本发明的领域是由锗制成的光电二极管的领域。本发明尤其地适用于检测属于短波长红外范围的光辐射的领域。
背景技术：
基于锗的光电二极管适合于检测短波长红外(swir)中的光辐射。当需要检测光谱特征位于swir范围内的化学元素的存在时，所述光电二极管的使用是尤其有利的。这些物质因此可以是水、脂质、生物组织中存在的化学元素等。所述光电二极管还用在电信领域以及数据通信领域。
基于锗的光电二极管通常具有台面结构，其中二极管由半导体层的堆叠制成，所述半导体层的堆叠包括置于生长衬底上的p掺杂下层、本征中间层、以及n掺杂上层。光电二极管之间的像素化通过局部蚀刻来获得，以使每个光电二极管的侧边缘然后能够由半导体层中的每个限定。n掺杂层的上表面和侧边缘然后用由例如氧化硅的介电材料制成的钝化层涂覆。因为台面型的结构，介电钝化层三维地而不是基本上平面地延伸，以覆盖光电二极管。
填充因子大于台面光电二极管的情况的、具有小间距的光电二极管阵列是一直需要的，填充因子定义为检测表面积与光电二极管总表面积之比。确保光电二极管的上表面和侧边缘的良好钝化然后是重要的，致使暗电流的表面分量然后能够是显著的。
然而，介电钝化层似乎可以存在，但是一切都有助于生成相当大的暗电流。在这方面，sood等人的文章“characterizationofsige-detectorarraysforvisible-nirimagingsensorapplications,spieproc.,第8012卷,801240,2011”描述了一种用于制造可以限制暗电流的光电二极管的方法。暗电流与位于光电二极管的半导体材料中的在与介电钝化层的界面处的耗尽区的存在有关。所述制造方法然后包括在n2h2下对光电二极管进行退火的步骤，所述步骤可以将该耗尽区转换成空穴累积区。该步骤似乎可以减小暗电流的强度。
然而，旨在将耗尽区改变成累积区的该退火步骤可以导致光电二极管性能的下降，尤其是由于不期望的n掺杂层的尺寸的修改，致使n型掺杂元素在锗(例如，磷)中的扩散系数可以是相当大的。此外，耗尽区的存在和特性可以与用于沉积介电钝化层的技术以及操作条件相关。结果，所讨论的退火可能不可再现地获得期望的累积区并因此无法获得期望的暗电流的减小。
技术实现要素：
本发明的目的是至少部分克服现有技术的缺点，并且更具体地提出一种用于制造基于锗的平面光电二极管阵列的方法，所述阵列因此具有高填充因子并可以获得低的暗电流，同时保持光电二极管的特性，尤其是n掺杂区域的尺寸。
为此，本发明的一个主题是一种用于制造包括由锗制成的平面光电二极管阵列的光电器件的方法，包括以下步骤：
i)制造由锗制成的半导体层的堆叠，所述堆叠具有彼此相对并且平行于光电二极管的主平面的第一表面和第二表面，并且包括：
ο限定第一表面的p掺杂第一层，
ο覆盖第一层并限定第二表面的第二层，
ii)制造沟槽，所述沟槽从第二表面朝向第一表面延伸穿过所述堆叠，针对每个光电二极管限定所述堆叠的半导体部分；
iii)沉积由硅制成、覆盖第二表面并填充沟槽的钝化本征半导体层；
iv)退火，针对每个光电二极管确保钝化半导体层的硅和半导体部分的锗的互扩散，由此形成半导体部分的由硅锗制成并且与钝化半导体层接触的所谓的外围区。
以下是该制造方法的某些优选但非限制性方面。
所述方法可以在互扩散退火步骤之后包括：对于每个光电二极管经由以下子步骤制造半导体部分的所谓n掺杂的上部区域的步骤，所述上部区域与第二表面齐平并且与半导体部分的将第一表面和第二表面相互连接的侧边缘相距一距离：
-在钝化半导体层的所谓的中心部分进行n型掺杂元素的局部离子注入，
-退火，确保n型掺杂元素从中心部分扩散到半导体部分，由此形成n掺杂的上部区域。
所述方法可以包括通过p型掺杂元素的局部离子注入来掺杂钝化半导体层的位于沟槽中的所谓的侧向部分，由此针对每个光电二极管形成p型掺杂的侧向部分的步骤，以及随后的确保p型掺杂元素从侧向部分扩散到半导体部分，由此在每个半导体部分中形成与半导体部分的侧边缘齐平的p掺杂侧向区域的退火步骤。
p型掺杂元素的扩散退火步骤在n型掺杂元素的扩散退火步骤之前或期间执行。
所述方法可以包括制造电互连层的步骤，包括：
-沉积由介电材料制成的覆盖钝化半导体层的上绝缘层，然后
-穿过上绝缘层形成导电部分，针对每个光电二极管，所述导电部分一方面与钝化半导体层的位于沟槽中的所谓p掺杂的侧向部分接触，另一方面与钝化半导体层的所谓的n掺杂的中心部分接触，所述n掺杂的中心部分位于第二表面上并且与半导体部分的所谓的n掺杂的上部区域接触。
本发明还涉及一种包括由锗制成的平面光电二极管阵列的光电器件，所述光电二极管具有彼此相对并且平行于光电二极管主平面的第一表面和第二表面，每个光电二极管包括：
ο半导体部分，包括：
·与第一表面齐平的所谓的p掺杂的下部第一区域，
·与第二表面齐平的所谓的n掺杂的上部第二区域，
·位于第一和第二区域之间并在主平面中围绕第二区域的中间区域，
ο沟槽，其从第二表面朝向第一表面延伸，并且限定半导体部分的将第一表面和第二表面连接的侧边缘；
ο钝化半导体层，其由硅制成，覆盖第二表面并填充沟槽；
ο由硅锗制成的所谓的外围区，其位于半导体部分中，在第二表面和侧边缘处与钝化半导体层接触。
所述钝化半导体层可以包括与第二表面接触延伸的所谓的上部分和填充沟槽并与侧边缘接触延伸的所谓的侧向部分，所述上部分包括与n掺杂的第二区域接触的所谓的n掺杂的中心部分和在主平面中围绕中心部分的所谓的外围部分。
侧向部分可以是p掺杂的，并且与p掺杂的第一区域接触。
每个半导体部分可以包括与p掺杂的侧向部分接触的p掺杂的侧向区域。
所述光电器件可以包括适合于偏置光电二极管的控制芯片，所述控制芯片被组装并电连接到光电二极管阵列的第二表面。
附图说明
通过阅读以下对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的其他方面、目的、优点以及特征将变得显而易见，该描述以非限制性示例的方式并参考附图提供，其中：
图1是根据一个实施例的平面光电二极管阵列的光电二极管的示意性局部横截面图。
图2a至2l示意性并局部地示出了根据图1中所示的实施例的用于制造光电二极管阵列的方法的各个步骤。
具体实施方式
在附图和说明书的其余部分中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。此外，各种元件没有按比例表示，以增强附图的清晰度。此外，各种实施例和变型不是互相排斥的并且可以彼此组合。除非另有说明，否则术语“基本上”，“大约”和“约”是指在10％以内，优选在5％以内。
本发明总体上涉及一种用于制造包括由锗制成的光电二极管阵列的光电器件的方法。因此，每个光电二极管适合于检测对应于从大约0.8μm延伸到1.7μm、甚至大约2.5μm的光谱范围的短波长红外(swir)光辐射。
所述光电二极管是平面的，使得所述光电二极管沿同一主平面在彼此相对的第一和第二平行面之间延伸。所述光电二极管均包括在其内部存在pn或pin结的所谓的半导体检测部分，所述半导体检测部分在第一和第二表面之间具有基本恒定的厚度。每个光电二极管包括与第一表面连续齐平的所谓的p掺杂的下部第一区域、与第二表面局部齐平并形成掺杂阱的所谓的n掺杂的上部第二区域、以及位于两个掺杂区域之间并在主平面中围绕掺杂的第二区域的中间区域。该中间区域可以是p掺杂的，以形成pn结，或者是本征的、即非故意掺杂的，以形成pin结。然后，平面光电二极管不具有台面结构，并且在此通过利用钝化半导体层的由硅制成的一部分所填充的沟槽来彼此光学隔离。因此所述平面光电二极管具有特别高的填充因子。此外，所述光电二极管被钝化，使得第二表面以及由沟槽限定的侧边缘用由硅制成的钝化半导体层涂覆。如以下详细描述的，钝化半导体层尤其旨在减少每个光电二极管的暗电流的表面分量。从第二表面向p 掺杂的第一区域施加电势是有利的。
通常，光电二极管的暗电流是在工作期间未受到光辐射时，光电二极管中存在的电流。所述暗电流可以由在半导体检测部分的体积内热生成的电流(扩散电流、耗尽电流、隧道电流等)和表面电流形成。
当钝化层由介电材料、例如由氧化硅制成时，表面电流可以与钝化层中存在的电荷有关。具体地，这些电荷可以引起靠近表面的能带的弯曲修改，导致耗尽区或反转区的形成。当耗尽区位于光电二极管的空间电荷区中时，其会引起不需要的生成-重组电流。此外，然后导电的反转区可以允许电荷在位于与钝化介电层的界面处的n掺杂和p掺杂的偏置区域之间移动。
表面电流还可以与光电二极管的半导体材料中存在的缺陷相关，这些缺陷尤其靠近半导体检测部分的表面，特别是在侧边缘和第二表面处。这些缺陷可能源于为了形成沟槽而执行的局部蚀刻，并且也源于制造方法的方法步骤中掺入不期望的污染物。这些缺陷可能是在没有光辐射的情况下产生少数载流子的原因。这些非光生成少数载流子然后可以扩散到光电二极管的空间电荷区并产生电流，在此为暗电流。
根据一个实施例的制造方法因此可以获得由锗制成的平面光电二极管阵列，所述平面光电二极管通过硅制成并且覆盖第二表面的钝化半导体层以及沟槽中的侧边缘来钝化。在与钝化半导体层的界面处，每个光电二极管的半导体检测部分包括所谓的由硅锗制成的外围区。如以下详细描述的，这种外围区具有比半导体检测部分可选地具有的硅浓度更高的硅浓度，使得其具有比半导体检测部分更高的带隙能量(带隙)。然后，该外围“带隙开口(opening)”位于在存在潜在污染物和表面缺陷的位置，这可以限制不需要的暗电流的表面电流。
因此，制造方法可以获得由锗制成的具有高填充因子和减小的暗电流的平面光电二极管阵列。如以下详细描述的，获得具有带隙开口的外围区而不引起半导体检测部分的特性的显著改变，更确切地，不引入对p掺杂的第一区域的尺寸的修改和有利地不引入对n掺杂的第二区域的尺寸的修改。
为了清楚起见，将首先说明通过根据一个实施例的制造方法所获得的基于锗、平面以及钝化的光电二极管阵列的光电二极管。
图1是属于由锗制成的光电二极管2阵列的这种钝化的平面光电二极管2的局部示意性横截面图。在此所述光电二极管从第二表面10b被偏置、例如被反向偏置，并且通过在第二表面10b上延伸并填充像素化沟槽13的钝化半导体层30被钝化并彼此光学隔离。
在此定义了三维直角(direct)参考系(x，y，z)，其中x和y轴形成平行于光电二极管2主平面的平面，并且其中z轴沿光电二极管的半导体检测部分20的厚度方向从第一表面10a朝向第二表面10b的方向定向。此外，术语“下部”和“上部”是指沿 z方向的增加的位置。
每个光电二极管2包括在彼此平行并且相对的第一表面10a和第二表面10b之间沿z轴延伸的半导体检测部分20，并且在xy平面中由将两个表面连接在一起的侧边缘20c界定。第一表面10a和第二表面10b对于阵列的每个光电二极管2是公共的。所述第一表面和第二表面可以基本上是平面的，使得半导体检测部分20沿z轴具有基本上恒定的厚度，例如几百纳米到几微米，例如大约从1μm到10μm。厚度被选择为在待检测的光辐射的波长范围中获得良好的吸收。半导体检测部分20在xy平面中的横向尺寸可以为几百纳米到几十微米，例如1μm到100μm，优选地1μm到20μm。
半导体检测部分20由锗基晶体半导体材料制成，优选为单晶体。表述“基于关注的化学元素”可以理解为是指晶体半导体材料对应于关注的化学元素或由至少关注的化学元素形成的合金。光电二极管2因此可以由锗ge、硅锗sige、锗锡gesn、或硅锗锡sigesn制成。在该示例中，半导体检测部分20来自至少一个由锗制成的层。因此，所述半导体检测部分可以是由相同的锗基半导体材料制成的层或衬底并且具有不同导电类型的区域(同质结)，以形成pn或pin结。作为变型，所述半导体检测部分可以是各种锗基半导体材料的子层的堆叠(异质结)，所述锗基半导体材料然后由锗形成。半导体检测部分20的半导体材料在下述的外围区24的外侧具有可以是零或非零的第一硅浓度。
半导体检测部分20因此由p掺杂的第一区域21、n掺杂的第二区域22以及中间区域23形成，所述第一区域与第一表面10a齐平并且在xy平面中从侧边缘20c延伸，所述第二区域22与第二表面10b局部齐平并且形成与侧边缘20c相距一距离的n掺杂阱，所述中间区域是本征的(在pin结的情况中)或是p掺杂的(在pn结情况中)，位于两个掺杂区域21、22之间并且与其接触并且围绕主平面中的n掺杂的第二区域22。术语“与……齐平”可以理解为是指“达到……的水平”或“从……延伸”。在该示例中，半导体结是pin类型的、第一区域21是p 掺杂的、第二区域22是n 掺杂的、以及中间区域23是本征的(非故意掺杂的)。
在此p 掺杂的第一区域21在xy平面中与第一表面10a齐平地在此从侧边缘20c延伸。所述第一区域从第一表面10a沿z轴延伸。所述第一区域沿z轴可以具有基本均匀的厚度并因此仅与侧边缘20c的下部区域齐平。作为变型，如图1所示，p 掺杂的第一区域21可以有利地具有p 掺杂侧向区域25，所述p 掺杂侧向区域25沿z轴与侧边缘20c连续地齐平并且在半导体检测部分20的整个外围上延伸。p 掺杂的第一区域21可以具有大约1018到1020(原子/厘米3)的掺杂水平(doping)。
在此n 掺杂的第二区域22从第二表面10b延伸并且在主平面中由中间区域23围绕。所述第二区域在xy平面中与半导体检测部分20的侧边缘20c相距一距离。因此，所述第二区域形成与第二表面10b齐平并且相对于侧边缘20c和第一表面10a以非零距离隔开的n掺杂阱。因此，n掺杂的第二区域22有助于界定第二表面10b。所述第二区域可以具有大约1019到1021(原子/厘米3)的掺杂水平。
中间区域23位于所述的两个n 掺杂区域和p 掺杂区域之间。因此，所述中间区域在xy平面中围绕n 掺杂的第二区域22并且与第二表面10b局部齐平。所述中间区域是本征的，以形成pin结，但是可以是p掺杂的，以形成pn结。
光电器件1可以包括下绝缘层51，所述下绝缘层由介电材料制成，覆盖半导体检测部分20的第一表面10a和如下所述的以硅基钝化半导体材料填充的沟槽13的下表面。沟槽13然后可以有助于在此从第二表面电偏置光电二极管并且像素化光电二极管2阵列(光学隔离)。下绝缘层51还可以适合于相对于入射光辐射具有防反射功能。具体地，其形成用于接收待检测的光辐射的表面。
每个光电二极管2的半导体检测部分20在xy平面中由优选地连续的沟槽13侧向地界定，所述沟槽在此在半导体检测部分20的整个厚度上延伸，以通到下绝缘层51上。作为变型，沟槽13可以不通到下绝缘层51上并且可以终止于p 掺杂的第一区域21。沟槽13可以在xy平面中具有大约0.5μm至2.0μm的横向尺寸。
钝化半导体层30连续覆盖第二表面10b并且完全填充沟槽13。所述钝化半导体层因此在侧边缘20c处与p 掺杂的第一区域21接触、在侧边缘20c和第二表面10b处与中间区域23接触、以及在第二表面10b处与n 掺杂的第二区域22接触。所述钝化半导体层由硅基半导体材料制成。所述钝化半导体层因此由与第二表面10b接触的上部分32和填充沟槽13的侧向部分31形成。上部分32和侧向部分31形成同一钝化半导体层30的两个连续的接合区域。该层由硅制成，并且可以由例如非晶硅、多晶硅、硅锗制成。钝化半导体层30具有比半导体检测部分20的锗基半导体材料更高的硅浓度。上部分32可以具有沿z轴例如100nm到1μm的厚度。
如上所述，锗基半导体材料的缺陷会靠近半导体检测部分20的侧边缘20c和第二表面10b存在。关于侧边缘20c的这些缺陷可能源于为了获得沟槽13而执行的局部蚀刻。关于第二表面10b的缺陷可能源于制造方法中执行的方法步骤中无意中掺入的污染元素。这些缺陷和这些污染物可能将中间能级引入锗基半导体材料的带隙能量中，这然后可能使电荷载流子从一个能带自发通过到另一个能带，由此形成电子-空穴对并因此产生少数载流子。该少数载流子在其扩散到空间电荷区时可以有助于产生暗电流。
此外，由介电材料制成的钝化层还可以有助于生成暗电流的表面贡献。具体地，如上述2011年sood等人的文章表明的，介电钝化层可以导致从第二表面10b在中间区域23中形成耗尽区。当该耗尽区位于光电二极管的空间电荷区中时，其然后会成为不需要的产生-重组电流的位置。此外，介电钝化层可以形成反转区，所述反转区然后是导电的并且因此可以将n 掺杂的第二区域22连接到在此的是p 掺杂的侧向部分31。
并且，钝化半导体层30经由在制造方法中执行的互扩散退火(混合)，导致在每个半导体检测部分20中在第二表面10b和侧边缘20c处形成基于硅锗的外围区24。在该外围区24(在图中由虚线界定)中，硅浓度高于半导体检测部分20的半导体材料可以具有的硅浓度。举例来说，半导体检测部分20在此由锗制成、钝化半导体层30由硅制成、以及外围区24由硅锗制成。然而，由于外围区24中的硅浓度高于半导体检测部分20的其余部分中的硅浓度，因此其中的带隙更大。并且，该高带隙位于晶体缺陷和潜在污染物所位于的区域中。于是，能够降低电荷载流子可以自发地跃过带隙的可能性。钝化半导体层30因此可以减小不需要的表面电流，并因此减小暗电流。此外，该带隙开口还导致形成关于光生少数载流子的势垒，所述光生少数载流子将沿靠近侧边缘20c和第二表面10b的晶体缺陷和污染物的方向扩散。因此，光生载流子被防止重组而不被检测到，并且不对用于检测使用的电信号做出贡献。然后改善了光电二极管2的性能。
此外，如下所述，互扩散退火不会导致对p 掺杂的第一区域21的尺寸的实质性修改，只要锗中的p型掺杂元素(硼、镓等)具有降低的扩散系数。相反地，锗中的n型掺杂元素(磷、砷、锑等)具有高的扩散系数，然后有利地，互扩散退火在制造n 掺杂的第二区域22的步骤之前执行。
此外，半导体检测部分20有利地包括位于侧边缘20c处的p 掺杂侧向区域25。当掺杂时，该侧向区域25具有比中间区域23更高的掺杂水平。p 掺杂侧向区域25与侧边缘20c齐平并且与p 掺杂的侧向部分31接触。如下所述，在掺杂元素的互扩散退火期间或特定扩散退火期间获得所述侧向区域。因此，改善了p 掺杂的第一区域21的偏置，使得增加了与p 掺杂的侧向部分31的接触表面。此外，该p 掺杂的侧向区域25可以防止光电二极管2的空间电荷区延伸到侧边缘20c。因此，该区(可能没有与沟槽13的制造有关的缺陷)对暗电流的贡献是受限的。因此，改善了光电二极管2的性能。
在该示例中，光电器件1还包括用于偏置、例如用于反向偏置每个光电二极管2的电路。并且，钝化半导体层30包括与钝化半导体层30的基本上平面的上表面齐平的p 掺杂的侧向部分31和与上表面齐平并与n 掺杂的第二区域22接触的上部分32的n 掺杂的中心部分32.1。在此电路适合于从第二表面10b偏置光电二极管2。在此电路包括接触金属化物41，所述接触金属化物延伸穿过覆盖钝化半导体层30的上绝缘层40的通孔，一方面与p 掺杂的侧向部分31接触并且另一方面与n 掺杂的中心部分32.1接触。接触金属化物41在此具有与钝化半导体层30的掺杂区31、32.1接触的下部分41.1和与上表面齐平并且在xy平面中的尺寸大于下部分41.1的尺寸的上部分41.2。接触金属化物41在此还用作关于来自第一表面10a(该表面用作光接收表面)的入射光辐射的反射器。因此，改善了半导体检测部分20中的入射光辐射的吸收比例。
注意到，钝化半导体层30是通过沉积本征硅基半导体材料来获得的。并且，p 掺杂的侧向部分31和n 掺杂的中心部分32.1通过由本征硅制成的外围部分32.2彼此电绝缘，并因此具有接近介电质材料电阻率的高电阻率，例如大于109ω.cm。并且，因此消除了在偏置p 掺杂的侧向部分31和n 掺杂的中心部分32.1时在其之间的任何短路风险。
现在参考图2a至2l描述用于制造根据图1所示的实施例的平面光电二极管2阵列的过程的一个例子。在该示例中，光电二极管2由锗制成并且包括pin结，并且适合于检测swir范围内的红外辐射。光电二极管2是平面的，并且由延伸至与第二表面10b接触并且与沟槽13中的侧边缘20c接触的钝化半导体层30钝化。有利地，该钝化半导体层30可以确保每个光电二极管2从第二表面10b的偏置，例如反向偏置。
在第一步骤(图2a)期间，制造单晶锗的第一半导体层11。第一半导体层11借助于在此由氧化硅制成的下绝缘层51牢固地附接到在此由硅制成的支撑层50。该堆叠采用geoi(绝缘体上锗)的形式。该堆叠优选地借助于reboud等人的“structuralandopticalpropertiesof200mmgermanium-on-insulator(geoi)substratesforsiliconphotonicsapplicationsprocspie9367，siliconphotonicsx，936714(2015年2月27日)”的出版物中描述的方法制造。这种方法具有的优点是，制造减少或低含量的诸如错位的结构缺陷的锗半导体层11。锗可以不是故意掺杂或者掺杂的，例如p掺杂。半导体层11可以具有大约20nm到500nm的厚度，例如大约等于300nm的厚度，并且可以利用由氧化硅制成的保护层(未示出)覆盖。下绝缘层51(box，用于氧化埋层)的厚度可以为50nm到1μm，并且有利地提供防反射功能。
然后，当锗是本征时，通过诸如硼或镓的掺杂物的离子注入来执行第一锗层11的p掺杂。适用时通过表面清洁预先去除保护层，并且在第一锗层11上涂覆厚度为几十纳米、例如等于20nm的注入前的氧化物层(未示出)。锗层11然后具有大约1018到1020(原子/厘米3)的掺杂水平。掺杂物的扩散退火然后能够在可以为600℃到800℃(例如等于800℃)的温度下在氮气中执行几分钟到几小时、例如1小时。作为变型，在geoi的形成期间，可以利用硼或镓对第一层11进行p 掺杂，在这种情况中，不执行该掺杂步骤。
在随后的步骤(图2b)中，从第一层11外延地制造第二锗半导体层12。这两个层11、12旨在形成光电二极管2阵列的共面锗半导体检测部分10。第二层12例如通过化学气相沉积(cvd)或通过任何其他外延技术外延地形成。该层可以经历各种退火，以减少错位水平。适用时通过表面清洁预先去除注入前的氧化物层。第二锗层12在此是本征的，即非故意掺杂的。所述第二锗层旨在形成光电二极管2的光吸收区。其厚度取决于在光电二极管2的情况下待检测的光辐射的波长范围。在swir光电二极管2的情况下，第二本征锗层12的厚度例如为0.5μm到3μm，优选等于1.5μm。
在随后的步骤(图2c)期间，沉积所谓的钝化半导体层30的上部分32，以连续地覆盖第二层12的上表面10b，即以覆盖光电二极管2的各种半导体检测部分。因此降低了锗表面的污染或氧化的风险。钝化半导体层30由本征半导体材料制成，并且更具体地由硅制成，例如非晶硅、多晶硅或硅锗。第二层12的上表面10b可以是已清洁的。钝化半导体层30的上部分32可以具有3nm到500nm的厚度。作为变型，可以在沉积钝化半导体层30之前制造沟槽13。
在随后的步骤(图2d)期间，然后通过光刻和蚀刻制造旨在使光电二极管2像素化并且在此有助于电偏置所述光电二极管(例如反向偏置所述光电二极管)的沟槽13。因此，对钝化半导体层30的上部分32、第二本征锗层12、以及p 掺杂的第一锗层11执行局部蚀刻，直到在此在下绝缘层51上结束。优选地，每个沟槽13因此连续地围绕光电二极管2延伸。因此获得通过连续的沟槽13彼此分离的多个半导体检测部分20。每个半导体检测部分20在此由p 掺杂的第一区域21和在此是本征的中间区域23形成。沟槽13优选地通过各向异性蚀刻技术获得，以获得沿z轴基本垂直的侧边缘20c。沟槽13在xy平面中的横向尺寸(宽度)可以为300nm到2μm，例如等于1μm。半导体检测部分20因此可以在xy平面中具有例如圆形、椭圆形、例如正方形的多边形的形状或任何其他形状。
在随后的步骤(图2e)期间，然后制造钝化半导体层30的侧向部分31。为此，沉积本征硅基半导体材料，以完全填充沟槽13。半导体材料优选地与钝化半导体层30的上部分32的材料相同，即非晶硅、多晶硅或硅锗。因此，获得了由本征硅制成的钝化半导体层30，其上部分32与第二表面10b接触延伸并且侧向部分31填充沟槽13并与侧边缘20c接触延伸。侧向部分31和上部分32是同一连续半导体层的两个部分。然后可以执行化学机械抛光(cmp)的步骤，以使钝化半导体层30的上表面平坦化。
作为变型，通过沉积本征硅基半导体材料以与第二表面10b接触延伸并填充沟槽13可以同时获得钝化半导体层30的侧向部分31和上部分32。
在随后的步骤(图2f)期间，执行退火以确保在钝化半导体层30的硅和半导体检测部分20的锗之间的互扩散。因此在半导体检测部分20中获得由硅锗制成的外围区24，所述外围区在与钝化半导体层30的界面处。所述外围区因此连续地与第二表面10b和侧边缘20c齐平。该外围区24然后具有比半导体检测部分20在该区域外会具有的硅浓度的更高的硅浓度。互扩散退火可以在例如大约700℃到850℃的温度下执行大约30分钟到10小时的时间。
在基于锗或硅锗的半导体材料的带隙随硅浓度的增加而增加的情况下，外围区24具有比半导体检测部分20在该区域24外的带隙的更高的带隙。因此，具有“带隙开口”的外围区24可以有效地钝化半导体检测部分20，并减少与不需要的污染物和/或晶体缺陷的存在相关联的暗电流的表面分量。所述外围区还形成了势垒，该势垒可以减小光生少数载流子在该外围区24中重组而没有被光电二极管2检测到的风险。
在随后的步骤(图2g)期间，执行p型掺杂元素(例如，硼)到钝化半导体层30的侧向部分31中的离子注入，以获得在其整个厚度上p 掺杂的侧向部分31，其中掺杂水平为例如1019到1021(原子/厘米3)。离子注入以局部的方式穿过在光致抗蚀剂52中形成的通孔来执行。然后去除该光致抗蚀剂。因此，钝化半导体层30具有与钝化半导体层30的上表面齐平的p 掺杂的侧向部分31和本征上部分32。
在随后的步骤(图2h)期间，有利地执行确保p型掺杂元素(硼)从p 掺杂的侧向部分31经由侧边缘20c扩散到半导体检测部分20的退火。由此获得在侧边缘20c处沿z轴延伸进入半导体检测部分20中的p 掺杂的侧向区域25。p掺杂物的扩散退火可以在例如700℃到850℃的温度下执行例如10分钟到5h的时间。作为变型，互扩散退火和扩散退火可以是在钝化半导体层30的侧向部分31的p型掺杂之后执行的同一退火。
在随后的步骤(图2i和2j)期间，然后以两个阶段制造半导体检测部分20的n 掺杂的第二区域22。首先(图2i)，借助于光致抗蚀剂53的通孔(图2i)限定用于注入例如磷、砷或锑的n型掺杂物的离子注入区域。通孔位于光电二极管2的中心区域的对面，并且在xy平面中具有对应于n 掺杂的第二区域22的期望尺寸的尺寸。所述通孔可以为例如300nm到90μm。通过光致抗蚀剂53的开口在钝化半导体层30的初始本征中心部分32.1中执行诸如磷的掺杂物的离子注入，以使初始本征中心部分被n 掺杂。然后可以去除光致抗蚀剂53。接下来(图2j)，执行确保n掺杂元素从钝化半导体层30的n 掺杂的中心部分32.1扩散到半导体检测部分20中的至少一次退火，例如在800℃的第一温度条件下执行5分钟，然后在600℃到700℃的第二温度下执行5到60s。由此获得n 掺杂的第二区域22。通过该制造n 掺杂的第二区域22的两阶段的步骤，由此限制了与n型掺杂元素直接到半导体检测部分20的离子注入有关的缺陷。
n 掺杂的第二区域22因此形成了在xy平面中并且沿–z方向由本征锗中间区域23界定的掺杂阱。所述掺杂阱优选被过量地n 掺杂，并因此可以具有大约1019(原子/厘米3)的掺杂水平。举例来说，可以在中心部分32.1中与层40的界面处具有大约1021(原子/厘米3)的掺杂水平，并且在与区域22的界面处具有大约1019(原子/厘米3)的掺杂水平，然后在区域22中的掺杂水平从1019(原子/厘米3)下降到在本征区23中的大约1014/(原子/厘米3)的值。由于在制造n 掺杂的第二区域22之前执行硅和锗的互扩散退火以及p型掺杂元素的扩散退火，该区域具有受控的尺寸。具体地，锗(磷、砷等)中的n型掺杂元素具有高扩散系数，大于p型掺杂元素(硼、镓等)的扩散系数。并且，p 掺杂的侧向区域25的尺寸基本上不改变或几乎没改变，并且n 掺杂的第二区域22的尺寸对应于期望的尺寸。
因此，在半导体检测部分20内由此获得在xy平面中由本征锗中间区域23围绕的n 掺杂的第二区域22。钝化半导体层30包括与p 掺杂的第一区域21和p 掺杂的侧向区域25接触的p 掺杂的侧向部分31；由与n 掺杂的第二区域22接触的n 掺杂的中心部分32.1形成的上部分32；以及围绕n 掺杂的中心部分32.1并且使该部分与p 掺杂的侧向部分31物理地和电气地分离的本征外围部分32.2。n 掺杂的中心部分32.1和p 掺杂的侧向部分31与钝化半导体层30的上表面齐平。
在随后的步骤(图2k)期间，然后制造电互连层。为此，沉积上绝缘层40以连续地覆盖钝化半导体层30。所述电互连层可以由介电材料制成，例如，氧化硅、氮化硅或氮氧化硅、氧化铝或氮化铝、氧化铪等。上绝缘层40可以具有例如10nm到500nm的厚度。在n2h2(例如，90％的n2和10％的h2)下的退火可以在大约400℃到450℃的温度下执行，以钝化si/ge界面处的悬挂键。
最后，制造接触金属化物41，其延伸穿过上绝缘层40，并且一方面与n 掺杂的中心部分32.1接触，另一方面与p 掺杂的侧向部分31接触。钝化半导体层30的本征外围部分32.2不与接触金属化物接触。接触金属化物41可以通过以至少一种金属材料(基于基于ti、铜芯的势垒层)填充穿过上绝缘层40的开口然后执行cmp平坦化步骤来以常规方式制造。每个接触金属化物41可以具有与钝化半导体层30接触的下部分41.1和与上部绝缘层40的上表面齐平的上部分41.2。有利地，上部分41.2在xy平面中的横向尺寸大于下部分41.1的横向尺寸，并因此提供反射通过第一表面10a接收的光辐射的额外功能，这形成了用于接收待检测的光辐射的面。
在随后的步骤(图2l)期间，由此在控制芯片60上混合所获得的光电堆叠。控制芯片60的连接面因此可以用接触金属化物62所穿过的由介电材料制成的绝缘层61来涂覆。因此，通过由接触金属化物41、62和绝缘层40、61形成的面之间的接触，通过混合分子粘附来组装光电堆叠体和控制芯片60。可以执行键合退火(bondingannealing)，以增加接触中的两个面之间的表面键合能量。
然后例如通过磨擦(研磨)去除支撑层50，以暴露下绝缘层51。因此，这形成了用于接收待检测的光辐射的面，并且有利地提供了防反射功能。
制造方法由此可以获得由锗制成的平面光电二极管2阵列，所述平面光电二极管的侧边缘20c和第二表面10b由硅制成的钝化半导体层30钝化。由此形成的基于硅锗的外围区24可以限制暗电流的表面分量。
此外，在硅和锗的互扩散退火之后，在来自p 掺杂的侧向部分31的p型掺杂物的可选扩散退火之后，通过扩散来自钝化半导体层30的n 掺杂的中心部分32.1的掺杂物来形成n 掺杂的第二区域22情况下，所述制造方法可以维持n 掺杂的第二区域22的尺寸。因此，由此消除了由过度修改掺杂的第二区域22的尺寸导致的光电二极管2短路的任何风险。
此外，光电二极管2的性能还通过以下特征显著改善：p掺杂的侧向区域25位于侧边缘20c处，接触金属化物41的宽的上部分41.2，通过掺杂物的扩散而不通过直接离子注入到半导体检测部分20中来获得掺杂的第二区域22。
刚才已描述了特定的实施例。各种变型和修改对本领域技术人员将是显而易见的。因此，如前所述，钝化半导体层30的侧向部分31可以不被p掺杂。然后可以使用位于第一表面10a处的电接触来偏置p掺杂的第一区域21。
1.一种用于制造包括由锗制成的平面光电二极管(2)阵列的光电器件(1)的方法，包括以下步骤：
i)制造由锗制成的半导体层(11、12)的堆叠，所述堆叠具有彼此相对并且平行于光电二极管(2)的主平面的第一表面(10a)和第二表面(10b)，并且包括：
o限定第一表面(10a)的p掺杂的第一层(11)，
o覆盖第一层(11)并限定第二表面(10b)的第二层(12)，
ii)制造沟槽(13)，所述沟槽从第二表面(10b)朝向第一表面(10a)延伸穿过所述堆叠，针对每个光电二极管(2)限定所述堆叠的半导体部分(20)；
iii)沉积由硅制成、覆盖第二表面(10b)并填充沟槽(13)的钝化本征半导体层(30)；
iv)退火，针对每个光电二极管(2)确保钝化半导体层(30)的硅和半导体部分(20)的锗的互扩散，由此形成半导体部分(20)的由硅锗制成并且与钝化半导体层(30)接触的外围区(24)。
2.根据权利要求1的方法，在互扩散退火步骤之后包括，对于每个光电二极管(2)经由以下子步骤制造半导体部分(20)的n掺杂的上部区域(22)的步骤，所述上部区域(22)与第二表面(10b)齐平并且与半导体部分(20)的将第一表面(10a)和第二表面(10b)相互连接的侧边缘(20c)相距一距离：
o在钝化半导体层(30)的中心部分(32.1)中进行n型掺杂元素的局部离子注入，
o退火，确保n型掺杂元素从中心部分(32.1)扩散到半导体部分(20)，由此形成n掺杂的上部区域(22)。
3.根据权利要求1所述的方法，包括通过p型掺杂元素的局部离子注入来掺杂钝化半导体层(30)的位于沟槽(13)中的所谓侧向部分(31)，由此针对每个光电二极管(2)形成p掺杂的侧向部分(31)的步骤，以及随后的确保p型掺杂元素从侧向部分(31)扩散到半导体部分(20)，由此在每个半导体部分(20)中形成与半导体部分(20)的侧边缘(20c)齐平的p掺杂侧向区域(25)的退火步骤。
4.根据权利要求2和3所述的方法，其中，所述p型掺杂元素的扩散退火步骤在n型掺杂元素的扩散退火步骤之前或期间执行。
5.根据权利要求1所述的方法，包括制造电互连层的步骤，包括：
-沉积由介电材料制成的覆盖钝化半导体层(30)的上绝缘层(40)，然后
-穿过上绝缘层(40)形成导电部分(41)，针对每个光电二极管(2)，所述导电部分一方面与钝化半导体层(30)的位于沟槽(13)中的p掺杂的侧向部分(31)接触，另一方面与钝化半导体层(30)的n掺杂的中心部分(32.1)接触，所述n掺杂的中心部分(32.1)位于第二表面(10b)上并且与半导体部分(20)的所谓的n掺杂的上部区域(22)接触。
6.一种包括由锗制成的平面光电二极管(2)阵列的光电器件(1)，所述光电二极管具有彼此相对并且平行于光电二极管(2)主平面的第一表面(20a)和第二表面(20b)，每个光电二极管(2)包括：
o半导体部分(20)，包括：
·与第一表面(10a)齐平的p掺杂的下部第一区域(21)，
·与第二表面(10b)齐平的n掺杂的上部第二区域(22)，
·位于第一和第二区域(21、22)之间并在主平面中围绕第二区域(22)的中间区域(23)，
o沟槽(13)，其从第二表面(10b)朝向第一表面(10a)延伸，并且限定半导体部分(20)的将第一表面(10a)和第二表面(10b)连接的侧边缘(20c)；
o钝化半导体层(30)，其由硅制成，覆盖第二表面(10b)并填充沟槽(13)；
o由硅锗制成的外围区(24)，其位于半导体部分(20)中，在第二表面(10b)和侧边缘(20c)处与钝化半导体层(30)接触。
7.根据权利要求6所述的光电器件(1)，其中，所述钝化半导体层(30)包括与第二表面(10b)接触延伸的上部分(32)和填充沟槽(13)并与侧边缘(20c)接触延伸的侧向部分(31)，所述上部分(32)包括与n掺杂的第二区域(22)接触的n掺杂的中心部分(32.1)和在主平面中围绕中心部分(32.1)的外围部分(32.2)。
8.根据权利要求7所述的光电器件(1)，其中，所述侧向部分(31)是p掺杂的，并且与p掺杂的第一区域(21)接触。
9.根据权利要求8所述的光电器件(1)，其中，每个半导体部分(20)包括与p掺杂的侧向部分(31)接触的p掺杂的侧向区域(25)。
10.根据权利要求6所述的光电器件(1)，包括适合于偏置光电二极管(2)的控制芯片(60)，所述控制芯片被组装并电连接到光电二极管(2)阵列的第二表面(10b)。
技术总结