一種高速矽基光探測器的製造方法

2023-09-21 00:25:55

一種高速矽基光探測器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於SiGe?HBT(鍺矽異質結雙極性電晶體)的矽基光探測器。在一個實施例中，矽基光探測器包括一個埋入N型摻雜(NBL)與一個位於其上的近本徵摻雜的P型區(Collector區)，以及一個位於Collector區上的SiGe單晶層(基區)。所述SiGe單晶層為P摻雜。所述Collector區為光探測器的有源區，入射光子在此產生光生載流子，被反向偏置的由所述P型SiGe單晶、本徵型Collector區和NBL區組成的PIN管所收集，在外電路中形成光電流。在另一個實施例中，在所述P型SiGe單晶層上方生長N型摻雜的多晶矽，類似於HBT中的發射極(emitter)。在其它實施例中，所述emitter層，由在P型SiGe單晶區上繼續生長的N型SiGe單晶構成。
【專利說明】一種高速矽基光探測器

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種光探測器，尤其是一種基於矽基材料和工藝的光探測器。

【背景技術】
[0002] 矽基光探測器通常用在各類光敏器件，例如光敏二極體和三極體，這些器件對可 見光和短波長紅外光敏感，被廣泛地應用於自動控制、成像器件、和光學編碼等領域。但這 些傳統的矽基光探測器的響應速度一般較慢，無法適用於光通信領域。
[0003] 響應速度慢的主要原因，來源於矽材料對短波長紅外光的吸收長度較長，因此要 求光敏二級管的有源區較長，導致光生載流子渡越時間過長。
[0004] 此外，為提高光電轉換效率所需要的特殊工藝要求，使得矽基光探測器並不總是 可以和矽基電子迴路單片集成。


【發明內容】

[0005] 本發明的目的在於提出一種新的矽基光探測器結構，以解決傳統矽基光探測器光 電轉換速度慢的問題。同時，通過鍺矽單晶層的引入和異質結三極體探測器結構的提出，在 增加光電響應率的同時，提供響應速度。
[0006] 本發明通過下述技術方案予以實現：
[0007] -種娃基光探測器，包括：
[0008] 一個埋入矽襯底的摻雜區；
[0009] -個在所述埋入矽襯底的摻雜區之上的本徵區；
[0010] 一個在所述本徵區之上的第一鍺矽單晶層；
[0011] 所述第一鍺矽單晶層的摻雜類型和埋入矽襯底的摻雜區的摻雜類型相反；
[0012] 所述的矽基光探測器器，其中所述本徵區為輕微摻雜，摻雜類型和所述第一鍺矽 單晶層相同。
[0013] 所述的矽基光探測器，還包括：
[0014] 一個位於所述第一鍺矽單晶層上的多晶矽層，所述多晶矽層的摻雜類型和所述第 一鍺矽單晶層的摻雜類型相反。
[0015] 所述的矽基光探測器，其中，所述多晶矽層的金屬電極接觸只佔其總面積的一小 部分，以便讓入射光信號通過。
[0016] 所述的矽基光探測器，其中，所述多晶矽層為N型摻雜，所述第一鍺矽單晶層為P 型摻雜，所述本徵區為輕微P型摻雜，所述埋入矽襯底的摻雜區為N型摻雜，所述多晶矽層、 第一鍺矽單晶層、本徵區、和埋入矽襯底的摻雜區構成NPN型雙極性電晶體。
[0017] 矽基光探測器，還包括：
[0018] 一個位於所述第一鍺矽單晶層上的第二鍺矽單晶層，所述第二鍺矽單晶層的摻雜 類型和所述第一鍺矽單晶層的摻雜類型相反。
[0019] 矽基光探測器，其中，所述第二鍺矽單晶層為N型摻雜，所述第一鍺矽單晶層為P 型摻雜，所述本徵區為輕微P型摻雜，所述埋入矽襯底的摻雜區為N型摻雜。所述第二鍺矽 單晶層、第一鍺矽單晶層、本徵區、和埋入矽襯底的摻雜區構成NPN型雙極性電晶體。
[0020] 矽基光探測器，其中：所述第一鍺矽單晶層和所述第二鍺矽單晶層的組成不同，以 提商單晶層生長可達到的厚度。
[0021] 矽基光探測器，其中，第一鍺矽單晶層和第二鍺矽單晶層的元素組成此例不同；
[0022] 矽基光探測器，其中，第一鍺矽單晶層和第二鍺矽單晶層採用隨厚度漸變的元素 組成此例；

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1是傳統矽基光探測器的結構示意圖。
[0024] 圖2是傳統矽基光探測器衝擊響應光電流的示意圖。
[0025] 圖3是本發明公開的矽基光探測器的一個實施例的結構示意圖。
[0026] 圖4是本發明公開的矽基光探測器的另一個實施例的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0027] 下面通過具體實施例並結合附圖對本發明進行詳細地說明：
[0028] 矽基光探測器目前已經大量地應用在成像系統（數字相機）和自動控制領域。圖 1給出了矽基CMOS工藝中晶片橫截面的圖示，並標出了幾種常被採用的矽基光電二極體的 結構。
[0029] 圖1中，P型重摻雜襯底11上面，通過外延生成P型輕摻雜層12,12的厚度為13， 一般為l〇um左右，然後在12上通過離子注入摻雜形成N阱14,沒有摻雜的區域則為P阱 12，NM0S管在P阱中，由多晶矽柵極17、源漏極N型摻雜區18、和P阱12組成，PM0S管在N 阱中，由多晶柵極17、源漏極P型摻雜區15、和N阱14組成。
[0030] 可以被作為光電探測的二級管，最常用的是N+/P-sub/P+subl9,其光生載流子的 有源區為P阱12。圖2是光探測二極體19的光電流衝擊響應。由圖2可見，需要超過loops 的時間，光電流才會完全地體現在外電路中，這說明載流子的渡越時間嚴重限制了光探測 二級管19的響應速度。
[0031] 解決這個問題的關鍵在於減少光生載流子所需的渡越距離，也就是光電轉換的有 源區，但又不太多地犧牲響應率。由於在矽單晶中，對通信用短波長紅外光（850nm波長） 的吸收長度是20um左右，做到上述效果很有困難。
[0032] 圖3給出了本發明的第一個實施例。圖3中，單晶矽襯底9 一般有P型輕摻雜，首 先通過高能量離子注入在單晶矽襯底9中形成N型埋入摻雜層4, N型埋入摻雜層4的上面 是N型輕摻雜區3, N型輕摻雜區3上面是P型鍺矽單晶層22, 22上面是N型摻雜的多晶矽 層1。由此可以看到，這實際上是一個異質結NPN雙極型電晶體（HBT)。N型輕摻雜區3是 這個HBT的收集區（Collector)，P型鍺矽單晶層22是這個HBT的基區（base)，N型摻雜的 多晶矽層1是這個HBT的發射區（emitter)。圖3中其他的部分，發射區接觸電極7,即為 HBT的發射極，基區接觸電極6,基區引出線2,收集區接觸電極5,收集區引出摻雜23,隔離 溝槽8和絕緣介質覆蓋10。
[0033] 如圖3所示矽基光探測器，光信號從上方攝入，依次序，N型摻雜的多晶矽層1，P 型鍺矽單晶層22,和N型輕摻雜區3, N型埋入摻雜層4,以及之後的單晶矽襯底9,都會吸 收光信號能量。其中，多晶矽層1在這個實施例中很薄，其對光子的吸收可以忽略，而埋入 摻雜層4是重摻雜，因此其所產生的光生載流子由於外電場的缺失最終會在本地複合而不 會演變為外電路電流，而埋入摻雜層4之後的單晶矽襯底9內產生的光生載流子，由於被埋 入摻雜層4隔離，其可能產生的外電路電流不會存在於收集區接觸電極5和發射區接觸電 極7之間。
[0034] 在圖3中，收集區接觸電極5和發射區接觸電極7之間的光電流，將由在P型鍺矽 單晶層22和N型輕摻雜區3中的光生載流子貢獻。而如前所述，22相當於圖3所示HBT的 基區，3相當於圖3所示HBT的收集區。在圖3所示的這個實施例中，鍺矽單晶層22的厚度 較薄，輕摻雜區3的厚度將是光生載流子的主要渡越距離。本發明的設計，將調整輕摻雜區 3的厚度以使渡越時間不超過探測器響應速度的要求。例如，對於響應速度要求大於10GHz 時，通常使渡越時間不大於20ps，為此輕摻雜區3的厚度將在2微米左右。
[0035] 輕摻雜區3的厚度調整，是通過埋入摻雜層4來實現的。也就是說埋入摻雜層4 提供了關鍵的調節本發明規模光探測器響應速度的手段。而鍺矽單晶層22的存在，進一步 提高了探測器的響應率，即單位入射光信號功率所能產生的光電流大小。因為，鍺矽材料對 短波長紅外光的吸收係數，遠大於單晶矽材料。同時，為了提高速度和光電響應效率，輕摻 雜區3的摻雜濃度將是非常低的，使得3接近為本徵區。
[0036] 如前所述，圖3所示實施例從結構上也是一個異質結電晶體，簡稱HBT。我們可以 稱本發明的結構為光控異質結電晶體，簡稱Opto-HBT。
[0037] 圖3的Opto-HBT是一個NPN型電晶體。我們可以將所有的摻雜類型取反，即N變 P和P變N，這樣就形成了一個PNP型電晶體。此時，埋入摻雜層4的摻雜類型將變為P型， 輕摻雜區3的摻雜類型將變為P，鍺矽單晶層的摻雜類型將變為N，多晶矽層1的摻雜類型 將變為P。由此，圖3就也表達了本發明的另一個實施例，光控PNP型電晶體。
[0038] 在下面的說明書中，將不再在各個摻雜區和摻雜層前面冠以摻雜類型，例如將直 接引用埋入摻雜層4。
[0039] 圖3所是的實施例，光生載流子在基區22 (鍺矽單晶層）和收集區3 (輕摻雜區） 中產生，基區的勢壘高度隨之下降，因此，基區22和發射區1 (多晶矽層）之間會形成正向 電流，即電晶體中發射區向基區發射電子。這部分發射的電子將被收集區3(輕摻雜區）收 集，呈現為外電路電流，這部分電流是通過對光生電流的放大產生的，因此，本發明的光控 電晶體將光電轉換和放大合二為一。
[0040] 圖3中段射區接觸電極7在普通的電晶體中是幾乎覆蓋整個發射區面積的。但在 本發明所公開的矽基光探測器中，發射區接觸電極7必須僅覆蓋發射區（亦即多晶矽層1) 面積的很小部分，以避免對入射光信號的遮擋。一個可以採用的結構，是圍繞發射區外圍的 環形結構。
[0041] 圖4是本發明公開的矽基光探測器的另一個實施例。其結構和圖3所示實施例相 似，同樣也是一個光控電晶體結構，但發射區為鍺矽單晶材料。
[0042] 如圖4所示，第一鍺矽單晶層24,相當於光控電晶體的基區，第二鍺矽單晶層25， 相當於光控電晶體的發射區，第一鍺矽單晶引出線26,於基區接觸電極6相連。其他部分和 圖3相同。
[0043] 相比於圖3,圖4所示的實施例中，由於發射區用鍺矽單晶材料代替，避免了可能 的對入射光子的無用吸收。因為在圖3的實施例中，多晶層1對光子的吸收，會由於光生載 流子的迅速複合而轉化為熱能，是對入射光信號功率的浪費。而在圖4中將多晶層1變為 第二鍺矽單晶層後，這個問題就可以被迴避。同時，我們可以增加第一鍺矽單晶層24和第 -錯娃單晶層25的厚度，以進一步提1?本發明的娃基光探測器的效率。
[0044] 圖4中能夠的第一鍺矽單晶層24和第二鍺矽單晶層25的元素組成比例是不同 的，他們的元素組成比例和圖3中的鍺矽單晶層也不同。組成比例的不同，是為了在工藝上 形成更厚的單晶層，同時，組成比例的不同，將在基區和發射區形成所需要的電場結構，例 如，可以採用隨厚度漸變的元素組成比例。
[0045] 圖4所示實施例，通過不同的摻雜類型配比，同樣可以構成兩種電晶體，亦即NPN HBT和PNP HBT。將兩者統一起來的話，本發明所公開的矽基光探測器，其埋入摻雜層4、輕 摻雜區3、和發射區1或者25的摻雜類型相同，而基區22或者24的摻雜類型和前面三個區 域（4、3、1或者25)的摻雜類型相反。
[0046] 以上實施方式對本發明進行了詳細說明，本領域中普通技術人員可根據上述說明 對本發明做出種種變化例。因而，實施方式中的某些細節不應構成對本發明的限定，本發明 將以所附權利要求書界定的範圍作為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1. 一種娃基光探測器，包括： 一個埋入娃襯底的摻雜區； 一個在所述埋入矽襯底的摻雜區之上的本徵區； 一個在所述本徵區之上的第一鍺矽單晶層； 所述第一鍺矽單晶層的摻雜類型和埋入矽襯底的摻雜區的摻雜類型相反。
2. 根據權利要求1所述的矽基光探測器器，其中所述本徵區為輕微摻雜，摻雜類型和 所述第一鍺矽單晶層相同。
3. 根據權利要求1所述的矽基光探測器，還包括： 一個位於所述第一鍺矽單晶層上的多晶矽層，所述多晶矽層的摻雜類型和所述第一鍺 矽單晶層的摻雜類型相反。
4. 根據權利要求3所述的矽基光探測器，其中，所述多晶矽層的金屬電極接觸只佔其 總面積的一小部分，以便讓入射光信號通過。
5. 根據權利要求3所述的矽基光探測器，其中，所述多晶矽層為N型摻雜，所述第一鍺 矽單晶層為P型摻雜，所述本徵區為輕微P型摻雜，所述埋入矽襯底的摻雜區為N型摻雜， 所述多晶矽層、第一鍺矽單晶層、本徵區、和埋入矽襯底的摻雜區構成NPN型雙極性晶體 管。
6. 根據權利要求1所述的矽基光探測器，還包括： 一個位於所述第一鍺矽單晶層上的第二鍺矽單晶層，所述第二鍺矽單晶層的摻雜類型 和所述第一鍺矽單晶層的摻雜類型相反。
7. 根據權利要求6所述的矽基光探測器，其中，所述第二鍺矽單晶層為N型摻雜，所述 第一鍺矽單晶層為P型摻雜，所述本徵區為輕微P型摻雜，所述埋入矽襯底的摻雜區為N型 摻雜，所述第二鍺矽單晶層、第一鍺矽單晶層、本徵區、和埋入矽襯底的摻雜區構成NPN型 雙極性電晶體。
8. 根據權利要求6所述的矽基光探測器，其中：所述第一鍺矽單晶層和所述第二鍺矽 單晶層的組成不同，以提高單晶層生長可達到的厚度。
9. 根據權利要求6所述的矽基光探測器，其中，第一鍺矽單晶層和第二鍺矽單晶層的 元素組成比例不同。
10. 根據權利要求6所述的矽基光探測器，其中，第一鍺矽單晶層和第二鍺矽單晶層 採用隨厚度漸變的元素組成比例。
【文檔編號】H01L27/144GK104157718SQ201310179786
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年5月15日 優先權日:2013年5月15日
【發明者】李冰 申請人:李冰