一种光电探测器的制作方法

本发明涉及半导体器件领域，特别是一种光电探测器，能完成可见光到红外光波段的探测。

背景技术：

在光纤通信系统中，光电探测器是必不可少的关键器件。0.8μm～0.9μm波段的短距离、高密度光纤通信系统、数据传输系统常采用Si单晶衬底或GaAs基PIN光电探测器、雪崩光电探测器与硅前置放大器混合集成的光接收器探测。而1.06μm～1.55μm波段光纤通信网则通常采用Ge单晶衬底或InP基PIN光电探测器、雪崩光电探测器与硅前置放大器混合集成的光接收器探测。

硅光电二极管作为其中一个重要分支，因其光谱响应良好、噪声低、寿命长和与CMOS工艺兼容性高等特点被广泛的应用于可见光探测和成像领域。其中，硅光电二极管作为最常用的光电探测器之一，具有快速、廉价、坚固、灵敏度高、量子效率高、体积小、重量轻、可靠性好、使用方便等特点。但是，由于Si材料的固有特性，存在对近红外光吸收系数低、对1.1μm以上波段没有响应等问题。

如图1所示为常规硅基光电PIN型二极管结构图。常规硅基光电PIN型二极管包括：重掺杂N型Si层20，在重掺杂N型Si层20上依次层叠有本征Si层21和重掺杂P型Si层22。重掺杂P型Si层22上表面左右两侧设置有金属阳极接触23，重掺杂N型Si层20下表面设置有金属阴极接触24。重掺杂P型Si层22上设置有抗反射层25。典型地，金属阳极接触23和金属阴极接触24均由金属Al材料构成，抗反射层25由SiO₂构成。应注意，上述材料仅仅是以示例的方式提供的，本技术领域人员应理解，其他材料也可以用在常规硅基光电PIN型二极管的构造中。

该类型光电二极管的工作原理是入射光射入器件，本征Si层21作为光吸收区，吸收光子，并产生光生载流子。在外加反向偏置作用下，器件内部产生自下而上的电场，光生载流子在电场作用下，分别向两极漂移移动，直至被电极吸收。

如图1所示为常规硅基光电PIN型二极管结构在0.8μm～0.9μm波段具有高响应性，但由于Si材料能带结构的固有特性，其对1.1μm以上的红外光波段没有响应。

在一些实施例中，本征Si层21的掺杂浓度，达到10¹³cm^-3数量级。

在一些实施例中，重掺杂N型Si层20和重掺杂P型Si层22的掺杂浓度，达到10¹⁹cm^-3数量级。

Ge材料由于其具有比Si材料更高的电子和空穴迁移率，与硅工艺兼容等优点，成为研究的热点。另外，Ge的带隙宽度小于Si，室温下为0.67eV，对1.3μm～1.6μm的光具有较高的吸收系数，在近红外波段的有较高的响应性。近年来，由于Ge外延技术的蓬勃发展，在Si基上已经可以外延出高质量纯Ge材料，减小了由于Si和Ge的晶格失配引起的失配位错，提高了Ge光电器件的性能。

在现有技术中，0.8μm～0.9μm波段的光，常采用Si PIN光电探测器或雪崩光电探测器探测，而1.06μm～1.55μm波段的光，常采用Ge PIN光电探测器或雪崩光电探测器探测，两个重要波段的探测分别用两种器件完成。

技术实现要素：

针对背景技术的不足之处，本发明提出的一种光电探测器，将硅光电二极管与锗光电二极管通过重掺杂N型Si层背靠背相连，分别发挥Si PIN型光电二极管和Ge PIN型光电二极管在0.8μm～0.9μm以及1.1μm～1.35μm两个重要波段的高响应性的特点，从而实现可见光到红外光波段的探测；而且，本发明提出的一种光电探测器工作电压较低，可在5V及以下的电压工作，易与前置放大器混合集成。

本发明的技术方案为：

一种光电探测器，包括：由重掺杂P型Ge层6、重掺杂N型Si层4和中间掺入的本征Ge层5构成的一个Ge PIN型光电二极管以及由重掺杂N型Si层4、重掺杂P型Si层2和中间掺入的本征Si层3构成的一个Si PIN型光电二极管通过重掺杂N型Si层4背靠背相连；

所述重掺杂N型Si层4、本征Ge层5和重掺杂P型Ge层6构成一个平面结构11，所述本征Si层3和重掺杂P型Si层2构成一个台面结构10；

所述的重掺杂P型Ge层6下表面设有第一金属阳极接触7，在重掺杂N型Si层4上表面左右两侧设有金属阴极接触8，在重掺杂P型Si层2上表面左右两侧设有第二金属阳极接触9；

所述的台面结构10上表面、侧壁和平面结构11上表面左右两侧淀积有一层钝化层1。

进一步的，所述第一金属阳极接触7、金属阴极接触8和第二金属阳极接触9的材料为Al。

进一步的，所述钝化层1的材料为SiO₂。

进一步的，所述的重掺杂P型Si层2的掺杂浓度达到10¹⁹cm^-3数量级。

进一步的，所述的本征Si层3的掺杂浓度达到10¹³cm^-3数量级。

进一步的，所述的重掺杂N型Si层4的掺杂浓度达到10¹⁹cm^-3数量级。

进一步的，所述的本征Ge层5的掺杂浓度比重掺杂N型Si层4的掺杂浓度低至少4个数量级。

进一步的，所述的重掺杂P型Ge层6的掺杂浓度达到10¹⁹cm^-3数量级。

光波探测过程：在探测短波(波长小于1.1μm)时，短波光子被Si PIN型光电二极管吸收，短波光子从钝化层1射入，经过重掺杂P型Si层2到达本征Si层3，本征Si层3作为光吸收区，吸收短波光子，产生光生载流子；在外加电压作用下，金属阴极接触8和第二金属阳极接触9之间产生电场，光生载流子在电场作用下，分别向两极漂移移动，直至被电极吸收。在探测长波(波长大于1.1μm)时，长波光子被Ge PIN型光电二极管吸收，由于Si对于长波光子而言为透明材料，不能吸收长波光子，所以长波光子从钝化层1射入，依次通过重掺杂P型Si层2、本征Si层3和重掺杂N型Si层4，到达本征Ge层5，本征Ge层5作为光吸收区，吸收长波光子，并产生光生载流子；由于Al层有反射光波的作用，所以透射过本征Ge层5的长波光子，会被第一金属阳极接触7反射回本征Ge层5，继续被本征Ge层5吸收，产生光生载流子；在外加电压作用下，金属阴极接触8和第一金属阳极接触7之间产生电场，光生载流子在电场作用下，分别向两极漂移移动，直至被电极吸收。

本发明的有益效果为：扩展了硅光电二极管的光探测波段，能完成可见光到红外光波段的探测，在0.8μm～0.9μm和1.1μm～1.35μm两个重要波段均具有较高响应性；Ge PIN型光电二极管与Si PIN型光电二极管通过重掺杂N型Si层4相连，能够同时检测短波和长波，进行不同波长检测时，不用更换器件；本发明提供的光电二极管有较小的工作电压，可在5V及以下的电压工作，易与前置放大器混合集成；第一金属阳极接触同时作为电极和金属镜，起到加电压和反射长波光子的作用，加强Ge PIN型光电二极管对长波光子的吸收。

附图说明

图1为常规硅基光电PIN型二极管结构图。

图2为本发明提供的一种光电探测器的截面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

需要注意的是，图1和图2仅仅表示所述二极管的示意性简化图，因此这两张图并不是按比例绘制的。

如图2所示为本发明提供的一种光电探测器的截面结构图。该光电二极管由重掺杂P型Ge层6、重掺杂N型Si层4和中间掺入的本征Ge层5构成的一个Ge PIN型光电二极管以及由重掺杂N型Si层4、重掺杂P型Si层2和中间掺入的本征Si层3构成的一个Si PIN型光电二极管通过重掺杂N型Si层4背靠背相连；本征Si层3的横向长度小于重掺杂N型Si层4；重掺杂N型Si层4、本征Ge层5和重掺杂P型Ge层6构成了一个平面结构11，设于平面结构11之上的本征Si层3和重掺杂P型Si层2构成了一个台面结构10；在重掺杂P型Ge层6下表面设有第一金属阳极接触7，在重掺杂N型Si层4上表面左右两侧设有金属阴极8，在重掺杂P型Si层2上表面左右两侧设有第二金属阳极接触9；在台面结构10上表面、侧壁和平面结构11上表面左右两侧淀积有一层钝化层1。

应注意，上述材料仅仅是以示例的方式提供的，本技术领域人员应理解，其他材料也可以用在本发明实施例中的光电二极管的构造中。

本发明实施例光电二极管的原理是：光波探测过程：在探测短波(波长小于1.1μm)时，短波光子被Si PIN型光电二极管吸收。短波光子从钝化层1射入，经过重掺杂P型Si层2到达本征Si层3，本征Si层3作为光吸收区，吸收短波光子，产生光生载流子；在外加电压作用下，金属阴极接触8和第二金属阳极接触9之间产生电场，光生载流子在电场作用下，分别向两极漂移移动，直至被电极吸收；在探测长波(波长大于1.1μm)时，长波光子被GePIN型光电二极管吸收。由于Si对于长波光子而言为透明材料，不能吸收长波光子，所以长波光子从钝化层1射入，依次通过重掺杂P型Si层2、本征Si层3和重掺杂N型Si层4，到达本征Ge层5，本征Ge层5作为光吸收区，吸收长波光子，并产生光生载流子；由于Al层有反射光波的作用，所以透射过本征Ge层5的长波光子，会被第一金属阳极接触7反射回本征Ge层5，继续被本征Ge层5吸收，产生光生载流子。在外加电压作用下，金属阴极接触8和第一金属阳极接触7之间产生电场，光生载流子在电场作用下，分别向两极漂移移动，直至被电极吸收。

在一些实施例中，重掺杂P型Si层2的掺杂浓度，达到10¹⁹cm^-3数量级。

在一些实施例中，本征Si层3的掺杂浓度，达到10¹³cm^-3数量级。

在一些实施例中，重掺杂N型Si层4的掺杂浓度，达到10¹⁹cm^-3数量级。

在一些实施例中，本征Ge层5的掺杂浓度比重掺杂N型Si层4的掺杂浓度低至少4个数量级。

在一些实施例中，重掺杂P型Ge层6的掺杂浓度，达到10¹⁹cm^-3数量级。

此实施例器件结构中，重掺杂N型Si层4、本征Ge层5和重掺杂P型Ge层6构成了一个平面结构11，设于平面结构11之上的本征Si层3和重掺杂P型Si层2构成了一个台面结构10。

此实施例器件结构，重掺杂P型Ge层6、本征Ge层5和重掺杂N型Si层4构成了一个Ge PIN型光电二极管；重掺杂杂N型Si层4、本征Si层3和重掺杂P型Si层2构成了一个Si PIN型光电二极管，其中，Ge PIN型光电二极管与Si PIN型光电二极管通过重掺杂N型Si层4背靠背相连。

此实施例器件结构，台面结构10上表面、侧壁和平面结构11上表面左右两侧淀积有一层钝化层1，该钝化层既有钝化器件的作用，又有减少短波反射的作用。

此实施例器件结构，第一金属阳极接触7同时作为电极和金属镜，起到加电压和反射长波光子的作用。第一金属阳极接触7与第二金属阳极接触9短接，Si PIN型光电二极管与Ge PIN型光电二极管共用了金属阴极接触8，Si PIN型光电二极管与Ge PIN型光电二极管同时工作，从而使本发明结构可对可见光和红外光做出响应，扩展了光的吸收波段。

本发明设计的光电二极管结构，在波段响应方面，能完成更长波段的探测，且在0.8μm～0.9μm以及1.1μm～1.35μm两个重要波段均具有较高响应性。此外，本发明涉及的光电二极管工作电压较低，易与前置放大器混合集成。

虽然本发明已经描述了特定实施例，但是将意识到本发明的原理不限于那些实施例。本文描述的发明概念可在探测可见光和红外光时使用。本文公开的实施例能完成可见光到红外光宽光波段的探测，且在0.8μm～0.9μm以及1.1μm～1.35μm两个重要波段均具有较高响应性。