半导体光电探测器、半导体集成电路以及它们的制造方法技术

本发明专利技术专注于与Ｓｉ　　ＣＭＯＳ技术兼容的高速、高效率光电探测器的制造问题。该结构包括薄ＳＯＩ衬底上的Ｇｅ吸收层，并利用了隔离区域，交替ｎ型和ｐ型接触，以及低电阻表面电极。该器件通过利用掩埋绝缘层以隔离在下面的衬底中产生的载流子获得高带宽，通过利用Ｇｅ吸收层在宽谱上获得高量子效率，通过利用薄吸收层和窄电极间距获得低电压操作，并且通过其平面结构和Ⅳ族吸收材料的使用与ＣＭＯＳ器件兼容。用于制造光电探测器的方法使用在薄ＳＯＩ或外延氧化物上直接生长Ｇｅ，并且随后热退火以获得高质量吸收层。此方法限制了相互扩散的Ｓｉ的量，从而允许退火Ｇｅ层而不会由下面的Ｓｉ引起Ｇｅ层的显著稀释。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及半导体和光电探测器，更具体地说涉及绝缘体上锗光电探测器及其制造方法。
技术介绍
在半导体工业中，高速、高效光电探测器的制造中存在一个问题，即与常规Si互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的兼容问题。因此，人们在尝试解决此问题上进行了许多研究和努力。一种解决办法是如M.Yang等人的IEEE Elect.Dev.Lett，vol.23，P.395(2002)和Crow等人的美国专利No.6,177,289的横向沟槽探测器。此探测器使用Si中的深沟槽以收集在衬底深处吸收的光。尽管此器件容易与CMOS集成，但是由于其高电容引起的RC延迟，在高速的获得上存在问题，这同样限制了其收集在比沟槽深度更深的地方产生的载流子的能力。如使用掩埋pn结(Q.Ouyang等人的Device Research Conference，(2003))或掩埋绝缘层(M.Yang等人的IEDM Tech.Digest，P.547，2001)的新方法可以在一定程度上改善后一问题，但是因为叉指(finger)的深度(几微米)，这些新方法不容易与标准的CMOS工艺集成。另一个解决办法是在通过从纯Si到纯Ge渐变SiGe中的Ge含量生长的弛豫Ge层上制造横向或垂直p-i-n探测器。参见，例如J.Oh，IEEEJ.Quantum Electron.，vol.38，1238(2002)，和S.B.Samavedam等人的Appl.Phys.Lett.，vol.73，2125(1998)。此技术的优点是Ge具有比Si更高的吸收，特别是在850nm处，并且因此不再需要深沟槽，使得可以制造低电容探测器。Ge还具有比Si更高的电子和空穴迁移率，使得光生载流子的收集更快。渐变缓冲层还允许在最终的Ge层中获得低缺陷密度。然而，此技术的问题是需要很厚的层(在大于1μm的量级)以减小位错密度并还确保所有的光汇集在顶部Ge层中。这会导致带宽减小，因为在衬底深处产生的载流子到达电极的距离更长。厚层还会引起集成问题，因为对于工艺，厚层通常产生非平面表面。预期的另一种解决办法是使用直接在Si衬底上生长的Ge制造垂直或横向p-i-n探测器。参见，例如L.Colace等人的IEEE J.QuantumElectron.，vol.35，1843(1999)。此技术的优点是不需要厚的渐变层，因为Ge直接在体Si衬底上生长。从而，对长波长(λ＞1.1μm)，吸收层受限于Ge层，允许快载流子收集。然而，此技术的问题是对于短波长光(例如，850nm)，还会在下面的Si层中产生载流子，大大降低了探测器的速度。此外，直接在Si上生长Ge具有高的缺陷密度，并且需要选区生长或高温退火以减少位错密度。参见，例如，H.S.Luan等人的Appl.Phys.Lett.，vol.75，2909(1999)和Luan等人的美国专利No.6,635,110。退火是主要问题，因为它可以导致明显的Si向Ge层中的扩散，这大大减小了吸收。对于薄Ge层相互扩散是独特问题，因为Si可以扩散穿过整个Ge层。仍有另一种解决办法是制造如在J.D.Schaub等人的IEEE Phot.Tech.Lett.，vol.11，1647(1999)中描述的谐振腔探测器。此早先的探测器利用在吸收区域的顶部和底部上的镜面以增加响应度而仍能得到高速。在此情况下，吸收材料仍旧可以是Si。然而，此技术存在的问题是它仅在谐振波长附近具有高吸收，这可以是一个明显的窄峰。因此，需要精确调整入射波长和腔尺寸。而且，底部镜面的制造和在此镜面上制造Si所需的横向过生长外延是复杂的。上述问题可以利用Bassous等人的美国专利No.5,525,828中描述的专利技术的一方面解决，此专利作为Si和SiGe横向p-i-n和MSM探测器的众多专利技术的一部分。在‘828专利中，描述了在掩埋绝缘层上利用由Ge构成的吸收区域的p-i-n或MSM探测器。这是用于制造高性能光电探测器的基本结构，因为Ge在850nm处具有极高的吸收(在相同波长下Si的～70x)，而掩埋绝缘层防止在Si衬底中产生的慢载流子在表面电极处的收集。然而，‘828专利中没有描述实际获得高性能或CMOS兼容的具体结构，也没有提供可以通过其制造这样的结构的方法。
技术实现思路
本专利技术提供用于高性能光电探测器的结构，该结构包括在薄SOI衬底上的Ge吸收层，并且利用了交替n和p型表面电极。“高性能”指光电探测器表现出大于15GHz的-3dB带宽以及大于15％的外部量子效率。有利地，本专利技术的光电探测器(a)通过利用掩埋绝缘层以隔离在下面的衬底中产生的载流子获得高带宽，(b)通过利用Ge吸收层在宽谱上获得高量子效率，(c)通过利用薄吸收层和窄电极间距获得低电压操作，以及(d)通过其平面结构和IV族吸收材料的使用获得与CMOS器件的兼容。IV族吸收材料的实例包括C，Si，Ge，Sn，Pb及其组合。本专利技术还提供用于制造高性能光电探测器的方法，该方法使用在薄SOI层上直接生长Ge，并且随后热退火以得到高质量吸收层。有利地，本专利技术的方法限制了相互扩散的Si的量，从而允许退火Ge层而不会由下面的Si引起Ge层的显著稀释。附图说明通过后面的描述、所附的权利要求和附图将会更好地理解本专利技术的光电探测器和方法的其它特征，方面和优点，其中图1(a)是截面图，图1(b)是平面图，示出了本专利技术的一个实施例，其是高速横向p-i-n绝缘体上Ge光电探测器的结构。图1(c)-1(e)是截面图图1(c)是横向p-i-n绝缘体上Ge光电探测器的一侧；图1(d)是对称金属-半导体-金属(MSM)绝缘体上Ge光电探测器；图1(e)是非对称MSM绝缘体上Ge光电探测器。图2(a)示出了图1(a)中的器件的截面图，包括由退火和随后的相互扩散在Si和Ge层之间形成的成分渐变Si1-xGex层。图2(b)示出了与2(a)中的相同的器件，其中退火引起了充分的相互扩散，以便在掩埋绝缘层上的整个区域由成分渐变Si1-xGex层组成。图3(a)示出了带宽与偏置数据曲线图，图3(b)示出了吸收与波长数据曲线图，并且图3(c)示出了类似于图2(a)中描述的器件结构在λ＝822nm处的LIV特性。图4示出了图1(a)中的器件结构，附带包括抗反射覆层。图5示出了图1(a)中的器件结构，附带包括表面SiGe层。图6示出了本专利技术的另一个实施例的截面图，其中Ge层直接位于掩埋绝缘体上。图7示出了与SOI CMOS结合的图1(a)中的器件结构。图8示出了与使用选择SOI的体CMOS结合的图1(a)中的器件结构。图9(a)-9(g)示出了一种制造本专利技术的高速绝缘体上Ge光电探测器结构的方法。具体实施例方式在图1(a)和图1(b)中示出了本专利技术的一个实施例的截面和平面图。如在图1(a)中所示，本专利技术提供一种绝缘体上Ge光电探测器，该光电探测器包括单晶半导体衬底10(例如，Si，Ge，SiGe，GaAs，InAs，SiGeC或SiC)，绝缘层20(例如，氧化物，氮化物，氧氮化物或其任意组合)以及基本上硅的薄层(以下称为Si层)30(例如SOI层，epi-Si，或非晶Si)。在本专利技术的优选实施例中，初始衬底为绝缘体上Si(SOI)晶片，因此层10是Si，层20是如S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体光电探测器，包括：第一层，单晶半导体衬底；第二层，绝缘材料，位于所述第一层上；第三层，包括基本上Ｓｉ，位于所述第二层上；第四层，包括基本上Ｇｅ，位于所述第三层上，所述第四层具有表面层；隔离区域，围绕所述第三层和所述第四层，并具有与所述第四层相邻或在其上面的顶边以及与所述第二层相邻的底边；以及一组电极，在所述表面层上，包括多个相互交叉部件，其中所述第四层的与一个电极紧接相邻的整个部分掺杂为ｎ型，并且所述第四层的与最近邻电极紧接相邻的整个部分掺杂为ｐ型。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-2-24 10/785,8941.一种半导体光电探测器，包括第一层，单晶半导体衬底；第二层，绝缘材料，位于所述第一层上；第三层，包括基本上Si，位于所述第二层上；第四层，包括基本上Ge，位于所述第三层上，所述第四层具有表面层；隔离区域，围绕所述第三层和所述第四层，并具有与所述第四层相邻或在其上面的顶边以及与所述第二层相邻的底边；以及一组电极，在所述表面层上，包括多个相互交叉部件，其中所述第四层的与一个电极紧接相邻的整个部分掺杂为n型，并且所述第四层的与最近邻电极紧接相邻的整个部分掺杂为p型。2.根据权利要求1的半导体光电探测器，其中所述单晶半导体衬底是Si并且所述第二层是氧化硅。3.根据权利要求1的半导体光电探测器，其中所述第四层具有大于50nm的厚度，并且所述第三层和所述第四层的结合厚度小于500nm。4.根据权利要求3的半导体光电探测器，其中所述第三层和所述第四层的结合平均Ge浓度大于80％。5.根据权利要求1的半导体光电探测器，其中所述第二层具有厚度t2和折射率n2，从而遵循如下关系0.5(i+0.4)(λ/n2)＜t2＜0.5(i+0.6)(λ/n2)，其中i为整数，λ是入射光在真空中的波长。6.根据权利要求1的半导体光电探测器，其中所述第三层具有厚度t3和折射率n3，并且所述第四层具有厚度t4和折射率n4，从而遵循如下关系(i+0.9)(λ/2)＜t3n3+t4n4＜(i+1.1)(λ/2)，其中i为整数，λ是入射光在真空中的波长。7.根据权利要求1的半导体光电探测器，其中相邻的n型和p型掺杂区域分开的距离在0.1μm到1.0μm的范围内。8.根据权利要求1的半导体光电探测器，其中所述电极包括Al，Cu，Ti，TiN，Pt，W，Ta，TaN，Pt，Pd，Hf，ITO以及它们各自的硅化物和/或锗化物或其组合。9.根据权利要求1的半导体光电探测器，还包括透明介质层，在所述表面层的不与所述电极直接接触的部分上，并且具有在1和所述第四层的折射率之间的折射率以便作为抗反射覆层。10.根据权利要求1的半导体光电探测器，还包括Si1-xGex的第五层，在所述第三层和所述第四层之间，并且由所述第三层中的Si和所述第四层中的Ge之间的相互扩散形成。11.根据权利要求10的半导体光电探测器，其中所述第三层和所述第四层以及所述第五层的结合厚度小于500nm，并且所述第四层的剩余部分具有大于50nm的厚度。12.根据权利要求11的半导体光电探测器，其中所述第三层和所述第四层以及所述第五层的结合平均Ge浓度大于80％。13.一种半导体光电探测器，包括第一层，单晶半导体衬底；第二层，绝缘材料，位于所述第一层上；第三层，包括基本上Si，位于所述第二层上；第四层，包括基本上Ge，位于所述第三层上，所述第四层具有表面层；隔离区域，围绕所述第三层和所述第四层，并具有与所述第四层相邻或在其上面的顶边以及与所述第二层相邻的底边；以及一组电极，在所述表面层上，包括多个相互交叉部件，其中交替电极包括第一组电极，以及在所述第一组电极的任一侧的最近邻电极包括第二组电极，并且其中所述第四层的与所述第一组电极紧接相邻的整个部分掺杂为一种导电类型，以及所述第四层的与所述第二组电极紧接相邻的整个部分与所述第四层的剩余部分的掺杂相同。14.根据权利要求13的半导体光电探测器，其中所述第四层的与所述第一电极紧接相邻的整个部分掺杂为n型，并且所述第二电极的费米能和所述第四层的价带边缘之间的差别小于Eg/2，其中Eg是所述第四层的带隙。15.根据权利要求13的半导体光电探测器，其中所述第四层的与所述第一电极紧接相邻的整个部分掺杂为p型，并且所述第四层的导带边缘和所述第二电极的费米能之间的差别小于Eg/2，其中Eg是所述第四层的带隙。16.一种半导体光电探测器，包括第一层，单晶半导体衬底；第二层，绝缘材料，位于所述第一层上；第三层，包括基本上Si，位于所述第二层上；第四层，包括基本上Ge，位于所述第三层上，所述第四层具有表面层；隔离区域，围绕所述第三层和所述第四层，并具有与所述第四层相邻或在其上面的顶边以及与所述第二层相邻的底边；以及一组电极，在所述表面层上，包括多个相互交叉部件，其中交替电极包括第一组电极，以及在所述第一组电极的任一侧的最近邻电极包括第二组电极，并且所述第四层的与所述第一和第二组电极紧接相邻的整个部分与所述第四层的剩余部分的掺杂相同。17.根据权利要求16的半导体光电探测器，其中所述第一电极的费米能和所述第四层的价带边缘之间的差别小于Eg/2，并且所述第四层的导带边缘和所述第二电极的费米能之间的差别小于Eg/2，其中Eg是所述第四层的带隙。18.一种半导体光电探测器，包括第一层，单晶半导体衬底；第二层，绝缘材料，位于所述第一层上；第三层，包括基本上Si1-xGex，在所述第二层上，所述第三层具有表面层，其中所述Ge浓度x从与所述第二层相邻的最小值连续变化到在所述表面层处的最大值；隔离区域，围绕所述第三层，并具有与所述第三层相邻或在其上面的顶边以及与所述第二层相邻的底边；以及一组电极，在所述表面层上，包括多个相互交叉部件，其中所述第三层的与一个电极紧接相邻的整个部分掺杂为n型，并且所述第三层的与最近邻电极紧接相邻的整个部分掺杂为p型。19.根据权利要求18的半导体光电探测器，其中所述第三层的厚度在50nm到500nm之间的范围内。20.根据权利要求19的半导体光电探测器，其中所述第三层的平均Ge浓度大于80％。21.一种半导体光电探测器，包括第一层，单晶半导体衬底；第二层，绝缘材料，在所述第一层上；第三层，包括基本上Si，造所述第二层上；第四层，包括基本上Ge，在所述第三层上；第五层，包括基本上Si1-zGez，并具有表面层，在所述第四层上；隔离区域，围绕所述第三层和所述第四层以及所述第五层，并具有与所述第四层相邻或在其上面的顶边以及与所述第二层相邻的底边；以及一组电极，在所述表面层上，包括多个相互交叉部件，其中所述第五层的与一个电极紧接相邻的整个部分掺杂为n型，并且所述第五层的与最近邻电极紧接相邻的整个部分掺杂为p型。22.根据权利要求21的半导体光电探测器，其中所述第五层的厚度和Ge浓度是这样，以使所述第五层不超过热力学稳定的厚度限制。23.根据权利要求21的半导体光电探测器，其中所述第四层具有大于50nm的厚度，并且所述第三层和所述第四层以及所述第五层的结合厚度小于500nm。24.一种半导体光电探测器，包括第一层，单晶半导体衬底；第二层，绝缘材料，在所述第一层上；第三层，包括基本上Ge，并具有表面层，在所述第二层上；隔离区域，围绕所述第三层，并具有与所述第三层相邻或在其上面的顶边以及与所述第二层相邻的底边；以及一组电极，在所述表面层上，包括多个相互交叉部件，其中所述第三层的与一个电极紧接相邻的整个部分掺杂为n型，并且所述第三层的与最近邻电极紧接相邻的整个部分掺杂为p型。25.根据权利要求24的半导体光电探测器，其中所述第二层是结晶氧化物。26.根据权利要求25的半导体光电探测器，其中所述第二层包括(Ba，Sr)O，BaTiO3，...

【专利技术属性】
技术研发人员：JO初，GK德林格尔，A格里尔，SJ克斯特，欧阳齐庆，JD绍布，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]