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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Halbleitervorrichtungen mit reduzierten
Defekten in den aktiven Bereichen und auf Halbleitervorrichtungen
mit einzigartigen Kontaktschemata.
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DISKUSSION DER IN VERBINDUNG
STEHENDEN TECHNIK
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Optische
Nachrichtenübertragungssysteme
verwenden Strahlung nahe Infrarot (IR) auf Wellenlängen im
Bereich von etwa 800 nm bis 1600 nm. Insbesondere sind wichtige
Nachrichtenübertragungsbänder für faseroptische
Kurzbereichs-Nachrichtenübertragungsverbindungen
etwa 850 nm und für
faseroptische Nachrichtenübertragungsverbindungen
für weiteren
Bereich etwa 1310 nm und 1550 nm.
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Verbindungshalbleiterphotodetektoren
(PDs) der Gruppe III–V
werden momentan als Photodetektoren für Empfänger von optischer Nachrichtenübertragung
gewählt,
da auf GaAs basierende und auf InP basierende Materialien gute Absorptionseinrichtungen
in der Nähe
von IR sind. Diese Detektoren haben Absorptionslängen (Labs)
von etwa 1 μm
oder weniger über
dem Wellenlängenband
von 800 nm bis 1600 nm.
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Trotz
einiger der wünschenswerten
Eigenschaften der Detektoren der Gruppe III–V wäre es aus zwei Gründen vorteilhaft,
PDs in auf Si basierenden Systemen herzustellen: Kosten und Funktionalität. Während die
auf Gruppe III–V
basierende Verarbeitung eine niedrige Ausbeute hat und teuer ist,
ist die auf Si basierende Verarbeitung universell und kostengünstig. Auf
Grund seiner hohen Vorrichtungsausbeute wird Si als Material gewählt, um
komplexe elektronische Funktionalität zu realisieren. Kostengünstige opto-elektronische
Subsysteme in Si sind möglich.
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Leider
ist Si im IR-Bereich von praktischem Interesse (z.B. 1100–1600 nm)
eine schlechte Absorptionseinrichtung. Si-IR-Detektoren für Nachrichtenübertragung
können
nur nahe 850 nm verwendet werden, aber selbst dort ist die Absorptionslänge (Labs) von Si relativ groß, größer als 20 μm. Die Absorptionslänge beeinflusst
zwei wichtige PD-Eigenschaften: Die Quanteneffizienz und den Frequenzgang.
Die Quanteneffizienz (QY von englisch ‚quantum yield’) ist
der Anteil der einfallenden optischen Energie, die von dem Detektor
absorbiert wird. Wenn Licht durch ein Material mit der Dicke T mit
einer gegebenen Labs gelangt, ist die Menge des
absorbierten Lichts exp (–T/Labs). Um eine hohe QY zu erreichen, ist es
wünschenswert,
dass die Dicke des PD-Absorptionsbereichs bei der Betriebswellenlänge des
speziellen Systems größer oder
gleich Labs ist.
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Der
Frequenzgang wird durch die 3 dB-Frequenz (f3)
quantifiziert. QY und f3 bestimmen die maximale Datenrate,
bei der der PD exakt detektieren kann. Eine QY von mindestens 50%
ist wünschenswert
und f3 muss größer sein als die Hälfte der
Datenrate. Wichtige Datenraten für
handelsübliche
IR-Nachrichtenübertragungskanäle sind
2,5 GHz, 10 GHz und 40 GHz. Deshalb ist ein Minimum von f3 = 2,5 GHz für diese Systeme mit einer relativ
hohen Geschwindigkeit erforderlich. Andererseits sind Detektoren
mit niedrigerer Geschwindigkeit in einigen weniger anspruchsvollen
Anwendungen, wie z.B. IR-Kameras und drahtlosen IR-Systemen, nützlich.
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Ein
Verfahren des Standes der Technik, das verwendet wird, um die schlechten
IR-Eigenschaften von Si zu überwinden,
besteht darin, es monolithisch in Integration mit Materialien zu
verwenden, die eine höhere IR-Absorption
haben. Das gewählte
Material für
eine solche Integration ist Si1-xGex, eine Legierung aus Si und Ge mit einer
Ge-Konzentration (Molfraktion) von x in Si. Bedeutsamerweise ist
die Si1-xGex-Verarbeitung
mit der Si-Verarbeitung kompatibel.
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1a vergleicht
die Absorptionslänge
von reinem Ge (Si1-xGex mit
x = 1) mit der von Si und InGaAsP, Standardverbindungshalbleitern
der Gruppe III–V,
die in PDs verwendet werden. Labs in Ge
ist für
den gesamten Wellenlängenbereich,
der von Interesse ist (z.B. 1300–1600 nm), unter 2 μm. Wenn die
Ge-Konzentration von Si1-xGex so
ist, dass 0 < x < 1 ist, liegt die
Absorption zwischen der von Si und Ge. Um die längeren Wellenlängen von
1310 nm bis 1550 nm zu erreichen, ist ein fast reines Ge mit x fast
gleich 1 (z.B. x ~0.8–0.9) ideal.
Jedoch ist die Dicke einer Einkristall-Si1-xGex-Schicht mit hoher Qualität (niedriger
Defektdichte), die auf einem Einkristall-Si-Substrat oder auf einer
epitaktischen Si-Schicht gezüchtet
werden kann, durch die 4% Gitterkonstantenfehlanpassung zwischen
Si und Ge begrenzt. (Siehe 1b, wo
die Kurve die kritische Schichtdicke als eine Funktion der Ge-Konzentration
darstellt). Eine Si1-xGex-Schicht
mit einer höheren
Ge-Konzentration hat eine geringere kritische Dicke. Über der
kritischen Dicke hinausgehend gezüchtete Schichten enthalten
unter Züchtungsgleichgewichtszuständen tendenziell
Fehlpassungsversetzungen; die mit darunter liegender Dicke gezüch teten
haben keine Fehlpassungsversetzungen. Diese Defekte sind eine Quelle
von extrinsischem Leckstrom (Dunkelstrom), der das Rauschen des
Detektors erhöht,
wodurch die Gesamtempfindlichkeit begrenzt wird.
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Dunkelstrom
ist der Strom, der in der Abwesenheit eines Lichtsignals in dem
Detektor fließt.
In der Anwesenheit von Defekten ist er proportional zur Defektdichte.
Defekte bilden auch Rekombinationszentren, die die QY verringern.
In der Abwesenheit von Defekten ist der intrinsische Dunkelstrom
proportional zu exp[–EG(x)/kT],
wobei EG(x) der Bandabstand der absorbierenden Schicht ist, x die
Molfraktion von Ge in Si1-xGex ist,
k die Boltzmann-Konstante ist und T die Gittertemperatur ist. EG(x)
ist eine monoton abnehmende Funktion von x und somit führen höhere Werte
von x zu größeren intrinsichen
Dunkelströmen.
Für einige
Anwendungen bei kürzeren
Wellenlängen
nahe 850 nm kann ein Si1-xGex-Halbleiter
mit x < 1 wünschenswert sein,
da Labs kurz genug ist und der intrinsische
Dunkelstrom niedriger wäre.
Anwendungen bei längeren
Wellenlängen
erfordern einen Wert von x fast gleich 1 (fast reines Ge; z.B. x
~0.8–0.9).
Jedoch ist für
jegliche IR-Nachrichtenübertragungswellenlänge von
Interesse die kritische Dicke von jedem beliebigen Si1-xGex-Halbleiter mit ausreichend genug Ge, um
eine gute Absorptionseinrichtung nahe IR zu sein, viel kleiner als
die Absorptionslänge
in diesen Materialien. Folglich können Si1-xGex-PDs nahe IR mit ausreichender Leistung
nicht unter Verwendung von Techniken des Standes der Technik hergestellt
werden, die Si1-xGex direkt
auf Si züchten.
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Verschiedene
Herangehensweisen wurden im Stand der Technik bei Versuchen, das
Problem der kritischen Schichtdicke zu umgehen, vorgeschlagen, aber
sie verwenden alle komplizierte Züchtungsschemata. Zum Beispiel
wurden in der Literatur auf Si gebildete Ge-PDs vorgestellt, die
zwei unterschiedliche Herangehensweisen verwenden, die als (1) das
Verfahren mit gestuftem Puffer (GB von englisch ‚graded buffer’) und (2)
das Si/Ge-Heteroübergangs(SGH)-Verfahren
bekannt sind.
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Das
Verfahren mit gestuftem Puffer(GB): Wie in 2a gezeigt,
erfordert das GB-Verfahren das Züchten
und Wärmebehandeln
eines gestuften, mehrschichtigen Pufferbereichs aus Si1-xGex auf einem Einkristall-Si-Substrat. [Siehe
zum Beispiel M. T. Currie et al, Appl. Phys. Lett., Band 72, Nr.
14, S. 1718 (1998), das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.]
Die Ge-Konzentration in dem Pufferbereich (Schichten 2–4)
wird von 0% an der Grenzfläche
mit dem Si-Substrat 1 bis 100% in der aktiven (absorbierenden)
Schicht 6 der Ge-Vorrichtung monoton variiert. Da die Pufferschichten 2–4 eine
niedrigere Ge-Konzentration enthalten als die obere absorbierende
Ge-Schicht, wird fast das gesamte Licht in der Ge-Schicht 6 absorbiert.
Es ist jedoch schwierig, die Gesamtschichtstruktur in die herkömmliche
CMOS-Verarbeitung zu integrieren, da der Schichtstapel ziemlich
dick werden kann und die beteiligten Wärmebehandlungsschritte hohe
Temperaturen erfordern. Auch enthalten die bisher besten Ergebnisse
für die
Qualität
der Oberflächenschicht
immer noch eine relativ große
Dichte (~105 cm–2)
an Defekten 7, die der Einfachheit halber nur auf der rechten
Seite der Struktur schematisch gezeigt werden. Tatsächlich existieren
die Defekte über
den ganzen gestuften Bereich hinweg.
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Das
Si/Ge-Heteroübergangs(SGH)-Verfahren:
Wie in 2b gezeigt, beinhaltet das SGH-Verfahren das
direkte Züchten
einer reinen Ge-Schicht 9 auf einem Einkristall-Si-Substrat 8 durch
eine komplizierte Abfolge von zyklischen Wärmebehandlungsschritten mit
hoher Temperatur, die darauf ausgerichtet sind, die Versetzungs(Defekt)-Dichte
in der Ge-Schicht zu reduzieren [siehe zum Beispiel G. Masini et
al, Electronics Letters, Band 35, Nr. 17, S. 1467 (1999) und H-C
Luan, et al, Appl. Phys. Lett., Band. 75, Nr. 19, S. 2909 (1999), die
beide hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind]. Wie der GB-Prozess
stellt dieser Prozess auf Grund der erforderlichen Wärmebehandlungen
bei hoher Temperatur (900°C)
Herausforderungen für
die CMOS-Integration dar [siehe L. Colace et al, Appl. Phys. Lett.,
Band 76, Nr. 10, S. 1231 (2000), das hierin durch Bezugnahme aufgenommen
ist). Jedoch hat das beste durch diese Technik erhaltene Material
immer noch eine relativ hohe Defektdichte von 2 × 106 cm–2.
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Ein
Material mit niedriger Defektdichte (manchmal als defektfrei bezeichnet)
für die
Herstellung von Vorrichtungen ist wichtig für die Reduzierung von Rauschen
und die Erhöhung
der Empfindlichkeit in PDs. Jedoch sind Techniken des Standes der
Technik nicht dazu fähig,
Ge auf Si mit niedriger Defektdichte zu erzeugen. Außerdem befinden
sich jegliche Defekte in hoch dotierten Bereichen, wie z.B. den
elektrischen Kontaktbereichen, die nicht durch das elektrische Feld
verarmt sind. Starkes Dotieren in den Defektbereichen stellt sicher,
dass diese Bereiche unter allen Vorspannungsbedingungen elektrisch
neutral bleiben. Sonst führt
der Erzeugungs-Rekombinationsstrom zu einem großen Rückwärts-Leck(Dunkel)-Strom.
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Der
Bereich in der Nähe
des Grenzflächenbereichs 10 in 2b und
die gestuften Pufferbereiche 2–4 in 2a enthalten
die meisten Defekte, wie von G. Masini et al, IEEE Trans on Elec.
Dev., Band 48, Nr. 6, S. 1092 (2001), das hierin durch Bezugnahme
aufgenommen ist, dargelegt. Es ist wesentlich, dass diese Bereiche
hoch dotiert sind; es ist jedoch nicht möglich, den gesamten durch die
Defekte bewirkten Dunkelstrom mittels hoher Dotierung zu entfernen,
da ein Bereich von niedrig dotiertem Ge erforderlich ist, um das
einfallende Lichtsignal zu absorbieren. Eine niedrige Dotierung
in dem absorbierenden Bereich stellt sicher, dass der Trägertransport
eher von dem schnellen Driftmechanismus als von dem langsameren
Diffusionsprozess beherrscht wird.
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Sowohl
das GB- als auch das SGH-Verfahren wurden verwendet, um zwei übliche Typen
von PDs zu bilden: einen Vertikal-PIN-PD (3a) und
ein Metall-Halbleiter-Metall(MSM)-PD
(3b). Beide PDs wurden für die Verwendung als oberflächenbeleuchtete
Detektoren konstruiert, in denen das Signallicht auf der oberen (oder
unteren) Oberfläche
des Detektors und im Wesentlichen senkrecht zu den Hauptschichten
der Vorrichtung auftrifft. Es ist jedoch möglich, diese PDs als randbeleuchtete
Vorrichtungen zu verwenden, in denen Signallicht auf einen Rand
der Vorrichtung auftrifft und sich in einer Richtung ausbreitet,
die zu den Hauptschichten der Vorrichtung im Wesentlichen parallel
ist.
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Die
hier beschrieben Hauptschlussfolgerungen betreffen sowohl Vertikal-PIN- als auch MSM-IR-Detektoren
des Standes der Technik. Diese Vorrichtungen sind zwei wichtigen
Beschränkungen
unterworfen: (1) Prozessinkompatibilität mit herkömmlichen CMOS-Prozessen und
(2) intrinsisch schwächerer
Leistung. Außerdem
wurde zuvor nicht erkannt, dass diese Beschränkungen den Verfahren des Standes
der Technik inhärent
sind.
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Folglich
bleibt in der Technik ein Bedarf an einem auf Si basierenden PD
nahe IR bestehen, der sowohl eine hohe Geschwindigkeit als auch
eine hohe QY aufweist.
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Um
die Beschränkungen
des Standes der Technik zu verdeutlichen, wurden die Implementierungsschemata
von sowohl PIN- als auch MSM-Vorrichtungen analysiert. In der in 3a gezeigten
Vertikal-PIN-Struktur ist die Substratschicht 14 entweder
ein Einkristall-Si-Substrat oder ein Si1-xGex-Puffer auf einem solchen Si-Substrat. Sie
ist nicht absorbierend im 1200–1600
nm Band. Die aktive Schicht der Vorrichtung 12, wo Signallichtabsorption
beabsichtigt ist, ist undotiertes Ge. Die obere, hoch dotierte Kontaktschicht 11 ist auch
Ge. Bei dem GB-Verfahren des Standes der Technik ist die untere,
hoch dotierte Kontaktschicht 13 auch Ge, aber in dem SGH-Verfahren
des Standes der Technik ist sie Si. Signallicht 19 fällt auf
die obere Oberfläche 18 ein.
Das Licht dringt in die Schichten der Vorrichtung ein und wird in
der aktiven Ge-Schicht 12 absorbiert. Elektronen-Loch-Paare
werden in den Ge-Schichten 11–13 durch das GB-Verfahren
und in den Schichten 11 und 12 durch das SGH-Verfahren
geschaffen, wo sie durch das elektrische Feld getrennt werden. Das
letztere wird durch das Verbinden einer (nicht gezeigten) Spannungsquelle
mit der angezeigten Polarität über Metallkontakte 15 und 16 erzeugt.
Der Photodetektorstrom fließt
durch eine (nicht gezeigte) Detektionsschaltung, die mit den Kontakten 15 und 16 verbunden
ist.
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In
beiden dieser Vorrichtungen ist die Dicke (T12)
der Absorptionsschicht 12 etwas größer als 1 μm, was die Absorptionslänge für Licht
zwischen 1310 nm und 1550 nm ist, und ist QY durch exp (–T12/Labs) gegeben.
In einer gut konstruierten Vorrichtung ist der Frequenzgang durch
die Transitzeit der photo-erzeugten Elektronen und Löcher begrenzt.
Zwei verschiedene Zeiten sind in der Senkrecht-PIN-Struktur wichtig: die Driftzeit
(τd) in dem hohen Feld (undotierter aktiver
Bereich 12) und die Diffusionszeit (τdiff)
von in dem niedrigen Feld (den hochdotierten Kontaktbereichen 11 und 13)
erzeugten Trägern.
Da Träger überall in
den Ge-Schichten
erzeugt werden, gibt es eine Verteilung von Transitzeiten. Die Berechnung
des genauen Frequenzgangs ist kompliziert, aber wird leicht durch
Simulation gemacht. Jedoch kann ein gutes Gefühl für f3 durch
das Beobachten der längsten
Transitzeiten erhalten werden, die den Frequenzgang begrenzen. Die
längste
Driftzeit ist ~T12/Vd,
wobei Vd die durchschnittliche Driftgeschwindigkeit
von Trägern
in dem elektrischen Feld der Schicht 12 ist. Die längste Diffusionszeit
ist proportional zu dem Quadrat der Dicke (W) der Kontaktschicht 11 der
dotierten Schicht. Die Gesamtübergangszeit
(τ) ist
durch τd + τdiff ungefähr gegeben und f3 ist
dann etwa 1/(2πτ). Sogar
für W in
der Größenordnung
von 0,2 μm
kann die Diffusionszeit den Gesamtfrequenzgang dominieren.
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Die
in 3b gezeigte MSM-Struktur unterscheidet sich von
der PIN-Struktur darin, dass das elektrische Driftfeld zu der oberen
Oberfläche 28 parallel
ist, wohingegen es in der PIN-Struktur aus 3a zu
der Oberfläche 18 rechtwinklig
ist. Wieder ist das Substrat 24 ein Einkristall-Si-Substrat
in dem SGH-Verfahren und eine gestufte Pufferschicht in dem GB-Verfahren.
Die Absorption von Signallicht findet in der aktiven Ge-Schicht 23 statt.
In diesem Fall sind verschränkte
Schottky-Barrier-Elektroden 21 und 22 direkt auf
der oberen Ge-Oberfläche 28 angeordnet,
von der der Detektorphotostrom fließt. In dieser Vorrichtung dringt
das senkrecht einfallende Licht in die Ge-Schicht 23 ein
und wird dort absorbiert, wobei es Elektronen-Loch-Paare schafft.
Wie in der Senkrecht-PIN-Struktur ist QY durch die Ge-Schichtdicke
T23 bestimmt. Die relevante Übergangszeit
in der MSM-Struktur
ist durch τd ~(T23 + D)/Vd ungefähr
gegeben, wobei D der Abstand zwischen benachbarten Elektroden ist.
Im Gegensatz zu der PIN-Struktur hat die MSM-Vorrichtung kein Problem
mit Trägerdiffusionszeiten,
da es keine hochdotierten Regionen mit einem niedrigen Feld gibt,
wo Träger
photo-erzeugt werden können.
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Die
PIN-Struktur ist der MSM-Struktur vorzuziehen, da der Grenzflächenbereich 25 mit
der hohen Defektdichte nicht hoch dotiert ist und das MSM deshalb
relativ große
Dunkelströme
hat. Aus demselben Grund ist es in der PIN-Struktur vorzuziehen,
die untere Kontaktschicht 13 wie in den beschriebenen Vorrichtungen, die
das GB-Verfahren verwenden, aus Ge zu machen, um sicherzustellen,
dass die Defektgrenzfläche 17 hoch dotiert
ist. Obwohl das SGH-Verfahren des Standes der Technik kein Bilden
des Si/Ge-Heteroübergangs
zwischen der unteren Kontaktschicht 13 und dem Substrat 14 vorschlägt, besteht
kein Grund, aus dem dies prinzipiell nicht getan werden könnte. Die
entstehende Struktur wäre
dann elektrisch identisch mit PIN, das mittels des GB-Verfahrens
gebildet wird, und würde
folglich die gleiche Leistung haben. Deshalb müssen zu Vergleichszwecken in
der folgenden Diskussion die Einschränkungen nur der besten dieser
Vorrichtungen des Standes der Technik berücksichtigt werden: die PIN-Struktur
(3a), die entweder mittels des GB- oder des SGH-Verfahrens
gebildet wird, in der die untere Kontaktschicht 13 Ge ist.
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Wir
haben Simulationen mit den Vorrichtungen durchgeführt, um
die ideale Geschwindigkeit der Vorrichtungen der oben erörterten
PIN-Strukturen zu beurteilen, und haben festgestellt, dass der Frequenzgang dieser
Vorrichtungen durch Überlegungen
bezüglich
der Transitzeiten inhärent
begrenzt ist. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.
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Simulationen
wurden auf idealisierten PIN-Strukturen, wie in 3a erläutert, mit
Spannungen an den Kontakten 15 und 16 ausgeführt, die
groß genug
waren, um zu gesättigten
Driftgeschwindigkeiten in dem aktiven Bereich 12 zu führen. Der
erste Satz von Ergebnissen umfasst die Photo-Erzeugung in allen
Ge-Bereichen, die natürlicherweise
auftreten würde.
In diesen Simulationen wurde W bei 0,2 μm (einem typischen Wert für gute Kontaktierung)
festegelegt und wurde die Dicke des Bereichs des hohen Felds T12 variiert. Um den Detektor schnell zu machen,
muss T12 verringert werden, aber es ist
aus der Tabelle ersichtlich, dass dann, wenn das Verhältnis von
W zu T12 zunimmt, f3 abnimmt.
Diese Beziehung zwischen T12 und f3 tritt auf, da mehr der Träger in der
Photostromreaktion durch τdiff begrenzt werden als durch τd.
Der zweite Satz von Simulationen variiert W, aber legt T12 auf 1 μm
fest, einen Wert, der erforderlich ist, um eine vernünftige QY
zu geben. Wieder nimmt, wenn das Verhältnis von W zu T12 zunimmt,
f3 ab. Diese Beziehung zwischen T12 und f3 tritt auf,
da mehr der Träger
in der Photostromreaktion durch τdiff begrenzt werden als durch τd.
Der zweite Satz von Simulationen variiert W, aber legt T12 auf 1 μm
fest, ein Wert, der erforderlich ist, um eine vernünftige QY
zu geben. Wieder nimmt, wenn das Verhältnis von W zu T12 zunimmt,
f3 ab, dieses Mal mit einer ungefähren 1/w2-Abhängigkeit, die
von dem diffusions-begrenzten Trägertransit
erwartet wird. Der dritte Satz von Simulationen hebt die Photoerzeugung
in den Kontaktbereichen 11 und 13 künstlich
auf, um die Wirkung der Absorption in diesen Kontaktschichten vom
n-Typ und vom p-Typ zu demonstrieren. In diesem Fall ist f3 durch Trägerübergangszeiten in dem aktiven
Bereich 12 begrenzt und nimmt wie erwartet mit 1/T12 linear zu. Man beachte, dass es in dieser Struktur
nicht möglich
ist, W unendlich zu reduzieren. W muss dick genug für ein gutes
Kontaktieren mit niedriger Leckage sein und dick genug sein, um
sicherzustellen, dass alle Defekte, die an der Grenzfläche 17 zwischen
Ge und Si existieren, völlig
von einer hoher Dotierung bedeckt werden. Wenn dieser Grenzflächenbereich
von freien Trägern
verarmt ist, fließen
untragbar große
Dunkelströme
und beeinflussen die Rauschleistung negativ. Ein schlechter Frequenzgang
ist das inhärente
Problem in solchen Vorrichtungen des Standes der Technik. Wenn Dunkelströme gesteuert
werden, müssen
hoch dotierte Kontaktbereiche in dem Ge gebildet werden. Aber diese
Konstruktion führt
zu einem durch die Diffusionszeit πdiff begrenzten
Frequenzgang. Folglich ist es in den Vorrichtungen des Standes der
Technik sehr schwierig, ein f3 zu erreichen,
das hoch genug ist, um die erwünschten
Datenraten von Hochgeschwindigkeitssystemen zu erfüllen.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 1 vorgesehen.
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Der
erste vorherbestimmte Bereich, der sich in der ersten Öffnung befindet
und im Wesentlichen frei von Defekten ist, hat vorzugsweise Defekte
von weniger als etwa 103 cm–3.
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Gemäß verschiedenen
Ausführungsformen
der Erfindung ist das erste Material Si und das zweite Material
entweder Si1-xGex (0 < x ≤ 1) oder GaN.
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Gemäß verschiedenen
anderen Ausführungsformen
der Erfindung kann die Vorrichtung optoelektronisch oder elektronisch
sein. Im Fall von optoelektronischen Anwendungen ist die Vorrichtung
ein Photodetektor, in dem der erste vorherbestimmte Bereich der
aktive Bereich ist, wo Signallicht absorbiert wird, und ein zweiter
vorherbestimmter Bereich ein Wellenleiter ist, der dem aktiven Bereich
Signallicht zuführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform
hat ein solcher Photodetektor einen aktiven SiGe-Bereich, der auf
einem Si-Substrat gebildet ist und als solcher mit der Si-IC-Verarbeitung
kompatibel ist, eine hohe Geschwindigkeit und eine hohe QY. Der
Photodetektor kann eine oberflächenbeleuchtete
Vorrichtung sein, in der Licht von einem geeigneten Wellenleiter
auf den aktiven Bereich gerichtet wird. In elektronischen Anwendungen
ist die Vorrichtung erläuternd
ein MOSFET, in dem der erste vorherbestimmte Bereich den Kanal,
die Source und den Drain aufweist.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung ist eine Halbleitervorrichtung nach
Anspruch 13 vorgesehen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
dieses Aspekts der Erfindung weist die Vorrichtung für die Verwendung als
ein oberflächenbeleuchteter
PD eine Mehrzahl von aktiven Bereichen und Stammbereichen auf, wobei
Signallicht in dem aktiven Bereich absorbiert wird, um Photostrom
zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode
auf dem aktiven Bereich angeordnet ist, um jeglichen bedeutsamen
Anteil des Signallichts davon abzuhalten, in dem entsprechenden
Stammbereich absorbiert zu werden.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
dieses Aspekts der Erfindung weist die Vorrichtung für die Verwendung
als ein oberflächenbeleuchteter
PD eine Mehrzahl von aktiven Bereichen und Stammbereichen auf, wobei
Signallicht in den aktiven Bereichen absorbiert wird, um Photostrom
zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der aktiven Bereiche
dotierte Kontaktbereiche aufweist und eine metallische Sperrschicht auf
mindestens einem der Kontaktbereiche angeordnet ist, um die Signallichtmenge
zu reduzieren, die von mindestens einem Kontaktbereich absorbiert
wird. In einer bevorzugten Konstruktion dieser Ausführungsform bedeckt
eine metallische Sperrschicht mehr als etwa 30% des Oberflächenbereichs
des mindestens einen Kontaktbereichs. In noch einer anderen bevorzugten
Konstruktion dieser Ausführungsform
bedeckt die absorbierende Schicht mindestens einen Kontaktbereich
völlig
und wenigstens etwa 20% des Oberflächenbereichs des entsprechenden
aktiven Bereichs. In noch einer ande ren bevorzugten Konstruktion
dieser Ausführungsform
ist das Volumen der dotierten Kontaktbereiche geringer als etwa
25% des Volumens des entsprechenden aktiven Bereichs. In einer weiteren
bevorzugten Konstruktion dieser Ausführungsform ist das Volumen
jedes zweiten Bereichs weniger als etwa 25% des Volumens des entsprechenden
aktiven Bereichs.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
dieses Aspekts der Erfindung ist für die Verwendung als ein oberflächenbeleuchteter
PD die Breite des Stammbereichs (gemessen quer zu der Richtung der
Ausbreitung des Lichts) weniger als eine Hälfte der Wellenlänge des
Signallichts (im Halbleitermaterial des Stammbereichs gemessen),
was der Reduzierung der Durchdringung des Signallichts darin dient.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
dieses Aspekts der Erfindung ist für die Verwendung als entweder
ein oberflächenbeleuchteter
PD oder ein randbeleuchteter PD der aktive Bereich optisch mit einem
Wellenleiterbereich gekoppelt, der Signallicht an den aktiven Bereich überträgt, dadurch
gekennzeichnet, dass die Breite des Wellenleiterbereichs geringer
ist als die Breite des aktiven Bereichs und das Zentrum des Wellenleiterbereichs
in Ausrichtung mit dem Zentrum des aktiven Bereichs ist. In einer
bevorzugten Konstruktion dieser Ausführungsform ist die Breite des
Wellenleiterbereichs geringer als die Entfernung zwischen dem Innenrand
des aktiven Bereichs und dem Stammbereich und ist das Zentrum des
Wellenleiterbereichs zwischen dem Innenrand des aktiven Bereichs
und seinem Stammbereich ausgerichtet.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
dieses Aspekts der Erfindung sind für die Verwendung als ein oberflächenbeleuchteter
PD die aktiven Bereiche undotiert, aber die Stammbereiche dotiert,
um dadurch den Dunkelstrom zu reduzieren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
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Unsere
Erfindung kann gemeinsam mit ihren verschiedenen Merkmalen und Vorteilen
leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung
mit der begleitenden Zeichnung verstanden werden. In der ist:
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1a ein
Graph, der die optische Absorptionslänge für Si, Ge und InGaAsP als eine
Funktion der Wellenlänge
zeigt;
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1b ein
Graph der kritischen Dicke einer SiGe-Schicht als eine Funktion
der Molfraktion von Ge;
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2a eine
schematische Schnittansicht eines mit dem GB-Verfahren des Standes
der Technik hergestellten PDs;
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2b eine
schematische Schnittansicht eines mit dem SGH-Verfahren des Standes
der Technik hergestellten PDs;
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3a eine
schematische Schnittansicht eines Vertikal-PIN-PDs des Standes der
Technik;
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3b eine
schematische Schnittansicht eines MSM-PDs des Standes der Technik;
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4a–4d schematische
Schnittansichten, die für
die Beschreibung der herausstechenden Prozessschritte einer erläuternden
ELO-Technik des Standes der Technik verwendet werden;
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5a–5f schematische
Schnittansichten, die für
die Beschreibung der herausstechenden Prozessschritte einer erläuternden
Ausführungsform
unserer Erfindung verwendet werden;
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5g eine
schematische Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer
erläuternden
Ausführungsform
unserer Erfindung;
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6a eine
schematische Draufsicht von oben auf eine Anordnung von Vorrichtungen
gemäß einer Ausführungsform
unserer Erfindung;
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6b eine
schematische Schnittansicht eines randbeleuchteten PDs, der gemäß noch einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung mit einem integrierten Wellenleiter (WG) als ein Teil
eines optischen Subsystems gekoppelt ist;
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6c eine
schematische Schnittansicht eines MOSFETs gemäß einer anderen Ausführungsform
unserer Erfindung;
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7a eine
schematische Draufsicht von oben auf einen Satz von Masken, die
für die
Herstellung einer Anordnung von Vorrichtungen von dem in 6 beschriebenen Typ verwendet werden;
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7b eine
schematische Draufsicht von oben auf einen Satz von Masken, die
für die
Herstellung eines randbeleuchteten PDs und eines integrierten WGs
von dem in 6b beschriebenen Typ verwendet
werden;
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8a eine
schematische Schnittansicht eines Kontaktschemas für einen
MSM-PD gemäß noch einer
anderen Ausführungsform
unserer Erfindung;
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8b eine
schematische Schnittansicht eines Kontaktschemas für einen
Lateral-PIN-PD gemäß einer
weiteren Ausführungsform
unserer Erfindung;
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9a eine
schematische Draufsicht von oben auf verschiedene Maskensätze von
oberflächenbeleuchteten
PDs, die verschiedene Schemata für
das Verbes sern der Leistung gemäß noch einer
anderen Ausführungsformen
unserer Erfindung darstellen;
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9b eine
schematische Draufsicht von oben auf verschiedene Maskensätze von
randbeleuchteten PDs, die verschiedene Schemata gemäß einer
anderen Ausführungsformen
der Erfindung für
das Verbessern der Leistungsfähigkeit
darstellen;
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10a eine schematische Schnittansicht eines Seitlich-PIN-PDs
mit einem in situ gezüchteten
Sperrübergang
gemäß noch einer
weiteren Ausführungsform
unserer Erfindung; und
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10b eine schematische Schnittansicht eines Lateral-PIN-PDs
mit einem implantierten Sperrübergang
gemäß noch einer
anderen Ausführungsform
unserer Erfindung;
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Herstellungsprozess
-
Vor
der detaillierten Erörterung
verschiedener Vorrichtungskonstruktionen, die unter Verwendung von neuartigen
Prozessen gemäß einem
Aspekt unserer Erfindung realisiert werden können, erörtern wir zuerst den Prozess
als eine allgemeine Herangehensweise an die Herstellung von relativ
defektfreien aktiven Halbleiterbereichen von Vorrichtungen, wie
z.B. PDs und MOSFETs. Jedoch konzentrieren wir uns in der Darstellung
zu Darstellungszwecken und als eine Betrachtung einer der Hauptanwendungen
unserer Erfindung auf die Herstellung von Absorptionsbereichen von
SiGe-PDs mit einer niedrigen Defektdichte für den Betrieb bei IR-Wellenlängen von
etwa 800–1600
nm.
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Aus
unserer vorangegangenen Diskussion von PDs des Standes der Technik
geht klar hervor, dass wir eine Vorrichtung wünschen, in der die optische
Absorption in Ge mit hoher Qualität auftritt, dessen größter Teil
undotiert oder verarmt ist.
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Unsere
Erfindung verwendet eine epitaktische laterale Überzüchtungs-(ELO) Technik, um Ge
mit hoher Qualität
zu bilden, das in eine Isolierungsstruktur eingebettet ist, die
auf der Oberseite eines Si-Substrats gebildet wurde. ELO wurde verwendet
zur monolithischen Integration von Materialien mit verschiedenen
Gitterkonstanten, wie z.B. GaN auf Si [siehe zum Beispiel O. Nam
et al, Appl. Phys. Lett., Band 71, Nr. 18, S. 2638 (1997) und S.
Nakamura et al, Jap. J. Appl. Phys, Band 36, Nr. 12A, Teil 2, S.
L1568 (1997), die beide durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind]
und Ge über
Si. Der ELO-Prozess für
Ge über
Si ist detailliert in den 4a–4c beschrieben.
Hier wird eine dünne
Isolierungs-(z.B. Oxid-) Schicht 42 auf der Oberseite eines Einkristall-Si-Substrats 41 gebildet.
Keimfenster 43 werden in dem Oxid lithographisch definiert
und durch Ätzen
zu dem Si hinunter geöffnet.
Die freigelegte Si-Oberfläche
wird für
die Züchtung
von Ge gereinigt. Dann findet eine selektive CVD-Züchtung statt,
wobei Ge 43 nur auf dem freigelegten Si (4b)
gezüchtet
wird. Das Züchten
wird fortgeführt,
bis das Ge über
das Keimfenster wächst
und sich die Züchtungsfronten 47 von benachbarten
Keimfenstern verbinden, um eine durchgehende Schicht zu bilden (4c).
Große
Defektdichten finden sich in nur zwei Teilen der entstehenden Ge-Schicht:
wie in 4c gezeigt, fädeln sich
Defekte 46 von der Si-Grenzfläche an der Unterseite des Keimfensters
bis zur Oberseite der Schicht über
dem Keimfenster und bilden sich Defekte 45 in dem Bereich,
wo sich zwei Züchtungsfronten
treffen. Der größte Teil
der Ge-Schicht über
der Oxidmaske ist im Wesentlichen defektfrei, wie bei 48 in 4c gezeigt.
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Dieser
Prozess wurde durch das Einstellen des Aspektverhältnisses
(Höhe/Breite)
des Keimfensters auf mehr als 1:1 verbessert, wie in 4d gezeigt.
[siehe T. Langdo et al, Appl. Phys. Lett., Band 76, Nr. 25, S. 3700
(2000), das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist]. In diesem
Fall sind keine sich fädelnden Fehlpassungsversetzungen
oder Stapelfehler über
den Keimfenstern und in der Schicht über ihnen aufgetreten; stattdessen
wurden die Defekte 46 auf den Bereich der Keimfenster unter
der Oberseite der Oxidschicht 42 begrenzt. Jedoch haben
sich immer noch hohe Defektdichten in den Bereichen 45 (4d)
gefunden, wo sich die Züchtungsfronten
verschiedener Keimfenster getroffen haben. Man beachte, dass dann,
wenn die Entfernung zwischen den Keimfenstern vergrößert wird,
ein größerer Anteil
des Ge-Schichtbereichs defektfrei wäre. Dies würde jedoch sehr lange Züchtungszeiten
und dicke Schichten bedeuten (die Schichtdicke wächst, wenn der laterale Überwachsabstand
zunimmt). Dicke Schichten führen
auch zu langen Transitzeiten.
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Ein
Aspekt unserer Erfindung verwendet modifiziertes ELO, um Si1-xGex-Bereiche mit
hohem Ge-Gehalt mit hoher Qualität
zu bilden, die als PD-Elemente dienen, in denen defektinduzierte
Dunkelströme
unterdrückt
werden und Trägertransitzeiten
durch die Reduktion von Trägerabsorption
in hoch dotierten Bereichen begrenzt werden. Genauer ist dieser
Aspekt unserer Erfindung ein Verfahren für das Bilden von Si1-xGex-Bereichen
mit einem hohen Ge-Gehalt (nachstehend als Pixel bezeichnet) in
einem auf einem Si-Substrat angeordneten isolierenden Mantelbereich
so, dass das Volumen von möglicherweise
defektem Si1-xGex minimiert wird,
und so, dass die Si1-xGex-Pixel
im Wesentlichen defektfrei sind. Insbesondere verwendet unsere Erfindung
ELO von Si1-xGex,
um die Pixel über
der Oberseite der Isolierschicht 42 in 4d so
zu bilden, dass im Wesentlichen alle Defekte auf die Bereiche des
Keimfensters unter der Oberseite der Isolierschicht 42 begrenzt
werden.
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Im
Gegensatz zu der Situation des Standes der Technik werden in unserem
Verfahren keine Defekte an der Schnittlinie der Züchtungsfronten
gebildet. Die Züchtungsfronten
an dem überwachsenen
Mantelbereich werden von den Mantel-(z.B. Siliziumdioxid)-Seitenwänden begrenzt
und verbinden sich deshalb nicht, um stark defektbehaftete Bereiche
zu bilden. Dieses wichtige Ergebnis wird durch das Kombinieren von
ELO von Si1-xGex mit
hohem Ge-Gehalt mit damaszenischem Planarisieren (ELO-D) erreicht.
Im Allgemeinen umfasst die Damaszenierung die Schritte des Bildens
eines Fensters in einer Isolierschicht auf einer Scheibe, des Füllens des
Fensters mit einem Material, das sich von der Scheibe unterscheidet
(z.B. ein Halbleiter oder Metall) und die obere Oberfläche der
Isolierschicht überlappt,
und dann des Planarisierens (z.B. chemisch-mechanischen Polierens)
der überlappenden
Teile derart, dass das Material in dem Fenster im Wesentlichen mit der
oberen Oberfläche
der isolierenden Schicht bündig
ist.
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In
unserem Prozess bedeutet Si1-xGex mit hohem Ge-Inhalt Si1-xGex mit einer Ge-Konzentration oder einer Ge-Molfraktion
x, die für
die meisten Anwendungen von PDs bei IR-Betriebswellenlängen von
etwa 800–1600
nm vorzugsweise größer als
etwa 0.8–0.9
ist. In einigen Anwendungen kann x jedoch so niedrig wie 0,5 sein,
aber Si1-xGex mit
einem Ge-Inhalt von weniger als etwa 50% bietet keine ausreichende
optische Absorption in den Wellenlängen von Interesse. Andererseits
kann es in anderen nicht-optischen Vorrichtungen akzeptabel sein,
x so niedrig wie 0,1 zu haben.
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Ein
Satz von Prozessschritten, die für
das Erreichen dieses Ziels für
einen oberflächenbeleuchteten PD
verwendet werden, wird jetzt in Verbindung mit den 5a–5g erklärt.
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Zuerst
wird ein isolierender Mantelbereich 52 auf der oberen Oberfläche eines
Si-Substrats 51 gebildet, wie in 5a gezeigt.
Erläuternd
weist ein Mantelbereich 52 eine Mehrzahl von Isolierschichten
(nachstehend als Mantelschichten bezeichnet) auf, die auf dem Substrat
gebildet werden. Zuerst wird eine Stammmantelschicht 52.1 [z.B.
1 μm eines
Siliziumdioxids] auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats 51 niedergeschlagen.
Danach wird eine Ätzstopschicht 52.2 (z.B.
40 nm) auf der Mantelschicht 52 niedergeschlagen. Schließlich wird
eine Pixelmantelschicht 52.3 (z.B. 1 μm Siliziumdioxid) auf der Ätzstopschicht
niedergeschlagen. Die Mantelschichten 52.1 und 52.3 können jeweils
eine Mehrzahl von Schichten aufweisen oder können Einzelschichten sein;
sie können
verschiedene Dicken haben; und sie können sich voneinander unterscheidende
Zusammensetzungen haben. Die Mantelschichten können alternativ andere dielektrische
Materialien wie Siliziumnitrid oder Siliziumoxinitrid aufweisen.
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In
einer Ausführungsform
haben die Ätzstopschicht 52.2 und
die Pixelmantelschicht 52.3 verschiedene Zusammensetzungen
und sollte die Ätzrate
der Ätzstopschicht 52.2 kleiner
sein als die der Pixelmantelschicht 52.3. In einer alternativen
Ausführungsform
können,
selbst wenn die Ätzrate
der Schicht 52.2 sich nicht wesentlich von der der Schicht 52.3 unterscheidet,
gut bekannte optische Messtechniken verwendet werden, um den Grad
des Ätzprozesses
zu entscheiden und auf der Basis des Unterschieds in der chemischen
Zusammensetzung der geätzten
Schichten zur geeigneten Zeit mit dem Ätzen aufzuhören.
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Als
Nächstes
(5b) werden Mulden 53 in dem aktiven Si1-xGex-Bereich (Pixel)
lithographisch auf der Pixelmantelschicht 52.3 definiert
und wird eine Standardätzchemie
(z.B. eine Mischung aus CHF3, C2F6, CO und Ar) verwendet, um das Material
der Pixelmantelschicht 52.3 selektiv zu ätzen. Das Ätzen stoppt
im Wesentlichen an dem Material der Ätzstopschicht 52.2.
Danach wechseln wir zu einer anderen Chemie (z.B. heiße phosphorhaltige
Säure für 60 Sek),
um die Ätzstopschicht 52.2 zu ätzen, die
an der Stammmantelschicht 52.1 endet.
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Wie
in 5c darstellt, schlagen wir dann eine konforme
dielektrische Schicht 54 (z.B. 200 nm Plasma-TEOS-Oxid) über der
Struktur nieder, um die Pixelmantelschicht 52.3, die Ätzstopschicht 52.2 und
die freigelegte Oberfläche
der Stammmantelschicht 52.1 zu bedecken. Die konforme dielektrische
Schicht 54 sollte dazu in der Lage sein, einer Keimbildung
von Si1-xGex-Material
auf ihrer Oberfläche
während
des anschließenden
selektiven epitaktischen Züchtungs(SEG)-Verfahrens
zu widerstehen.
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Ein
zweiter lithographischer Schritt definiert ein kleineres Keim(Stamm)-Fenster 55 in
dem Fenster 53 des aktiven Bereichs, wie in 5d-1 gezeigt.
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Die
konforme dielektrische Schicht 54 und die Stammmantelschicht 52.1 werden
dann wie auch in 5d-1 gezeigt selektiv zu dem
Si-Substrat 51 hinunter geätzt. Dieser zweite lithographische
und ätzende Schritt
bildet die Keimfenster 55 für die ELO-Züchtung. Mittels ELO werden
das Keimfenster und die Mulden in dem aktiven Bereich mit epitaktischem
Si1-xGex gefüllt.
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Die
Form der Pixel (in der Draufsicht von oben, wie in 6a gezeigt)
ist vorzugsweise symmetrisch (z.B. quadratisch, rechteckig oder
kreisförmig),
da der (untenstehend erörterte) Überwachsprozess
gleichförmig
von dem Keimfenster nach außen
fortschreitet. Ähnliche
Formen können
für den
Stammbereich verwendet werden. Da es jedoch schwierig ist, eine
Oberfläche
mit Kreisen zu kacheln, wird die Verwendung eines kreisförmigen Querschnitts
für die
Pixel und somit die Stammbereiche nicht bevorzugt.
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Auf
Grund der inhärenten
Facettenbildung während
des Züchtens
muss ein Überwachsen
der Struktur um eine bestimmte Menge bewirkt werden, um eine vollständige Füllung des
Lochbereichs sicherzustellen. (Wenn die Fenster des aktiven Bereichs
quadratische Querschnitte haben, hat diese Überwachsung tendenziell eine
pyramidenförmige
Form, wie bei 56 der 5d gezeigt).
Der Grad der Facettierung der epitaktischen Schicht wird stark durch
die Züchtungsbedingungen
bestimmt, die wiederum stark von der während des SEG freigelegten
Oberfläche
des dielektrischen Materials beeinflusst werden. In diesem Fall
sind die freigelegten Dielektrika eine konforme dielektrische Schicht 54 und
eine Stammmantelschicht 52.1. Wenn das dielektrische Material
der Schicht 54 anderen in der Mantelstruktur 52 verwendeten
Dielektrika (bezüglich
der Abweisung der Keimbildung von Si1-xGex während
des SEG) überlegen
ist, kann eine weitere Optimierung des Züchtungsprozesses durch das
Verwenden einer zusätzlichen
Niederschlagung eines konformen dielektrischen Schichtmaterials
erreicht werden, dem ein anisotropes Ätzen nach der Bildung der Keimfenster
folgt, was eine konforme dielektrische Schicht 54.1 an
den Seitenwänden
des Stammfensters, aber nicht an der Unterseite davon zurücklässt, wie
in 5d-1 gezeigt. Nach dem anisotropen Ätzen wäre das freigelegte
Dielektrikum nur Material der Schicht 54/54.1 und
die Züchtungsbedingungen
könnten
unabhängig
von den ursprünglichen
Materialien der Mantelschicht 52 optimiert werden. Diese
Ausführungsform
unserer Erfindung ist wichtig, da in einem gegebenen CMOS-Prozess die
für die
Zwischenniveau-Dielektrika (ILDs von englisch ‚interlevel dielectrics’) verwendeten
Materialien während
des Schritts der epitaktischen Züchtung
eine Keimbildung von Si1-xGex auf
dem ILD zulassen können.
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Da
die Fehlpassungsversetzungen, die sich aus der Züchtung von unter Spannung stehenden
Si1-xGex auf Si
ergeben, primär
vom 60-Grad-Typ sind, ist es wünschenswert,
dass das Aspektverhältnis
des Keimfensters (in beiden zu der Ebene der Schichten rechtwinkligen
Querschnitten) größer als
etwa 1,7 ist, um eine Defektdurchdringung über der Oberseite der Stammmantelschicht 52 zu
begrenzen. Da die Ge-Molfraktion x für das PD-Pixel bei oder nahe
1 ist (z.B. x ~0.8–0.9),
ist dieses Aspektverhältnis
besonders wichtig, um ein defektfreies Material in dem Detektor
gut zu erreichen. Andere Aspektverhältnisse würden für andere Materialsysteme gelten
(z.B. GaN gezüchtet
auf Si) und können
vom Fachmann leicht bestimmt werden.
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5e zeigt
die Struktur nach der damaszenischen Planarisierung des wie in 5d gezeigt übergewachsenen Materials 56 unter
Verwendung von einer Technik wie z.B. chemisch-mechanischem Polieren (CMP).
Ein Ergebnis besteht darin, dass die Oberseite des aktiven Bereichs 56.1 im
Wesentlichen mit der Oberseite des Mantelbereichs 52 bündig ist,
der in dieser Ausführungsform
die konforme Schicht 54 aufweist. In dieser Hinsicht sollte
die Zusammensetzung der Schicht 54 einen guten CMP-Stop
für das
Si1-xGex-Polieren bilden.
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An
dieser Stelle definieren wir verschiedene Volumenparameter: das
Volumen eines aktiven Bereichs oder aktiven Pixels 56.1 ist
das Volumen des epitaktischen Materials, das in der ersten Öffnung gezüchtet wird (nachdem
das konforme Dielektrikum niedergeschlagen wird), und das Volumen
eines Stammbereichs ist das Volumen des epitaktischen Materials,
das in der zweiten Öffnung
ohne ein darin niedergeschlagenes konformes Dielektrikum (5d-1) oder mit einem so (5d-2)
niedergeschlagen konformen Dielektrikum gezüchtet wird, abhängig von
der gewählten
Konstruktion oder dem verwendeten Herstellungsprozess.
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Der
Prozess fährt
mit einer Abfolge von herkömmlichen
Schritten fort, die die Grundstruktur aus 5e in
eine Anordnung von Pixelbereichen 56.1 umwandeln, die als
oberflächenbeleuchtete
PDs dient, wie in 5f gezeigt. Zum Beispiel wird
eine Implantatabschirmoxidschicht 57 (z.B. 80 nm Plasma
TEOS) über der
gesamten Struktur niedergeschlagen und wird eine Ionen-Implantation
verwendet, um die Kontaktbereiche 59 vom entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyp
(p- Typ und n-Typ)
zu bilden. Zum Beispiel könnte
jedes der Implantate eine Abfolge von drei separaten Implantaten
bei den folgenden Energien/Dosierungen beinhalten: für n-Typ-Bereiche – P bei
60 KeV/1 × 1015 cm–2, 170 KeV/2 × 1015 cm–2 und 320 KeV/4 × 1014 cm–2; und für p-Typ Bereiche – B bei
20 KeV/1 × 1015 cm–2, 60 KeV/2 × 1015 cm–2 und 140 KeV/4 × 1015 cm–2. Eine Ofenwärmebehandlung
(z.B. bei 400°C
für 30
Minuten) oder eine schnelle thermische Wärmebehandlung (z.B. bei 600–650°C für 20–30 Sek)
hebt Implantatschäden
an dem Kristallgitter auf und aktiviert gleichzeitig die implantierten
Dotiersubstanzen. Der aktive Bereich selbst ist vorzugsweise vom
i-Typ; das bedeutet undotiert oder unabsichtlich dotiert. (Unabsichtliches
Dotieren bedeutet, dass jegliches in dem aktiven Bereich vorhandene Dotieren
auf einem sehr niedrigen Grad ist und hauptsächlich durch Hintergrundverunreinigung
in der für
das Bilden dieses Bereiches verwendeten Kammer für epitaktische Züchtung auftritt).
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Schließlich wird
eine Zwischenniveau-Dielektrikums (ILD von englisch 'interlevel dielectrics')-Schicht 58 über der
Struktur niedergeschlagen, werden Kontaktfenster in ein Muster gebracht
und mittels einer Ätzchemie
geätzt,
die nicht selektiv Germanium ätzt
(z.B. einer Mischung aus CH4, CH3 und Argon), wird Kontaktmetall niedergeschlagen
und wird ein in ein Muster gebrachtes hartes Dielektrikum 59.3 verwendet,
um Elektroden 59.2 (z.B. Ti/TiN/Al) auf der oberen Oberfläche und
Stopfen 59.1 (z.B. Al) zu formen, die die Elektroden mit
dem Bereich des p-Typs und des n-Typs 59 verbinden.
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Obwohl
der vorhergehende Prozess die Herstellung von oberflächenbeleuchteten
PDs beschreibt, können
die grundlegenden Prozessschritte, die zu einer Struktur von dem
in 5e–5g gezeigten
Typ führen,
auch genutzt werden, um andere Vorrichtungen, wie z.B. Halbleiterwellenleiter
(WGs), herzustellen, die Signallicht an randbeleuchtete PDs liefern.
Genauer kann ein WG auf die gleiche Weise wie der aktive Bereich oder
das aktive Pixel 56.1 aus 5e gebildet
werden, aber der WG und der aktive Bereich würden, wie in 6b und 7b gezeigt,
so nebeneinander angeordnet werden, dass Signallicht, das in zum
Beispiel ein gespaltenes Ende 89 (6b) des
WGs, z.B. von einer Glasfaser 86 in 6b, gekoppelt
ist, einem benachbarten Pixel (z.B. 81, 6b)
geliefert werden kann.
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Bei
dem Herstellungsprozess sollte darauf geachtet werden, dass der
WG mit dem Pixel sowohl seitlich als auch senkrecht in Ausrichtung
gebracht wird, um Signallicht in den aktiven Bereich des Pixels
zu speisen; wenig oder nichts des optischen Signals sollte in den
Stammbereich des PDs gespeist werden.
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Außerdem sollte
das WG-Material einen niedrigeren Ge-Inhalt haben als das Pixel,
so dass das Pixel Licht in dem erforderlichen Wellenlängenband
absorbiert, aber der WG nicht.
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Da
die WG-Struktur entlang ihrer Achse der Lichtausbreitung länglich ist,
ist es nicht möglich,
das Aspektverhältnis
des WG-Keimfensters (in dem Querschnitt entlang der und rechtwinklig
zu der Ebene der Schichten) größer zu machen
als der für
die Unterdrückung
der Defektbildung für
einen großen
GE-Gehalt erfoderliche 1,7-Faktor. Glücklicherweise sind Defekte
in dem WG nicht so wichtig wie Defekte in dem Pixel, da der WG nicht
elektrisch aktiv ist. Jedoch führen
Defekte in dem WG zu optischen Verlusten durch Streuung. Deshalb
sollte der Ge-Inhalt in dem WG in Vorrichtungen, die Wellenleiter
mit niedrigem Verlust erfordern, begrenzt werden, um eine niedrige
Defektdichte sicherzustellen. Typischerweise ist 20% Ge-Gehalt ausreichend gering,
um eine bedeutende Defektbildung zu begrenzen.
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Auf
eine ähnliche
Weise können
die grundlegenden Prozessschritte, die zu einer Struktur von dem
in 5e–5g gezeigten
Typ führen,
auch genutzt werden, um ein SiGe auf Si- oder ein GaN auf Si-MOSFET von
dem in 6c gezeigten Typ herzustellen.
In diesem Fall würde
der aktive Bereich 56.1 (5e) als
die Stelle für
die Bildung des Source-, Drain- und Gate-Bereichs des Transistors
unter Verwendung von dem Fachmann bekannten Standardprozessschritten
dienen.
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Basisstruktur der Vorrichtung
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Erläuternd können Halbleitervorrichtungen
gemäß verschiedenen
Ausführungsformen
unserer Erfindung dafür
ausgelegt sein, als eine Anzahl von verschiedenen Vorrichtungen
zu dienen; z.B. ein oberflächenbeleuchteter
PD (z.B. 5f und 6a), ein
randbeleuchteter PD mit einem integrierten WG (z.B. 6b) oder
ein MOSFET (z.B. 6c).
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Gemäß einem
Aspekt unserer Erfindung weist die Grundstruktur einer solchen Halbleitervorrichtung ein
Einkristall-Substrat 251 auf, das ein erstes Material (z.B.
Si) und einen isolierenden Mantelbereich 252 aufweist,
der ein dielektrisches Material (z.B. SiO2)
aufweist. In den Mantelbereich eingebettet ist ein Paar Einkristallbereiche:
ein Stammbereich 255 und ein aktiver Bereich 256 (z.B.
der Absorptionsbereich eines PDs; der Source-, Drain- und Kanalbereich
eines MOS-FETs),
wobei jeder ein zweites, anderes Halbleitermaterial (z.B. GaN oder Si1-xGex, 0 < xs ≤ 1; nachstehend
der Einfachheit halber als SiGe bezeichnet) aufweist. Der Stammbereich 255 verbindet
das Substrat mit dem aktiven Bereich, der im Wesentlichen mit der
oberen Oberfläche 253 bündig ist.
Wichtigerweise ist der Stammbereich so ausgelegt, dass Defekte darauf
begrenzt werden; das heißt,
der aktive Bereich 256 ist im Wesentlichen defektfrei.
Anders gesagt hat der aktive Bereich 257 eine äußerst niedrige
Defektdichte (d.h. weniger als etwa 103 cm–3),
so dass sämtliche
möglicherweise
vorhandenen Defekte eine geringfügige
Wirkung auf die Leistung der Vorrichtung haben. Zu diesem Zweck
sind die Aspektverhältnisse
des Stammbereichs (d.h. das Verhältnis
seiner Tiefe zu seinen beiden Breitenabmessungen im Fall eines quadratischen
oder rechteckigen Querschnitts in einer Ebene, die parallel zu den
Schichten ist) dafür ausgelegt,
die erwünschte
Beschränkung
von Defekten zu schaffen. Zum Beispiel sollten dort, wo das Substrat Si
ist und die Pixel- und Stammbereiche SiGe sind, die Aspektverhältnisse
des Stammbereichs größer als
etwa 1,7 sein.
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Theoretisch
kann der Mantelbereich 52 eine einzelne Schicht sein, aber
in der Praxis ist er vorzugsweise mehrschichtig und weist zum Beispiel
eine zwischen einer unteren dielektrischen Schicht 52.1 und
einer oberen dielektrischen Schicht 52.3 angeordnete Ätzstopschicht 52.2 auf.
Die letzteren sind typischerweise Oxide, aber müssen weder das gleiche Material
sein noch müssen
sie die gleiche Dicke haben. In dem Fall, in dem das Substrat 51 Si
ist und das Pixel SiGe ist, ist die Ätzstopschicht 52.2 erläuternd Si3N4 und sind die
obere und untere dielektrische Schicht 52.1 und 52.3 erläuternd Siliziumdioxid.
Diese Mantelbereichmaterialien können
auch verwendet werden, um Vorrichtungen herzustellen, in denen das
Substrat Si ist und der Pixel- und der Stammbereich-GaN sind.
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Oberflächenbeleuchtete Photodetektoren
(PDs)
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Diese
Basisstruktur der Vorrichtung ist wie in der Draufsicht von oben
in 6a gezeigt ausgelegt, um als ein oberflächenbeleuchteter
PIN-PD oder als eine Anordnung 60 solcher PDs zu dienen.
Jeder PD weist einen Einkristallstammbereich 55 (5f)
auf, der ein erstes Material aufweist und dafür ausgelegt ist, Defekte darauf
zu begrenzen. Der Stammbereich 55 verbindet das Einkristallsubstrat 51,
das ein anderes Material aufweist, epitaktisch mit dem Pixel 56.1.
Wie im vorangegangenen Abschnitt über die Herstellung beschrieben, dient
der Stammbereich dazu, eine Keimbildung an der freigelegten Substratoberfläche während des
epitaktischen Züchtens
der Bereiche 55 und 56.1 zu ermöglichen.
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Jeder
PD weist auch einen im Wesentlichen defektfreien i-Typ, einen aktiven
Einkristallbereich (oder ein Pixel) 56.1 aus dem gleichen
Material auf, in dem Signallicht absorbiert wird. Wie in 5f dargestellt,
ist die Oberseite jedes Pixels 56.1 im Wesentlichen mit
der Oberseite des dielektrischen Mantelbereichs 52 bündig, der
in dieser Ausführungsform
die konforme dielektrische Schicht 54 aufweist.
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Die
PIN-Konstruktion wird von Kontaktbereichen 59 von entgegengesetzten
Leitfähigkeitstypen
(einer vom p-Typ; der andere vom n-Typ) fertig gestellt, die in
dem im Pixel 56.1 gebildet sind. Ein Zwichenniveau-Dielektrikums(ILD)-Bereich 58 ist über der
oberen Oberfläche
des Mantelbereichs und des Pixels angeordnet. Ein elektrischer Kontakt
für die
Kontaktbereiche 59 wird mittels leitfähiger (z.B. metallischer) Stopfen 59.1 hergestellt,
die sich von den Elektroden 59.2, 59.3 durch das
ILD 58 erstrecken. Diese PD-Konstruktion ist, wenn sie
unter Verwendung von Si1-xGex-Pixeln
mit niedriger Defektdichte mit x ~0.8–0.9 auf einem Si-Substrat
hergestellt wird, besonders gut für Nachrichtenübertragungsanwendungen
mit einer relativ hohen Geschwindigkeit (z.B. ≥ 2,5 GB/s) bei Betriebswellenlängen im
Bereich von 800–1600
nm geeignet. Jedoch ist unsere Erfindung nicht auf Anwendungen begrenzt,
in denen der Ge-Inhalt so hoch ist. Tatsächlich kann unsere Erfindung
mit aktiven Bereichen oder Pixeln mit beträchtlich weniger Ge, z.B.
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x ≥ 0,1, vorteilhaft
sein, abhängig
von der Betriebswellenlänge
(im Fall von PDs) oder von der Funktion der Vorrichtung (im Fall
von MOSFETs oder anderen elektronischen Vorrichtungen). Zum Beispiel
wären unsere
Pixel mit niedriger Defektdichte in PD-Anwendungen wie denen, die
eine IR-Kamera oder eine Kamera mit sichtbaren Wellenlängen oder
ein drahtloses lokales IR-Netzwerk (WLAN) aufweisen, nützlich,
die von einer höheren
optischen Absorption unserer Pixel als sie bei der Verwendung von
Si-Pixeln des Standes der Technik verfügbar wären, profitieren würden.
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In
oberflächenbeleuchteten
PDs verbessert die Bildung von dielektrischen Spiegeln an entweder
der oberen oder der unteren Oberfläche (oder beiden) jedes Pixels 56.1 (5f)
die Leistung.
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Ein
Spiegel an der Unterseite von jedem Pixel erhöht die QY der Vorrichtung durch
das Rückreflektieren
von jeglichem unabsorbiertem Licht, das die Unterseite der Pixel
erreicht, in die Pixel. Der untere Spiegel erhöht die offensichtliche optische
Pfadlänge,
ohne ein dickeres Pixel zu erfordern. In einer Ausführungsform weisen
die Teile des Mantelbereichs 52 (5f), 252 (5g),
die dem Stamm bereich benachbart sind, einen wechselnden Satz von
Schichten mit einem unterschiedlichen Brechungsindex auf. Die Spiegelschichtdicken sind
so gewählt,
dass sie die erwünschte
Reflexion (auf der Betriebswellenlänge) zwischen der Unterseite
des Pixels und dem Mantelbereich 52.1 (5f), 252 (5g)
erzeugen.
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In
einer alternativen Ausführungsform
wird ebenfalls ein dielektrischer Spiegel 259 (5g)
auf der oberen Oberfläche
jedes Pixels 56.1 (5f), 256 (5g)
gebildet. Ein Resonanzhohlraum wird in dem Pixel durch das derartige
Konstruieren der dielektrischen Spiegel gebildet, dass sie die geeignete
Reflexion sowohl auf der oberen Oberfläche als auch der unteren Oberfläche des
Pixels haben.
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Um
die Reflexionen von der Pixel-ILD-Grenzfläche zu reduzieren, kann eine
Anti-Reflexions(AR)-Beschichtung zwischen dem Pixel 56.1 und
dem ILD 58 eingeführt
werden. Dem Fachmann sind verschiedene Verfahren für das Bilden
solcher AR-Beschichtungen bekannt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt unserer Erfindung zeigt 7a eine
Draufsicht auf die zwei relevanten Lithographieebenen, die für die Erzeugung
von Pixeln in einem oberflächenbeleuchteten
PD verwendet werden. Die Pixel, die erläuternd die dreidimensionale
Form von Zylindern haben, sind mit quadratischen Querschnitten dargestellt,
aber es wäre
dem Fachmann natürlich
leicht ersichtlich, dass andere geometrische Querschnitte verwendet
werden könnten;
z.B. Rechtecke oder Kreise, wie zuvor erörtert. Außerdem wird nur zu Darstellungszwecken
eine Anordnung von vier Pixeln gezeigt. Der Fachmann wird verstehen,
dass ein oberflächenbeleuchteter
PD typischerweise von einem größeren Satz
von Pixeln gekachelt würde;
andererseits ist es auch möglich,
dass der ganze Bereich ein großes
Pixel aufweist. Die letztere Konstruktion würde jedoch sehr lange Züchtungszeiten
für Größen von
typischen optischen Stellen (z.B. 15 μm um/mal 15 μm) erfordern. Der obere Oberflächenbereich
des Pixels wird durch die Pixelmaske 92 definiert und der
entsprechende Bereich des Stammbereichs wird durch die Pixelstammmaske 91 definiert.
Der Bereich der Stammmaske sollte völlig im Inneren des Bereichs
der Pixelmaske liegen. Der Bereich zwischen den Pixeln weist einen
freigelegten Teil des Mantelbereichs 93 (auch als die konforme
dielektrische Schicht 54 in 5f gezeigt)
auf.
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Außerdem sollte
das Verhältnis
des Bereichs außerhalb
des Pixels, der dem freigelegten Bereich des Mantelbereichs 93 entspricht,
zu dem Bereich der Pixel selbst 92 minimiert werden, um
sicherzustellen, dass die Maximalmenge an Signallicht in einer oberflächenbeleuchteten
Vorrichtung gefangen wird. Idealerweise ist der Bereich des Stammbereichs
viel kleiner als der Bereich der Pixel und ist der Bereich zwischen
den Pixeln verglichen mit dem Bereich der Pixel selbst klein. Diese
Konstruktion stellt sicher, dass mehr Licht auf die Pixel einfällt (und
somit eine höhere
QY) und dass wenig Licht seinen Weg in die Stämme finden kann, wo es Defekte
gibt und von denen die Transitzeiten für das Entkommen lang sind.
Wie vorhergehend bemerkt, ist es wünschenswert, dass die Höhe des Stammbereichs
größer als
oder gleich der Breite jeder Seite des Stammbereichs ist (vorzugsweise > 1,7-mal größer für auf einem
Si-Substrat gezüchtete
SiGe-Stammbereiche),
um die Bildung von Defekten auf den Stammbereich zu begrenzen und
sie davon abzuhalten, in das Pixel einzudringen. In einer Ausführungsform
ist die Höhe
des Stamms durch die Dicke der niedergeschlagenen Stammmantelschicht 52.1 plus
der Dicke der konformen dielektrischen Schicht 54 aus 5f gegeben.
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Randbeleuchtete PDs
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
unserer Erfindung sind die PDs randbeleuchtet statt oberflächenbeleuchtet.
In diesem Fall wird, wie in 6b gezeigt,
das zu detektierende Signallicht mittels eines Halbleiterwellenleiters 83 an
ein Pixel 81 geliefert. Das Pixel 81 und der Wellenleiter 83 haben
Stammbereiche 82 bzw. 84, die mittels ähnlicher
Verfahren, aber anderer Masken hergestellt werden. Außerdem wird,
wieder nur zu Darstellungszwecken, während der Querschnitt des Pixelstammbereichs 82 als
quadratisch dargestellt ist, der des Wellenleiters als rechteckig
gezeigt, (auch wenn die längliche
Form des Wellenleiters 83, die an ihrem äußeren Ende
von zum Beispiel einer gespaltenen Oberfläche 89 abgeschlossen
ist, zu einer Konstruktion führt,
in der der Wellenleiter und sein Stammbereich beide rechteckig sind).
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Typischerweise
sind das Pixel und der Wellenleiter in ein Subsystem 80 integriert,
das einen Halbleiterlaser 88 (z.B. einen InP/InGaAsP-Laser)
für das
Erzeugen eines Ausgangssignals 88.1 bei einer Mittenfrequenz
im Bereich von etwa 800–1600
nm aufweist. In Nachrichtenübertragungsanwendungen
wird die letztere entweder direkt (von einem nicht gezeigten externen
Modulator) oder indirekt (durch das Modulieren des unter Verwendung
einer nicht gezeigten Schaltungsanordnung an den Laser angelegten
Antriebsstroms) moduliert. Das Signallicht wird mittels eines geeigneten
ersten Linsensystems 87 in eine Glasfaser 86 ge koppelt
(oder der Laser 88 und die Faser 86 können miteinander
endgekoppelt sein) und der Ausgang der Faser ist (vorzugsweise nicht
in dem Stammbereich) mittels eines geeigneten zweiten Linsensystems 85 in
den Wellenleiter 83 gekoppelt (oder die Faser 86 und
der Wellenleiter 83 können
miteinander endgekoppelt sein). Der Wellenleiter 83 liefert
das modulierte Signallicht 88.2 an das Pixel 81 (vorzugsweise
nicht an den Stammbereich 82). In dem Pixel absorbiertes
Signallicht wird in einen Photostrom umgewandelt, der zu einer (nicht
gezeigten) Detektierungsschaltungsanordnung fließt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt unserer Erfindung zeigt 7b eine
Draufsicht auf die relevanten Lithographieebenen, die verwendet
werden, um ein Pixel und einen WG in einem randbeleuchteten PD zu
erzeugen. Die Richtung der Lichtausbreitung in dieser Struktur wird
von dem Pfeil 106 bezeichnet. Die Pixel werden mit einer
Pixelmaske 102 und einer Stammbereichsmaske 101 gebildet, ähnlich der
Herangehensweise, die für
die Herstellung des oberflächenbeleuchteten
PDs in 7a verwendet wird. Die WGs werden
in demselben Mantelbereich 103 wie die Pixel gebildet.
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Die
Länge des
Lückenraums 108 zwischen
dem Rand 102.1 der Pixelmaske 102 und dem Rand 104.1 der
WG-Maske 104 wird vorzugsweise optimiert, um Streuverluste
aufgrund der Diskontinuität
in dem Brechungsindex zu reduzieren, die von dem Mantelbereich 103 in
der Lücke
zwischen dem Pixel und dem WG eingeführt wird. Die maximale Lichtmenge
wird von dem WG in das Pixel weitergeleitet, wenn die Länge des Lückenraums
gleich einem geraden Vielfachen von in dem Material des Mantelbereichs
gemessenen halben Wellenlängen
ist. In dieser Konstruktion bildet die Lücke einen Resonanzhohlraum.
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Ferner
wird die Geschwindigkeit des Randdetektors aus 7b dadurch
erhöht,
dass das Signallicht von dem WG in nur einen mittleren Teil des
Pixels eingebracht wird. Zu diesem Zweck sollte die Breite Wwg des WGs geringer als die Breite Wp des Pixels gemacht werden und sollte das
Zentrum des WGs mit dem Zentrum des Pixels (und somit über seinem
Stammbereich) in Ausrichtung gebracht werden. In diesem Fall tritt
eine Photoerzeugung von Trägern
hauptsächlich
in der Mitte des Pixels auf und die maximale Transitzeit der Träger zu den
Rändern
wird deshalb verglichen mit dem Fall, in dem das Pixel gleichförmig beleuchtet
wird, reduziert. Diese Konstruktion der WG- und Pixelabschnitte
erhöht
auch die QY, da das Pixel in der Lage ist, mehr von dem Licht einzufangen,
das von dem Ende der WG-Öffnung
abgelenkt wird.
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MOSFETs
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
unserer Erfindung weist, wie in 6c gezeigt,
ein MOSFET ein Einkristallsubstrat 71, einen Stammbereich 75,
der auf dem Substrat gebildet ist, um Defekte auf den Stammbereich
zu begrenzen, und einen auf dem Stammbereich gebildeten relativ
defektfreien aktiven Bereich 76 auf. Der Stammbereich und
der aktive Bereich sind in einen dielektrischen Mantelbereich 72 eingebettet und
die Oberseite des aktiven Bereichs ist im Wesentlichen mit der Oberseite
des Mantelbereichs bündig.
Ein getrennter Source- und
Drain-Bereich werden in dem aktiven Bereich (z.B. durch Ionenimplantation)
gebildet und eine Gate-Struktur wird zwischen ihnen gebildet. Die
Gate-Struktur weist ein Gate-Dielektrikum (z.B. ein durch ALD gezüchtetes
Dielektrikum mit hohem k, wie z.B. Hf2O3 oder Al2O3) und einen bekannten Gate-Stapel (z.B.
einschließlich
einer oder mehrerer Polysilizium-Schichten) auf. Der (nicht gezeigte)
Kanal erstreckt sich unter dem Gate-Dielektrikum 74 und
zwischen dem Source- und
dem Drain-Bereich 73. Ein ILD 78 ist über der Oberseite
des Mantelbereichs und des aktiven Bereichs gebildet und darin sind
Fenster gebildet, um der Source-, Drain- und Gate-Elektrode (75 bzw. 76 bzw. 77)
die Herstellung eines elektrischen Kontakts zu dem entsprechenden
Source- und Drain-Bereich und der Gate-Struktur zu ermöglichen.
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Der
aktive Bereich 76 weist durch die zuvor beschriebene Herstellungstechnik
vorzugsweise relativ defektfreies Si1-xGex auf einem Si-Substrat auf. Da Ge und SiGe
mit einem hohen Ge-Gehalt eine höhere
Elektronen- und Lochbeweglichkeit als Si haben, können unsere
MOSFETs eine bessere Leistungsfähigkeit
als die Si-MOSFETs des Standes der Technik erreichen. Jedoch muss
die Ge-MOSFET-Integration
die gleichen Probleme lösen
wie die integrierten PDs mit einem hohen SiGe-Gehalt: das heißt, die
Gitterkonstantenfehlpassung zwischen Si und Ge im Stand der Technik
führt zu
relativ hohen Defektdichten in massengezüchteten Ge-Schichten und die
dicken Prozessstapel und hohen Wärmebehandlungstemperaturen,
die im Stand der Technik verwendet wurden, um Ge mit vernünftigen
Defektdichten zu züchten,
sind inkompatibel mit der herkömmlich
Si-Verarbeitung.
Dementsprechend ist es ein weiterer Aspekt unserer Erfindung, dass
mittels unseres ELO-D Prozesses MOSFET-Strukturen in den aktiven
SiGe-Bereichen mit
einem hohen Ge-Gehalt gebildet werden.
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Unsere
Herangehensweise ermöglicht
nicht nur eine leichte Integration von Ge-MOSFETs mit hoher Qualität in Si-integrierte
Schaltungen, sondern ermög licht
auch die Realisierung von SOI (von englisch ‚silicon-on-insulator’; Silizium
auf Isolator)-Ge-MOSFETs, die eine bessere Leistungsfähigkeit
als herkömmliche massenproduzierte
MOSFETs trotz parasitärer
Kapazität
und eine bessere Kurzkanalsteuerung schaffen.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass die Pixelmantelschichtdicke (für eine gegebene
Kanal-Dotierungsebene) bestimmt, ob diese Vorrichtungen entweder
teilweise oder vollständig
verarmt sind.
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PD-Kontaktkonfigurationen:
Betriebsgeschwindigkeit
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Ein
anderer Aspekt unserer Erfindung bezieht sich auf PD-Kontaktkonfigurationen,
die sicherstellen, dass Übergangszeiten
durch kurze Driftzeiten, nicht durch lange Diffusionszeiten (τdiff)
begrenzt werden. Diese in den 8 und 9 dargestellten Konstruktionen verbessern
die Betriebsgeschwindigkeit des PDs und sind daher besonders gut
für den
Betrieb in Nachrichtenübertragungssystemen
mit hoher Geschwindigkeit (z.B. > 2,5 GB/s)
geeignet.
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Zu
diesem Zweck und gemäß einer
anderen Ausführungsform
unserer in 8a gezeigten Erfindung nutzen
wir eine Kontaktstruktur vom MSM-Typ, die frei von τdiff-Beschränkungen
ist, aber werden die Pixel unter Verwendung unserer zuvor beschriebenen
ELO-D-Technik gebildet. Insbesondere werden Spannungen mit entgegengesetzten
Polaritäten
(V+ und V–)
an sich abwechselnde Metallkontakte 117 an jedem Pixel 115 angelegt.
In einem gegebenen Pixel haben keine zwei benachbarten Metallkontakte
die gleiche Polarität.
Diese Konstruktion stellt sicher, dass es immer hohe Felder gibt,
die die erzeugten Phototräger
beschleunigen, so dass die Drifttransitzeit reduziert wird. Erläuternd sind
die Kontakte 117 aus Metallen (z.B. Ag) gemacht, die Schottky-Barrieren
auf SiGe bilden.
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Die
Vorrichtung aus 8a kann als ein oberflächenbeleuchteter
PD oder eine randbeleuchtete Vorrichtung verwendet werden. Bei der
Verwendung als ein oberflächenbeleuchteter
PD wird der Kontakt 117.1 so positioniert, dass er den
darunter liegenden Stammbereich 116.1 in jedem Pixel vollständig bedeckt,
so dass auf die obere Oberfläche
einfallendes Signallicht davon abgehalten wird, in den Stammbereich
einzudringen. Andererseits ist es bei der Verwendung als eine randbeleuchtete
Vorrichtung wichtig, dass die Breite des Stammbereichs (quer zu
der Richtung der Lichtausbreitung gemessen) geringer ist als eine
halbe Wellenlänge des
Lichts in dem Material (z.B. SiGe) dieses Bereichs, um dessen Durchdringung
mit Licht zu blockieren.
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Es
ist jedoch möglicherweise
nicht praktisch, eine echte MSM-Kontaktstruktur in Kombination mit
der herkömmlichen
Si-CMOS Verarbeitung zu verwenden. Schottky-Barrier-Kontakte sind
kein Teil einer herkömmlichen
Si-IC-Verarbeitung und könnten
zu einer Verschmutzung der CMOS-Vorrichtungen führen. Außerdem sind gute Kontakte mit
niedriger Leckage schwierig zu bilden und Schottky-Barrier-Metalle haben
typischerweise niedrige Schmelzpunkte, die mit den bei standardmäßigen IC-Metallisierungsschemata
typischerweise verwendeten Temperaturen inkompatibel sind.
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Eine
andere Ausführungsform
unserer Erfindung ist deshalb ein MSM-artiges Kontaktschema, wie
in 8b gezeigt, das nicht den Nachteilen der Verwendung
von Schottky-Kontakten unterworfen ist. Diese Herangehensweise kombiniert
eine Kontaktanordnung mit seitlichem PIN mit unserem ELO-D Prozess.
Genauer wird eine PIN-Photodiode auf der Oberfläche des Detektors durch die
Implantation von Kontaktbereichen vom n+-Typ und vom p+-Typ 128 bzw. 129 lateral
gebildet; die Pixel vom i-Typ 125 sind undotiert oder unabsichtlich dotiert
(d.h. sie haben eine ausreichend niedrige Dotierung, um völlig verarmt
sein zu können).
Vorzugsweise sind die Pixel SiGe und sind entweder intrinsisch oder
haben eine niedrige Dotierung (d.h. weniger als etwa 1017 cm–3)
und die dotierten Kontaktbereiche haben höhere Dotiersubstanzkonzentrationen
(z.B. größer als etwa
1018 cm–3).
Diese dotierten Bereiche werden dann durch Metallstopfen 127 kontaktiert,
die sich durch das ILD 131 erstrecken und darin eingebettet
sind. Metallleitungen (d.h. Elektroden) 130 bilden Kontakt
mit den Stopfen über
den ILD. Die Stopfen, der ILD und die Metallleitungen sind alle übliche Elemente
der Si-IC-Verarbeitung. Wie mit dem PD aus 8a halten
in der Ausführungsform
von 8b die Metallleitungen 130 und Stopfen 127.1 auch
auf die obere Oberfläche
einfallendes Signallicht davon ab, in den Stammbereich einzudringen.
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Die
Metallleitungen 130 werden mit einer positiven (132)
und einer negativen (133) Energieversorgung V+ bzw. V– von einer
(nicht gezeigten) Detektionsschaltung verbunden. Diese Konstruktion
stellt sicher, dass die PIN-Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist
von dem Bereich vom n+-Typ 128 zu dem Pixel 125 zu
dem Bereich vom p+-Typ 129.
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Es
ist ein anderer Aspekt unserer Erfindung, dass innerhalb eines gegebenen
Pixels keine zwei benachbarten dotierten Kontaktbereiche den gleichen
Leitfähigkeitstyp
haben oder wie in der Ausführungsform von 8a mit
elektrischen Kontakten mit der gleichen Polarität verbunden sind. Außerdem sollten
die do tierten Kontaktbereiche 128 und 129 (gemessen
von der Oberseite des Mantelbereichs) tief genug sein, um Kontakte
mit niedriger Leckage von den Stopfen 127 sicherzustellen.
Diese Kontaktbereiche etwa 0,2 μm
tief zu machen, ist in SiGe-Pixeln
ausreichend.
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PD-Kontaktkonfigurationen:
Dunkelstrom
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9a zeigt
eine Draufsicht auf Maskierungsmerkmale, die für die Realisierung von mehreren
möglichen
Kontaktanordnungen für
eine Anordnung von oberflächenbeleuchteten
Pixeln verwendet werden. Mehr als ein Kontaktanordnungstyp ist nur
zu Darstellungszwecken auf demselben PD beschrieben. In der Praxis ist
es wahrscheinlich, dass nur eine dieser Anordnungen auf einem speziellen
PD verwendet würde.
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Eine
Mehrzahl von PD-Pixeln kachelt die photodetektierende Oberfläche (z.B.
die obere Oberfläche eines
vorderseitig beleuchteten PDs; die untere Oberfläche eines rückseitig beleuchteten PDs).
Vier Pixel 141a–141d sind
nur zu Darstellungszwecken gezeigt. Jedes Pixel weist Kontaktbereiche
vom n+-Typ und vom p+-Typ 142 auf. Diese dotierten Bereiche
kommen in Kontakt mit Metallstopfen 143, die elektrisch
mit Metallleitungen 145 verbunden sind, die über dem
ILD 148 liegen. Die Pixelstammbereiche sind als 146 gekennzeichnet.
Wegen der langen Diffusionsübergangszeiten
ist es wichtig, die Signallichtmenge einzuschränken, die in den dotierten
Kontaktbereichen 142 absorbiert wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform
unserer Erfindung werden die Diffusionsübergangszeiten in den dotierten
Bereichen mittels einer lichtabsorbierenden (z.B. Metall)-Maske
reduziert, die Signallicht davon abhält, einen Teil oder alle dotierten
Kontaktbereiche zu erreichen (und von ihnen absorbiert zu werden).
Im Stand der Technik wurde nicht dafür gesorgt, eine Photoerzeugung
in diesen hoch dotierten Kontaktbereichen zu blockieren, weil ihre
Wirkung auf die PD-Geschwindigkeit nicht erkannt wurde. Tatsächlich minimieren
Vorrichtungen des Standes der Technik die Menge der Metallbedeckung,
da sie die QY des PDs reduziert. Jedoch nimmt diese Ausführungsform
unserer Erfindung, um PDs mit einer höheren Geschwindigkeit zu erreichen,
für eine
große
Verbesserung bezüglich
der Geschwindigkeit durch das Begrenzen des Eindringens von Licht
in die dotierten Kontaktbereiche eine geringe QY-Reduzierung in
Kauf.
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Genauer
verwendet diese Ausführungsform
unserer Erfindung Metall über
mehr als etwa 30% des Aggregatoberflächenbereichs der dotierten
Kontaktbereiche, um einen bedeutsamen Anteil des Signallichts davon
abzuhalten, die dotierten Bereichen zu erreichen. Zum Beispiel wird
der ganz linke Kontaktbereich vom n+-Typ 142a des Pixels 141a völlig gegenüber dem
von über
der Oberfläche
einfallenden Licht verdeckt, wohingegen der mittlere Kontaktbereich
vom p+-Typ des Pixels 141a nur teilweise verdeckt wird.
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Ein
anderes Kontaktschema kann so angeordnet sein, dass sichergestellt
wird, dass es keine Lichtabsorption in den Kontaktbereichen gibt,
während
es auch das Ausmaß des
von Metall bedeckten Pixeloberflächenbereichs
begrenzt. Diese Anordnung wird bei 9a, Pixel 141d gezeigt.
Hier sind der dotierte n+-Typ- und
p+-Kontakt-Bereich 142a in den Ecken des Pixels angeordnet.
Metall bedeckt die dotierten Kontaktbereiche, aber da die Kontaktbereiche
in den Ecken sind statt sich von einer Seite des Pixels zur anderen
zu erstrecken (im Gegensatz zu den anderen Pixeln aus 9a)
ermöglichen
sie es, dass ein größerer Anteil
des Oberflächenbereichs
des Pixels Licht absorbiert. Bei der Verwendung einer Anordnung
wie bei Pixel 141d ist es wichtig, dass sich die dotierten
Kontaktbereiche so tief wie möglich
in das Pixel erstrecken, um sicherzustellen, dass überall in
dem Volumen des Pixels ein hohes elektrisches Feld existiert. Dem
Fachmann ist klar, dass es auch möglich ist, den Kontaktbereich
vom n+-Typ und vom p+-Typ 142d in anderen Bereichen des
Pixels (im Gegensatz zu den Ecken) zu positionieren, solange hohe
elektrische Felder überall
in dem Pixel erhalten werden und diese Kontaktbereiche mit Metall
bedeckt sind.
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Die
Geschwindigkeit des oberflächenbeleuchteten
PDs kann erhöht
werden, indem Signallicht in nur einen Teil der Mitte des Pixels
geleitet wird; z.B. den Teil, der zwischen den dotierten Kontaktbereichen
liegt, wie in Pixel 141c von 9a gezeigt.
In diesem Fall tritt eine Photoerzeugung von Trägern nur in diesem Teil des
Pixels auf und wird somit die maximale Trägertransitzeit zu den dotierten
kontaktierenden Bereichen (verglichen mit dem Fall, in dem das Pixel
gleichmäßig beleuchtet
wird) reduziert. Zu diesem Zweck sollte mindestens 30% des oberen
Oberflächenbereichs
der dotierten Kontaktbereiche von Metall bedeckt sein. Pixel 141a und 141b stellen
eine solche teilweise Abdeckung der Kontaktbereiche dar, wobei Pixel 141c eine
völlige (100%ige)
Abdeckung beschreibt, die bevorzugt wird. Außerdem bedeckt in jedem Fall
die Breite des Metalls die dotierten Kontaktbereiche nicht nur,
sondern beschattet auch einen Teil (z.B. mindestens 20%) des oberen Oberflächenbereichs
der intrinsisch absorbierenden Bereiche des Pixels zwischen ihnen.
Offensichtlich ist die obere Grenze für die Metallabdeckung des Pixels
nicht 100%, sondern ein geringerer Betrag, bestimmt von dem Kompromiss
zwischen der QY (die weniger Abdeckung bevorzugt) und der Geschwindigkeit
(die mehr Abdeckung bevorzugt). Zusammen definieren diese Kriterien
eine andere Ausführungsform
unserer Erfindung, in der Metall mindestens 30% der oberen Oberfläche der
dotierten Kontaktbereiche und mehr als etwa 20% des oberen Oberflächenbereichs
der undotierten absorbierenden Bereiche des Pixels zwischen den
dotierten Kontaktbereichen bedeckt.
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Der
Fachmann wird leicht erkennen, dass diese Ausführungsform unserer Erfindung,
die die dotierten Kontaktbereiche durch Metall bedeckt, die PD-Geschwindigkeit
in jedem beliebigen Typ von oberflächenbeleuchtetem PD mit Seitlich-PIN
verbessern kann.
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Eine
andere Weise, die langen Diffusionsübergangszeiten für die dotierten
Kontaktbereiche in der Abwesenheit des oben beschriebenen Typs von
Metallmaskierung zu begrenzen, besteht darin, das Volumen der dotierten
Bereiche verglichen mit dem Volumen der Pixel zu begrenzen, was
in der Praxis (i) das Beschränken der
Tiefe der Implantate auf etwa 0,2 μm in SiGe-Pixeln und (ii) das
Verkleinern der Breite der dotierten Kontaktstreifen verglichen
mit der Breite des Pixels bedeutet. Gemäß einer anderen Ausführungsform
unserer Erfindung ist das Volumen der dotierten Kontaktbereiche
in einem speziellen Pixel weniger als etwa 25% des Volumens dieses
Pixels.
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Eine
andere Technik für
die Beschränkung
der Trägertransitzeiten
gemäß noch einer
anderen Ausführungsform
unserer Erfindung besteht darin, Metall für das Bedecken des Pixelstammbereichs
zu verwenden. Ein Beispiel für
diese Anordnung wird in Pixel 141b von 9a gezeigt.
Hier bedeckt Metall 147 den Stammbereich 146 völlig. Für einen
oberseitig beleuchteten PD schaltet diese Konstruktion das Eindringen
von Signallicht in den Stammbereich aus, so dass keine Träger darin
erzeugt werden. In dem Stammbereich erzeugte Träger würden lange Transitzeiten zu
den Kontakten haben. Außerdem
sollte das Volumen des Stammbereichs, mit oder ohne Metallbedeckung über dem
Pixelstammbereich, verglichen mit dem Volumen des Pixels reduziert
werden. Der Pixelstammbereich wird nicht für Lichtabsorption verwendet;
er kann Defekte enthalten, die Dunkelströme erzeugen. Deshalb ist es
ein wichtiges Merkmal dieser Ausfüh rungsform unserer Erfindung, dass
das Volumen des Pixelstammbereichs weniger als etwa 25% des Volumens
des Pixels ist.
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Jetzt
zeigt mit Bezug auf Überlegungen
bezüglich
der Geschwindigkeiten von randbeleuchteten PDs 9b in
einer Draufsicht verschiedene mögliche
Kontaktanordnungen für
das Verbessern der Betriebsgeschwindigkeit. Im Gegensatz zu den
zuvor beschriebenen oberflächenbeleuchteten
PDs ist es nicht notwendig, die dotierten Kontaktbereiche oder die
Pixelstammbereiche mit Metall zu bedecken, da einfallendes Signallicht
mittels eines WGs zu den erwünschten
Pixelbereichen (und von den Kontaktbereichen weg) geleitet wird.
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Zwei
verschiedene WG-Pixel-Kombinationen werden in 9b gezeigt.
Die Geschwindigkeit des randbeleuchteten PDs wird erhöht, indem
das Licht nur in einen Teil der Mitte des Detektors eingebracht
wird. Um dieses Ergebnis zu erreichen, wird die Breite des WG-Abschnitts
W1a (W1b) kleiner als der Abstand W2a (W2b) zwischen den Innenrändern der
dotierten Kontaktbereiche 157a und 158a des Pixels 152a (157b und 158b des
Pixels 152b) gemacht und ist die Ausbreitungsachse des
WGs mit dem Zentrum des Pixelteils in Ausrichtung, das zwischen
den dotierten Kontaktbereichen liegt. In diesem Fall tritt eine
Photoerzeugung von Trägern
nur in dem Teil des Pixels zwischen den dotierten Kontaktbereichen
auf und wird die maximale Trägertransitzeit
zu den Rändern
somit verglichen mit dem Fall, in dem das Pixel gleichmäßig beleuchtet
wird, reduziert. Ferner stellt dieser Typ der Ausrichtung sicher,
dass das Licht aus den hoch dotierten Kontaktbereichen herausgehalten
wird, wo Diffusionszeiten lang wären.
Diese Konstruktion des WGs und des Pixels erhöht auch die QY, da das Pixel
in der Lage ist, mehr von dem Signallicht zu fangen, das von dem
Ende der WG Öffnung
abgelenkt wird. Außerdem
stellt die Versatz-Konstruktion des Pixels 142a mit dem
Kontaktbereich vom p+-Typ, der den Stammbereich 151a bedeckt,
sicher, dass keine bedeutende Menge von eingeführtem Signallicht 156a in
dem Stammbereich 151a absorbiert wird, der tendenziell
optisch verlustbehaftet ist. Wenn jedoch die Breite des Stammbereichs
(quer zur Richtung der Lichtausbreitung gemessen) weniger als eine Hälfte der
Wellenlänge
des Lichts in dem Stammbereichsmaterial gemacht wird, dringt sehr
wenig Licht in den Stammbereich ein. In diesem Fall muss der Stammbereich
nicht versetzt werden; er kann sich irgendwo in dem Pixelbereich
befinden, wo Signallicht 156b absorbiert wird (z.B. im
Zentrum des Pixels, wie von dem Stammbereich 151b des Pixels 152b gezeigt).
Deshalb ist es ein weiteres Merkmal dieser Ausführungsform unserer Erfindung,
dass die Breite des Stammbereichs geringer als eine halbe Wellenlänge des
Signallichts in dem Material des Stammbereichs ist.
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Ein
anderes Merkmal der Ausführungsform
unserer Erfindung, die Pixel 152a nutzt, besteht darin, dass
die Breite W1a des WGs geringer sein sollte als die Breite W2a des
Pixels und dass die Ausbreitung des WGs mit dem Zentrum des Pixels
in Ausrichtung sein sollte. In dem Pixel 152a ist die Ausbreitungsachse
des WGs 154 zwischen dem Rand des Pixels und dem Stammbereich
(d.h. zwischen dem Innenrand des Kontaktbereichs vom n+-Typ 157a und
dem Stammbereich 151a) ausgerichtet. Dieses Merkmal stellt
sicher, dass keine bedeutende Lichtmenge in dem Stammbereich 151a absorbiert
wird.
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PD-Kontaktkonfigurationen:
Begrenzender Dunkelstrom
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Ein
anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf PD-Kontaktkonfigurationen,
die Dunkelströme
reduzieren. Diese Konstruktionen sind in 10 dargestellt.
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Eine
hohe Dotierung in dem Pixelstammbereich unterdrückt defekterzeugte Dunkelströme. Deshalb sind
die Pixelstammbereiche gemäß einer
anderen Ausführungsform
unserer Erfindung mit entweder einer Dotiersubstanz vom n-Typ oder
vom p-Typ dotiert, um die Erzeugung von Dunkelstrom zu unterdrücken. Diese Dotierung
kann, wie in 10a gezeigt, während der
Pixel (z.B. SiGe-)Züchtung
in den Stammbereichen 188a eingeführt werden. Hier ist der Stammbereich 188a ein
in situ dotierter n-Typ und ist das Pixel undotiert oder niedrig
dotiert. Dieser Unterschied in den Dotierungen wird zum Beispiel
durch das Ändern
der Dotiersubstanzgasströmungen
während
der epitaktischen Züchtung
erreicht.
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Ein
anderes Problem bezüglich
der Dotierung ist eine Funktion des Dotiersubstanztyps des Substrats. Wieder
mit Bezug auf 10a kann, wenn das Substrat 171 kontaktiert
wird und p-Typ (n-Typ)-dotiert ist, ein großer Leckstrom von dem Substratkontakt
zu einem der Kontaktbereiche vom p+-Typ 179 (Kontaktbereiche vom
n+-Typ 178) in dem Pixel fließen. Deshalb ist es wichtig,
dass ein in Sperrrichtung vorgespannter PN-Übergang zwischen dem Substrat
und dem Pixel positioniert wird. Dieser Übergang kann auf zwei Weisen erreicht
werden. Zuerst wird, wie in 10b gezeigt,
mittels Ionenimplantation vor der Niederschlagung des Stammmantelbereichs 188b ein
PN-Übergangssperrbereich 189b in
dem Substrat 171 und unter dem Pixel 175 gebildet.
Wenn die Substratdotierung vom p-Typ (n-Typ) ist, sollte ein dünner Bereich
vom n-Typ (p-Typ) 189b zwischen dem Substrat und dem Pixelbereich 188b eingeführt werden.
In diesem Fall ist der Sperr-PN-Übergang
durch die Grenzfläche 190b zwischen
dem implantierten Bereich 189b und dem Si-Substrat 171 definiert.
Zweitens wird, wie in 10a gezeigt,
der Sperr-PN-Übergang
durch die in situ-Dotierung des Pixels 175 und des Stammbereichs 188a gebildet.
In diesem Fall wird der Sperrübergang
an der Grenzfläche 190a zwischen
dem Stammbereich 188a vom n-Typ und dem Substrat 171 vom
p-Typ gebildet. Diese Konstruktion hat auch den Vorteil, dass mögliche Dunkelstromquellen
reduziert werden. Deshalb ist es auch ein Aspekt der vorliegenden
Erfindung, dass ein PN-Übergang
zwischen dem Substrat und dem niedrig dotierten Körper des
Pixels angeordnet wird.
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Es
wird zu verstehen sein, dass die oben beschriebenen Anordnungen
nur die vielen möglichen
spezifischen Ausführungsformen
darstellen, die so ausgelegt werden können, dass sie die Anwendung
der Prinzipien der Erfindung darstellen. Zahlreiche und verschiedene
andere Anordnungen können
gemäß diesen Prinzipien
vom Fachmann entwickelt werden, ohne von dem Sinn und dem Geltungsbereich
der Erfindung abzuweichen. Insbesondere können oberflächenbeleuchtete Ausführungsformen
unserer Erfindung vorderseitig (oberseitig) seitenbeleuchtet, wie
zuvor beschrieben, oder rückseitig
(unterseitig) seitenbeleuchtet sein. Im letzteren Fall kann das
Signallicht nicht davon abgehalten werden, in die von Metall dotierten
Kontaktbereiche einzutreten, und deshalb sollte, um Diffusionszeitbeschränkungen
zu verhindern, das Volumen der dotierten Kontaktbereiche klein sein;
d.h. weniger als etwa 25% des Volumens des Pixels. Auch sind in
rückseitig
beleuchteten PDs, wo die Metallelektroden auf der vorderen Oberfläche sind,
keine Metallleitungen, um Signallicht davon abzuhalten, in die Stammbereiche
einzutreten. Deshalb sollte das Volumen der Stammbereiche relativ
klein, z.B. weniger als etwa 25% des Volumens des Pixels, gehalten
werden.