110的晶面對(duì)準(zhǔn)）。
[0028] 襯底105可以是本領(lǐng)域已知的適合于形成1C的任何襯底，諸如但不限于半導(dǎo)體襯 底、絕緣體上半導(dǎo)體（SOI)襯底、絕緣體襯底（例如藍(lán)寶石）或類似物、和/或以上的組合。 在一個(gè)示例性實(shí)施例中，襯底105包括基本單晶的半導(dǎo)體，諸如但不限于硅。襯底層110可 以是大塊襯底的頂部部分，或SOI襯底的頂層。如圖1A和1C中進(jìn)一步示出，襯底層105和 器件層115被圖案化成細(xì)長的光波導(dǎo)，該光波導(dǎo)具有在縱向長度（例如，X維度）上基本恒 定的標(biāo)稱橫向?qū)挾萕(例如，y維度）。在示例性實(shí)施例中，器件層115例如通過倏逝波耦 合來光學(xué)地耦合至襯底層110,通過倏逝波耦合，沿著波導(dǎo)的縱向長度傳播的電磁輻射的模 式的多個(gè)部分在z維度上延伸超過襯底層110以進(jìn)入器件層115。通過器件層115和襯底 層110的寬度和z厚度的正確的尺寸設(shè)計(jì)，可使光學(xué)模式強(qiáng)度在器件層115之內(nèi)最高，如圖 1C中的虛線環(huán)177所示。一般地，寬度W是幾微米，也可以是亞微米，并且對(duì)于具有Ge器 件層115和硅襯底層110的一個(gè)示例性實(shí)施例，兩個(gè)層110、115的寬度W有利地在0.2與 0. 75 μπι之間。相似的范圍也適用于層110或?qū)?15的z高度，有利的Ge實(shí)施例具有小于 400nm的z厚度以改善器件層115的厚度上的場(chǎng)均勻性。如圖1B中所示，通過減小箭頭長 度并增大從電極對(duì)131、132起算的距離，肖特基結(jié)的淺本質(zhì)可導(dǎo)致朝著器件層110的減小 的場(chǎng)。有利地，器件層115的表面處最接近器件層110的場(chǎng)強(qiáng)至少足以使載流子漂移速度 飽和。
[0029] 仍參考圖1A，在器件工作期間，在金屬電極對(duì)131、132上施加的工作偏置Vs在相 鄰電極之間的間距S中產(chǎn)生電場(chǎng)。在所描繪的實(shí)施例中，所有電極對(duì)具有基本相同的尺寸， 并且電極對(duì)131、132的尺寸被設(shè)計(jì)成在圖案化器件層115的橫向?qū)挾萕的主要部分上延 伸。在特定實(shí)施例中，電極對(duì)131、132在寬度W的至少50 %上延伸，有利地在寬度W的至 少75%上延伸，更有利地在寬度W的至少90%上延伸。由于尺寸如此設(shè)計(jì)，間距S內(nèi)的電 場(chǎng)可在寬度W上基本均勻（即在寬度W的更大百分比上，場(chǎng)線170與寬度W基本正交，或與 圖案化器件層115的縱向長度基本平行）。在替代實(shí)施例中，電極對(duì)131、132接近點(diǎn)接觸， 具有不超過寬度W的25%的直徑。例如，這樣的點(diǎn)電極接觸可以順著器件層115的縱向長 度形成陣列。對(duì)于這樣的點(diǎn)接觸實(shí)施例，在最近的近鄰上施加的工作偏置導(dǎo)致在寬度W和 間距S二者上的不均勻電場(chǎng)，這會(huì)導(dǎo)致更低的響應(yīng)性和/或更慢的響應(yīng)時(shí)間，從而相對(duì)于圖 1A中描繪的示例性實(shí)施例限制了增益一帶寬積。
[0030] 在多個(gè)實(shí)施例中，相鄰的電極對(duì)分開充分小的間距S，使得器件層115內(nèi)的倍增區(qū) 提供雪崩增益，M，使得光電二極管結(jié)構(gòu)101作為APD工作。如本申請(qǐng)中使用，雪崩增益指 的是通過由足夠強(qiáng)的電場(chǎng)促動(dòng)的碰撞電離而倍增器件層115中的電荷載流子從而實(shí)現(xiàn)的 放大。倍增區(qū)170具有處于或高于臨界場(chǎng)強(qiáng)的場(chǎng)強(qiáng)，臨界場(chǎng)強(qiáng)觸發(fā)半導(dǎo)體器件層115中的 碰撞電離和電荷載流子的放大。所需的場(chǎng)強(qiáng)是半導(dǎo)體材料的函數(shù)，且容易根據(jù)文獻(xiàn)而確定。 實(shí)現(xiàn)足夠高場(chǎng)所需的工作偏置Vs是間距S的尺寸的函數(shù)，使得由于更小的間距S而需要更 低的偏置。在電場(chǎng)太強(qiáng)的情況下，帶一帶隧穿將不利地主導(dǎo)碰撞電離。因此，在多個(gè)實(shí)施例 中，工作偏置vs將使得倍增區(qū)域存在于間距S之內(nèi)。對(duì)于圖1A中描繪的示例性實(shí)施例，由 于均勻場(chǎng)，間距S之內(nèi)的倍增區(qū)域170在寬度W的至少大部分上延伸。在特定實(shí)施例中，在 電極對(duì)131、132在寬度W的至少50 %上延伸、有利地在寬度W的至少75 %上延伸、以及更有 利地在寬度W的至少90%上延伸的情況下，倍增區(qū)域有利地在寬度W的至少50%上延伸、 有利地在寬度W的至少75 %上延伸、以及更有利地在寬度W的至少90 %上延伸。
[0031] 在另外的實(shí)施例中，在所需工作偏置1下的電場(chǎng)在間距S的至少大部分上（有利 地在間距S的至少75%上、更有利地在間距S的至少90%上）高于碰撞電離的臨界場(chǎng)強(qiáng)。 如圖1Α中所示，倍增區(qū)域170在整個(gè)間距S上延伸。照此，該場(chǎng)綽綽有余以使整個(gè)間距S 上的載流子漂移速度飽和，從而確保在間距S內(nèi)產(chǎn)生的任何載流子達(dá)到飽和速度。臨界場(chǎng) 強(qiáng)是半導(dǎo)體器件層115的組成的函數(shù)，其中大塊半導(dǎo)體的值可從文獻(xiàn)中獲得（例如對(duì)于Ge 是~120keV/cm)。對(duì)于場(chǎng)在間距S的至少大部分上超過碰撞電離的臨界場(chǎng)強(qiáng)的某些實(shí)施 例，通過將縱向維度（例如圖1A中的X維度）中的倍增區(qū)域減薄至僅稍微大于與半導(dǎo)體材 料和場(chǎng)強(qiáng)相關(guān)聯(lián)的死區(qū)的距離（即不超過比死區(qū)大一個(gè)數(shù)量級(jí)），使由于在大塊狀態(tài)下具 有高krff的半導(dǎo)體材料中的倍增過程引起的噪聲減小。如本申請(qǐng)中使用，死區(qū)是新產(chǎn)生的 載流子在獲得足夠能量以導(dǎo)致碰撞電離之前在電場(chǎng)內(nèi)行進(jìn)的最小距離。
[0032] 與倍增過程相關(guān)聯(lián)的過度噪聲通常表示成：
[0034] 在該材料具有高krff的情況下，空穴碰撞電離態(tài)與電子碰撞電離態(tài)之比不利地對(duì) 稱，從而導(dǎo)致對(duì)于給定增益的更高的過度噪聲。雖然不受限于理論，但當(dāng)前認(rèn)為隨著倍增區(qū) 域變得更小，電離路徑長度概率分布有利地減小，這有效地提供對(duì)倍增過程的更多控制以 導(dǎo)致krff變得更小，并且還具有緩和增益水平的效果。可朝著死區(qū)的尺寸減小倍增區(qū)域170 的寬度，直到過度噪聲水平可忍受并且在工作偏置下增益得以保持（例如超過1)。照此，雖 然在寬度W上有高均勻電場(chǎng)，其在電極間距S的大部分（例如90-100% )上超過臨界場(chǎng)強(qiáng)， 但該間距足夠小以使倍增區(qū)域在縱向維度中足夠薄，使得所得的增益不超過10。在這些條 件下，實(shí)現(xiàn)高均勻場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)以及信號(hào)增益和減小krff的優(yōu)點(diǎn)，以共同改善增益一帶寬積。對(duì) 于器件層115是Ge的一個(gè)示例性實(shí)施例，電極間距S顯著小于100nm、可在20-80nm的范圍 內(nèi)、有利地在30-60nm的范圍內(nèi)、更有利地在40-50nm的范圍內(nèi)。對(duì)于示例性的Ge實(shí)施例， 對(duì)于特定的示例性電極間距范圍，用于實(shí)現(xiàn)本申請(qǐng)中別處描述的場(chǎng)強(qiáng)的相應(yīng)的工作偏置不 超過2. 5V，并且可以在1-2V范圍內(nèi)。
[0035] 在采用受益于更小的電極間距的結(jié)構(gòu)101并在高場(chǎng)條件下工作的情況下，進(jìn)一步 的實(shí)施例可采用鈍化材料來限制暗電流。即便在缺少電荷載流子的光生作用的情況下，暗 電流仍流動(dòng)，因此會(huì)不利地降低光電檢測(cè)器靈敏度。因此，不論電極間距S或該間距S內(nèi)的 電場(chǎng)的均勻性如何，對(duì)這樣的暗電流的控制都是有益的，不過暗電流的減少對(duì)于具有更小 電極間距S和在器件層115的大部分上均勻的高場(chǎng)的實(shí)施例更為重要。如圖1B中所示，電 介質(zhì)材料層112設(shè)置在器件層115與襯底層110之間。電介質(zhì)層112減少了器件層115與 襯底層110之間的漏電流，并且可以是任何常規(guī)的電介質(zhì)材料，諸如但不限于二氧化娃、氧 氮化硅、氮化硅以及Al203。雖然電介質(zhì)層112的z厚度可能因變于光波導(dǎo)設(shè)計(jì)而顯著不 同，但在一個(gè)實(shí)施例中它約為0. 1 μ m。電介質(zhì)材料層112設(shè)置在襯底105的被MSM電極占 據(jù)的區(qū)域的外圍或外部，而鈍化材料121通常設(shè)置在襯底105的被MSM電極占據(jù)的區(qū)域之 內(nèi)，并且更具體地設(shè)置在電極對(duì)131、132之間。鈍化材料121與表面115A接觸，并且也設(shè) 置在器件層115與襯底層110之間且與表面115B接觸。
[0036] 大致地，鈍化材料121至少在高場(chǎng)存在于器件層115之內(nèi)的區(qū)域中代替電介質(zhì)層 112。如下文更詳細(xì)描述，在電介質(zhì)層112上方形成器件層115的方式會(huì)引起器件層115與 電介質(zhì)112之間的界面質(zhì)量不佳，從而導(dǎo)致暗電流增大。例如，在通過快速熔融生長（RMG) 形成器件層115的一個(gè)實(shí)施例中，沿著結(jié)晶半導(dǎo)體表面的界面的表面態(tài)會(huì)具有非常高的缺 陷密度、陷阱位置以及中間能隙能態(tài)，這些會(huì)顯著貢獻(xiàn)暗電流。已經(jīng)查明，電介質(zhì)112的RMG 后去除和鈍化層121的形成有利地減少暗電流。照此，本申請(qǐng)中的某些實(shí)施例采用設(shè)置在 器件層與襯底層之間且在被器件層的外圍部分占據(jù)的第一襯底區(qū)域之內(nèi)的電介質(zhì)材料層， 以及設(shè)置在器件層與襯底層之間且在被器件層的中央部分（其中存在顯著電場(chǎng)）占據(jù)的第 二襯底區(qū)域之內(nèi)的鈍化材料。
[0037] 在某些有利實(shí)施例中，鈍化材料121在該結(jié)構(gòu)的有源或高場(chǎng)區(qū)域之內(nèi)且完全圍繞 在器件層115周圍（例如沿著存在電極對(duì)13U132的縱向長度）。如圖1C中所示，鈍化材 料121進(jìn)一步與側(cè)壁表面11?接觸，以完全包住器件層115的未被電極或其它電介質(zhì)材料 (例如電介質(zhì)112)占據(jù)的所有表面。鈍化材料121的厚度可以不同。在有利實(shí)施例中，鈍 化材料121或包括鈍化材料121和ILD 145的電介質(zhì)膜疊層具有足夠厚度以完全填充在器 件層115與襯底層110之間形成的任何空隙，以確保二者之間的良好模式耦合。
[0038] 在示例性實(shí)施例中，鈍化材料121具有與電介質(zhì)層112不同的組成。然而，由于電 介質(zhì)的去除和重新形成可能會(huì)導(dǎo)致暗電流的增加，所以鈍化材料121與電介質(zhì)材料112具 有相同組成的實(shí)施例也是可能的。即便在鈍化材料121的組成與電介質(zhì)層112的組成相同 的情況下，二者之間的結(jié)構(gòu)區(qū)分仍然可以是明顯的。例如，鈍化材料121可以是多層電介質(zhì) 疊層，而電介質(zhì)層112則不是多層電介質(zhì)疊層，反之亦然。在其它實(shí)施例中，鈍化材料121 可具有與電介質(zhì)層112不同的z厚度。在其它實(shí)施例中，通過鈍化材料121與電介質(zhì)材料 112或與器件層115的界面（例如在SEM/STM圖像中可見的原子尺度下）、或通過不同質(zhì) 的其它指示（例如通過膜蝕刻速率呈現(xiàn)的不同應(yīng)力水平等等），鈍化材料121可以是明顯 的。鈍化材料121的組成可廣泛地不同，因?yàn)榇嬖谠S多選項(xiàng)，其范圍包括常規(guī)的基于硅的電 介質(zhì)（例如Si02、Si3N4、SiOxN y)和無機(jī)聚合物電介質(zhì)（例如HSQ、MSQ)、有機(jī)聚合物電介質(zhì) (例如苯并環(huán)丁烯）、非原生金屬氧化物（例如Hf〇2, Zr02, Ti02, A1203及其混合物）、以及寬 帶隙半導(dǎo)體材料（例如SiC、SiGe、SiGeC)。然而，在器件層115是Ge的特定實(shí)施例中，鈍 化材料121有利地包括與器件層115的表面直接接觸的基于Ge的化合物。
[0039] 基于Ge的鈍化材料的示例性形式包括氧化鍺（諸如GeO和Ge02)。由于注意到這 樣的氧化物會(huì)不穩(wěn)定且因此難以制造，故基于Ge的鈍化材料可替代地或附加地包括例如 Ge3N4或GeO xNy形式的氮化物。在另一實(shí)施例中，基于Ge的鈍化材料是硫?qū)伲欣乜梢允?與器件層