mehrschichtstruktur einen thermischen zyklischen Tempervorgang ähnlich der Beschreibung, die in H.S. Luan et al., Appl. Phys. Lett., Bd. 75, 2909 (1999) angegeben ist, wobei die Temperatur zehnmal rampenförmig zwischen 780 °C und 900 °C verändert und bei jeder Temperatur während ungefähr 6 Minuten gehalten wurde. Die Breite der n-leitenden und p-leitenden Kontaktbereiche betrug 0,3 μm, während der Abstand zwischen den Kontaktbereichen in einem Bereich zwischen 0,3 μm und 1,3 μm lag. Das Kontaktmetall war 30 nm Ti mit 150 nm Al, um einen geringen Widerstand zu erreichen, und die Kontakte waren mit einem Freiraum von 0,05 μm auf jeder Seite innerhalb der Kontaktgrenzen enthalten.
  • Die Vorspannungsabhängigkeit der -3dB-Bandbreite für Bauelemente mit einer aktiven Fläche von 10 × 10 μm2 für verschiedene Elektrodenabstände ist in 3(a) gezeigt. Die Bandbreite wurde aus Impulsantwortmessungen extrahiert, die bei einer Wellenlänge von 850 nm unter Verwendung eines modengekoppelten Ti-Saphir-Laser durchgeführt wurden. Die Bandbreite sättigt sich bei äußerst niedrigen Vorspannungen von 1 V bis 2 V in Abhängigkeit vom Elektrodenabstand. Selbst bei einer Vorspannung von null ist die Bandbreite 20 GHz groß. Die höchste erreichte Bandbreite war ein Wert von 25 GHz für einen Kontaktabstand von 0,4 μm.
  • 3(b) zeigt die berechnete und gemessene Quanteneffizienz in Abhängigkeit von der Wellenlänge für ein Bauelement von 30 × 30 μm2 mit einem Fingerabstand von 1,3 μm, wobei der Elektrodenabschattungsfaktor (ungefähr 0,8) für die Berechnung nicht berücksichtigt ist. Quanteneffizienzen von 38 % und 52 % wurden bei Wellenlängen von 850 nm beziehungsweise 900 nm erhalten. Diese Resultate zeigen die Vorteile der vorliegenden Erfindung, bei der ungeachtet des Tempervorgangs mit sehr hoher Temperatur eine Quanteneffizienz sehr dicht bei theoretischen Vorhersagen für reines Ge erhalten werden, mit Ausnahme bei sehr langen Wellenlängen, bei denen selbst ein geringes Maß an Interdiffusion die Absorption reduzieren kann. Das Bauelement zeigt eine moderate oszillatorische Abhängigkeit von der Antwort, wegen der starken Absorption insbesondere bei kurzen Wellenlängen ist jedoch eine präzise Abstimmung nicht absolut notwendig, um ein akzeptables Antwortvermögen zu erreichen, im Gegensatz zu Si-Detektoren mit Resonanzhohlraum, die in J.D. Schaub et al., IEEE Phot. Tech. Lett., Bd. 11, 1647 (1999) beschrieben sind.
  • 3(c) zeigt den Dunkelstrom und den Photostrom für Detektoren, wie vorstehend beschrieben, mit S = 0,4 μm und 0,6 μm. Die graphische Darstellung zeigt, dass Hell-zu-Dunkelstromverhältnisse unter normalen Beleuchtungsbedingungen höher als 103 erhalten werden können. Der höhere Dunkelstrom der Geometrie mit S = 0,4 μm bei hohen Vorspannungen ist kein Problem, da in diesen Bauelementen ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb bei Vorspannungen von <1 V oder sogar bei einer Vorspannung von null erhalten werden kann, wie in 3(a) gezeigt.
  • Das Antwortvermögen des Bauelements kann weiter verbessert werden, wenn es zusätzlich eine Antireflexbeschichtung beinhaltet, wie in 4 dargelegt. Ohne eine Antireflexbeschichtung wird etwa 1/3 des auf die Ge-Oberfläche auftreffenden Lichts reflektiert, noch bevor es in den absorbierenden Bereich des Bauelements gelangt. Durch Verwenden einer transparenten dielektrischen Schicht 210, die sich oben auf der Ge-Oberfläche 220 befindet, kann die Reflexion auf nahezu 0 % reduziert werden. Die dielektrische Schicht 210 fungiert lediglich als eine Antireflexschicht in den Bereichen zwischen den Elektroden, kann jedoch zwecks Prozessbequemlichkeit über dem gesamten Bauelement aufgebracht werden, wie in der Zeichnung gezeigt. Die dielektrische Schicht 210 sollte idealerweise einen Brechungsindex nar aufweisen, der ungefähr gleich der Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstanten n4 der Ge-Schicht ist. Jegliche Schicht mit einer Dielektrizitätskonstanten zwischen 1 und n4 stellt jedoch einen gewissen Grad an Vorteil bereit. Mögliche Materialien für die Antireflexbeschichtung beinhalten SiO, SiON, SiN, diamantartigen Kohlenstoff (DLC), SiLK (ein thermohärtendes Polyarylenpolymer, das von Dow Chemical Co. vertrieben wird) und SiCOH (auch als ein kohlenstoffdotiertes Oxid bezeichnet) sowie Kombinationen derselben, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Die in 4 gezeigte Struktur beinhaltet außerdem das Substrat 10, die isolierende Schicht 20, die Si-Schicht 30, die Ge-Schicht 40, alternierende Kontaktbereiche 60 und 70, Elektroden 80 und Isolationsbereiche 50.
  • Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 5 gezeigt, bei der eine dünne Si1-zGez-Oberflächenschicht zur Verbesserung des Dunkelstroms verwendet wird. Im Allgemeinen weist Ge schlechte Oberflächenpassivierungseigenschaften auf, und die Hauptquelle für den Dunkelstrom kann häufig eine Leckage entlang der Oberflächenschicht zwischen den Kontakten sein. Durch Verwenden einer dünnen Si1-zGez-Oberflächenschicht 310 auf der Oberseite der Ge-Schicht 320 wird eine steuerbarere Oberfläche erzielt.
  • Die Si1-zGez-Oberflächenschicht 310 kann vor oder nach dem Hochtemperatur-Tempervorgang aufgebracht werden, um Defekte in der Ge-Schicht zu reduzieren. Da die Si1-zGez-Oberflächenschicht 310 unter Zugspannung steht, ist es wichtig, dass sie dünner als die kritische Dicke zur Bildung von Defekten ist, da Defekte nahe den Oberflächenelektroden schädlich für die Bauelementleistungsfähigkeit sein können. In Abhängigkeit vom Ge-Gehalt z kann die Dicke in einem Bereich von ungefähr 20 nm für z = 0,8 bis nur wenigen Monolagen für reines Si liegen. Die in 5 gezeigte Struktur beinhaltet außerdem das Substrat 10, die isolierende Schicht 20, die Si-Schicht 30, alternierende Kontaktbereiche 60 und 70, Elektroden 80 und Isolationsbereiche 50.
  • In der vorstehenden Ausführungsform kann ein zusätzlicher Vorteil durch Herstellen der Photodiode auf einem SiGe-auf-Isolator(SGOI)-Substrat gewonnen werden. Dieses Substrat ist für CMOS-Anwendungen nützlich, da das relaxierte SiGe als eine Unterlage für das Aufwachsen von unter Spannung stehendem Si wirkt, was die CMOS-Leistungsfähigkeit verbessern kann. In diesen Ausführungsformen wird die anfängliche Si-Schicht auf der Oberseite des vergrabenen Oxids durch eine SiGe-Schicht ersetzt. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hilft der Photodetektorleistungsfähigkeit durch noch weiteres Reduzieren der Menge an anfänglichem Si, das für eine Interdiffusion verfügbar ist. Das SiGe kann außerdem beim Reduzieren der Versetzungsdichte in der Ge-Schicht helfen, da die Gitterkonstante dichter bei jener von Ge als reinem Si liegt. Die reduzierte Versetzungsdichte kann den Dunkelstrom durch Reduzieren der Erzeugungsrate von Elektron-Loch-Paaren verbessern.
  • Es ist auszuführen, dass für die in 4 gezeigten Ausführungsformen eine Hochtemperatur-Temperung Interdiffusion verursachen und das Schichtstrukturprofil modifizieren kann, wie in 2(a) oder 2(b) gezeigt. Des Weiteren versteht es sich, dass eine Hochtemperatur-Temperung der in 5 beschriebenen Ausführungsform in einem zusätzlichen interdiffundierten Bereich zwischen den Schichten 310 und 320 resultiert.
  • Wie zuvor erwähnt, ist es wünschenswert, die anfängliche Si-Schicht über dem vergrabenen Isolator so dünn wie möglich zu halten, um das Si zu begrenzen, das für Interdiffusion zur Verfügung steht. In den vorstehend gezeigten Ausführungsformen kann jedoch die Si-Dicke nicht auf null reduziert werden, da einkristallines Ge nicht über SiO2 zur Nukleation gebracht werden kann, ohne exotische Techniken wie ein laterales Überwachstum zu verwenden. Die vorliegende Erfindung stellt jedoch auch eine Photodetektorstruktur bereit, die dieses Problem durch Verwenden von Ge direkt auf einer vergrabenen Isolatorschicht löst, wie in 6 gezeigt.
  • Ein Weg, um eine Ge-Schicht direkt auf einem vergrabenen Isolator zu erhalten, besteht darin, eine Ge-Schicht auf einem kristallinen Isolator zu verwenden (siehe zum Beispiel S. Guha et al., Appl. Phys. Lett., Bd. 80, 766 (2002)), wie in 6 gezeigt. In dieser Ausführungsform besteht die Mehrschichtstruktur aus einem Si-Substrat 410 gefolgt von einer einkristallinen Isolatorschicht 420 und einer Ge-Schicht 430. Die in 6 gezeigte Struktur beinhaltet außerdem alternierende Kontaktbereiche 60 und 70, Elektroden 80 und Isolationsbereiche 50.
  • Da die Isolatorschicht 420 kristallin ist, kann epitaxiales Ge direkt auf die Oberseite derselben ohne die Notwendigkeit für eine zwischenliegende Si-Schicht aufgewachsen werden. Selbstverständlich weist das Ge weiterhin eine Gitterfehlanpassung zu dem kristallinen Isolator 420 auf, und daher wird eine dicke Ge-Schicht wahrscheinlich weiterhin über die Bildung von Fehlanpassungsversetzungen an der Grenzfläche zwischen der Ge-Schicht 430 und der Isolatorschicht 420 relaxieren. In Perovskitoxiden entspricht jedoch die (110)-Kristallebene des Perovskits der (100)-Kristallebene von Si, so dass das Oxid eine gedrehte kristalline Struktur mit einer Gitterkonstante aufweist, die etwa 2 % größer als von Si ist. Dies kann dabei helfen, einen Teil der Gitterfehlanpassung zwischen Si und Ge von 4 % auszugleichen, was zu Ge-Schichten höherer Qualität mit reduzierter Defektdichte führt. Das kristalline Oxid muss nur ausreichend dick sein, um ein Tunneln zwischen dem Absorptionsbereich und dem darunterliegenden Substrat zu unterdrücken, und daher ist eine Dicke von mehr als etwa 5 nm erforderlich. Mögliche Materialien für das kristalline Oxid umfassen (Ba,Sr)O, BaTiO3, SrTiO3, SrRuO3, MgO, TiO2 und Kombinationen derselben, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
  • Eine weitere Weise der Realisierung der Photodetektorstruktur mit einer Ge-Schicht auf einer vergrabenen Isolatorschicht besteht in der Verwendung eines gebondeten Ge-auf-Isolator-Substrats (siehe zum Beispiel A. Reznicek et al., Spring MRS Meeting, San Francisco, 2004). In dieser Ausführungsform besteht die Mehrschichtstruktur aus einem Si-Substrat 410, gefolgt von einer Isolatorschicht 420 und einer Ge-Schicht 430. In der bevorzugten Ausführungsform besteht die Isolatorschicht aus SiO2, und die ursprüngliche Ge-Schicht wird entweder durch Waferbonden eines Ge-Volumenwafers oder einer auf einem Si-Substrat aufgewachsenen Ge-Schicht durch kompositionelles Gradieren und dann Entfernen des restlichen Substrats durch Wafersplitten oder selektives Ätzen auf die SiO2-Schicht transferiert. In jedem Fall weist diese Ausführungsform den Vorteil der Eliminierung der Notwendigkeit für die Si-Unterschicht zwischen dem Ge und dem vergrabenen Oxid und außerdem der Verbesserung der Qualität der absorbierenden Ge-Schicht auf.
  • Einer der Schlüsselvorteile der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sie direkt mit Si-CMOS integriert werden kann. Speziell zeigt 7, wie die in den 1(a) bis 1(b) beschriebene Ausführungsform mit SOI-CMOS kombiniert werden kann. In dieser Ausführungsform verwenden der CMOS und der Photodetektor ein gemeinsames Substrat 510 und einen vergrabenen Isolator 520. Die dünne Si-Schicht 530 über dem vergrabenen Isolator wirkt als der aktive Bereich für CMOS-Bauelemente 540 und wirkt als Unterschicht unterhalb der Ge-Schicht 550 des Photodetektors 560. Im Fall eines vollständig verarmten SOI kann die gleiche Dicke von Si für den CMOS und den Photodetektor verwendet werden. Alternativ kann, wenn der CMOS teilweise verarmtes SOI ist, dann dickeres Si für die CMOS-Bauelemente verwendet werden, entweder durch Neuaufwachsen von zusätzlichem Si in den Bereichen der CMOS-Bauelemente oder durch Zurückätzen von überschüssigem Si in den Bereichen des Photodetektors. Da der absorbierende Bereich des Photodetektors in der bevorzugten Ausführungsform im Bereich von 50 nm bis 500 nm liegt, kann der Detektor eine geeignete Planarität mit den CMOS-Bauelementen erhalten, die typischerweise Höhen in einem Bereich von 200 nm bis 250 nm über dem vergrabenen Oxid aufweisen. Die in 7 gezeigte Struktur beinhaltet außerdem alternierende Kontaktbereiche 60 und 70, Elektroden 80 und Isolationsbereiche 50 in dem Photodetektorbereich 560.
  • Der Photodetektor kann außerdem mit Volumen-Si-CMOS kombiniert werden, wie in 8 gezeigt. In dieser Ausführungsform teilen sich beide Bauelemente ein gemeinsames Substrat 610, der Photodetektor verwendet jedoch einen selektiven vergrabenen Isolator 620, der sich in den Bereichen unterhalb des Photodetektors 630 befindet, jedoch nicht unter CMOS-Bauelementen 640. Ein mögliches Verfahren der Erzeugung des selektiven vergrabenen Isolators ist der Prozess, der Separation durch Implantation von Sauerstoff (SIMOX) genannt wird, wobei zuerst Sauerstoffionen in ein Si-Substrat implantiert werden, um wenigstens einen geschädigten Bereich zu bilden, gefolgt von einem Temperprozess. In diesem Fall wird durch Implantieren von Sauerstoffionen und anschließendes Tempern bei sehr hohen Temperaturen eine vergrabene SiO2-Schicht erzeugt. Alternativ kann der Photodetektor einen kristallinen Isolator verwenden, wie in der Ausführungsform von 6 beschrieben. In diesem Fall kann die dünne Si-Schicht 650 über dem vergrabenen Isolator eliminiert werden, so dass der aktive Bereich des Photodetektors lediglich aus Ge besteht. Die in 8 gezeigte Struktur beinhaltet außerdem alternierende Kontaktbereiche 60 und 70, Elektroden 80 und Isolationsbereiche 50 in dem Photodetektorbereich 630.
  • In beiden, in den 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen ist es wünschenswert, dass das Ge selektiv statt über dem gesamten Wafer aufgebracht wird. Dies kann ziemlich leicht ausgeführt werden, da es auf dem Fachgebiet ziemlich gut bekannt ist, wie Ge selektiv auf SiO oder SiN aufgebracht wird. Eine selektive Deposition des Ge liefert Flexibilität in Bezug darauf, wann der Photodetektor bezüglich den CMOS-Bauelementen hergestellt wird. Eine selektive Deposition weist außerdem den Vorteil auf, dass eine Defektreduktion in kleinflächigen Strukturen leichter erreicht wird und daher eine Hochtemperatur-Temperung zum Reduzieren der Versetzungsdichte minimiert oder vollständig vermieden werden kann.
  • Photodetektoren, welche die kristalline Oxidstruktur verwenden, weisen einen besonderen Vorteil in dieser Hinsicht auf.
  • Die 9(a) bis 9(g) zeigen ein Verfahren zur Herstellung einer Ge-auf-Isolator-Photodetektorstruktur mit hoher Geschwindigkeit der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist das Ausgangsmaterial ein dünnes SOI-Substrat 700, wie in 9(a) gezeigt; das Substrat 700 beinhaltet ein Si-Substrat 701, einen vergrabenen Isolator 702 und eine SOI-Schicht 703. Als nächstes wird eine Ge-Schicht 704 epitaxial direkt auf der Oberseite der SOI-Schicht 703 aufgewachsen, wie in 9(b) gezeigt. Optional kann eine dünne Si-Kristallkeimschicht (5 nm bis 30 nm) vor der Ge-Schicht 704 aufgewachsen werden, um die Qualität der Ge- Schicht zu verbessern. Die Temperatur für das anfängliche Ge-Wachstum wird sehr niedrig (ungefähr 300 °C bis 350 °C) gehalten, um ein dreidimensionales Wachstum zu vermeiden. Danach kann nach dem Aufwachsen dieser anfänglichen Ge-Schicht die Temperatur erhöht werden, um den restlichen Teil der Schicht aufzuwachsen. Normalerweise ist die Ge-Schicht nach dem Aufwachsen stark relaxiert, weist jedoch eine hohe Schraubenversetzungsdichte von ungefähr 109cm-2 auf. Um die Versetzungsdichte zu reduzieren, wird das Material getempert, um die in 9(c) gezeigte Struktur bereitzustellen. Das Tempern kann bei einer gleichmäßigen Temperatur oder unter Verwendung eines zyklischen Temperns durchgeführt werden, wie im US-Patent Nr. 6 635 110 beschrieben, dessen Inhalt hierin durch Verweis aufgenommen wird. In 9(c) bezeichnet das Bezugszeichen 705 eine Si1-xGex-Schicht, die durch Interdiffusion verursacht wird, und das Bezugszeichen 706 bezeichnet die restliche obere Ge-Schicht nach der Interdiffusion.
  • Die Temperatur und die Zeiten für das Tempern variieren in Abhängigkeit von der Dicke der Ge-Schicht, ob die Schicht gleichmäßig aufgewachsen oder strukturiert ist oder nicht und ob der darunterliegende Isolator ein amorpher oder kristalliner Isolator ist. Das Tempern wird zur Reduzierung von Schraubenversetzungen in der resultierenden Mehrschichtstruktur durchgeführt. Typische Tempertemperaturen betragen etwa 750 °C bis etwa 900 °C. Nichtsdestoweniger ist Tempern im Allgemeinen vorteilhaft zur Reduzierung der Versetzungsdichte und Verbesserung der Materialqualität, und daher ist die Verwendung des vergrabenen Isolators kritisch für die Begrenzung des für Interdiffusion zur Verfügung stehenden Si. Nach dem Tempern werden Isolationsbereiche 707 durch Ätzen bis auf die vergrabene Oxidschicht herunter und anschließendes Rückfüllen mit einem isolierenden Material gebildet, wie in 9(d) gezeigt. In der Figur sind die isolierenden Isolationsbereiche 707 mit der gleichen Höhe wie die aktive Ge-Fläche gezeigt, im Allgemeinen brauchen die Isolationsbereiche jedoch nicht die gleiche Höhe wie die aktive Ge-Fläche aufweisen. Die Isolationsbereiche 707 sollten jedoch ausreichend dick sein, um den äußerst defektbehafteten Bereich nahe der Si/Ge-Grenzfläche zu bedecken. Dies stellt sicher, dass die Oberflächenelektroden die äußerst defektbehafteten Bereiche nicht berühren, wenn sie die Isolationsbereichskante kreuzen, eine Situation, die eine übermäßige Bauelementleckage verursachen könnte.
  • Als nächstes werden alternierende p-leitende und n-leitende Kontakte 709 und 708 gebildet, wie in den 9(e) und 9(f) gezeigt. Es ist gezeigt, dass die p-leitenden Implantationen zuerst gebildet werden, gefolgt von den n-leitenden Implantationen, die Reihenfolge der Implantationen kann jedoch umgekehrt sein. In der bevorzugten Ausführungsform werden die Kontakte durch Innenimplantation unter Verwendung eines Resists oder einer dielektrischen Maske gebildet. Nach der Implantation jeder Spezies werden die Kontakte getempert, um die Implantationsstoffe zu aktivieren. Alternativ können beide Sätze von Kontakten implantiert und dann gleichzeitig getempert werden. Für die n-leitenden Kontakte sind die bevorzugten Dotierstoffspezies As, P oder Sb, während für die p-leitenden Kontakte die bevorzugte Dotierstoffspezies B ist. Die Implantationstiefe sollte ausreichend gering gehalten werden, so dass die Dotierstoffspezies weit entfernt von der defektbehafteten Schicht nahe der Unterseite der Ge-Schicht bleiben. Daher sollte sich in der bevorzugten Ausführungsform die Dotierstoff-Peakkonzentration wie implantiert sowohl für die n-leitenden als auch die p-leitenden Kontakte lediglich etwa 5 nm bis 30 nm von der Oberfläche entfernt sein.
  • Dann werden die leitenden Elektroden 710 gebildet, wie in 9(g) gezeigt. Die Elektroden können durch eine Anzahl von Mitteln hergestellt werden, die Aufdampfen, Sputtern oder chemische Gasphasenabscheidung umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Die Elektrodenstrukturierung kann ebenfalls durch eine Anzahl von Techniken durchgeführt werden, wie Ablösen, Aufbringen und Ätzen oder chemisch-mechanisches Polieren. Der Elektrodenwiderstand sollte ausreichend niedrig sein, so dass die Bauelementleistungsfähigkeit nicht durch RC-Verzögerung beschränkt ist, und daher ist die optimale Dicke und Breite der Finger eine Funktion der Bauelementfläche (welche die Kapazität beeinflusst) und des spezifischen elektrischen Widerstands des Fingermaterials. Für eine aktive Fläche von 10 × 10 μm2 beträgt die Kapazität z.B. typischerweise 50 fF. Daher sollte der Elektrodenwiderstand weniger als etwa 100 Ω betragen, um eine Bandbreite von 30 GHz zu erreichen. Für Al-Finger mit einer Breite von 200 nm entspricht dies einem Dickenbereich von ungefähr 150 nm bis 300 nm. Da die Kapazität mit der Bauelementfläche skaliert, während der Elektrodenwiderstand konstant bleibt, ist es für quadratische Bauelementgeometrien wünschenswert, die Bauelementfläche so klein wie möglich zu halten, ohne die Fähigkeit zu unterbrechen, das einfallende Licht effektiv zu sammeln. Die Bauelementfläche sollte außerdem nicht größer als notwendig sein, um das Licht in die aktive Fläche des Bauelements zu koppeln, um das Hell-zu-Dunkelstromverhältnis zu maximieren. Unter diesen Bedingungen sind Bauelementflächen im Bereich von 100 μm2 bis 1000 μm2 bevorzugt.
  • Eine weitere Anforderung an das Elektrodenmaterial besteht darin, dass es einen guten ohmschen Kontakt zu sowohl n-leitendem als auch p-leitendem Ge herstellen sollte. Angesichts der schmalen Bandlücke von Ge ist dies jedoch im Allgemeinen kein Problem, und ein ausreichender ohmscher Kontakt kann mit nahezu jedem Metall hergestellt werden. Mögliche Metalle für die Elektroden umfassen Al, Cu, Ti, TiN, Pt, W, Ta, TaN, Pt, Pd, Hf, ITO und Kombinationen derselben, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Silicide und Germanide der zuvor erwähnten Metalle kommen hierin ebenfalls in Betracht.
  • Der in den 9(a) bis 9(g) dargestellte Prozess kann außerdem die Deposition einer Antireflexbeschichtung beinhalten. Die Antireflexbeschichtung kann nach der Elektrodenbildung, wie in 4 gezeigt, oder früher in dem Prozess aufgebracht werden. Eine in 5 gezeigte SiGe-Oberflächenschicht kann ebenfalls entweder unmittelbar nach dem Aufwachsen der Ge-Schicht oder vorzugsweise nach Beendigung des zyklischen Temperns aufgewachsen werden. Diese letztere Situation verhindert die Bildung von Versetzungen nahe der Probenoberfläche, wo sie einen größeren negativen Einfluss auf die Bauelementleistungsfähigkeit haben können. Die SiGe-Oberflächenschicht kann auch nach der Bildung der Isolationsschichten selektiv aufgebracht werden, mit dem Vorteil, dass sie jegliche verbliebenen freiliegenden Seitenwände bedeckt, womit die Möglichkeit einer seitenwandinduzierten Leckage reduziert wird. Vorteilhafterweise kann die gesamte Ge-Schicht nach der Bildung der Isolationsbereiche aufgewachsen werden. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass die Ge-Schicht lediglich in einem kleinen Gebiet aufgewachsen wird und somit eine Defektreduktion während des Aufwachsens und nachfolgenden Temperns erleichtert wird. Es muss in dieser Ausführungsform jedoch Sorge dafür getragen werden, dass sichergestellt ist, dass die unteren Seitenwände nach dem Aufwachsen nicht freigelegt sind, um eine Leckage von den Elektroden zu verhindern, welche diesen hoch defektbehafteten Bereich berühren.
  • Wenngleich die Erfindung speziell unter Bezugnahme auf illustrative und bevorzugte Ausführungsformen derselben gezeigt und beschrieben wurde, versteht es sich für den Fachmann, dass das Vorstehende und weitere Änderungen in Form und Details ohne Abweichen vom Umfang der Erfindung durchgeführt werden können. Somit ist die vorliegende Erfindung lediglich durch den Umfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.

Claims (19)

  1. Halbleiter-Photodetektor mit: einer ersten Schicht eines einkristallinen Halbleitersubstrats (10); einer zweiten Schicht eines isolierenden Materials, das sich auf der ersten Schicht befindet (20); einer dritten Schicht mit im Wesentlichen Si, die sich auf der zweiten Schicht befindet (30); einer vierten Schicht (40) mit im Wesentlichen Ge, die sich auf der dritten Schicht befindet, wobei die vierte Schicht eine Oberflächenschicht aufweist; Isolationsbereichen (50), welche die dritte und die vierte Schicht umgeben und eine obere Grenze benachbart zu oder über der vierten Schicht und eine untere Grenze benachbart zu der zweiten Schicht aufweisen; und einem Satz von Elektroden (80) auf der Oberflächenschicht mit einer Mehrzahl von verschachtelten Elementen, wobei der Teil der vierten Schicht unmittelbar benachbart zu einer Elektrode n-leitend (60) dotiert ist und der Teil der vierten Schicht unmittelbar benachbart zu der am nächsten benachbarten Elektrode p-leitend (70) dotiert ist.
  2. Halbleiter-Photodetektor nach Anspruch 1, wobei das einkristalline Halbleitersubstrat (10) aus Si besteht und die zweite Schicht (20) aus Siliciumoxid besteht.
  3. Halbleiter-Photodetektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die vierte Schicht (40) eine Dicke von mehr als 50 nm aufweist und die kombinierte Dicke der dritten Schicht (30) und der vierten Schicht (40) weniger als 500 nm beträgt.
  4. Halbleiter-Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schicht (20) eine Dicke t2 und einen Brechungsindex n2 derart aufweist, dass die folgende Beziehung gilt: 0,5(i + 0,4) (λ/n2) < t2 < 0,5(i + 0,6) (λ/n2),wobei i eine ganze Zahl ist und λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts im Vakuum ist.
  5. Halbleiter-Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Schicht (30) eine Dicke t3 und einen Brechungsindex n3 und die vierte Schicht (40) eine Dicke t4 und einen Brechungsindex n4 derart aufweisen, dass die folgende Beziehung gilt: (i + 0,9) (λ/2) < t3n3 + t4n4 < (i + 1,1) (λ/2),wobei i eine ganze Zahl ist und λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts im Vakuum ist.
  6. Halbleiter-Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der des Weiteren auf der Oberseite der Teile der Oberflächenschicht, die nicht in direktem Kontakt mit den Elektroden sind, eine transparente dielektrische Schicht (210) aufweist, die einen Brechungsindex zwischen 1 und jenem der vierten Schicht aufweist, um so als Antireflexbeschichtung zu wirken.
  7. Halbleiter-Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der des Weiteren zwischen der dritten Schicht und der vierten Schicht eine fünfte Schicht (140) aus Si1-xGex beinhaltet, die durch Interdiffusion zwischen dem Si in der dritten Schicht und dem Ge in der vierten Schicht gebildet ist.
  8. Halbleiter-Photodetektor nach Anspruch 1, wobei der Unterschied zwischen der Fermi-Energie einer ersten Elektrode und der Valenzbandkante der vierten Schicht weniger als Eg/2 beträgt und wobei der Unterschied zwischen der Leitungsbandkante der vierten Schicht und der Fermi-Energie der zweiten Elektrode weniger als Eg/2 beträgt, wobei Eg die Bandlücke der vierten Schicht ist.
  9. Halbleiter-Photodetektor nach Anspruch 1, der des Weiteren beinhaltet: eine fünfte Schicht (310), die im Wesentlichen Si1-xGex beinhaltet und eine Oberflächenschicht auf der vierten Schicht aufweist, wobei die Isolationsbereiche (50) die dritte Schicht und die vierte Schicht und die fünfte Schicht umgeben und eine obere Grenze benachbart zu oder über der vierten Schicht und eine untere Grenze benachbart zu der zweiten Schicht aufweisen und der Satz von Elektroden (80) auf der Oberflächenschicht eine Mehrzahl von verschachtelten Elementen beinhaltet, wobei der gesamte Teil der fünften Schicht unmittelbar benachbart zu einer Elektrode n-leitend dotiert ist und der gesamte Teil der fünften Schicht unmittelbar benachbart zu der am nächsten benachbarten Elektrode gleitend dotiert ist.
  10. Halbleiter-Photodetektor nach Anspruch 9, wobei die Dicke und die Ge-Konzentration der fünften Schicht derart sind, dass die fünfte Schicht die Dickengrenze für thermodynamische Stabilität nicht überschreitet.
  11. Halbleiter-Photodetektor nach Anspruch 9, wobei die vierte Schicht eine Dicke von mehr als 50 nm aufweist und die kombinierte Dicke der dritten Schicht und der vierten Schicht und der fünften Schicht weniger als 500 nm beträgt.
  12. Integrierter Halbleiterschaltkreis mit einem Halbleiter-Photodetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Mehrzahl von SOI-MOSFET-Bauelementen, wobei sich die MOSFET-Bauelemente und der Photodetektor das einkristalline Halbleitersubstrat und die zweite Schicht aus einem isolierenden Material teilen.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Photodetektors, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bilden einer Halbleiterstruktur mit einem einkristallinen Halbleitersubstrat (10), einer zweiten Schicht aus einem isolierenden Material (20) und einer dritten Schicht (30), die im Wesentlichen Si beinhaltet; epitaxiales Aufwachsen einer vierten Schicht (40) aus im Wesentlichen Ge, wobei die vierte Schicht eine Oberflächenschicht aufweist; Tempern zur Reduzierung der Fadenversetzungsdichte; Bilden von Isolationsbereichen (50), welche die dritte Schicht und die vierte Schicht umgeben, wobei die Isolationsbereiche eine obere Grenze benachbart zu oder über der vierten Schicht und eine untere Grenze benachbart zu der zweiten Schicht aufweisen; Bilden von alternierenden Streifen aus p-leitend (70) und n-leitend (60) dotiertem Material benachbart zu der Oberflächenschicht derart, dass Bereiche von nicht absichtlich dotiertem Material zwischen den alternierenden Streifen verbleiben; und Bilden eines Satzes von Elektroden (80) auf der Oberflächenschicht mit einer Mehrzahl von verschachtelten Elementen, wobei die Gesamtheit des Teils der Elektroden, der in Kontakt mit der Oberflächenschicht ist, auch in Kontakt mit den Streifen aus dem p-leitend und n-leitend dotierten Material ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, das des Weiteren das Bilden einer Si-Kristallkeimschicht vor dem Aufwachsen der vierten Schicht aus Ge umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Streifen aus dem p-leitend bzw. n-leitend dotierten Material durch Innenimplantation und nachfolgendes Tempern gebildet werden.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, das des Weiteren die Deposition eines transparenten dielektrischen Materials auf der Oberseite der Teile der Oberflächenschicht umfasst, die nicht in direktem Kontakt mit den Elektroden sind, das einen Brechungsindex zwischen 1 und jenem der vierten Schicht aufweist, um so als Antireflexbeschichtung zu wirken.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, das des Weiteren die Schritte umfasst: epitaxiales Aufwachsen einer fünften Schicht (310) aus im Wesentlichen Si1-xGex, wobei die fünfte Schicht eine Oberflächenschicht aufweist; und wobei die Isolationsbereiche (150) die dritte Schicht und die vierte Schicht und die fünfte Schicht umgeben und eine obere Grenze benachbart zu oder über der vierten Schicht und eine untere Grenze benachbart zu der zweiten Schicht aufweisen.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die fünfte Schicht aus im Wesentlichen Si1-xGex nach dem Tempern, jedoch vor dem Bilden der Isolationsbereiche aufgewachsen wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die fünfte Schicht aus im Wesentlichen Si1-xGex nach dem Schritt des Bildens der Isolationsbereiche, jedoch vor dem Bilden der alternierenden Streifen aus p-leitend bzw. n-leitend dotiertem Material aufgewachsen wird.
DE602005001401T 2004-02-24 2005-02-22 Struktur und verfahren für die herstellung eines cmos-kompatiblen hochgeschwindigkeits-ge-on-isolator-photodetektors Active DE602005001401T2 (de)

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