[发明专利]半导体光电探测器及其制造方法

说明书

本发明涉及一种半导体光电探测器和它的制造方法，并且尤其是涉及一种具有高的转换效率的小型平面半导体光电探测器。

通常，用于通信技术领域中使用的光电二极管的光吸收材料是根据要探测的波长的不同而不同的。一般情况下，光吸收材料的带隙越窄，探测灵敏度就越高。因此，Si被用于1.0μm以下的波长范围，而Ge或InGaAs被用于1.0μm以上的较长波长范围。

与Si相比，诸如Ge之类的用于较长波长的材料是昂贵的、不容易加工的，并且难以与其它电路元件集成。所以，长期以来，一直期望得到这样的光电二极管：它对于较长波长具有高的灵敏度，并且能够采用Si工艺制造，这种工艺可以节约制造成本。

另外，诸如Ge晶体之类的材料难以在Si衬底上生长，因为其晶格常数与Si不同。所以，Ge不能被直接淀积在Si衬底上。因此，正象例如由B.Jalali等人在光波技术杂志第12卷(1994年6月)第930-935页上所公开的那样，一种光电二极管包括位于Si衬底20上的光吸收层22，如图7A所示，其中SiGe混合晶体和Si是被交替淀积的。

Si单晶层21和P型Si层23显示于图7A中。在掺杂Ge的Si光电探测部分中的带隙变得比Si的带隙窄。因此，如图7A中示出的光电探测器在较长波长范围具有一定的探测灵敏度，其中Si和Si/Ge被交替地淀积，以得到足够厚的SiGe薄膜，因为SiGe不能很厚地直接淀积在Si衬底上，原因是两者的晶格常数不同。

本发明的发明人在日本专利申请JP07-231113A(1995)和JP08-316449A(1996)中公开了一种平面的SiGe光电二极管，其中Si/SiGe层被掩埋于Si衬底中。另外，制造结果由M.Sugiura等人报导于国际电子器件会议(1995)技术文摘第583-586页。

图7B是平面的SiGe光电二极管的剖视图。如图7B所示，Si/SiGe光吸收层22被掩埋于一个沟槽中，沟槽壁由二氧化硅27覆盖。这里，二氧化硅壁是用于选择性地外延Si/SiGe的掩模。在图7B中，还示出了二氧化硅薄膜25、N掩埋层28、N外延层26、P型Si层以及二氧化硅薄膜29。

因此，用于较长波长的硅光电集成电路(Si-OEIC)可以容易地制造，因为Si晶体管集成电路和光电二极管可以形成在单一Si衬底上。另一方面，如图8所示，一种Ge晶体光吸收层形成在Si上，Si和Ge之间具有一个中间层，这种技术公开于日本专利申请JP61-500466A(1986)中。

如图8所示，SiGe层30被淀积在Si衬底29上，其中Ge含量逐渐增大，在此薄膜的顶表面处达到100％。在图8中，还示出了N型Ge层31、Ge单晶层32以及P型Ge层33。

Ge单晶层32可以生长，而不受晶格常数的差异的影响。另外，中间的SiGe层30可以被淀积，因为Ge含量是逐渐变化的。此外，如图9所示，它示出了一种在Si衬底上直接生长Ge晶体及其应用于光电二极管的方法，此方法公开于日本专利申请JP09-70933A(1997)中。

如图9所示，一个很薄的Si或SiGe层生长在一个薄的Ge层上，后者被淀积在一个Si衬底上。然后，通过热处理，位错被局限于两层薄膜之间的界面中，从而消除Ge层的位错。因此，由于热处理的薄的Ge薄膜中的晶格松弛(relaxation),Ge单晶可以生长到所需的厚度。

如图9所示，采用氧化硅作为掩模，通过选择性外延工艺，Ge单晶层32直接生长在Si衬底29上，从而制成一个光电二极管。另外，在图9中示出的是一种用于较长波长的平面波导光电二极管，其中一根光纤34被置于在Si衬底29上形成的空心槽(groove)26中。

如图10所示，在采用图9中所示的接受横向光束的波导光电二极管的情况下，考虑到光束的发散，光电二极管36被做成比光纤34的纤芯稍宽。

然而，随着光电二极管36的宽度增大，PN结的面积增大，这使得由于结电容增大而导致高频特性变差。因此，为了抑制结电容，在日本专利申请JP08-316449A(1997)中公开了一种扇形的光电二极管，如图11中的平面图所示。

不过，虽然在不降低量子效率的情况下，结面积在一定程度上被抑制，但图11中所示的光电二极管中的结电容不可避免地会增大。另一方面，当光电二极管的宽度不做成较宽时，耦合效率则会变低，因为光束横向发散，如图10所示。