用于红外检测的半导体器件、制造用于红外检测的半导体器件的方法及红外检测器技术

一种用于红外检测的半导体器件，其包括第一半导体层(1)、第二半导体层(2)和光学耦合层(3)的堆叠。第一半导体层(1)具有第一类型的导电性并且第二半导体层(2)具有第二类型的导电性。光学耦合层(3)包括光学耦合器(31)和至少第一横向吸收体区域(32)。光学耦合器(31)被配置为使入射光朝向第一横向吸收体区域(32)偏转。第一横向吸收体区域(32)包括带隙E

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于红外检测的半导体器件、制造用于红外检测的半导体器件的方法及红外检测器
[0001]本专利技术涉及红外光电检测器领域。介绍了涉及用于红外检测的半导体器件、制造用于红外检测的半导体器件的方法和红外检测器的改进构思。
[0002]常规光电二极管(诸如pn
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或pin
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光电二极管)基于p型、n型和/或本征半导体层的竖直叠层(相对于晶圆表面)以形成阳极、阴极和光吸收体区域。半导体材料(诸如硅)具有能隙或带隙，即固体中电子态不能存在的能量范围。对于硅，带隙约为Eg＝1.1eV。带隙通常是指绝缘体和半导体中价带顶部与导带底部之间的能量差(以电子伏特为单位)。换句话说，带隙表示促使与原子结合的价电子成为传导电子所需的能量，该传导电子在晶格内自由移动并作为电荷载流子以传导电流。由于带隙E
g
＝1.1eV，硅制成的光电二极管针对高于1100nm的波长的响应率很低，或甚至为零。此外，常规的光电二极管结构仅提供相对较小的吸收体厚度。然而，由于集成光电二极管中的薄的吸收体厚度，在1100nm处，光谱响应度远低于理论上可能的极限0.89A/W(参见图5)。图5中示出了集成硅PIN光电二极管的示例光谱响应度。例如，σ1涉及集成光电二极管同质衬底，σ2涉及带有EPI衬底的集成光电二极管(T
EPI
＝20μm)，σ3涉及集成光电二极管EPI衬底(T
EPI
＝40μm)，σ4涉及集成光电二极管EPI衬底(T
EPI
＝60μm)，σ5涉及商用光电二极管硅，并且σ6表示光谱响应度的理论极限。
[0003]一个目的是提供一种用于红外检测的半导体器件、一种制造用于红外检测的半导体器件的方法以及一种允许增加近红外灵敏度的红外检测器。
[0004]这些目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中描述了进一步的改进和实施例。
[0005]应当理解，除非描述为替代性的，否则关于任何一个实施例描述的任何特征可以单独使用，或者与所描述的其他特征相结合使用，并且还可以与任何其他实施例的一个或更多个特征结合使用，或者与任何其他实施例进行任意组合地使用。此外，在不脱离所附权利要求中限定的半导体器件、制造用于红外检测的半导体器件的方法和红外检测器的范围的情况下，也可以采用以下未描述的等同物和修改。
[0006]以下涉及半导体光电器件(例如光电二极管)领域的改进构思。所提出的半导体器件采用包括光学耦合器和至少第一横向吸收体区域的光学耦合层。横向吸收体区域包括带隙E
g
在红外(IR)(例如在近红外(NIR))中的吸收体材料。例如，作为吸收体材料的应变硅
‑
锗合金的带隙E
g
的值小于硅的带隙E
g
＝1.1eV。吸收带隙能够扩展到IR，例如对于Si
‑
Ge吸收带隙能够扩展至高达约1250nm。此外，光学耦合器允许使入射光朝向第一横向吸收体区域偏转。与常规的竖直堆叠的光电二极管构思相比，这有效地扩展了横向吸收并在IR中提供了较高的信噪比。
[0007]在下文中，术语“红外(infrared)”或IR是指波长在700nm至1mm内的电磁辐射。“近红外(near infrared)”或NIR是指波长在0.70至1.4μm内的电磁辐射。
[0008]在至少一个实施例中，用于红外检测的半导体器件包括第一半导体层、第二半导体层和光学耦合层的堆叠。第一半导体层具有第一类型的导电性并且第二半导体层具有第二类型的导电性。光学耦合层包括光学耦合器和至少第一横向吸收体区域。光学耦合器被
配置为使入射光朝向第一横向吸收体区域偏转。第一横向吸收体区域包括带隙例如在红外(IR)或在近红外(NIR)中的吸收体材料。
[0009]例如，半导体器件操作为光电二极管。入射到器件的光穿过第二半导体层并且可以撞击光学耦合层。光学耦合器使接收到的光朝向第一横向吸收体区域偏转。偏转光沿着光学耦合器和第一横向吸收体区域被引导，例如沿着由半导体层定义的平面被引导。这样，入射光能够耦合到能够形成在半导体层之间的耗尽层中。然后，光沿着第一横向吸收体区域穿过并且可以沿着路径被吸收。
[0010]吸收过程很大程度上由第一横向吸收体区域的材料特性来确定。在IR或NIR中具有另外的带隙(与纯硅相比)，吸收体材料允许增加在红外中的吸收，尤其是在近红外中的吸收。根据合金的成分，吸收能够扩展到大约1800nm。此外，光学耦合器允许使入射光朝向横向吸收体区域偏转。这有效地扩展了横向吸收截面和深度，从而增加了吸收体积。这样，在IR和/或NIR中半导体器件的灵敏度(相对于裸硅)能够提高到大约1250nm或更多。与常规的竖直堆叠光电二极管构思相比，这最终会导致IR和/或NIR中高得多的信噪比。
[0011]在至少一个实施例中，吸收体材料的带隙的值例如小于硅(例如等于1.1eV)的带隙。纯硅或块状硅的带隙降低了常规半导体器件在IR和NIR中的灵敏度。例如可以使用诸如Si
‑
Ge合金的吸收体材料，例如Ge和GeSn。这些吸收体材料支持该器件能够用作光电二极管，例如能够在器件的层中形成pn结或PIN结构。此外，吸收体材料与半导体技术(例如晶圆级处理和互补金属氧化物半导体(CMOS)技术)兼容。
[0012]在至少一个实施例中，吸收体材料包括应变硅锗(Si
‑
Ge)合金。Si
‑
Ge合金具有特征带隙Eg～0.66eV，其值小于硅的带隙。带隙位于近红外(NIR)。Si
‑
Ge合金构成硅原子被拉伸到超出它们的正常原子间距离的硅层。Si
‑
Ge合金的特征带隙Eg在横向吸收体区域的处理期间能够被定义。基本上，特征带隙Eg取决于用于形成合金的硅和锗的相对量。例如，借助于使合金外延生长到第二半导体层上，Si
‑
Ge合金单片能够集成到半导体器件中。
[0013]在半导体器件的实施例中，能够使用各种相对量的硅和锗来形成合金。合金的成分部分介于100％的硅的最大相对量与0％的硅的最小相对量之间。此外，硅锗合金介于100％的锗的最大相对量与0％的锗的最小相对量之间。这些相对量可被视为限值，并且实际成分可能介于这些限值之间。SiGe层通常具有过渡区域，在该过渡区域中，Ge含量实际上非常低，例如0％(并且Si浓度接近100％)，或反之亦然。对于纯Ge，在Ge含量从100％变为0％(而Si浓度从0％变为100％)的中间区域之上可以有高达100％的Ge和0％的Si。
[0014]替代地，硅锗合金具有至少70％的硅的相对量和至多30％的锗的相对量。实际成分，即硅和锗的相对量可能取决于预期的带隙。例如，对于NIR，含25％硅和75％锗的Si
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Ge合金提供带隙0.66eV和穿透深度<50μm。Ge含量越高，穿透深度变得越低。
[0015]在至少一个实施例中，光学耦合器包括集成到光学耦合层中的光子光栅。附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于红外检测的半导体器件，其包括第一半导体层(1)、第二半导体层(2)和光学耦合层(3)的堆叠，其中：
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所述第一半导体层(1)具有第一类型的导电性并且所述第二半导体层(2)具有第二类型的导电性，
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所述光学耦合层(3)包括光学耦合器(31)和至少第一横向吸收体区域(32)，
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所述光学耦合器(31)配置为使入射光朝向所述第一横向吸收体区域(32)偏转，以及
‑
所述第一横向吸收体区域(32)包括带隙E
g
在红外IR中的吸收体材料。2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述吸收体材料的带隙Eg的值小于硅的带隙E
g
＝1.1eV。3.根据权利要求1或2所述的半导体器件，其中，所述吸收体材料包括应变硅锗Si
‑
Ge合金。4.根据权利要求3所述的半导体器件，其中，所述Si
‑
Ge合金
‑
具有100％的Si的最大相对量和0％的Si的最小相对量，和
‑
具有100％的Ge的最大相对量和0％的Ge的最小相对量，或者所述Si
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Ge合金
‑
具有至少70％的Si的相对量和至多30％的Ge的相对量。5.根据权利要求1至4之一所述的半导体器件，其中，
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所述光学耦合器(31)包括集成到所述光学耦合层(3)中的光子光栅，和/或
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所述光学耦合层(3)是绝缘体上硅锗SGOI或绝缘体上硅SOI晶圆的一部分。6.根据权利要求5所述的半导体器件，其中，
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所述光子光栅包括填充有电介质的多个沟槽，以及
‑
所述沟槽被配置为形成光子闪耀光栅。7.根据权利要求1至6之一所述的半导体器件，其中，所述第一类型的导电性是n型导电性，并且所述第二类型的导电性是p型导电性，或反之亦然。8.根据权利要求1至7之一所述的半导体器件，其中，
‑
所述光学耦合层(3)包括由吸收体材料制成的第二横向吸收体区域(33)，并且
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所述光学耦合器(31)被配置为使入射光朝向第一和第二横向吸收体区域(32、33)二者偏转。9.根据权利要求8所述的半导体器件，其中，
‑
第一接触区域(4)被布置为与第一横向吸收体区域(32)邻接以形成第一电极，和/或
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第二接触区域(5)被布置为与第二横向吸收体区域(33)邻接以形成第二电极，和/或其中
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所述光栅被配置为使偏转的入射光聚焦到第一和/或第二接触区域(4、5)上。10.根据权利要求9所述的半导体器件，其中，
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后端层(6)设置在所述第一横向吸收体区域(32)、第二横向吸收体区域(33)和/或光学耦合层(3)上，并且所述后端层(6)还包括：
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与所述第一横向吸收体区域(32)相关联的第一金属化部以形成第一电极，和/或
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与所述第二接触区域(5)相关联的第二金属化部以形成第二电极。11.一种红外检测器，包括：
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根据权利要求1至10之一所述的用于红外检测的至少一个半导体器件，以及
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驱动器电路，其用于操作所述半导体器件，和/或
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【专利技术属性】
技术研发人员：杰拉尔德，
申请(专利权)人：AMS有限公司，
类型：发明
国别省市：