TWI824402B - 具正交層結構之光二極體 - Google Patents
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Abstract
諸實施例提供一種具有兩個電極及用於吸收光子之一吸收體積之光二極體，其中該吸收體積包含一光子進入區域，其中該等兩個電極經組配以在施加一反向電壓時在該等兩個電極之間的一作用區中產生一電場，其中該電場平行於該光子進入區域而延行，其中，自該光二極體之一半導體基體之一表面開始，該等兩個電極在該半導體基體之一深度方向上基本上正交於該表面而延伸，其中該光二極體包含形成於該半導體基體中之至少一個防護結構，該至少一個防護結構安置於該等至少兩個電極中之至少一者下方。
Description
發明領域
本發明之實施例係關於一種光二極體，且特定言之，係關於一種具有相對於一光子進入區域之一正交層結構的光二極體。其他實施例係關於一種用於產生光二極體之方法。一些實施例係關於用於具有高紅色靈敏度之矽光倍增器(SiPM)中之突崩光二極體(APD)的正交配置。
發明背景
對於諸如LIDAR (光偵測及測距)之偵測系統，需要具有近紅外範圍(NIR)中之高光譜靈敏度的高度靈敏的光偵測器。然而，在近紅外範圍內，用於矽之光子之吸收係數顯著減小，使得對於適合數目個所產生之電子-電洞對需要大體積。為獲得高的電放大因數，二極體在反向方向之擊穿範圍內操作，此產生突崩效應。習知偵測器之問題係對於具有增大吸收體積之豎直結構，突崩效應所需之電壓亦必須增大，如下文將論述。
習知地，矽基體上產生的平面突崩光二極體(APD)或矽光倍增器(SiPM)具有豎直層結構。豎直突崩光二極體之結構例示性地說明於圖1中。
詳言之，圖1a以橫截面展示突崩光二極體(APD)之基本結構的示意圖，在此具有豎直摻雜劑剖面進程n
+-p-i-p
+[1]。底部p
+區用於改良至金屬後部觸點之電躍變。上部接觸邊緣處之n摻雜區充當防止來自周圍本徵區之干擾影響的防護結構。
圖1b在圖中展示標繪在穿過圖1a中所示的突崩光二極體(APD)之中心中的作用區之豎直區段上的摻雜劑、吸收、電場及導體帶的進程[2]。
該等二極體在反向方向之擊穿區中操作。當在作用區中吸收光子時，產生電子-電洞對，從而在操作期間產生突崩效應，從而允許強/高/大的信號放大。
在常見平面光二極體中，電場與光方向平行延行。隨著吸收能力降低，此等於在長波範圍內之靈敏度降低。此靈敏度損失可由長吸收路徑(=大空間電荷區(SCR))補償。
為產生深空間電荷區，需要高操作電壓及低摻雜矽材料。若使用在極高內部場強度下操作之放大光接收器，諸如突崩光二極體或矽光倍增器，則需要防止非所要橫向擊穿之所謂防護結構。
隨著電壓增大(=深SCR=增大紅色靈敏度)，此等防護結構變得愈來愈大。
此等防護結構佔據光子進入區域之不可用於偵測光子的區域。因此，在用較高電壓操作期間，二極體之面積效率降低(整個區域中之二極體之效率)。
在[3]中，描述了形成於SOI層中之橫向突崩光二極體，其中藉由表面植入及後續擴散產生用於倍增層之摻雜，其中該摻雜跨SOI層之整個深度發生。此處，摻雜劑之濃度在表面處比在SOI層之底部處更大。此情形引起擊穿電壓之深度相依改變，此係僅能產生起作用的突崩光二極體至若干µm之深度的原因。僅在此擴散之後，執行溝槽蝕刻以實現陰極電極。
發明概要
因此，本發明之目標為提供一種包含改良之面積效率的在長波範圍中具有高靈敏度之光二極體。
此目標係藉由獨立請求項來達成。
可在附屬請求項中發現有利的進一步開發。
諸實施例提供一種光二極體，其具有在用於吸收光子之吸收體積中之兩個電極[例如，陽極及陰極]，其中該吸收體積包含光子進入區域，其中該等兩個電極經組配以在施加反向電壓時在兩個電極之間的作用區[例如，該吸收體積]中產生電場，其中該電場平行於光子進入區域而延行[例如，其中電場之場力線平行於光子進入區域而延行]。
在實施例中，自光二極體之半導體基體之表面開始，兩個電極可在該半導體基體之深度方向上基本上正交於該表面而延伸，其中該光二極體包含形成於該半導體基體中之至少一個防護結構，該至少一個防護結構安置於該等至少兩個電極中之至少一者下方。
在實施例中，該至少一個防護結構可由半導體基體在橫向方向及深度方向上圍封。
在實施例中，至少一個防護結構之橫向延伸可為對應電極之橫向延伸的兩倍至五倍。
在實施例中，至少一個防護結構可為球形、立方體形或長方體形，各自具有強圓化拐角或邊緣。
在實施例中，半導體基體為連續矽半導體基體。
在實施例中，兩個電極可基本上正交[例如，以90°之角度或以70°至110°之角度]於光子進入區域而延行。
在實施例中，自半導體基體之表面開始，兩個電極可在深度方向上延伸至半導體基體中至少至5 µm或更大之深度[例如，10 µm至30 µm]。
在實施例中，自光二極體之半導體基體(101)之表面開始，兩個電極可在半導體基體101之深度方向上基本上正交[例如，以90°之角度或以70°至110°之角度]於表面而延伸[例如，其中該表面平行於光子進入區域而延行]。
在實施例中，吸收體積可配置於兩個電極之間。
在實施例中，兩個電極之間的二極體層堆疊之層[例如，半導體層]可基本上正交[例如，以90°之角度或以70°至110°之角度]於光子進入區域而延行。
在實施例中，該二極體層堆疊可包含以下層：
- 一p
+摻雜層，
- 一本徵或一p
-摻雜層，
- 一p摻雜層，及
- 一n
+摻雜層。
在實施例中，該二極體層堆疊可包含以下層：
- 一n
+摻雜層，
- 一本徵或一n
-摻雜層，
- 一n摻雜層，及
- 一p
+摻雜層。
在實施例中，該二極體層堆疊亦可替代地包含以下層：
- 一n
+摻雜層，
- 一本徵層，
- 一p摻雜層，
- 一本徵層，
- 一p
+摻雜層。
在實施例中，該二極體層堆疊亦可替代地包含以下層：
- 一p
+摻雜層，
- 一本徵層，
- 一n摻雜層，
- 一本徵層，
- 一n
+摻雜層。
在實施例中，該光二極體可包含至少一個防護結構，其配置[例如，在光二極體之半導體基體的深度方向上]於至少兩個電極中之至少一者下方[例如，緊靠著][例如，以將電場集中在吸收體積之區域中[例如，且使其在邊緣區域中減小]]。
在實施例中，該光二極體可為突崩光二極體或光電子倍增器。
其他實施例提供一種用於產生光二極體之方法。該方法包括提供半導體基體之步驟。此外，該方法包括在半導體基體中或上提供至少兩個電極[例如，陽極及陰極]之步驟。另外，該方法包括在至少兩個電極之間提供二極體層堆疊之步驟，其中二極體層堆疊之層基本上正交[例如，以90°之角度或以70°至110°之角度]於半導體基體之表面而延行。
在實施例中，至少兩個電極及二極體層堆疊可藉由以下操作而提供於該半導體基體中：自半導體基體之表面開始，在半導體基體中[例如，在半導體基體之深度方向上，即正交於半導體基體之表面]形成至少兩個隔開之凹部[例如，溝槽]；在該等至少兩個凹部之間摻雜該半導體基體以在該等至少兩個凹部之間獲得該二極體層堆疊[例如，二極體層結構]，其中該二極體層堆疊之層基本上正交[例如，以90°之角度或以70°至110°之角度]於半導體基體之表面而延行；以及在該等至少兩個凹部中提供該等至少兩個電極[例如，陽極及陰極]。
在實施例中，自光二極體之半導體基體之表面開始，兩個電極可在該半導體基體之深度方向上基本上正交於該表面而延伸，該方法進一步包含在該半導體基體中之該等至少兩個電極中之至少一者下方形成至少一個防護結構。
在實施例中，該等至少兩個電極、該防護結構及該二極體層堆疊可藉由以下操作而提供於該半導體基體中：自半導體基體之表面開始，在該半導體基體中形成至少兩個隔開之凹部；在該等至少兩個電極中之一者下方形成一防護結構凹部；自該等至少兩個凹部開始且部分地自該防護結構凹部開始在該等至少兩個凹部之間摻雜該半導體基體，以在該等至少兩個凹部之間獲得該防護結構及該二極體層堆疊，其中該二極體層堆疊之層基本上正交於該半導體基體之該表面而延行；在該等至少兩個凹部中提供該等至少兩個電極。
在實施例中，可藉由蝕刻或藉由局部氧化該半導體基體且隨後移除氧化物或藉由選擇性沈積生長來形成該等至少兩個凹部。
在實施例中，可至少部分地自至少兩個凹部開始摻雜半導體基體。
在實施例中，可藉助於藉由化學氣相沈積用含摻雜劑層塗佈或藉助於自氣相之摻雜來摻雜半導體基體。
在實施例中，該等至少兩個電極及該二極體層堆疊可藉由至少兩個電極之逐層生長[例如，磊晶]及二極體層堆疊之逐層生長[例如，磊晶]及局部摻雜而提供於半導體基體上。
在實施例中，可藉由結合光微影之離子植入來摻雜二極體層堆疊。
在實施例中，該二極體層堆疊可包含以下層：
- 一p
+摻雜層，
- 一本徵或一p
-摻雜層，
- 一p摻雜層，及
- 一n
+摻雜層。
在實施例中，該二極體層堆疊可包含以下層：
- 一n
+摻雜層，
- 一本徵或一n
-摻雜層，
- 一n摻雜層，及
- 一p
+摻雜層。
在實施例中，該二極體層堆疊亦可替代地包含以下層：
- 一n
+摻雜層，
- 一本徵層，
- 一p摻雜層，
- 一本徵層，
- 一p
+摻雜層。
在實施例中，該二極體層堆疊亦可替代地包含以下層：
- 一p
+摻雜層，
- 一本徵層，
- 一n摻雜層，
- 一本徵層，
- 一n
+摻雜層。
在實施例中，可藉由提供及結構化金屬化層及/或重度摻雜層來形成該等至少兩個電極。
在實施例中，該方法可進一步包含以下步驟：在至少兩個電極中之至少一者下方[例如，緊靠著]形成至少一個防護結構[例如，以將電場集中在吸收體積之區域中[例如，且使其在邊緣區域中減小或抑制電流路徑/漏電流]]。
在實施例中，該光二極體可為突崩光二極體或光電子倍增器。
其他實施例提供用於具有高紅色靈敏度之突崩光二極體(APD)及矽光倍增器(SiPM)的正交配置。
較佳實施例之詳細說明
在本發明之實施例的後續描述中，圖式中之相同或等同元件具備相同參考標號，使得其描述可互換。
圖2a展示根據本發明之一實施例之光二極體100的示意性橫截面圖。該光二極體包括半導體基體101、形成於半導體基體101中之兩個電極102及104 (例如陽極及陰極)及在電極102與104之間的用於吸收光子108之吸收體積112，其中吸收體積112包含在半導體基體101之表面105上或平行於表面105之光子進入區域106。電極102及104經組配以在施加反向電壓時在電極102與104之間的作用區中(例如，吸收體積112中)產生電場110，其中電場110平行於光二極體100之光子進入區域106或表面105而延行。
如圖2a中可見，電極102及104基本上正交(例如，以90°之角度或以70°至110°之角度)於光二極體100之光子進入區域106或表面105而配置。因此，自光二極體100之半導體基體101之表面105開始，電極102及104在半導體基體101之深度方向上基本上正交於表面105而延伸。
圖2b展示根據本發明之一實施例之光二極體100的示意性橫截面圖。與圖2a相比，圖2b進一步展示光二極體100之例示性二極體層結構128。如圖2b中可見，二極體層結構128之層120、122、124、126可基本上正交於光二極體100之光子進入區域106或表面105而配置。
在實施例中，光二極體100之二極體層結構128可包含以下層：
- p
+摻雜層120，
- 本徵或p
-摻雜層122，
- p摻雜層124，及
- n
-摻雜層126。
在實施例中，光二極體100之二極體層結構128可包含以下層：
- 一n
+摻雜層，
- 一本徵或一n
-摻雜層，
- 一n摻雜層，及
- 一p
+摻雜層。
在實施例中，光二極體100之二極體層結構128可包含以下層：
- 一n
+摻雜層，
- 一本徵層，
- 一p摻雜層，
- 一本徵層，
- 一p
+摻雜層。
在實施例中，光二極體100之二極體層結構128可包含以下層：
- 一p
+摻雜層，
- 一本徵層，
- 一n摻雜層，
- 一本徵層，
- 一n
+摻雜層。
在實施例中，該光二極體可為突崩光二極體或光電子倍增器。
在下文中，將更詳細地描述光二極體100之詳細實施例。
圖3展示根據本發明之一實施例的習知豎直突崩光二極體10與正交突崩光二極體100 (具有正交結構之突崩光二極體)之間的比較。
詳言之，圖3a展示習知突崩光二極體100之示意性橫截面圖。如圖3a中可見，此為具有豎直結構之平面突崩二極體，其中陽極12與陰極14豎直地配置，使得當施加反向電壓時，在陽極12與陰極14之間產生電場16，該電場正交於光二極體10之光子進入區域18或平行於光子20之吸收方向而延行。因此，習知光二極體10之二極體層結構之層(p
+、p-或i、p、n
+)亦平行於光二極體之光子進入區域18而延行。
另一方面，圖3b展示根據本發明之一實施例的突崩光二極體100之示意性橫截面圖。換言之，圖3b展示三維正交突崩光二極體之概念。自基體中之凹部開始，藉助於摻雜劑，可產生深作用區。如圖3b中可見，光二極體100具有正交結構，其中陽極110與陰極104正交地配置，以使得當施加反向電壓時，電場110產生於陽極100與陰極104之間，該電場平行於光二極體100之光子進入區域106或正交於光子108之吸收方向而延行。因此，光二極體之二極體層結構之層(p+、p-或i、p、n+)亦正交於光子進入區域406而延行。
本發明之實施例允許防止吸收能力與高操作電壓之間的相關性，此係因為電場及光入射(光吸收)彼此正交地延行。
光二極體之電場或操作電壓由陰極與陽極之距離指定。穿過矽中之作用場之深度的吸收。藉由正交配置，操作電壓與吸收深度可解耦。操作電壓可藉由橫向尺寸來調適。
豎直光二極體(見圖3a)以及正交光二極體(見圖3b)需要所謂的防護結構22或130，以使得在蓋革模式(Geiger mode)下，突崩倍增或擊穿僅發生在預期區域中。對於正交光二極體100，此等防護結構130可相對於光子進入區域保持較小。
藉由電場強度之局部減小防止非所要位置處的擊穿可藉由以下措施(防護結構)獲得：
•藉由橫向幾何措施，諸如閉孔結構(旋轉對稱結構)。
•藉由增大半徑以防止場峰。
•藉由減小局部摻雜劑濃度且因此增大空間電荷區。
•藉由用隔離物層抑制電流路徑。
實施例具有以下優點：理論上任何深度之吸收體積可藉由正交結構產生，而與電操作電壓之組態無關。
實施例具有以下優點：在正交光二極體中(與豎直光二極體相反)，可藉由將例如防護結構附接至電極之底端使防護結構結構化，以使得其並不減小光子進入區域。
本發明之實施例用於具有較高吸收及較高面積效率之具成本效益的組件中，以用於改良使用突崩光二極體或矽光倍增器之系統，諸如：
• LIDAR技術。
•高度靈敏的光子頻譜分析。
圖4展示用於產生光二極體之方法200的流程圖。方法200包括提供半導體基體之步驟202。此外，該方法包括在半導體基體中或上提供至少兩個電極之步驟204。另外，方法200包括在至少兩個電極之間提供二極體層堆疊之步驟206，其中二極體層堆疊之層基本上正交於半導體基體之表面而延行。
圖4中所示之用於產生光二極體的方法200之兩個實施例將在下文參考圖5及圖6更詳細地論述，其展示在用於產生光二極體之方法之不同步驟之後的光二極體之示意性橫截面圖。
圖5a展示在產生光二極體100期間在提供半導體基體101之步驟之後的光二極體之示意性橫截面圖。舉例而言，半導體基體101可為矽半導體基體。
圖5b展示在產生光二極體100期間在自半導體基體105之表面105開始在半導體基體101中形成至少兩個隔開的凹部103 (例如，溝槽)之步驟之後的光二極體之示意圖。
如圖5b中可見，半導體基體101中的凹部103可在半導體基體101的深度方向上，即正交於半導體基體101的表面105而延伸。
在實施例中，至少兩個凹部103可藉由蝕刻形成。
或者，至少兩個凹部103可藉由半導體基體之局部氧化及氧化物之後續移除或藉由選擇性沈積之生長而形成。
圖5c展示在產生光二極體100期間在於至少兩個凹部103之間摻雜半導體基體101以在至少兩個凹部103之間獲得二極體層堆疊128之步驟之後的光二極體之示意性橫截面圖。
如圖5c中可見，二極體層堆疊128之層120、122、124、126可基本上正交於半導體基體101之表面105而延行。
此處，應注意，圖5c中之層120、122、124、126僅例示性地展示，且二極體層堆疊128亦可實現為具有不同數目個層以及層之不同配置。
在實施例中，可至少部分地自至少兩個凹部103開始摻雜半導體基體101。
在實施例中，可藉助於藉由化學氣相沈積用含摻雜劑層塗佈或藉助於自氣相之摻雜而摻雜半導體基體101。
在實施例中，光二極體100之二極體層結構128可包含以下層：
- 一p
+摻雜層，
- 一本徵或一p
-摻雜層，
- 一p摻雜層，及
- 一n
+摻雜層。
在實施例中，光二極體100之二極體層結構128可包含以下層：
- 一n
+摻雜層，
- 一本徵或一n
-摻雜層，
- 一n摻雜層，及
- 一p
+摻雜層。
在實施例中，光二極體100之二極體層結構128可包含以下層：
- 一n
+摻雜層，
- 一本徵層，
- 一p摻雜層，
- 一本徵層，
- 一p
+摻雜層。
在實施例中，光二極體100之二極體層結構128可包含以下層：
- 一p
+摻雜層，
- 一本徵層，
- 一n摻雜層，
- 一本徵層，
- 一n
+摻雜層。
圖5d展示在產生光二極體100期間在於至少兩個凹部中提供至少兩個電極102及104之步驟之後的光二極體之示意性橫截面圖。
在實施例中，可藉由提供及結構化金屬化層及/或重度摻雜層來形成該等至少兩個電極。
圖6a展示在產生光二極體100期間在提供半導體基體101及在半導體基體101之表面上生長第一層130_1的步驟之後的光二極體之示意性橫截面圖。
在實施例中，半導體基體101可為矽半導體基體。
在實施例中，第一層130_1可為本徵層。
在實施例中，第一層130_1可藉由磊晶生長，使得第一層130_1可為第一磊晶層。
圖6b展示在產生光二極體100期間在局部摻雜第一層130_1之步驟之後的光二極體之示意性橫截面圖。
如圖6b中可見，藉由局部摻雜，摻雜區140、142及144可在第一層130_1中獲得，諸如p
+摻雜區140、p摻雜區142及n
+摻雜區144。
在實施例中，可例如藉由結合光微影之離子植入來執行摻雜。
圖6c展示在產生光二極體100期間在於第一層130_1上生長第二層130_2之步驟之後的光二極體之示意性橫截面圖。
在實施例中，第二層130_2可為本徵層。
在實施例中，第二層130_2可藉由磊晶生長，使得第二層130_2可為第二磊晶層。
圖6d展示在產生光二極體100期間在局部摻雜第二層130_2之步驟之後的光二極體之示意性橫截面圖。
如圖6d中可見，藉由局部摻雜，摻雜區140、142及144亦可在第二層130_2中獲得，諸如p
+摻雜區140、p摻雜區142及n
+摻雜區144。
在實施例中，可例如藉由結合光微影之離子實施來進行摻雜。
圖6e展示在產生光二極體100期間在若干層130已生長於半導體基體101上且觸點146及148已提供於摻雜區140及144上(諸如用於陽極之觸點146及用於陰極之觸點148)之後的光二極體之示意性橫截面圖。
視情況，可在生長層上提供諸如氧化物層(例如SiO2)之防護層129。
在實施例中，該光二極體可為突崩光二極體或光電子倍增器。
在實施例中，如上文所提及(見例如圖3b)，光二極體100可包含至少一個防護結構130，其在光二極體100之半導體基體的深度方向上配置於至少兩個電極中之至少一者下方，以例如將電場集中在吸收體積之區域中體積使其在邊緣區中減小。具有此防護結構130的光二極體100的詳細實施例將在下文更詳細地描述。光二極體100或防護結構130之以下描述在此處當然同樣適用於上文所描述的光二極體100之實施例。
圖7展示根據本發明之一實施例之光二極體100的示意性橫截面圖。光二極體100包括半導體基體101、形成於半導體基體101中之兩個電極102及104 (例如陽極102及陰極104)、在兩個電極102與104之間的用於吸收光子之吸收體積112，及在兩個電極102與104之間的二極體層堆疊128，其中在吸收體積112之區中的二極體層堆疊128之層120、122、124及126基本上正交於半導體基體101之表面105或光二極體100 (橫向突崩光二極體)之光子進入區域106而延行。
經由此，如上文已詳細解釋，當在兩個電極102與104之間施加反向電壓時，在兩個電極102與104之間產生電場，該電場平行於光二極體100之光子進入區域106或半導體基體101之表面105而延行。
二極體層堆疊128可包括p
+摻雜層120、本徵或p
-摻雜層122、p摻雜層124及n
+摻雜層126，如圖7中例示。當然，替代地，二極體層堆疊128可包含n
+摻雜層120、本徵或n
-摻雜層122、n摻雜層124以及p
+摻雜層。
在實施例中，半導體基體101可為連續半導體基體，諸如連續矽半導體基體。此處，光二極體100可形成於此連續半導體基體101中。因此，在實施例中，不需要絕緣體上矽(SOI)基體，如例如[3]中之情況。
在實施例中，自半導體基體101之表面105開始，兩個電極102及104可至少延伸至半導體基體101中達5 µm (例如，10 µm至20 µm，或10 µm至30 µm)之深度。
此處，兩個電極102及104可在兩個隔開的溝槽中形成於半導體基體101中。在用電極材料(例如，金屬化層或重度摻雜層)填充兩個溝槽之前，二極體層堆疊128的層120、層124以及層126可藉由用各別摻雜劑塗佈兩個溝槽的壁且使該等摻雜劑擴散來產生，從而產生圍繞圖7中所示的各別溝槽或電極102及電極104的層120、層124及層126的形狀。
出於幾何原因，場增強發生於填充有導電材料之溝槽中之一者(諸如形成圖7中之電極104 (陰極)的溝槽)的下端處，此舉降低該處之擊穿電壓。擊穿電壓可藉由防護結構130 (例如防護結構)顯著增大以使得其高於所要或所需的橫向擊穿電壓。
因此，在實施例中，防護結構130形成於兩個電極102及104中之至少一者下方，諸如形成於圖7中之電極104 (陰極)下方。
在實施例中，此防護結構130可藉由減小在溝槽之底端處的突崩區124及陰極104的摻雜劑濃度來產生。
或者，在實施例中，此防護結構130可藉由適當地增大溝槽之底端處的電極半徑來產生。此可例如藉由在溝槽蝕刻期間之球形延伸來達成。因此，可獨立於橫向擊穿電壓來調整此擊穿電壓。
在實施例中，防護結構130 (例如，在半導體基體之橫向方向上或平行於半導體基體之表面105)之橫向延伸可為對應溝槽或電極之橫向延伸(例如，直徑)的兩倍至五倍。
在實施例中，防護結構130的延伸可在橫向方向上及/或在深度方向上限於例如對應溝槽或電極的橫向延伸(例如直徑)的兩倍至五倍。
在實施例中，防護結構130可為球形、立方體形或長方體形，各自具有強圓化拐角。
若對應電極(例如，陰極)形成為(基本上)圓形棒或封閉旋轉對稱軌跡，則橫向防護結構為不必要的。舉例而言，對應電極(例如，陰極)可位於單元中心或作為單元之框架。
在下文中，參考圖8a至圖8c更詳細地描述用於產生具有在兩個電極中之至少一者下方的此類防護結構130之光二極體101的方法之實施例。此處，圖8a至圖8c展示光二極體101在其產生期間的不同中間產品。此處，作為實例展示球形防護結構130之產生。然而，以下描述亦可以對應方式適用於其他防護結構。
圖8a展示在產生光二極體100期間在形成二極體層堆疊之層124 (突崩層/突崩區)的步驟之後的光二極體之示意性橫截面圖。為此，首先提供半導體基體101，諸如矽半導體基體。第一氧化物層150沈積於半導體基體101之表面105上，且第一溝槽103_1形成於半導體基體101中，例如在半導體基體之深度方向上(例如，豎直於表面105)自半導體基體101之表面105開始，例如高達至少5 µm (例如，10 µm至20 µm，或10 µm至30 µm)之深度。此處，第一溝槽103_1可具有例如0.5 µm至2 µm之橫向延伸(例如，直徑)。隨後，第一溝槽103_1之壁可覆蓋有摻雜劑，諸如p摻雜劑，且層124 (突崩層/突崩區)可藉由使摻雜劑擴散而形成。此處，橫向擴散梯度獨立於深度。
圖8b展示在產生光二極體100期間在形成第一電極104 (例如陰極)以及第一電極104下方之防護結構130之步驟之後的光二極體之示意性橫截面圖。為此，例如藉由各向同性蝕刻(例如，各向同性球面蝕刻)在第一溝槽103_1之底端處蝕刻球形凹部131。視情況，先前可使第一溝槽103_1在深度方向上延伸，例如藉由各向異性蝕刻(例如，各向異性溝槽加深)。隨後，多晶矽層126，諸如n
+多晶矽層，可沈積於第一溝槽103_1及球形凹部131之壁上，其中離子(例如，n
+離子)自多晶矽層126擴散出至層124 (突崩層/突崩區)中及層124下方進入半導體基體101中。沈積於第一氧化物層150上之多晶矽層126之一部分可經結構化，以例如限制多晶矽層126在第一氧化物層150上之橫向延伸。可藉由沈積第二氧化物層152來填充/封閉第一溝槽130_1。此處，多晶矽層124可形成光二極體100之第一電極104 (例如，陰極)。
圖8c展示在產生光二極體100期間在產生二極體層堆疊之層120、第二電極102以及第一電極102與第二電極104之接觸之後的光二極體之示意性橫截面圖。為此，首先，第二溝槽103_2可形成於半導體基體101中，例如，在半導體基體之深度方向上(例如，豎直於表面105)自半導體基體101之表面105開始，例如高達至少5 µm (例如，10 µm至20 µm，或10 µm至30 µm)之深度。此處，第二溝槽103_2可具有例如0.5 µm至2 µm之橫向延伸(例如，直徑)。隨後，第二溝槽103_2之壁可覆蓋有摻雜劑(諸如，p型摻雜劑)，且二極體層堆疊之層120可藉由使摻雜劑擴散出而形成，其可為例如p
+摻雜層。此處，橫向擴散梯度獨立於深度。第二溝槽103_2可隨後用諸如鎢或p
+多晶矽之電極層156填充。沈積於第二氧化物層152上的電極層156之一部分可經結構化，以例如限制第二氧化物層152上的電極層156之橫向延伸。隨後，可沈積第三氧化物層154以封閉第二溝槽103_2。用於接觸各別電極層156及126的通孔可穿過各別氧化物層152、154形成，且金屬層160可經沈積以接觸各別電極層156及126。接著可結構化金屬層160以提供接觸端子(例如，接合端子) 162及164。
本發明之實施例允許產生深度為10 µm且顯著更大的正交突崩光二極體(APD)。在實施例中，擊穿電壓且因此APD增益獨立於深度。此藉由以下措施達成。首先，蝕刻溝槽，且接著用摻雜劑塗佈(例如，自氣相塗佈：CVD、磊晶、摻雜氧化物等)溝槽側壁。接著，摻雜劑橫向擴散以產生「突崩層」(由圖8a至圖8c中之參考符號124標記)。
儘管已在設備之上下文中描述一些態樣，但顯然，此等態樣亦表示對應方法之描述，以使得設備之區塊或裝置亦對應於各別方法步驟或方法步驟之特徵。類似地，在方法步驟之上下文中描述的態樣亦表示對應設備之對應區塊或細節或特徵的描述。方法步驟中之一些或全部可由諸如微處理器、可規劃電腦或電子電路之硬體設備(或使用硬體設備)執行。在一些實施例中，最重要方法步驟中之一些或若干者可由此設備執行。
上述實施例僅說明本發明之原理。應理解，對本文中所描述之配置及細節的修改及變化將對熟習此項技術者顯而易見。因此，本發明意欲僅受申請專利範圍之範疇限制且不受藉助於描述及解釋本文中之實施例而呈現的特定細節限制。
參考文獻
[1] S. M. Sze und M. K. Lee, Semiconductor Devices - Physics and Technology, 3. Edition Ed., John Wiley & Sons, 2012.
[2] S. M. Sze und Kwok K. Ng, Physics of Semiconductor Devices, John Wiley & Sons, 2007, pp. 102 - 114, 691.
[3] US 2014/0312449 A1
10,100:光二極體
12:陽極
14:陰極
16,110:電場
18,106:光子進入區域
20,108:光子
22,130:防護結構
101:半導體基體
102,104:電極
103:凹部
103_1:第一溝槽
103_2:第二溝槽
105:表面
112:吸收體積
120,122,124,126:層
128:二極體層結構
129:防護層
130_1:第一層
130_2:第二層
131:球形凹部
140,142,144:摻雜區
146,148:觸點
150:第一氧化物層
152:第二氧化物層
154:第三氧化物層
156:電極層
160:金屬層
162,164:接觸端子
200:方法
202,204,206:步驟
下文將參考附圖更詳細地論述本發明之實施例。諸圖展示：
圖1a以橫截面展示突崩光二極體之基本結構的示意圖，在此具有豎直摻雜劑剖面進程n
+-p-i-p
+[1]，
圖1b在圖中展示標繪在穿過圖1a中所示的突崩光二極體(APD)之中心中的作用區之豎直區段上的摻雜劑、吸收、電場及導體帶的進程[2]，
圖2a展示根據本發明之一實施例之光二極體的示意性橫截面圖，
圖2b展示根據本發明之一實施例的光二極體之示意性橫截面圖，
圖3a展示習知突崩光二極體之示意性橫截面圖，
圖3b展示根據本發明之一實施例的突崩光二極體之示意性橫截面圖，
圖4展示根據本發明之一實施例的用於產生光二極體之方法的流程圖，
圖5a展示在產生光二極體期間在提供半導體基體之步驟之後的光二極體之示意性橫截面圖，
圖5b展示在產生光二極體期間在於半導體基體中形成至少兩個隔開的凹部之步驟之後的光二極體之示意圖，
圖5c展示在產生光二極體期間在於至少兩個凹部之間摻雜半導體基體之步驟之後的光二極體之示意性橫截面圖，
圖5d展示在產生光二極體期間在於至少兩個凹部中提供至少兩個電極之步驟之後的光二極體之示意性橫截面圖，
圖6a展示在產生光二極體期間在提供半導體基體及在半導體基體之表面上生長第一層之步驟之後的光二極體之示意性橫截面圖，
圖6b展示在產生光二極體期間在第一層之局部摻雜步驟之後的光二極體之示意性橫截面圖，
圖6c展示在產生光二極體期間在於第一層上生長第二層之步驟之後的光二極體之示意性橫截面圖，
圖6d展示在產生光二極體期間在第二層之局部摻雜步驟之後的光二極體之示意性橫截面圖，且
圖6e展示在產生光二極體期間在若干層已生長於半導體基體上且觸點已提供於摻雜區域上之後的光二極體之示意性橫截面圖。
圖7展示根據本發明之另一實施例的光二極體之示意性橫截面圖，
圖8a展示在產生光二極體期間在形成光二極體之二極體層堆疊之突崩層的步驟之後的光二極體之示意性橫截面圖，
圖8b展示在產生光二極體期間在形成第一電極(例如陰極)以及第一電極下方之防護結構之步驟之後的光二極體之示意性橫截面圖，及
圖8c展示在產生光二極體期間在產生二極體層堆疊之另一層、第二電極及第一電極與第二電極之接觸之後的光二極體之示意性橫截面圖。
100:光二極體
101:半導體基體
102,104:電極
105:表面
106:光子進入區域
108:光子
110:電場
112:吸收體積
Claims (8)
- 一種用於生產光二極體(100)之方法(200)，該方法(200)包含：提供(202)一半導體基體(101)，在該半導體基體(101)中或上提供(204)至少兩個電極(102、104)，其中，自該光二極體(100)之一半導體基體(101)之一表面(105)開始，該等兩個電極(102、104)在該半導體基體(101)之深度方向上基本上正交於該表面(105)而延伸，在該等至少兩個電極(102、104)之間提供(206)一個二極體層堆疊(128)，其中該二極體層堆疊(128)之多個層(120、122、124、126)基本上正交於該半導體基體(101)之一表面(105)而延行，在該半導體基體(101)中，于該等至少兩個電極(102、104)中之至少一者下方形成至少一個防護結構(130)，其中該等至少兩個電極(102、104)、該防護結構(130)及該二極體層堆疊係藉由以下操作提供於該半導體基體(101)中：自該半導體基體(101)之該表面(105)開始，在該半導體基體(101)中形成至少兩個隔開的凹部(103)，在該等至少兩個電極(102、104)中之一者下方形成一防護結構凹部(131)，自該等至少兩個凹部開始且部分地自該防護結構凹部(131)開始，在該等至少兩個凹部(103)之間摻雜該半導體基體(101)，以在該等至少兩個凹部(103)之間獲得該防護結構(130)及該二極體層堆疊(128)，其中該二極體層堆疊(128)之多個層基本上正交於該半導體基體(101)之該表面(105)而延行，在該等至少兩個凹部(103)中提供該等至少兩個電極(102、104)。
- 如請求項1之方法(200)，其中該等至少兩個凹部(103)係藉由蝕刻或藉由使該半導體基體(101)局部氧化且隨後移除氧化物或藉由選擇性沈積生長來形成。
- 如請求項1之方法(200)，其中該半導體基體(101)係藉著藉由化學氣相沈積用一含摻雜劑層塗佈或藉著自氣相進行之摻雜來摻雜。
- 如請求項1之方法(200)，其中該等至少兩個電極(102、104)及該二極體層堆疊(128)藉由以下操作提供於該半導體基體(101)上：該等至少兩個電極(102、104)之逐層生長，及該二極體層堆疊(128)之逐層生長及局部摻雜。
- 如請求項3之方法(200)，其中該二極體層堆疊(128)係藉由結合光微影之離子植入來摻雜。
- 如請求項1之方法(200)，其中該二極體層堆疊(128)包含以下層：一p+摻雜層，一本徵或一p-摻雜層，一p摻雜層，及一n+摻雜層；或其中該二極體層堆疊(128)包含以下層：一n+摻雜層，一本徵或一n-摻雜層，一n摻雜層，及一p+摻雜層。
- 如請求項1之方法(200)，其中該等至少兩個電極(102、104)係藉由提供及將一金屬化層及/或重度摻雜層予以結構化來形成。
- 如請求項1之方法(200)，其中該光二極體(100)為一突崩光二極體或一光電子倍增器。
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