光敏器件以及制造光敏器件的方法

专利名称：光敏器件以及制造光敏器件的方法
技术领域：
本发明涉及光敏器件。
本发明还涉及制造光敏器件的方法。
本发明还涉及光敏器件的使用方法。
背景技术：
硅集成电路的光电分量被用于区分入射光的不同波长。可以使 用这些分量来分析各种光源的光谱。通常使用传统的平面技术来制造 能够体现这种效果的结构。
JP 60091668公开了一种平面光接收集成元件，其能够使IC本 身具有滤光器的特性，并能够减小元件的安装面积。可以通过在同一
基片上形成对光束的波长具有不同灵敏度的多个光电二极管，对从每 个二极管输出的电流进行信号调理，并将几个二极管用作仅对任意波 长敏感的元件，来实现上述技术。
然而，传统方法制造的器件无法确保足够的光敏度。

发明内容
本发明的目的是提供一种具有足够光敏度的光敏器件。 为了实现上述目的，提供了根据独立权利要求所述的光敏器件、
制造光敏器件的方法、以及使用光敏器件的方法。
根据本发明的示例性实施例，提供了一种光敏器件，其包括基
片和布置在基片上和/或布置在基片中的垂直排列的多个纳米线二极管。
根据本发明的另一示例性实施例，提供了制造光敏器件的方法， 该方法包括在基片上和/或在基片中形成垂直排列的多个纳米线二极 管。根据本发明的另一示例性实施例，可以使用具有上述特征的光 敏器件，来检测从与上述垂直排列的纳米线二极管的排列方向垂直的
方向入射(imping)的电磁辐射(例如用于分析)。
根据本发明的另一示例性实施例，可以使用具有上述特征的光 敏器件，来控制从与上述垂直排列的纳米线二极管的排列方向垂直的 方向入射的电磁辐射(例如用于修改光谱特性)。
术语"光敏器件"可以特指对光子(即电磁辐射)的存在敏感 的任何物理结构。能够获得这种敏感性的辐射-材料互动为吸收。
术语"纳米线二极管"可特指一种物理结构，特别是具有二极 管特性的半导体结构，特别地其不同区域具有不同的导电类型。此类 纳米线二极管可以具有阴极和阳极，其中可以形成桥接阴极和阳极的 耗尽区。特别地，纳米线二极管可以具有与n型掺杂区相邻的p型掺 杂区，在p型掺杂区和n型掺杂区之间的交界部分具有载流子密度较 低的部分。
术语"垂直排列"纳米线二极管可以特指纳米线二极管的排列 方向基本垂直于(平面)基片(如硅晶片或硅芯片)的主表面。纳米
二极管的延伸方向可以(基本)平行于表征基片表面平面特征的法线
术语"布置在基片上和/或布置在基片中"表示光敏器件可以至 少部分地形成为单片集成电路，其元件沉积在基片上，其它元件例如 通过使用蚀刻处理集成在基片中。
术语"基片"可指任何适当的材料，如半导体、玻璃、塑料等。 根据示例性实施例，术语"基片"可用于一般性地限定用作所关注层 或部分的上面和/或下面的层的元件。另外，基片也可以是任何其它 用于在其上形成层的基底，例如硅晶片或硅芯片等半导体晶片。在其 上蚀刻、沉积或生长了纳米线的基片部分可以是二维的(基本)平面。
术语"纳米线"可指杆形结构，其尺寸的数量级为儿纳米至几 千纳米(也可以涵盖更大或更小的尺寸)。紧邻的纳米线阵列可以用 作光吸收结构阵列并因此用作光敏器件，这是因为该阵列的吸收特性 对于不同波长的光子是不同的。多种不同类型的纳米线可以用于本发明的实施例，包括半导体纳米线(例如由硅、锗、InP、 GaN等制成)、金属纳米线(例如镍、铂、金)和纳米管，特别是碳纳米管(本征或掺杂的)。这样的纳米线可以是长方形纳米线。
术语"长方形纳米线"表示纳米线的长度大于，特别是显著大于垂直于长度延伸的尺寸。换句话说，典型的纳米线可呈现出大于1的长宽比(长度对宽度/直径的比)，特别的大于2，更特别的大于5，或者高达1000倍或更高。例如，纳米线可以具有100nm的长度和30nm的直径。
术语"电磁辐射"可以特指任意适当波长或者任意适当波长范围的光子束。这可以包括光谱(例如400nm至800nm之间的范围)，但还可以包括其它波长的电磁辐射(如UV、红外、或者甚至X射线)。
根据本发明的示例性实施例，光敏器件的特性可以通过纳米线二极管的垂直排列来表征，每个纳米线二极管均对电磁輻射的特定波长部分敏感，其中所述垂直排列结构可以简化制造过程，可以使器件对不同的光谱分量更敏感，并可以有利于器件的小型化。
根据本发明的示例性实施例，半导体纳米线可以为单晶，这样与使用非晶结构(如无定形结构)用于制造二极管的方案相比，可以具有更高的灵活性(mobility)(更好的速度)和较少的缺陷(更高的信噪比)。此外，在使用垂直排列纳米线的构造中，不同部分之间的寄生电容也可以非常低。另外，可以容易地制造具有可变直径的垂直纳米线，这能够获得适当的灵敏度，特别是在可见光谱的蓝色端。此外，使用垂直排列的纳米线，可以在很宽范围内适当调整耗尽区体积，从而可以得到较快的器件。
根据本发明的示例性实施例，可以提供硅纳米线光电二极管器件。这样的垂直纳米线器件可以克服传统的平面技术的缺陷。其中一点是可以显著提升光谱分辨率。利用垂直技术制造的薄纳米线可以比传统的平面结构更敏感(特别是对光谱的蓝光和UV部分)。本发明的实施例可以在保持高可制造性的同时克服上述及其它缺陷。
根据本发明的示例性实施例，能够使用通过CMOS兼容蚀刻技术制造的纳米线二极管的垂直阵列来形成光谱敏感的光检测器。此实施例的特征是，由于光谱灵敏度取决于光电二极管的直径，于是所述光检测器能够精细地分解入射光的波长，特别是可见光谱的蓝色和紫色部分。
可以提供能够分解入射光的光谱的光电二极管器件。此器件可以包括具有不同直径的纳米线光电二极管的垂直阵列，其可以提供改
进的光谱分辨率，特别是对光谱的蓝色和uv部分敏感。这对很多应
用都是有利的，例如用于医学成像的光学检测器、用于固态光源的频谱控制、用于片上通信的光学互连等。 -
本发明的实施例提供一种对光具有可调响应的光电二极管系统。此特征可以包括对光的基本均匀的响应，或者带通、低通和高通滤波器。通过调整穿透深度可以设置响应特性。例如，通过提供具有不同几何特性或参数(如不同的厚度值)的不同纳米二极管，单个纳米二极管的吸收属性可以不同，从而使得不同的纳米二极管对不同类
型的辐射敏感。此外，不同的几何结构(如锥形圆柱或角锥)可以用于进一步控制纳米二极管的吸收属性。
接下来对光敏器件的其它示例性实施例进行说明。这些实施例同样可以应用于制造光敏器件的方法及其使用方法。
多个垂直排列的纳米线二极管中的不同个体可以具有不同的直径尺寸。通过以不同的方式调整不同纳米线的直径，可以调节其对电磁辐射不同波长部分的灵敏度，这是因为"天线状"纳米线二极管的直径与入射电磁辐射之间存在限定相互作用的物理关联。
所述多个垂直排列的纳米线二极管可以(基本上)彼此平行。因此，当提供了所有纳米线二极管的共同排列方向时，能够入射来自特定方位的电磁辐射，并对于方向性因素具有基本一致的灵敏度，从而进一步提高器件的精度。
所述垂直排列的多个纳米线二极管中的每一个都可以包括具有第一导电类型的第一 (末端)部分，并可以包括具有第二导电类型的第二(末端)部分。术语"第一导电类型"和"第二导电类型"表示
使电流流过此结构的载流子为n型(如电子)或p型(如空穴)。为了实现二极管特性，纳米线二极管的两个端部(例如顶端部分或者也可以是中间部分)具有不同的导电类型，例如一个具有p型导电型另
一个具有n型导电型。因此，第一导电类型可以与第二导电类型相反。
光敏器件还可以包括处在纳米线二极管的第一 (末端)部分和第二 (末端)部分之间的耗尽部分，其中依据垂直排列的纳米线的直径值与电磁辐射的光子/光谱分布的波长之间的对应关系，该耗尽部分能够吸收电磁辐射。耗尽部分可以是具有比相邻的第一和第二末端掺杂部分(显著)较低的载流子浓度的部分。耗尽部分可以是纳米线二极管的实际敏感部分并能够吸收电磁辐射。 .
基片可以连接至第一末端部分并具有第一导电类型。例如，第
一末端部分和基片可以都是n型掺杂或都是p型掺杂。于是，第二末端部分可以是具有相反导电类型的p型掺杂(当第一末端部分和基片都是n型掺杂时)或者n型掺杂(当第一末端部分和基片都是p型掺杂时)。
可以提供电绝缘矩阵，其中嵌入有多个垂直排列的纳米线二极管。这样的电绝缘矩阵允许电磁辐射的传输，例如可以为透光的或者非遮光的，从而允许检测电磁辐射或者控制电磁辐射在纳米线二极管上的入射。嵌入的矩阵可以使敏感纳米线对于机械影响更稳固。此外，电绝缘矩阵的示例性实施例是氧化硅(Si02)，这是因为该材料为CMOS兼容、电绝缘并且具有适用于本发明实施例的光学特性。
光敏器件可以包括电磁辐射引导元件，其适用于将电磁辐射引导为在与多个垂直排列的纳米线二极管的排列方向垂直的方向入射。由于纳米线对关于纳米线排列方向横向入射的电磁辐射特别敏感，于是上述电磁辐射引导有利于电磁辐射信号的适当传输以对其进行检测或控制。这种电磁辐射引导元件的示例有全息透镜、波导、光导纤
维或光子晶体(的元件)。
光子晶体可以指这样的周期性光学(纳米)结构，其被设计为
以与半导体晶体周期性影响电子运动类似的方式影响光子的运动。光
子晶体由周期性电介质或金属-电介质(纳米)结构构成，所述结构
被设计为影响电磁波的传播，其影响方式与在半导体晶体中的周期性
电势通过定义允许的和禁止的电子能量带来影响电子运动的方式一样。在被称为光子带隙的波长范围内，所述结构中允许传播电磁辐射的模式的缺失导致不同的光学现象，其中例如自发发射的抑制、全向高反射镜和低损耗波导。根据本发明的示例实施例，垂直纳米二极管可以嵌入在光子晶体中或者可以光耦接、电耦接或者光电耦接至光子晶体。
光敏器件可以包括电信号感测单元，用于感测由多个垂直排列的纳米线二极管在通过多个垂直排列的纳米线二极管吸收到电磁辐
射时产生的电信号。所述信号感测单元可以是单片集成电路或者可以形成在基片中。或者，信号感测单元可以是用于控制光敏器件的操作和/或对光敏器件执行信号评估的外部电路。信号感测单元可以感测当电磁辐射被纳米线(的耗尽部分)吸收时产生的电信号，这是因为当纳米线吸收电磁辐射时会产生电子空穴对。从而电路值可以成为入射电磁辐射的度量，特别是在纳米线的指定之一敏感的波长范围内。光敏器件可以包括电信号处理单元，其用于对感测到的电信号进行处理以导出关于被多个垂直排列的纳米线二极管吸收的电磁辐射的信息(如确定基本为单色辐射的波长，或确定多色辐射的光谱特性)。因此，所述电信号处理单元可以是CPU (中央处理单元)或微处理器，并可以单独提供，或者与电信号感测单元一起提供。对所述信号进行处理以得到关于电磁辐射的强度、频谱组成或其它特性的
"f曰息o
电信号处理单元可以包括逻辑电路。该逻辑电路可以将各个纳米线二极管的输出或纳米线二极管的各个组的输出组合起来，应用特
定的布尔逻辑函数(如XOR、 AND等)，并在运算负荷相当低的情况下输出指示电磁辐射属性的信号，特别是指示电磁辐射的波长。
电信号处理单元可以用于对电信号加权以补偿不同的电磁辐射吸收特性，所述不同的电磁辐射吸收特性是由所述多个垂直排列的纳米线二极管的不同个体的不同直径导致的。不一定为具体的理论，但是当前普遍认为纳米线的厚度/直径对纳米线的吸收能力具有影响。一般来说，纳米线越厚，对吸收的影响越大。为了消除由不同纳米线的不同灵敏度所带来的伪像，可以通过电信号处理来补偿所述差别，于是可以将直径和对应的吸收特性存储在与电信号处理单元耦接的 存储器中。这能够进一步提升精度。
额外的或另一种方案是，可以对纳米线二极管进行分组以形成 纳米线二极管组，以使一组的纳米线二极管具有基本相同的直径。可 以按照对由于所述多个垂直排列的纳米线二极管中不同个体的不同 直径所产生的不同电磁辐射吸收特性进行补偿的方式来形成分组。例 如，在薄纳米线没有厚纳米线敏感的情况下，可以分出具有相同直径 并因此对相同的波长敏感的较薄二极管组，并配置成使得该组纳米线 的信号幅值等于单个或较少数量具有较大直径的纳米线的信号幅值。 因此，对纳米线直径的设计和分组也可以有效地抑制伪像。
可以提供偏置单元(如电流源或电压源)，其用于任选地并选 择性地将偏置信号施加于多个垂直排列的纳米线二极管。如果需要， 当对纳米线二极管适当偏置时纳米线二极管的灵敏度可以得到改善。
所述多个垂直排列的纳米线二极管中的每一个都可以具有处在
lnm到5000nm范围内的直径，更特别地处在5nm到1000nm的范围
内。纳米线二极管的长度可以处在100nm到5000nm的范围内，更特 别地处在500nm到10000nm的范围内。但是，纳米线二极管的长宽 比可以大于1，特别地可以显著大于1，以得到长方形纳米线二极管。
可以将光敏器件用作电光组件、光检测器、光谱敏感光检测器、 带通分析器、单带通分析器、多带通分析器、高通分析器、低通分析 器、带通滤波器、单带通滤波器、多带通滤波器、高通滤波器或低通 滤波器。所述光敏器件的一个特别的应用领域是以光谱分解的方式检 测电磁辐射。另一应用是将光敏器件用作能够专门控制电磁辐射的电 光元件，例如用于滤除电磁辐射光谱的某些部分。这些应用也可组合。
可以通过CMOS技术制造所述光敏器件，于是可以应用公知的 CMOS技术来制造光敏器件，从而获得小型的光敏器件，并能够低消 耗低成本地制造光敏器件。
可以对多个垂直排列的纳米线二极管进行蚀刻以使其基本垂直 于基片的表面平面延伸。通过应用蚀刻处理，能够获得可通过适当工 作制造得到的机械稳固结构。另一方案是，可以通过生长过程来形成多个垂直排列的纳米线 二极管，使其基本垂直于基片的表面延伸。为了在生长过程中限定纳 米线的直径，可以在基片上沉积催化剂材料的斑点阵列以催化纳米线 的生长。例如，为了生长碳纳米管，可以使用铁或镍斑点作为催化剂。 通过依照将要生长在斑点的上的期望的纳米线直径来确定斑点尺寸， 可以容易地制造任何具有不同直径的纳米线二极管结构。
任一方法步骤均可使用半导体技术中公知的传统过程。形成层 或组件可以包括例如CVD (化学汽相沉积)、PECVD (等离子增强 化学汽相沉积)、ALD (原子层沉积)或溅射等沉积技术。移除层或 组件可以包括例如湿蚀刻、汽相蚀刻等的蚀刻技术，以及包括例如光 亥lj、 UV光刻、电子束光刻等的成形技术。
本发明的实施例不限于具体材料，因此可以使用各种不同的材 料。对于导体结构，可以使用金属结构、硅化物结构或多晶硅结构。 对于半导体区域或组件，可以使用晶体硅结构。对于绝缘部分，可以 使用氧化硅或氮化硅。
光敏器件可以形成在纯晶体硅晶片上或者soi (绝缘体上硅)
晶片上o
任何处理技术如CMOS、 BIPOLAR和BICMOS均可使用。 本发明的上述及其它方面将通过下文参照实施例示例进行的说 明而变得清楚。


下面参照不对本发明构成限制的实施例示例进行详细说明。 图1例示了根据本发明实施例的光敏装置。 图2示出了根据本发明示例性实施例的光敏器件的剖视图。 图3示出了根据本发明的示例性实施例的图2所示光敏器件的 平面图。
图4示出了针对具有不同直径的纳米线例示了电磁辐射的波长 与所吸收的光子的比例之间的对应关系的视图。
图5示出了例示电磁辐射的波长与具有不同直径的纳米线的相对灵敏度之间的对应关系的视图。
图6示出了例示电磁辐射的波长与根据本发明示例性实施例的 逻辑滤波器的输出之间的对应关系的视图。
图7例示了蚀刻的纳米线结型器件的简图。
图8例示了反应离子蚀刻之后50个硅纳米线的阵列的扫描电子
显微图。
图9例示了单个30nm硅纳米线的传输电子显微图，其中在纳米 线的端部，多晶硅接触层进行了重结晶以形成低阻欧姆接触。
图IO例示了 50个纳米线二极管(每个具有30nm的直径)的阵 列的正向偏置二极管特性，其中的插图示出了正向偏置电流相对于每 个触点的纳米线数量的縮图(29片样本中误差为士lc5)。
图ll例示了在高正向电流下提取的单个二极管的理想因数和串 联电阻。
图12例示了各种直径的器件的反向偏置二极管特性。 图13例示了测量得到的(点)和计算得到的(线)为纳米线直 径的函数的击穿电压。
图14例示了计算得到的邻近(间距为lv)纳米线的静电等电势线。
图15例示了计算得到的沿着纳米线(实线)对称轴的电场分布， 以及平面二极管(虚线)在反向偏置电压为-7.5V情况下的等效场分 布。
具体实施例方式
附图中的例示为示意性的。在不同的附图中，相似或相同的元 件具有相同的参考标号。
下面参照图1对根据本发明示例性实施例的光敏器件100进行说明。
光敏器件IOO包括硅基片101。在硅基片101上形成多个垂直排 列的纳米线二极管102至105。从图l可以看出，不同的纳米线二极 管102至105具有不同的直径ch至d4，从而对电磁辐射(特别是光)的不同空间部分敏感。纳米线二极管102至105彼此平行，并包括p 型掺杂的第一末端部分106和n型掺杂的第二末端部分107。在此情 况下基片101也为p型掺杂。
在n型掺杂部分107和p型掺杂部分106之间，提供了基本无 掺杂或本征掺杂的耗尽部分108 (具有低载流子浓度)，其中根据所 述垂直排列的纳米线二极管102至105的相应直径&至d4与电磁辐 射109的波长I之间的对应关系，耗尽部分108能够吸收电磁辐射 109 (如光)。换句话说，根据电磁辐射109的波长X或频率f，纳 米线二极管102至105的敏感度彼此不同。因此，当电磁辐射束109 被纳米线102至105中的每一个吸收时，其吸收特性取决于直径A 至(14与电磁辐射09的波长之间的对应关系。
在纳米线102至105中作为产生电子空穴对的结果而产生的电 检测信号被检测到并被处理器112处理。在此情况下处理器112集成 在硅基片101中。针对不同的纳米线102至105，电信号可以不同， 并可以指示各个纳米线二极管102至105对电磁辐射109的波长的相 应吸收特性。
纳米线102至105嵌入在电绝缘并透光的氧化硅矩阵102中来 提供机械保护、空间限定以及与光导纤维111的适当耦合，所述光导 纤维111用于将电磁辐射109垂直地并横向地导向纳米线二极管102 至105。
更具体来说，由纳米线二极管102至105在吸收到光109时产 生的信号被提供给用于感测这些信号的电信号感测单元113。在此情 况下处理得到的或者感测得到的信号被提供至补偿和逻辑电路114 (此为可选)。由于二极管102至105的绝对吸收强度取决于各个直 径ch至d4，因此补偿电路114通过利用相应的校正信号选择性地放 大或衰减不同信号来精确地补偿所述差异。此外，可以将信号施加至 补偿和逻辑电路114中的逻辑单元从而输出逻辑结果，例如输出电磁 辐射109何种波长，或者光109的波长分布。
将输出信息01提供给输入/输出单元116。通过输入/输出单元 116，用户可以得到由器件IOO检测到的信息，或者可以提供控制信号来按照用户偏好来操作器件100。输入/输出单元116可以包括显 示单元，如LCD显示器、阴极射线管、等离子设备等。另外，输入/ 输出单元116可以包括输入元件，如按钮、键盘、操纵杆或者甚至是 语音识别系统的麦克风。
在此情况下，偏置单元115提供电势Vdd从而为纳米线二极管 102至105提供电偏置信号以迸行器件的操作。
图2和图3示出了根据本发明另 一示例性实施例的光敏器件200 的剖视图(图2)和平面图(图3)。
图2示出了 5个纳米二极管201，并示出了被耗尽体108分开的 阳极107和阴极106。还示出了接触层202。
图3的平面图示出了纳米线201为柱状纳米线。参考标号109 表示横向的入射光方向。
纳米线光电二极管201是硅(或其它半导体材料)制成的柱状 元件，可以如下文所述制造。所述纳米线光电二极管201包括底部(连 接至相同掺杂类型的基片101)的阴极区106 (n型掺杂)，以及顶 部的阳极107 (p型掺杂)。阳极107电连接至顶部。在阴极106和 阳极107之间形成耗尽体108，如在任何二极管中一样。区域108是 器件200的敏感部分。出于实际原因(如制造)的考虑，阴极106 和阳极107可以互换。
通常，二极管201直径的尺寸为5nm到1000nm，而二极管201 的垂直尺寸为500nm到10000nm。柱状结构201可以具有特别制备 的表面，以减少或最小化表面再化合的量。在制造过程中，柱状结构 201嵌入在氧化硅材料IIO或其它适当的电介质中。
光109横向入射在这些光电二极管201上，并通过电介质110 自由传播。当光109到达硅柱体201时会被吸收。入射光子109被吸 收的比例取决于柱状结构201的直径。
一旦被硅柱体201吸收，光子109会产生电子空穴对，从而在 两个电极之间形成可测量的电流。但是，如图4所示，所产生的电流 量取决于柱体直径。
图4示出了曲线图400，具有表示电磁辐射波长的横坐标401。沿着纵坐标402示出了所吸收光子的比例。不同的曲线403与具有不 同直径的纳米线的特性相关。
例如，450nm的光子不会被30nm的纳米线吸收，而会被500nm 的柱体吸收。换句话说，450nm的光子不会在30nm的纳米线中产生 实际电流，但会在更大直径的光电二极管中产生电流。
通常认为与柱体平行的偏振分量会被吸收，这是因为在其它方 向上纳米线的直径远小于波长。
图5示出了曲线图500，具有表示电磁辐射波长的横坐标501。 沿着纵坐标502示出了相对灵敏度。不同的曲线503与具有不同直径 的纳米线的特性相关。
对电流响应的适当逻辑组合能构成光电二极管的光谱分解系 统。例如，图6示出了 50nm禾B 100nm电流响应的异或(XOR)组 合°
图6示出了曲线图600，具有表示电磁辐射波长的横坐标601。 沿着纵坐标602示出了逻辑滤波器响应。曲线603具有尖峰特性，可 以导出有关电磁辐射的信息。
这样可以构成单/多带通分析器以及高通和低通滤波器。
二极管可以具有不同的绝对电流电平，因为其直径不同(于是 具有不同的外露面积以及不同的最大光电流)。这可以通过布置多个 更小的柱体来进行补偿，以使得总体响应相同，和/或通过正确调节 逻辑放大倍数来补偿不同的电流。
可以按交错的方式布置柱体，使得对入射光的总体吸收能力较高。
有几种方法来确保光的横向入射，而不是从顶部(或底部)入 射。通过使用全息透镜和波导(Luxtera)可以将来自顶部的光引入。 也可以直接将来自光纤的光横向引入芯片。本发明实施例的另一有趣 应用是用作光子晶体中的有源组件，其能够横向传播光。
光电二极管可以无偏置(光伏状态)、略微反向偏置(pin二极 管状态)、仅低于击穿的偏置(雪崩状态)或仅高于击穿(盖革模式 状态)的偏置。这些不同的偏置状态可以用于不同的应用。下面更详细地说明纳米线二极管的制造。这些制造技术可以提
供硅纳米线pn结的击穿增强。
为了试验性地制造纳米线二极管，可以在硅晶片上使用硅VLSI 技术来形成pn结。可以以n型掺杂的晶片(8"电子级硅，<100〉 Czochralski， p约为3mQcm或NAS约为2X 1019 cm-3， 500nm低掺 杂外延层；来自Wacker Siltronic)开始。在这些晶片中，可以植入 硼离子来形成高掺杂的阳极，并退火消除(anneal out)植入损伤 (0.5keV， 10"原子/cm2， 1100。C尖峰退火，0秒均热时间)。可以 执行卤基电感耦合的等离子蚀刻来形成纳米线。可以使用氢环境中的 退火步骤来修复并钝化蚀刻后的纳米线表面。可以使用高密四乙氧基 硅烷(TEOS)和高密度等离子辅助氧化的组合来将蚀刻并退火的纳 米线嵌入Si02中。使用化学-机械抛光法来对该结构进行平面化处理。 在使用2%氢氟酸暴露纳米线的端部后，该端部被清洁并呈现疏水性 (臭氧气，稀释HF， Marangoni干燥)。然后可以使用化学汽相沉 积来沉积约150nm的原位(in-situ)硼掺杂多晶硅(通常p<lmQcm)， 形成最小的界面氧化物。在接触焊盘(200|imX200pm)形成之后， 可以使用在45(T退火的溅射镍来将多晶硅薄膜的顶部转化成NiSi。 可以进一步使用蒸发铝来使这些接触焊盘和晶片背侧金属化。
图7是所制造的纳米线二极管的示意性图示700。
传输电子显微图(图8、图9)示出了其中最小的器件具有约30nm 的均匀直径(长宽比约为1: 10)，具有极好的结晶度和可以忽略的 锥度。特别是没有在器件中发现残留植入损伤的形态踪迹。
通过对制造过程的分析，可以估计出结深度约为纳米线顶端(阳 极)以下100nm。电子显微图还表明，在制造过程中的一个热退火步 骤期间，己经在纳米线顶端周围重结晶形成了多晶硅接触层。
图10示出了曲线图1000，具有表示正向偏置电压的横坐标 1001。沿着纵坐标1002示出了电流。
在图10中示出了 50个纳米线二极管(每个约30nm宽)的阵列 的正向偏置电流-电压特性。该器件表现出在电流上超过11个数量级 的二极管特性，其中最大电流密度约为每条线1600 kA/cm2，其中假设流经整个线直径的电流一致。与偏置无关的泄漏电流的缺失表明其 表面已被有效钝化。这些特性是高度可复制的，并且正向偏置电流与 每个接合盘(bondpad)上的线数量成比例(见插图1003)。
通过对晶片上29个不同位置的研究表明正向电流具有约20% 的扩散。
图11示出了曲线图1100，具有表示电流的横坐标1101。沿着 纵坐标1102示出了理想因数和串联电阻。
图11示出了针对单个30nm 二极管的电流I与高电流时的微分 电阻rj二dV/dl。根据标准二极管理论，rjI=nVth+RserI，其中n是二极 管理想因数，Vth是热电压，R^是二极管串联电阻。对于图11所示 的典型二极管，能够提取二极管串联电阻Rser"9.2kD，并且理想因 数为11=2.0。依据此特定器件中的实际接触区域，能够估计出具体接 触电阻处在6到20Qpm2的范围内。在所制造的器件中，耗尽体通 常小于约4X10—17cm3。
接下来讨论反向偏置时特性，其中如图12所示，可以观察到对 于不同的二极管直径具有显著的差异。
图12示出了曲线图1200，具有表示偏置电压的横坐标1201。 沿着纵坐标1202示出了电流。
对于直径约为500nm的结构，击穿电压约为7.6V。由于二极管 的横向尺寸减小至30nm，击穿电压以大于2的倍数增加至16.9V.
在图13中示出了数值计算得出的击穿电压与直径的关系。图13 示出了曲线图1300，具有表示二极管直径的横坐标1301。沿着纵坐 标1302示出了击穿电压。
击穿增强主要是由于周围电介质对硅纳米线pn结自身的电场分 布的影响。本质上，由多晶硅接触层限定的阳极触点和高掺杂的基片 形成两个大电容板。电容板中间的介质几乎全部是Si02电介质，而 30nm硅纳米线只占不到1%的面积。于是硅纳米线以外的场分布是 均匀的，具有典型单电容的等间距的等势面。在嵌入电介质与硅纳米 线的交界处，对静电场和位移的连续性要求平滑了结内的电场分布， 并抑制了引起二极管雪崩击穿的场尖峰。可以以使用适当边界条件的半导体和电介质中的泊松方程的数
值解来模拟该效应，所得结果如图13中的线、图14中的图1400和 图15中的线所示。
关于计算，假设一个具有均匀施主浓度约为3X1017cm'3的单侧 结，这与500nm二极管的击穿电压一致。除了此参数不做其它调整， 并在柱坐标系中针对各种二极管直径计算泊松方程的解。然后通过碰 撞电离积分来计算击穿电压。
图14示出了纳米线二极管201附近的等电势线1401，其中纳米 线二极管201处在接近等效平面二极管的击穿电压的反向偏置电压 下。示出了静电电势如何从电介质110的均匀分布变成半导体结内的 场分布。在电介质110内，使得电场严重偏离均匀场的宽度约为 35nm。这表明紧密布置的纳米线二极管也会具有此处看到的击穿增 强效应。
图15示出了纳米线二极管201中的电场与传统平面二极管中的 电场的对比。
图15示出了曲线图1500，具有表示沿二极管轴的位置的横坐标 1501。沿着纵坐标1502示出了电场。第一曲线1503针对平面二极管。 第二曲线1504针对嵌入的纳米线二极管。
可以清楚看出场分布的拖尾效应(smearing)以及所导致的金属 结附近的电场峰值的下降。
尽管如图12所示，简单的模型可以良好地重现击穿增强效应， 但是无法在最小的直径处给出与测量值完全一致的数量。这是由于未 纳入模型中的影响，如半导体中的应变、电介质的固定电荷、由于临 近表面而使雪崩产生的减小、标准雪崩模型的缺陷、或者器件掺杂分 布中的不确定性。还可以认为量子效应(如带隙加宽、改变的振动量 子散射率、或1D状态密度所导致的效应会改变纳米线中的击穿电压。 但是，认为这些效应只出现在较小的硅纳米线直径的情况下。对于这 些量子效应对器件特性影响的明确判别需要类似的更小直径下可控、 可重现的纳米线技术。
这样就可以制造直径低至30nm或更低的高质量嵌入式硅纳米
20线pn结。这样的二极管与其等效的平面二极管相比，其击穿电压增 强约2倍。这些器件中使载流子经受的电势状态由周围的电介质控 制，这会抹去(smear)半导体结内的电场。从而又抑制了雪崩击穿。 本发明还表明，"自上而下"(t叩down)制造技术能够制造高 质量的纳米线结器件，没有线的布置或集成的任何问题或者由金属前 体所导致的污染问题。基于重结晶多晶硅的接触技术也是可行的。此 技术可以扩展至更小的纳米线直径，并且适用于实现大范围的基于结 的器件，并且也可以作为对更小的纳米线器件进行量子效应试验的测试台。制造过程中的一个方面是在氢环境中进行表面处理。这是为了 确保表面处的低表面再化合速度，从而产生较好的光电二极管灵敏 度。所述氢环境的通常条件是95(TC、大气压下2分钟。如果对基片 掺杂砷并使其氢退火，则钝化效率会得到增强。在此情况下，砷原子 会从基片释放并在纳米线表面上重新沉积为单层，从而产生良好的表 面钝化。这会进一步改进光电二极管的性能。也可以使用其它半导体(如锗)作为起始材料。 一般而言，用 于制备纳米线的蚀刻方法优于生长方法，这是因为其制造位置控制容 易、可变直径的密集阵列、与现有VLSI工艺兼容、并且无需金属前 体，其中金属前体会在器件的敏感区形成污染并导致大的泄漏电流。最后，应注意，上述实施例是对本发明的例示而非限定。本领 域的技术人员将能够在不偏离由权利要求限定的发明范围的前提下 设计多种替代实施例。权利要求中置于括号内的参考标号不应理解为 对权利要求的限定。词语"包括"、"包含"等并不排除那些未在作 为整体的权利要求或说明书中列出的元件或步骤的存在。对元件的单 数引用并不排除对此元件的复数引用，反之亦然。在涉及数个装置的 装置权利要求中，数个装置可以由同一软件或硬件实现。特定手段在 互不相同的从属权利要求中的引用并不表示不可以使用这些手段的 组合来获取优点。
权利要求
1.一种光敏器件(100)，该光敏器件(100)包括基片(101)；多个垂直排列的纳米线二极管(102至105)。
2. 如权利要求l所述的光敏器件(100)，其中多个垂直排列的 纳米线二极管(102至105)中的不同纳米线二极管具有不同的直径(A至d4)。
3. 如权利要求l所述的光敏器件(100)，其中多个垂直排列的 纳米线二极管(102至105)被布置为彼此平行。
4. 如权利要求l所述的光敏器件(100)，其中多个垂直排列的 纳米线二极管(102至105)中的每一个均包括具有第一导电类型的 第一末端部分(106)和具有第二导电类型的第二末端部分(107)。
5. 如权利要求4所述的光敏器件(100)，其中第一导电类型不 同于第二导电类型。
6. 如权利要求4所述的光敏器件(100)，其中多个垂直排列的 纳米线二极管(102至105)中的每一个均包括处在第一末端部分(106)和第二末端部分(107)之间的耗尽部分(108)，其中依据 各个垂直排列的纳米线二极管(102至105)的直径(d!至d4)与电 磁辐射(109)的波长之间的对应关系，耗尽部分(108)能够吸收电 磁辐射(109)。
7. 如权利要求4所述的光敏器件(100)，其中基片(101)连 接至第一末端部分(106)并具有第一导电类型。
8. 如权利要求1所述的光敏器件(100)，包括电绝缘矩阵(110)， 其中嵌入有多个垂直排列的纳米线二极管(102至105)。
9. 如权利要求l所述的光敏器件(100),包括电磁辐射引导元 件(111)，其适于将电磁辐射(109)引导为在垂直于多个垂直排列 的纳米线二极管(102至105)的排列方向的方向入射到所述多个垂 直排列的纳米线二极管(102至105)。
10. 如权利要求9所述的光敏器件(100)，其中电磁辐射引导 元件包括由全息透镜、波导、光导纤维(111)和光子晶体材料所组 成的组中的至少一种。
11. 如权利要求1所述的光敏器件(100)，包括电信号感测单 元(113)，其适用于感测由多个垂直排列的纳米线二极管(102至 105)在通过多个垂直排列的纳米线二极管(102至105)吸收到电磁 辐射(109)时产生的电信号。
12. 如权利要求11所述的光敏器件(100)，包括电信号处理单 元(114)，其适用于对感测到的电信号进行处理以导出关于被多个 垂直排列的纳米线二极管(102至105)吸收的电磁辐射(109)的信 息，特别是光谱信息。
13. 如权利要求12所述的光敏器件(100)，其中电信号处理单 元(114)包括逻辑电路，其适用于按照预定的逻辑函数对电信号进 行处理，以导出关于电磁辐射(109)的信息，特别是光谱信息。
14. 如权利要求12所述的光敏器件(100)，其中电信号处理单 元(114)适用于对电信号加权，以至少部分地补偿不同的电磁辐射 吸收特性，所述不同的电磁辐射吸收特性是由所述多个垂直排列的纳 米线二极管(102至105)的不同个体的不同直径至d4)导致的。
15. 如权利要求1所述的光敏器件(100)，其中对多个垂直排列的纳米线二极管(102至105)进行分组以形成纳米线二极管(102至105)的组，使得一组的纳米线二极管(102至105)具有相同的直径，其中按照对多个垂直排列的纳米线二极管(102至105)中不同个体的不同直径(di至d4)所引起的不同电磁辐射吸收特性进行至少部分补偿的方式来形成分组。
16. 如权利要求1所述的光敏器件(100)，包括偏置单元(115)，其用于对多个垂直排列的纳米线二极管(102至105)形成电偏置。
17. 如权利要求1所述的光敏器件(100)，其中多个垂直排列的纳米线二极管(102至105)中的每一个均具有处在5nm至1000nm范围内的直径至d4)。
18. 如权利要求1所述的光敏器件(100)，其中多个垂直排列的纳米线二极管(102至105)中的每一个均具有处在500nm至10000nm范围内的长度。
19. 如权利要求1所述的光敏器件(100)，适用于由电光组件、光检测器、光谱敏感光检测器、带通分析器、单带通分析器、多带通分析器、高通分析器、低通分析器、带通滤波器、单带通滤波器、多带通滤波器、高通滤波器或低通滤波器构成的组中的一种。
20. 如权利要求1所述的光敏器件(100)，是使用CMOS技术制造的。
21. 如权利要求1所述的光敏器件(100)，其中基片(101)包括半导体材料，特别包括由IV族半导体和III族-V族半导体构成的组中的一种。
22. 如权利要求1所述的光敏器件(100)，其中多个垂直排列的纳米线二极管(102至105)包括由半导体纳米线、碳纳米管、硅纳米线和III族-V族纳米线构成的组中的一种。
23. 如权利要求1所述的光敏器件(100)，包括光子晶体，其中多个垂直排列的纳米线二极管(102至105)嵌入在光子晶体中或者功能性耦接至光子晶体。
24. —种制造光敏器件(100)的方法，该方法包括提供基片；以及形成多个垂直排列的纳米线二极管U02至105)。
25. 如权利要求24所述的方法，其中通过蚀刻形成多个垂直排列的纳米线二极管(102至105)，使其基本相对基片(101)的表面平面垂直延伸。
26. 如权利要求24所述的方法，其中通过生长形成多个垂直排列的纳米线二极管(102至105)，使其基本相对基片(101)的表面平面垂直延伸。
27. —种使用如权利要求1所述的光敏器件(100)的方法，用来检测在垂直于多个垂直排列的纳米线二极管(102至105)的排列方向的方向入射的电磁辐射(109)。
28. —种使用如权利要求1所述的光敏器件(100)的方法，用来控制在垂直于多个垂直排列的纳米线二极管U02至105)的排列方向的方向入射的电磁辐射(109)。
全文摘要
一种光敏器件(100)，该光敏器件(100)包括基片(101)和布置在基片上和/或布置在基片中的多个垂直排列的纳米线二极管(102至105)。
文档编号H01L27/144GK101675522SQ200880015033
公开日2010年3月17日 申请日期2008年4月29日 优先权日2007年5月7日
发明者普拉巴特·阿加瓦尔 申请人:Nxp股份有限公司