硅红外检光器的结构及其制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种硅红外检光器的结构及其制作方法，以带有重补偿的超重掺杂硅单晶材料为红外光电转换材料，包括单独采用带有重受主补偿的超重施主掺杂硅单晶材料或带有重施主补偿的超重受主掺杂硅单晶材料吸收红外光产生电子?空穴对，或者同时采用带有重受主补偿的超重施主掺杂硅单晶材料和带有重施主补偿的超重受主掺杂硅单晶材料构成PN结来吸收红外光产生电子?空穴。本发明在硅单晶材料中同时重掺入施主杂质和受主杂质，在禁带中同时出现施主杂质能带和受主杂质能带，同时出现连接导带的能带尾和连接价带的能带尾，杂质能级参与红外光子吸收，以及电子和空穴的跃迁，提高硅材料在近红外通信波段的光电转换效率。
【专利说明】
硅红外检光器的结构及其制作方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种硅红外检光器的结构及其制作方法，属于硅基光电集成技术领域。
【背景技术】
[0002]硅的禁带宽度约为1.12ev，本征光吸收的光谱吸收极限在lllOnm。而目前光通信的光窗口在1310nm、1490nm、1550nm等红外波段，所以工作于这些红外波段的光探测器目前以三五族材料为主。硅是使用最广，工艺最成熟，产业最完整的半导体材料。硅在电子领域具有无人能敌的地位，光与电相融合的需求，使得硅光技术成为研究热点。除了半导体材料本征光吸收外，硅还有激子吸收、晶格振动吸收、杂质吸收及自由载流子吸收等非本征光吸收。其中只有杂质吸收可以贡献光生自由电子和空穴，产生光电效应。不同掺杂杂质在硅禁带中不同位置形成杂质能级，常规硅器件通常采用浅能级杂质提供载流子进行N、P型掺杂，硅的浅施主杂质通常有磷P、砷As、锑Sb，硅的浅受主杂质通常有硼B、铝Al、镓Ga，它们的电离能分别为:卩[0.0446￥]、厶8[0.0496￥]、513[0.0396￥]、8[0.01046￥]、厶1[0.01026￥]、6&[0.0lOSeV]。这些浅杂质能级上的电子或空穴吸收光子能量从杂质能级跃迀到导带或价带，这些浅杂质吸收的波长在20-30微米的远红外区。娃的深能级杂质有钯Pd、锌Zn、金Au、硫S、砸Se等。掺锌Zn的硅材料的杂质吸收光波长在2-3微米，掺砸Se和掺硫S的硅材料的杂质吸收光波长分别在2.5-3.5微米和5-6微米。2014年，Richard R.Grote等人发表了利用Zn掺杂的娃基波导光探测器，吸收波长在2.2-2.4微米(“Extrinsic photod1des forintegrated mid-1nfrared si I icon photonics，，，Vol.1, N0.4 , October 2014，Optica)。中科院半导体所的毛雪和韩培德也在其专利申请“深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器及其制备方法”(申请号:201110384199.9)中公开了利用高浓度深能级杂质掺杂区和浅能级杂质掺杂区形成PN或PIN结，使得在深能级杂质掺杂区吸收红外光产生的电子空穴对。深能级杂质不是CMOS等晶圆工艺的普遍采用的常规杂质，而且深能级杂质电离能大，不容易电离，容易在产生电子和空穴的陷阱和复合中心，减短非平衡载流子寿命，同时深能级杂质一般会产生多重能级，能级不易控制。近年来随着硅衬底上锗单晶外延生长技术的发展，硅基上生长的锗材料探测器成为1310nm到1550nm硅基光电探测器的主流技术。但是由于锗和硅之间较大的晶格失配，以及锗材料的掺杂和钝化等问题，目前硅基锗光探测器的漏电流还是较大。
【发明内容】
[0003]本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
[0004]鉴于上述和/或现有硅器件中存在的采用深能级杂质掺杂不容易电离，减短非平衡载流子寿命，以及能级不易控制等问题，提出了本发明。
[0005]本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种硅红外检光器的结构，提高硅材料在近红外通信波段的光电转换效率。
[0006]本发明还提供一种硅红外检光器的制造方法，该方法与CMOS工艺兼容。
[0007]按照本发明提供的技术方案，所述硅红外检光器的结构，包括硅层和位于硅层上表面的钝化层，在硅层上表面形成脊形光波导，在钝化层中设置检光器的阴极和阳极;其特征是:在所述硅层中脊形光波导的两翼设置第一掺杂区域和第二掺杂区域，在脊形光波导设置带有重补偿的超重掺杂区域。
[0008]在一个【具体实施方式】中，所述重补偿的超重掺杂区域具有一个重补偿的超重掺杂区域。
[0009]在一个【具体实施方式】中，所述重补偿的超重掺杂区域具有两个重补偿的超重掺杂区域。
[0010]在一个【具体实施方式】中，所述重补偿的超重掺杂区域的补偿率为97%?103%时，第一掺杂区域、第二掺杂区域与带有重补偿的超重掺杂区域形成PIN结;所述重补偿的超重掺杂区域的补偿率小于97%时，重补偿的超重掺杂区域和第一掺杂区域或第二掺杂区域形成
PN结。
[0011]在一个【具体实施方式】中，所述重补偿的超重掺杂区域的补偿率为97%?103%时，第一掺杂区域、第二掺杂区域与两个带有重补偿的超重掺杂区域形成PIN结;所述重补偿的超重掺杂区域的补偿率小于97%时，两个重补偿的超重掺杂区域之间形成PN结。
[0012]在一个【具体实施方式】中，所述第一掺杂区域与检光器的阳极欧姆接触，第二掺杂区域与检光器的阴极欧姆接触。
[0013]在一个【具体实施方式】中，还包括设置于脊形光波导一侧翼部的第三掺杂区域，第三掺杂区域与检光器的阳极欧姆接触。
[0014]在一个【具体实施方式】中，所述第一掺杂区域的掺杂浓度不小于lE19/cm3，第二掺杂区域的掺杂浓度不小于lE19/cm3。
[0015]所述硅红外检光器的制造方法，其特征是，包括以下步骤:
(1)在硅层上表面制作脊形光波导；
(2)在脊形光波导的两翼制作第一掺杂区域和第二掺杂区域，在脊形光波导制作带有重补偿的超重掺杂区域；
(3)在步骤(2)得到的硅层上表面制作钝化层。
[0016]所述硅红外检光器的制造方法，其特征是，包括以下步骤:
(1)在硅层中制作第一掺杂区域、第二掺杂区域和带有重补偿的超重掺杂区域；
(2)在步骤(I)处理后的硅层上表面制作脊形光波导；
(3)在步骤(2)处理后的硅层上表面制作钝化层。
[0017]本发明所述硅红外检光器的结构及其制作方法，在硅单晶材料中同时重掺入η型施主杂质和P型受主杂质，使半导体硅材料进入施主和受主双简并状态，在禁带中同时出现施主杂质能带和受主杂质能带，进而同时出现连接导带的能带尾和连接价带的能带尾，随着η型施主杂质和P型受主杂质掺杂浓度的提高，连接导带的能带尾和连接价带的能带尾同时从上下向能带中心延伸，杂质能级参与红外光子吸收，以及电子和空穴的跃迀。本发明工艺同CMOS工艺兼容，采用CMOS工艺中最常规的浅能级杂质。
【附图说明】
[0018]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中:
图1为本发明所述硅红外检光器实施例一的结构示意图。
[0019]图2?图7为实施例一所述硅红外检光器的第一种制备方法的示意图，其中:
图2为在单晶硅层上表面刻蚀形成脊形光波导的示意图。
[0020]图3为在单晶硅层的超重受主离子注入区域注入受主杂质的示意图。
[0021 ]图4为在重施主离子注入区域内离子注入施主杂质的示意图。
[0022]图5为在超重施主离子注入区域内离子注入施主杂质的示意图。
[0023]图6为在重受主离子注入区域内离子注入受主杂质的示意图。
[0024]图7为经离子注入和退火后的示意图。
[0025]图8?图14为实施例一所述硅红外检光器的第二种制备方法的示意图，其中:
图8为平整的单晶硅层的示意图。
[0026]图9为在单晶硅层的超重受主离子注入区域内离子注入受主杂质的示意图。
[0027]图10为在重施主离子注入区域内离子注入施主杂质的示意图。
[0028]图11为在超重施主离子注入区域内离子注入施主杂质的示意图。
[0029]图12为在重受主离子注入区域内离子注入受主杂质的示意图。
[0030]图13为经离子注入和退火后的示意图。
[0031 ]图14为在单晶硅层上表面刻蚀形成脊形光波导的示意图。
[0032]图15为本发明所述硅红外检光器实施例二的结构示意图。
[0033]图16?图20为实施例二所述硅红外检光器的制备方法的示意图，其中:
图16为在单晶硅衬底的超重受主离子注入区域内离子注入受主杂质的示意图。
[0034]图17为在重施主离子注入区域内离子注入施主杂质的示意图。
[0035]图18为在超重施主离子注入区域内离子注入施主杂质的示意图。
[0036]图19为在重受主离子注入区域离子注入受主杂质的示意图。
[0037]图20为经离子注入和退火后的示意图。
[0038]图21为本发明所述硅红外检光器实施例三的结构示意图。
[0039]图22为本发明所述硅红外检光器实施例四的结构示意图。
[0040]图中序号:单晶硅层1、介质层2、钝化层3、N型电极40、P型电极41、电阻加热器的电极42、电阻加热器的电阻部分43、超重施主掺杂区(N++)5、带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6、带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7、超重受主掺杂区(P++)8、重受主掺杂区(P+)9、单晶硅衬底10、超重受主离子注入区域11、重施主离子注入区域12、超重施主离子注入区域13、重受主离子注入区域14、重施主掺杂区(N+)15。
【具体实施方式】
[0041]为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的说明。
[0042]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施例，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0043]其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实施制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0044]实施例一:
如图1所示:本发明所述硅红外检光器的结构，包括从下至上依次设置的介质层2、单晶硅层I和钝化层3，在钝化层3表面设置电阻加热器，电阻加热器包括电阻加热器的电极42和电阻加热器的电阻部分43;在所述单晶硅层I的上表面刻蚀形成脊形光波导，在单晶硅层I中设置带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7、带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6、超重受主掺杂区(P++)8和超重施主掺杂区(N++)5，带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7和带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6位于脊型光波导的区域，超重受主掺杂区(P++)8和超重施主掺杂区(N++)5位于脊型光波导的两翼，带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7和带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6之间的交界位于脊型光波导的中部，但不一定是中心位置，根据脊型光波导中的光场分布，可以偏离中心位置;所述钝化层3的上表面接近平面，在钝化层3中设置N型电极40和P型电极41，N型电极40为检测器的阴极，P型电极41为检光器的阳极;所述N型电极40的下端与超重施主掺杂区(N++)5连接，N型电极40的上端伸出钝化层3的上表面;所述P型电极41的下端与超重受主掺杂区(P++)8连接，P型电极41的上端伸出钝化层3的上表面。
[0045]所述带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7，同时掺入高浓度的受主杂质和高浓度的施主杂质，电离后，受主掺杂浓度大于施主掺杂浓度，整体呈现P型。将电离施主浓度与电离受主浓度的比值记作施主补偿率。施主补偿的补偿率可以从50%到接近100%，也就是说，以施主补偿率为90%计算，如果该区域的受主掺杂浓度为5E19/cm3，则施主掺杂浓度为4.5E19/cm3。所述带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7连接导带的能带尾和连接价带的能带尾同时从上下向能带中心延伸，杂质能级参与红外光子吸收，以及电子和空穴的跃迀。所述带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6，该区域同时掺入高浓度的施主杂质和高浓度的受主杂质，电离后，施主掺杂浓度大于受主掺杂浓度，整体呈现N型。将电离受主浓度与电离施主浓度的比值记作受主补偿率。受主补偿的补偿率可以从50%到接近100%，也就是说，以受主补偿率为90%计算，如果该区域的施主掺杂浓度为5E19/cm3，则受主掺杂浓度为4.5 E19/cm3。所述带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6连接导带的能带尾和连接价带的能带尾同时从上下向能带中心延伸，杂质能级参与红外光子吸收，以及电子和空穴的跃迀。
[0046]所述超重受主掺杂区(P++)8的受主杂质掺杂浓度不小于lE19/cm3，该区域作为检光器的P型电极的欧姆接触区域。
[0047]所述超重施主掺杂区(N++)5的施主杂质掺杂浓度不小于lE19/cm3，该区域作为检光器的N型电极的欧姆接触区域。
[0048]所述电阻加热器的电阻部分43的材料可以是铬、镍、钨、钛钨等，但不限于此。
[0049]所述单晶娃层I的厚度为100]11]1?60011111，单晶娃层1可以是301(3;[1;[(3011-011-1solat1n)片中的顶层娃层。单晶娃层I的载流子浓度不超过5 E17/cm3，可以呈N型，也可以是P型。
[0050]所述介质层2是透明的，特别是在本发明所述检光器工作的近红外波长范围内光吸收微弱，可以被看作是透明的;所述介质层2的材料可以是二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、玻璃等无机材料，也可以是聚酰亚胺、SU-8、树脂、塑料等有机材料，但不限于此。所述介质层2可以是SOI(Silicon-on-1solat1n)片中的绝缘介质层，此时介质层2上与单晶娃层I相对的另一面还有体硅材料。所述介质层2的厚度大于I微米。所述介质层2的作用包括为单晶硅层I提供与介质层2另一面材料间的电隔离、为单晶硅层I上的光波导提供低折射率的下包层，以及为单晶硅层I上提供与介质层2另一面材料间的热隔离，使得单晶硅层I上可以实现局部的快速高效热调制，以改善单晶娃层I上功能结构的性能。局域加热提高声子密度，进一步提高电子和空穴在声子参与下从杂质能级跃迀到导带和价带的跃迀几率，从而提高带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6和带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N+) 7的光电转化效率。
[0051]所述钝化层3除了对单晶硅层I上功能结构起钝化保护作用外，还为单晶硅层I上的光波导提供低折射率的上包层。所述钝化层3的材料可以是二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等无机材料，也可以是聚酰亚胺、SU-8、PMMA、树脂、塑料等有机材料，但不限于此。
[0052]如图2?图7所不，为实施例一所述娃红外检光器的第一种制备方法，先做脊型光波导，再做离子注入和退火;具体包括以下步骤:
(I)如图2所示，在单晶硅层I上表面刻蚀形成脊形光波导，刻蚀深度小于单晶硅层I的厚度，脊形表光波导15的宽度为200nm?800nm，脊形光波导的两翼余留单晶娃层I作为检光器的N型电极40和P型电极41的欧姆接触层的所在层，以及电子和空穴从检光器的光吸收区至丨JN型电极40和P型电极41间的传输通道。
[0053](2)如图3所示，在单晶硅层I的超重受主离子注入区域11进行离子注入受主杂质；如图4所示，在重施主离子注入区域12内离子注入施主杂质；如图5所示，在超重施主离子注入区域13内离子注入施主杂质；如图6所示，在重受主离子注入区域14内离子注入受主杂质;上述离子注入顺序是可以调整的，不影响本发明的实际效果。上述所有离子注入区域的位置、形状和尺寸由光刻胶的涂覆、曝光、显影出注入窗口来决定。选择离子注入的能量使得在退火激活后离子在所述离子注入区域内均匀分布;选择离子注入的剂量使得在退火激活后超重受主离子注入区域11内的受主掺杂浓度不小于lE19/cm3，超重施主离子注入区域13内的施主掺杂浓度不小于lE19/cm3;重施主离子注入区域12的离子注入的剂量选择取决于该区域的施主补偿的补偿率，施主补偿的补偿率可以从50%到接近100%;重受主离子注入区域14的离子注入的剂量选择取决于该区域的受主补偿的补偿率，受主补偿的补偿率可以从50%到接近100%。重施主离子注入区域12位于超重受主离子注入区域11内，重施主离子注入区域12与超重受主离子注入区域11部分重叠，该重叠区域既有受主杂质又有施主杂质，退火激活后，电离受主浓度大于电离施主浓度，该重叠区整体呈现P型，形成带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7;未和重施主离子注入区域12重叠的超重受主离子注入区域11形成超重受主掺杂区(P++)8;重受主离子注入区域14位于超重施主离子注入区域13内，重受主离子注入区域14与超重施主离子注入区域13部分重叠，该重叠区域既有受主杂质又有施主杂质，退火激活后，电离施主浓度大于电离受主浓度，该重叠区整体呈现N型，形成带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6;未和重受主离子注入区域14重叠的超重施主离子注入区域13形成超重施主掺杂区(N++)5。
[0054](3)在步骤(2)的离子注入完成后进行退火激活，注入的施主杂质和受主杂质电离激活，并进行再分布，施主杂质和受主杂质重叠注入的区域发生施主和受主间的补偿，形成如图7所示的载流子分布。带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6和带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7间的交界位于脊型光波导的中部，在该交界位置形成PN结。带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6和带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N+ )7覆盖脊型光波导的光场区域，以实现带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6和带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7在脊型光波导中传输光波的最大耦合。当带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6和带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N+ )7的补偿率接近100%时(一般为97%?103%)，超重受主掺杂区(P++)8、带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7、带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6和超重施主掺杂区(N++)5构成PIN结；当带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6和带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7的补偿率小于97%时分别呈现N型和P型时，在带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6和带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7界面形成PN结，PN结的方向为竖直方向，带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6和带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7吸收红外光产生的电子和空穴对将被上述PN结迅速扫至IjN型和P型区域，最后被检光器的阴极(N型电极40)和阳极(P型电极41)收集。
[0055](4)在步骤(3)完成后，沉积钝化层3，制备检光器的阴极(N型电极40)和阳极(P型电极41)，以及电阻加热器的电阻部分43和电阻加热器的电极42。
[0056]如图8?图14所示，为实施例一所述硅红外检光器的第二种制备方法，先做离子注入和退火，再做脊型光波导;具体包括以下步骤:
(I)如图8所示，选用平整的单晶硅层I;如图9所示，在单晶硅层I的超重受主离子注入区域11内离子注入受主杂质;如图10所示，在重施主离子注入区域12内离子注入施主杂质；如图11所示，在超重施主离子注入区域13内离子注入施主杂质；如图12所示，在重受主离子注入区域14内离子注入受主杂质。其中，重施主离子注入区域12位于超重受主离子注入区域11内，重施主离子注入区域12与超重受主离子注入区域11部分重叠，该重叠区域形成带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7，未和重施主离子注入区域12重叠的超重受主离子注入区域11形成超重受主掺杂区(P++)8;重受主离子注入区域14位于超重施主离子注入区域13内，重受主离子注入区域14与超重施主离子注入区域13部分重叠，该重叠区域形成带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6，未和重受主离子注入区域14重叠的超重施主离子注入区域13形成超重施主掺杂区(N++)5。上述离子注入顺序是可以调整的，不影响本发明的实际效果。
[0057](2)在步骤(I)的离子注入完成后，进行退火激活，注入的施主杂质和受主杂质电离激活，并进行再分布，施主杂质和受主杂质重叠注入的区域发生施主和受主间的补偿，形成如图13所示的载流子分布。
[0058](3)如图14所示，在步骤(2)处理后的单晶硅层I上表面刻蚀出脊型光波导。带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6和带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7间的交界处位于脊型光波导的中部，在所述交界位置形成PN结。
[0059](4)在步骤(3)完成后沉积钝化层3，制备检光器的阴极(N型电极40)和阳极(P型电极41)，以及电阻加热器的电阻部分43和电阻加热器的电极42。
[0060]采用第二种制备方法制备硅红外检光器的优点在于:在载流子浓度要求均匀分布的情况下，离子注入时注入区域内各点的注入深度一致，退火再分布深度一致，更易于工艺实现。
[0061]实施例二:
如图15所示:本发明所述硅红外检光器的结构，包括单晶硅衬底10，在单晶硅衬底10的上表面刻蚀形成脊形光波导；在所述单晶硅衬底10上表面覆盖钝化层3，钝化层3均匀覆盖脊形光波导和脊形光波导的两翼;在所述单晶硅衬底10中设置带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7、带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6、超重受主掺杂区(P++)
8、超重施主掺杂区(N++)5和重受主掺杂区(P+)9，带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++N +)7和带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6沿着脊型光波导的两侧壁和顶部方向布置，超重受主掺杂区(P++)8和超重施主掺杂区(N++)5位于脊型光波导的两翼，带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7和带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6之间的交界沿着脊型光波导的两侧壁和顶部方向；在所述钝化层3中设置N型电极40和P型电极41，N型电极40为检测器的阴极，P型电极41为检光器的阳极;所述N型电极40的下端与超重施主掺杂区(N++)5连接，N型电极40的上端伸出钝化层3的上表面;所述P型电极41的下端与重受主掺杂区(P+ ) 9连接，P型电极41的上端伸出钝化层3的上表面。
[0062]所述重受主掺杂区(P+)9的载流子浓度不大于超重受主掺杂区(P++)8的载流子浓度。
[0063]所述单晶硅衬底10为体硅晶圆，其载流子浓度不超过5E17/cm3，可以呈N型，也可以是P型。
[0064]如图16?图20所示，为实施例二所述硅红外检光器的制备方法，具体包括以下步骤:
(I)在单晶硅衬底10上表面刻蚀形成脊型光波导，脊型光波导的几何尺寸(宽度和高度)取决于该脊型光波导可以有效的限制约束相应的红外光波长使其能低损耗的在该脊型光波导中传输。
[0065](2)如图16所示，在单晶硅衬底10的超重受主离子注入区域11内离子注入受主杂质；如图17所示，在重施主离子注入区域12内离子注入施主杂质；如图18所示，在超重施主离子注入区域13内离子注入施主杂质；如图19所示，在重受主离子注入区域14离子注入受主杂质。注入顺序依照先注入注入深度深的杂质，后注入注入深度浅的杂质。对于注入深度相同的杂质，离子注入顺序是可以调整的，不影响本发明的实际效果。上述所有离子注入区域沿脊型光波导的两侧壁和顶部，选择离子注入的剂量使得在退火激活后超重受主离子注入区域11内的受主掺杂浓度不小于lE19/cm3，超重施主离子注入区域13内的施主掺杂浓度不小于lE19/cm3;重施主离子注入区域12的离子注入的剂量选择取决于该区域的施主补偿的补偿率，施主补偿的补偿率可以从50%到接近100%;重受主离子注入区域14的离子注入的剂量选择取决于该区域的受主补偿的补偿率，受主补偿的补偿率可以从50%到接近100%。重施主离子注入区域12位于超重受主离子注入区域11内，重施主离子注入区域12与超重受主离子注入区域11部分重叠，该重叠区域既有受主杂质又有施主杂质，退火激活后，电离受主浓度大于电离施主浓度，该重叠区整体呈现P型，形成带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P++ N +)7;未和重施主离子注入区域12重叠的超重受主离子注入区域11形成超重受主掺杂区(P++)8;重受主离子注入区域14位于超重施主离子注入区域13内，重受主离子注入区域14与超重施主离子注入区域13部分重叠，该重叠区域既有受主杂质又有施主杂质，退火激活后，电离施主浓度大于电离受主浓度，该重叠区整体呈现N型，形成带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6;未和重受主离子注入区域14重叠的超重施主离子注入区域13形成超重施主掺杂区(N++)5。本实施例中整体呈N型的区域更靠近脊型光波导的表面，包裹在整体呈P型的区域的外侧，通过调整离子注入工艺、改变上述两个区域的整体掺杂类型，不影响本发明的效果。
[0066](3)在步骤(2)离子注入完成后，进行退火激活，注入的施主杂质和受主杂质电离激活，并进行再分布，施主杂质和受主杂质重叠注入的区域发生施主和受主间的补偿，形成如图20所示的载流子分布。带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6和带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7间的交界沿脊型光波导的两侧壁和顶部，在所述交界位置形成PN结。带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6和带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7吸收红外光产生电子和空穴。本实施例中，带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6和带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7较薄，光生载流子(电子和空穴)更容易扩散到PN结的耗散区进而被扫到N区和P区，被有效收集。带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6和带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7位于脊型光波导的光场区域的边缘，仅吸收在脊型光波导中传输的部分光能量，以便在不影响光信息通信的条件下，对光能量进行实时监测。
[0067](4)在步骤(3)完成后沉积钝化层3，制备检光器的阴极(N型电极40)和阳极(P型电极 41)。
[0068]实施例三:
如图21所示:本发明所述硅红外检光器的结构，包括从下至上依次设置的介质层2、单晶硅层I和钝化层3，在单晶硅层I的上表面刻蚀形成脊形光波导，在单晶硅层I中设置带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7、超重受主掺杂区(P++)8和重施主掺杂区(N+)15，带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7位于脊型光波导的区域，超重受主掺杂区(P++)8和重施主掺杂区(N+)15位于脊型光波导的两翼;所述钝化层3的上表面接近平面，在钝化层3中设置N型电极40和P型电极41，N型电极40为检测器的阴极，P型电极41为检光器的阳极;所述N型电极40的下端与重施主掺杂区(N+)15连接，N型电极40的上端伸出钝化层3的上表面;所述P型电极41的下端与超重受主掺杂区(P++)8连接，P型电极41的上端伸出钝化层3的上表面。
[0069]如图21所示，当带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P++ N +)7的补偿率接近100%时(一般为97%?103%)，超重受主掺杂区(P++)8、带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P++ N +)7和重施主掺杂区(N+) 15形成PIN结；当带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N+)7的补偿率小于97%而呈P型时，带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7和重施主掺杂区(N+)15形成PN结。在带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7吸收红外光产生的电子空穴对，电子在重施主掺杂区(N+) 15被检光器的阴极40收集，空穴在超重受主掺杂区(P++)8被检光器的阳极41收集。本实施例仅需要两步离子注入，一是在超重受主掺杂区(P++)8、带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7内离子注入受主杂质，使得纯受主掺杂浓度不小于lE19/cm3; 二是在带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7和重施主掺杂区(N+)15内离子注入施主杂质，施主补偿的补偿率可以从50%到接近100%。上述两步离子注入的顺序可以调整调换，不影响本发明的效果。带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7覆盖脊型光波导的光场区域，以实现带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P++ N +)7和脊型光波导中传输光波的最大親合，从而保证红外光被有效的吸收以产生电子空穴对。其它与实施例一相同和相似的部分不再赘述。
[0070]实施例四:
如图22所示:本发明所述硅红外检光器的结构，包括从下至上依次设置的介质层2、单晶硅层I和钝化层3，在单晶硅层I的上表面刻蚀形成脊形光波导，在单晶硅层I中设置带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6、重受主掺杂区(P+)9和超重施主掺杂区(N++)5，带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6位于脊型光波导的区域，重受主掺杂区(P+)9和超重施主掺杂区(N++)5位于脊型光波导的两翼;所述钝化层3的上表面接近平面，在钝化层3中设置N型电极40和P型电极41，N型电极40为检测器的阴极，P型电极41为检光器的阳极；所述N型电极40的下端与超重施主掺杂区(N++)5连接，N型电极40的上端伸出钝化层3的上表面;所述P型电极41的下端与重受主掺杂区(P+)9连接，P型电极41的上端伸出钝化层3的上表面。
[0071]与实施例三类似，如图22所示，当带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6的补偿率接近100%时(一般为97%?103%)，超重施主掺杂区(N++)5、带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6和重受主掺杂区(P+)9形成PIN结；当带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6的补偿率小于97%而呈N型时，带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6和重受主掺杂区(P+)9形成PN结，在带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6吸收红外光产生的电子空穴对，电子在超重施主掺杂区(N++)5被检光器的阴极40收集，空穴在重受主掺杂区(P+)9被检光器的阳极41收集。本实施例仅需要两步离子注入，一是在带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6和超重施主掺杂区(N++)5内离子注入施主杂质使得纯施主掺杂浓度不小于lE19/cm3; 二是在带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6和重受主掺杂区(P+)9内离子注入受主杂质，受主补偿的补偿率可以从50%到接近100%。上述两步离子注入的顺序可以调整调换，不影响本专利效果。带有重受主补偿的超重施主掺杂区(N++P+)6覆盖脊型光波导的光场区域，以实现带有重施主补偿的超重受主掺杂区(P ++ N +)7和脊型光波导中传输光波的最大耦合，从而保证红外光被有效的吸收以产生电子空穴对。其它与实施例一和实施例三相同和相似的部分不再赘述。
[0072]实施例三和实施例四的特点是结构和工艺更简单，成本更低。
[0073]当硅单晶掺杂浓度提高到一定程度，半导体硅材料进入简并状态，杂质能级简并化，形成杂质带，发生杂质带导电；若掺杂浓度再进一步提高，大量杂质中心的电势会影响到硅晶体电势的周期性分布，从而对其能带产生扰动，使得在禁带中在靠近导带底或价带顶的附近处出现能带尾;杂质能带随着掺杂浓度的提高而展宽，杂质能带与主能带相重叠，同时能带尾伸长，导致禁带宽度变窄。1550nm的光波对应的光能量约为0.8eV，与硅禁带宽度差约为320meV，仅靠一种类型的杂质简并掺杂难以使禁带有如此大的收缩量。
[0074]本发明在硅单晶材料中同时重掺入η型施主杂质和p型受主杂质，使半导体硅材料进入施主和受主双简并状态，在禁带中同时出现施主杂质能带和受主杂质能带，进而同时出现连接导带的能带尾和连接价带的能带尾，杂质能级参与光子吸收，以及电子和空穴的跃迀。本发明以带有重补偿的超重掺杂硅单晶材料为红外光电转换材料，包括分别单独采用带有重受主补偿的超重施主掺杂硅单晶材料和带有重施主补偿的超重受主掺杂硅单晶材料吸收红外光产生电子-空穴对，还包括同时采用带有重受主补偿的超重施主掺杂硅单晶材料和带有重施主补偿的超重受主掺杂硅单晶材料来构成PN结来吸收红外光产生并输运电子-空穴。本发明工艺同CMOS工艺兼容，采用CMOS工艺中最常规的浅能级杂质，包括浅施主杂质磷P、砷As、锑Sb，浅受主杂质通常有硼B、铝Al、镓Ga，但不限于此。
[0075]本发明采用的离子注入工艺可以是CMOS工艺中的低能离子注入。
[0076]应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.一种硅红外检光器的结构，包括硅层和位于硅层上表面的钝化层，在硅层上表面形成脊形光波导，在钝化层中设置检光器的阴极和阳极;其特征是:在所述硅层中脊形光波导的两翼设置第一掺杂区域和第二掺杂区域，在脊形光波导设置带有重补偿的超重掺杂区域。2.如权利要求1所述的硅红外检光器的结构，其特征是:所述重补偿的超重掺杂区域具有一个重补偿的超重掺杂区域。3.如权利要求1所述的硅红外检光器的结构，其特征是:所述重补偿的超重掺杂区域具有两个重补偿的超重掺杂区域。4.如权利要求2所述的硅红外检光器的结构，其特征是:所述重补偿的超重掺杂区域的补偿率为97%?103%时，第一掺杂区域、第二掺杂区域与带有重补偿的超重掺杂区域形成PIN结;所述重补偿的超重掺杂区域的补偿率小于97%时，重补偿的超重掺杂区域和第一掺杂区域或第二掺杂区域形成PN结。5.如权利要求3所述的硅红外检光器的结构，其特征是:所述重补偿的超重掺杂区域的补偿率为97%?103%时，第一掺杂区域、第二掺杂区域与两个带有重补偿的超重掺杂区域形成PIN结;所述重补偿的超重掺杂区域的补偿率小于97%时，两个重补偿的超重掺杂区域之间形成PN结。6.如权利要求1所述的硅红外检光器的结构，其特征是:所述第一掺杂区域与检光器的阳极欧姆接触，第二掺杂区域与检光器的阴极欧姆接触。7.如权利要求1所述的硅红外检光器的结构，其特征是:还包括设置于脊形光波导一侧翼部的第三掺杂区域，第三掺杂区域与检光器的阳极欧姆接触。8.如权利要求1所述的硅红外检光器的结构，其特征是:所述第一掺杂区域的掺杂浓度不小于lE19/cm3，第二掺杂区域的掺杂浓度不小于lE19/cm3。9.一种硅红外检光器的制造方法，其特征是，包括以下步骤: (1)在硅层上表面制作脊形光波导； (2)在脊形光波导的两翼制作第一掺杂区域和第二掺杂区域，在脊形光波导制作带有重补偿的超重掺杂区域； (3)在步骤(2)得到的硅层上表面制作钝化层。10.一种硅红外检光器的制造方法，其特征是，包括以下步骤: (1)在硅层中制作第一掺杂区域、第二掺杂区域和带有重补偿的超重掺杂区域； (2)在步骤(I)处理后的硅层上表面制作脊形光波导； (3)在步骤(2)处理后的硅层上表面制作钝化层。
【文档编号】H01L31/18GK105932077SQ201610436440
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】李宝霞, 薛海韵
【申请人】华进半导体封装先导技术研发中心有限公司