本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電探測(cè)器領(lǐng)域，具體涉及一種橫向結(jié)構(gòu)鍺/硅異質(zhì)結(jié)雪崩光電探測(cè)器及其制備方法。

背景技術(shù)：

雪崩光電探測(cè)器是一種具有光響應(yīng)倍增功能的光電探測(cè)器，特別適用于對(duì)微弱光信號(hào)的探測(cè)。其基本原理是光被探測(cè)器吸收而產(chǎn)生光生載流子，在電場(chǎng)作用下，電子和空穴獲得能量而加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度足夠強(qiáng)時(shí)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)中的碰撞離化實(shí)現(xiàn)電子和空穴的倍增，經(jīng)過(guò)倍增的電子和空穴被電極收集，從而獲得經(jīng)過(guò)倍增而放大的響應(yīng)電流。雖然獲得了光生電流的倍增，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生很大的倍增過(guò)剩噪聲，影響信號(hào)質(zhì)量。該噪聲與半導(dǎo)體倍增材料的電子/空穴離化率比相關(guān)，離化率比越小，噪聲電可以越小。半導(dǎo)體材料中，硅的離化率比最小，是最好的倍增材料。然而，由于硅的帶隙限制，其不能對(duì)光通信和光互連主要應(yīng)用波段1310nm和1550nm的光進(jìn)行探測(cè)，而鍺對(duì)于1310nm和1550nm的光有很好的響應(yīng)吸收，而且與硅同屬四族半導(dǎo)體材料，其工藝與硅cmos工藝能很好地兼容。所以人們提出了鍺/硅異質(zhì)結(jié)雪崩光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)，一方面利用鍺的通信波段良好的光吸收特性，同時(shí)利用硅的良好的雪崩倍增特性，實(shí)現(xiàn)了高性能的吸收區(qū)與倍增區(qū)分離的鍺/硅雪崩光電探測(cè)器。

然而這種雪崩光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是對(duì)于摻雜的控制要求很高，制備難度比較大。因此本領(lǐng)域亟需一種工藝簡(jiǎn)單可行、重復(fù)一致性好的鍺/硅異質(zhì)結(jié)雪崩光電探測(cè)器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種橫向結(jié)構(gòu)的鍺/硅異質(zhì)結(jié)雪崩光電探測(cè)器，該雪崩光電探測(cè)器的電學(xué)結(jié)構(gòu)都制備在硅上，而且只需要在歐姆接觸區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s，而鍺層外延生長(zhǎng)在未摻雜的硅平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)與硅層的電學(xué)連接。

(二)技術(shù)方案

一種橫向結(jié)構(gòu)鍺/硅異質(zhì)結(jié)雪崩光電探測(cè)器，其具有雙臺(tái)面結(jié)構(gòu)，包括：襯底、埋層氧化硅、硅臺(tái)面區(qū)、硅空間區(qū)、硅接觸區(qū)、電極和鍺外延層；

埋層氧化硅形成于硅襯底上，

硅臺(tái)面區(qū)形成于埋層氧化硅上，

硅空間區(qū)形成于硅臺(tái)面區(qū)兩側(cè)的埋層氧化硅上，

硅接觸區(qū)形成于硅空間區(qū)外側(cè)的埋層氧化硅上，

鍺外延層形成于硅臺(tái)面區(qū)上，

電極與硅接觸區(qū)歐姆接觸。

上述方案中，

所述硅空間區(qū)包括第一硅空間區(qū)和第二硅空間區(qū)，第一硅空間區(qū)和第二硅空間區(qū)分別形成于硅臺(tái)面區(qū)兩側(cè)的埋層氧化硅上；

所述硅接觸區(qū)包括硅p+接觸區(qū)和硅n+接觸區(qū)，硅p+接觸區(qū)形成于第一硅空間區(qū)外側(cè)的埋層氧化硅上，硅n+接觸區(qū)形成于第二硅空間區(qū)外側(cè)的埋層氧化硅上；

所述電極包括正電極和負(fù)電極，正電極形成在硅p+接觸區(qū)上，與硅p+接觸區(qū)歐姆接觸，負(fù)電極形成在硅n+接觸區(qū)上，與硅n+接觸區(qū)歐姆接觸。

上述方案中，

所述第一硅空間區(qū)和第二硅空間區(qū)的高度低于硅臺(tái)面區(qū)；

所述鍺外延層的面積小于硅臺(tái)面區(qū)；

硅臺(tái)面區(qū)和鍺外延層形成雙臺(tái)面結(jié)構(gòu)。

上述方案中，所述硅p+接觸區(qū)和硅n+接觸區(qū)是通過(guò)離子注入或者雜質(zhì)擴(kuò)散的方法對(duì)硅進(jìn)行摻雜而形成的。

上述方案中，

所述硅p+接觸區(qū)是由硼離子注入或氟化硼離子注入形成；

所述硅n+接觸區(qū)是由磷離子注入或砷離子注入形成。

上述方案中，還包括表面鈍化層，除正電極和負(fù)電極外，其表面被表面鈍化層所覆蓋。

上述方案中，所述表面鈍化層是氧化硅、氮化硅、氮化鋁中的一種或多種。

上述方案中，所述硅臺(tái)面區(qū)為本征硅或n型低摻雜或p型低摻雜。

上述方案中，電極被施加偏壓后，鍺外延層形成的電場(chǎng)分布和硅臺(tái)面區(qū)與硅空間區(qū)形成的電場(chǎng)分布強(qiáng)度不同，鍺外延層實(shí)現(xiàn)光吸收，雪崩倍增過(guò)程在硅臺(tái)面區(qū)和硅空間區(qū)中完成。

一種橫向結(jié)構(gòu)鍺/硅異質(zhì)結(jié)雪崩光電探測(cè)器的制備方法，包括以下步驟：

對(duì)soi材料進(jìn)行刻蝕，形成硅臺(tái)面區(qū)，并在硅臺(tái)面區(qū)兩側(cè)形成硅空間區(qū)和離子注入?yún)^(qū)；

分別對(duì)離子注入?yún)^(qū)進(jìn)行離子注入，形成硅接觸區(qū)；

在硅臺(tái)面區(qū)、硅空間區(qū)和硅接觸區(qū)表面形成氧化硅層，并刻蝕硅臺(tái)面區(qū)上方的氧化硅層露出鍺外延區(qū)；

在露出的鍺外延區(qū)外延生長(zhǎng)鍺外延層；

腐蝕氧化硅層，并在硅臺(tái)面區(qū)、硅空間區(qū)、硅接觸區(qū)和鍺外延層表面沉積鈍化層，并刻蝕鈍化層，在硅接觸區(qū)上方形成接觸孔；

沉積金屬層，并刻蝕金屬層在接觸孔中形成電極。

(三)有益效果

本發(fā)明提供的一種橫向結(jié)構(gòu)鍺/硅異質(zhì)結(jié)雪崩光電探測(cè)器，

(1)雪崩光電探測(cè)器中的電場(chǎng)分布合理，電子和空穴在鍺中不發(fā)生倍增，而在硅中發(fā)生倍增，實(shí)現(xiàn)吸收區(qū)與倍增區(qū)的分離，充分利用鍺和硅各自優(yōu)勢(shì)，可以滿足對(duì)1310nm和1550nm波段微弱光的低噪聲探測(cè)需求，提高器件的噪聲特性；

(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制備容易，除鍺外延以外的工藝均是cmos工藝，制備工藝與cmos工藝具有很好的兼容性，穩(wěn)定性、一致性好。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明專利實(shí)施例提供的一種橫向結(jié)構(gòu)鍺/硅異質(zhì)結(jié)雪崩光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明專利實(shí)施例提供的一種橫向結(jié)構(gòu)鍺/硅異質(zhì)結(jié)雪崩光電探測(cè)器制備方法流程圖；

圖3是本發(fā)明專利實(shí)施例提供的一種橫向結(jié)構(gòu)鍺/硅異質(zhì)結(jié)雪崩光電探測(cè)器制備方法的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1如圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種橫向結(jié)構(gòu)鍺/硅異質(zhì)結(jié)雪崩光電探測(cè)器，包括：正電極11、負(fù)電極12、硅p⁺接觸區(qū)210、硅n⁺接觸區(qū)220、硅臺(tái)面區(qū)23，第一硅空間區(qū)24、第二硅空間區(qū)25、鍺外延層31、表面鈍化層43、埋層氧化硅41和硅襯底26。

硅襯底26和埋層氧化硅41采用soi材料，埋層氧化硅41形成于硅襯底26上。硅臺(tái)面區(qū)23形成于埋層氧化硅41上，通過(guò)腐蝕埋層氧化硅41上的表面器件硅層而形成。

第一硅空間區(qū)24和第二硅空間區(qū)25分別形成于硅臺(tái)面區(qū)23兩側(cè)的埋層氧化硅41上，且高度低于硅臺(tái)面區(qū)23。硅p⁺接觸區(qū)210形成于第一硅空間區(qū)24外側(cè)的埋層氧化硅41上，硅n⁺接觸區(qū)220形成于第二硅空間區(qū)25外側(cè)的埋層氧化硅41上，硅p⁺接觸區(qū)210和硅n⁺接觸區(qū)220通過(guò)離子注入或者雜質(zhì)擴(kuò)散對(duì)表面器件硅層進(jìn)行摻雜而形成，其在離硅臺(tái)面區(qū)23兩側(cè)壁一定距離。p⁺接觸區(qū)210與硅臺(tái)面區(qū)23之間的為第一硅空間區(qū)24，硅n⁺接觸區(qū)220與硅臺(tái)面區(qū)23之間為第二硅空間區(qū)25。

鍺外延層31形成于硅臺(tái)面區(qū)23上，鍺外延層31的面積小于硅臺(tái)面區(qū)23，從而形成雙臺(tái)面結(jié)構(gòu)。鍺外延層31、硅臺(tái)面區(qū)23和第一硅空間區(qū)24、第二硅空間區(qū)25形成雙臺(tái)面結(jié)構(gòu)，鍺外延層31為一個(gè)臺(tái)面，即鍺臺(tái)面；硅臺(tái)面區(qū)23為另一個(gè)臺(tái)面，即硅臺(tái)面，這兩個(gè)臺(tái)面不完全重合，形成雙臺(tái)面結(jié)構(gòu)。

正電極11形成在硅p⁺接觸區(qū)210上，與硅p⁺接觸區(qū)210歐姆接觸，負(fù)電極12形成在硅n⁺接觸區(qū)220上，與硅n⁺接觸區(qū)220歐姆接觸。除正、負(fù)電極外，硅臺(tái)面區(qū)23、第一硅空間區(qū)24、第二硅空間區(qū)25、硅p⁺接觸區(qū)210和硅n⁺接觸區(qū)220均被表面鈍化層43所覆蓋。

本實(shí)施例的雪崩光電探測(cè)器，其電學(xué)結(jié)構(gòu)都制備在埋層氧化硅41上，電學(xué)結(jié)構(gòu)包括正負(fù)電極、硅p⁺接觸區(qū)和硅n⁺接觸區(qū)，而且本發(fā)明只需要在歐姆接觸區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s，而鍺外延層生長(zhǎng)在未摻雜的硅臺(tái)面區(qū)23上，實(shí)現(xiàn)與器件中硅層的電學(xué)連接，施加在兩個(gè)電極上的偏壓使光吸收層和硅層中形成強(qiáng)度不同的電場(chǎng)分布，光吸收在鍺外延層中實(shí)現(xiàn)而雪崩倍增過(guò)程在硅層中實(shí)現(xiàn)，其中光吸收層為鍺外延層，硅層包括硅臺(tái)面區(qū)和硅空間區(qū)。

硅臺(tái)面區(qū)和兩個(gè)硅空間區(qū)均為表面器件硅層，并沒(méi)有對(duì)硅臺(tái)面區(qū)和硅空間區(qū)進(jìn)行額外的摻雜，因此摻雜相同，它們的摻雜狀態(tài)是由表面器件硅層本身的摻雜狀態(tài)所決定。

鍺臺(tái)面可以是平面也可以是非平面，鍺外延層可以位于硅臺(tái)面的中心，也可以偏離中心位置。

硅臺(tái)面區(qū)可以為本征硅，或n型低摻雜，摻雜濃度小于2×10¹⁷cm^-3，或p型低摻雜，摻雜濃度小于2×10¹⁷cm^-3。

兩個(gè)硅空間區(qū)的寬度可以相同，也可以不同，兩個(gè)硅空間區(qū)的高度可以相同，也可以不同。

表面鈍化層可以是氧化硅、氮化硅或者氮化鋁，也可以它們組成的多層膜結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例2

圖2本發(fā)明專利實(shí)施例提供的一種橫向結(jié)構(gòu)鍺/硅異質(zhì)結(jié)雪崩光電探測(cè)器制備方法的步驟流程圖，圖3給出了器件制備過(guò)程中的結(jié)構(gòu)示意圖，與下面的實(shí)施步驟相對(duì)應(yīng)。下面結(jié)合圖2和圖3介紹器件的制備方法：

步驟s1：對(duì)soi材料進(jìn)行刻蝕，形成硅臺(tái)面區(qū)、并在硅臺(tái)面區(qū)兩側(cè)形成硅空間區(qū)和離子注入?yún)^(qū)。

如圖3(a)所示，制備從soi材料開始，soi材料具有三層結(jié)構(gòu)，包括層疊的襯底26、埋層氧化硅41以及埋層氧化硅41上面的表面器件硅層。

首先，通過(guò)有機(jī)和無(wú)機(jī)溶劑的對(duì)soi材料進(jìn)行清洗處理。若soi材料具有良好的潔凈包裝，也可以不經(jīng)過(guò)清潔處理，直接用于制備。

然后，如圖3(b)所示，對(duì)soi材料進(jìn)行光刻和刻蝕，形成硅臺(tái)面區(qū)、硅空間區(qū)和離子注入?yún)^(qū)。對(duì)soi材料進(jìn)行光刻，將硅臺(tái)面圖形轉(zhuǎn)移到表面器件硅層，利用光刻膠為掩膜，采用干法刻蝕或者濕法刻蝕刻蝕表面器件硅層，形成硅臺(tái)面區(qū)以及硅空間區(qū)和離子注入?yún)^(qū)。

硅臺(tái)面區(qū)兩側(cè)不要腐蝕到埋層氧化硅41，硅臺(tái)面區(qū)兩側(cè)的表面器件硅層區(qū)域留有適當(dāng)厚度，作為硅空間區(qū)和離子注入?yún)^(qū)。

硅臺(tái)面區(qū)的一側(cè)為第一硅空間區(qū)24和p⁺型離子注入?yún)^(qū)21，硅臺(tái)面區(qū)的另一側(cè)為第二硅空間區(qū)25和n⁺型離子注入?yún)^(qū)22，p⁺型離子注入?yún)^(qū)21和n⁺型離子注入?yún)^(qū)22分別位于硅臺(tái)面區(qū)兩側(cè)的邊緣區(qū)域，第一硅空間區(qū)24為p⁺型離子注入?yún)^(qū)21與硅臺(tái)面區(qū)23之間的區(qū)域，第二硅空間區(qū)25為n⁺型離子注入?yún)^(qū)22與硅臺(tái)面區(qū)23之間的區(qū)域。

步驟s2：分別對(duì)離子注入?yún)^(qū)進(jìn)行離子注入，形成硅接觸區(qū)。

如圖3(c)所示，首先，以光刻膠為掩膜對(duì)p+型離子注入?yún)^(qū)21進(jìn)行硼離子注入，形成硅p+接觸區(qū)210；硼離子注入也可以用氟化硼離子注入代替。光刻膠要求足夠厚，以免在有光刻膠保護(hù)的地方，離子穿過(guò)光刻膠，注入到表面器件硅層。

如圖3(d)所示，其次，以光刻膠為掩膜對(duì)n+型離子注入?yún)^(qū)22進(jìn)行磷離子注入，形成硅n+接觸區(qū)220；也可以用砷離子注入代替磷離子注入。

然后，p+型離子注入和n+型離子注入后，進(jìn)行退火處理。離子注入會(huì)對(duì)注入?yún)^(qū)的硅晶格結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的損傷，注入的離子也處于混亂的位置，通過(guò)適當(dāng)溫度的退火處理，可以使硅晶體質(zhì)量得到恢復(fù)，同時(shí)盡量使得注入的離子處于晶格替代位置，使之具有摻雜活性，在材料中提供大量電子或者空穴，形成有效的摻雜。

步驟s3：在硅臺(tái)面區(qū)、硅空間區(qū)和硅接觸區(qū)表面形成氧化硅層，并刻蝕硅臺(tái)面區(qū)上方的氧化硅層露出鍺外延區(qū)。

首先，如圖3(e)所示，在硅臺(tái)面區(qū)、硅空間區(qū)和硅接觸區(qū)表面形成氧化硅層42。

然后，光刻并刻蝕硅臺(tái)面區(qū)上方的氧化硅層42，露出鍺外延區(qū)。

氧化硅層可以采用pecvd、電子束蒸發(fā)、濺射等方法制備?？涛g氧化硅可以采用干法或濕法刻蝕。優(yōu)選濕法刻蝕，或者先進(jìn)行干法刻蝕，當(dāng)只留有較薄的氧化硅時(shí)停止干法刻蝕，改用濕法刻蝕，直到刻蝕區(qū)露出硅臺(tái)面區(qū)。

步驟s4：在露出的鍺外延區(qū)外延生長(zhǎng)鍺外延層。

如圖3(f)所示，采用化學(xué)氣相淀積方法，在露出的鍺外延區(qū)外延生長(zhǎng)出鍺外延層31。

鍺外延層31作為光吸收層，其質(zhì)量對(duì)于探測(cè)器性能的影響很大。采用化學(xué)氣相沉淀方法可以在硅臺(tái)面區(qū)上外延生長(zhǎng)出高質(zhì)量的鍺材料，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)選區(qū)外延，就是在露出硅臺(tái)面區(qū)的區(qū)域，會(huì)外延生長(zhǎng)鍺材料，而在硅臺(tái)面區(qū)的被氧化硅覆蓋區(qū)域，鍺不會(huì)沉積，這為制備提供了很大的方便。

步驟s5：腐蝕氧化硅層，并在硅臺(tái)面區(qū)、硅空間區(qū)、硅接觸區(qū)和鍺外延層表面沉積鈍化層，并刻蝕鈍化層，在硅接觸區(qū)上方形成接觸孔。

首先，如圖3(g)所示，腐蝕掉氧化硅層，并重新淀積氧化硅層作為表面鈍化層43。在沉積前，要對(duì)表面進(jìn)行嚴(yán)格的清潔處理，盡量減小表面沾污，優(yōu)化鈍化效果。

其次，如圖3(h)所示，光刻并刻蝕鈍化層，在硅p+接觸區(qū)21和硅n+接觸區(qū)22上形成接觸孔?？涛g鈍化層時(shí)要采取過(guò)刻蝕，刻蝕區(qū)的氧化硅刻蝕干凈，露出硅p+接觸區(qū)21和硅n+接觸區(qū)22，使后續(xù)電極制備時(shí)，電極能與p+接觸區(qū)21和硅n+接觸區(qū)22形成良好的歐姆接觸。

步驟s6：沉積金屬層，并刻蝕金屬層在接觸孔中形成電極。

首先，如圖3(i)所示，沉積金屬層，并光刻和刻蝕，留下接觸孔中的電極，將其它區(qū)域的金屬腐蝕掉，形成與硅p+接觸區(qū)21接觸的正電極11和與硅n+接觸區(qū)22接觸的負(fù)電極12。

其次，進(jìn)行熱退火處理，使電極與其下面與之接觸的硅接觸區(qū)形成良好的歐姆接觸。

以上只是依據(jù)本發(fā)明專利的器件介紹了實(shí)施的一個(gè)例子，在實(shí)際的制備過(guò)程中，一些工藝是完全可以替換成為其它的工藝手段來(lái)實(shí)現(xiàn)的，工藝流程也可以根據(jù)實(shí)際情況而有所調(diào)整。從以上的介紹可以看出本發(fā)明的一種橫向結(jié)構(gòu)鍺/硅異質(zhì)結(jié)雪崩光電探測(cè)器，器件工藝制備非常簡(jiǎn)單，硅臺(tái)面區(qū)23、硅空間區(qū)24和硅空間區(qū)25都直接來(lái)源于soi的表面硅器件層，制備中不需要對(duì)它們進(jìn)行摻雜等工藝。在加反偏壓下，雪崩光電探測(cè)器中的電場(chǎng)分布合理，使得當(dāng)雪崩光電探測(cè)器在一定的反向偏壓下，載流子在硅中的某些區(qū)域發(fā)生雪崩倍增，而在鍺中有足夠的電場(chǎng)使載流子快速移動(dòng)但又不會(huì)發(fā)生雪崩倍增，從而達(dá)到吸收區(qū)與倍增區(qū)分離的要求。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。