專利名稱：基于納米線的光電二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電檢測器。具體地說，本發(fā)明涉及使用納米結(jié)構(gòu)所制造的二極管 光電檢測器。
背景技術(shù)：
光子互連或通信網(wǎng)絡(luò)(例如光纖傳輸線路)中采用光電二極管來接收并且處理各 種光學(xué)信號。光電二極管的有源區(qū)域吸收光子通信網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)信號的光子。所述吸收將 光電二極管中的載流子分離，導(dǎo)致光子實質(zhì)上被轉(zhuǎn)換為一般稱為“光電流”的電流或信 號。光電流然后用作光電二極管的輸出。典型地，某種形式的光學(xué)器件用于收集來自輸 入源(例如光纖纜線)的光學(xué)信號，并且將光學(xué)信號會聚在光電二極管上。光電二極管的 面積越大(或者等效地，光電二極管的有源區(qū)域的表面或接收面積越大)，關(guān)于會聚而言 對于光學(xué)器件方面的要求就越低。因此，在很多光子應(yīng)用中，期望大面積光電二極管。遺憾的是，隨著光子互連中的光學(xué)信號的數(shù)據(jù)速率增加，所采用的光電二極管 的面積通常必須變得更小，從而導(dǎo)致更高的光學(xué)器件、組裝和測試成本。具體而言， 包括但不限于結(jié)電容以及渡越時間的光電二極管的特性一般與光電二極管的響應(yīng)時間或 帶寬有關(guān)并且傾向于對所述響應(yīng)時間或帶寬施加限制。例如，用于光子互連的具有大 于lOGb/s的數(shù)據(jù)速率的常規(guī)光電二極管可以具有被結(jié)電容與渡越時間的組合限制為大約 25-30微米(μ m)的直徑。另一方面，雖然從光學(xué)器件角度來說是有吸引力的，但具有 100-150 μ m量級或更大的直徑的大面積常規(guī)光電二極管無法為處于或超過lOGb/s的數(shù) 據(jù)速率提供充足的帶寬。因此，相當大的興趣在于提供一種用于實現(xiàn)相對大面積光電二 極管(例如具有100-150 μ m量級或更大的直徑或邊長尺寸的光電二極管)的裝置，其展 現(xiàn)出足以適應(yīng)處于或者超過lOGb/s的光學(xué)數(shù)據(jù)速率的低結(jié)電容和低渡越時間的組合。提 供這種裝置將滿足長期的需要。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明某些實施例中，提供一種基于納米線的光電二極管。所述基于納米線 的光電二極管包括第一側(cè)壁。所述第一側(cè)壁包括摻雜有P型摻雜物的第一半導(dǎo)體。所述 基于納米線的光電二極管還包括第二側(cè)壁，所述第二側(cè)壁包括摻雜有η型摻雜物的第一 半導(dǎo)體。所述第二側(cè)壁在襯底上與所述第一側(cè)壁水平間隔開，以形成溝槽。所述溝槽的 頂部寬于與所述襯底鄰近的溝槽的底部。所述第一側(cè)壁和所述第二側(cè)壁之一或二者的第 一半導(dǎo)體是單晶。所述基于納米線的光電二極管還包括水平橫跨所述溝槽從所述第一側(cè)壁到達所述第二側(cè)壁的納米線。所述納米線包括第二半導(dǎo)體，其為本征半導(dǎo)體。所述第 一側(cè)壁、所述納米線和第二側(cè)壁一起形成p-i-n光電二極管。在本發(fā)明其它實施例中，提供一種交叉指型p-i-n光電二極管。所述交叉指型 p-i-n光電二極管包括多個第一手指，所述第一手指包括ρ型半導(dǎo)體。所述交叉指型p-i-n 光電二極管還包括多個第二手指，所述第二手指包括η型半導(dǎo)體。所述第二手指在襯底 上與所述第一手指水平間隔開并且散布于所述第一手指之間，以在相應(yīng)的第一手指和第 二手指之間形成多個溝槽。所述溝槽的頂部寬于與所述襯底鄰近的溝槽的底部。所述交 叉指型p-i-n光電二極管還包括水平橫跨所述溝槽從所述第一手指的相應(yīng)側(cè)壁到達所述第 二手指的相應(yīng)側(cè)壁的多個納米線。所述納米線包括i型半導(dǎo)體。所述第一手指、所述納 米線和所述第二手指一起形成多個交叉指型p-i-n半導(dǎo)體結(jié)。在本發(fā)明其它實施例中，提供一種制造基于納米線的光電二極管的方法。所述 制造方法包括提供襯底，其具有絕緣襯底。所述制造方法還包括在絕緣襯底上形成 第一板和第二板，所述第一板包括ρ型半導(dǎo)體，所述第二板包括η型半導(dǎo)體。通過溝槽將 所述第二板與所述第一板間隔開，所述溝槽在遠離所述絕緣襯底的頂部寬于與所述絕緣 襯底鄰近的底部。所述制造方法還包括跨所述溝槽將納米線從所述第一板的側(cè)壁連接 到所述第二板的相對側(cè)壁。所述納米線包括i型半導(dǎo)體，以及所連接的納米線形成p-i-n 半導(dǎo)體結(jié)。所述ρ型半導(dǎo)體和所述η型半導(dǎo)體之一或二者是單晶。本發(fā)明特定實施例具有其它特征，該其它特征是除了以上描述的特征之外的以 及代替以上描述的特征中的一者或二者。以下參照附圖來詳述本發(fā)明的這些特征以及其 它特征。


參照結(jié)合附圖的以下詳細描述，本發(fā)明實施例的各種特征可以更容易理解，其 中，相同的標號表示相同的結(jié)構(gòu)元件，并且其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明實施例的基于納米線的光電二極管的截面圖。圖2Α示出根據(jù)本發(fā)明實施例的交叉指型p-i-n光電二極管的截面圖。圖2B示出根據(jù)本發(fā)明實施例的圖2A所示的交叉指型p-i-n光電二極管的透視 圖。圖3示出根據(jù)本發(fā)明另一實施例的交叉指型p-i-n光電二極管的截面。圖4示出根據(jù)本發(fā)明實施例的制造基于納米線的光電二極管的方法的流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明實施例提供一種基于納米線的光電二極管，其采用p-i-n光電二極管的本 征(“i型”)或無摻雜的半導(dǎo)體納米線。具體而言，根據(jù)本發(fā)明，i型半導(dǎo)體納米線橋 接在ρ型摻雜的半導(dǎo)體與η型摻雜的半導(dǎo)體之間，以形成p-i-n光電二極管。橋接納米線 由空氣或另一低介電常數(shù)材料圍繞。因此，p-i-n光電二極管的本征區(qū)域或i區(qū)域的有效 介電常數(shù)低于或者顯著低于i型半導(dǎo)體自身的有效介電常數(shù)。較低的有效介電常數(shù)有助 于實現(xiàn)與常規(guī)p-i-n光電二極管結(jié)構(gòu)相比具有低電容的各個實施例的p-i-n光電二極管。 此外，由于相對較低的有效介電常數(shù)，可以通過將納米線的長度保持為短而不會明顯增加電容來實現(xiàn)本發(fā)明各個實施例的p-i-n光電二極管的i區(qū)域的相對低的渡越時間。提供 相對低的電容以及同時促進短渡越時間的組合使得本發(fā)明各個實施例的基于納米線的光 電二極管能夠提供高的帶寬(例如快速或非?？焖俚捻憫?yīng)時間)。例如，根據(jù)本發(fā)明某些 實施例的p-i-n光電二極管可以用在具有大于lOGb/s帶寬的光子互連中。在某些實施例中，使用本發(fā)明的基于納米線的光電二極管提供一種大面積p-i-n 光電二極管。例如，大面積p-i-n光電二極管可以具有大約100至150微米(μ m)的直 徑(例如圓形)或邊長(例如矩形)。例如，大面積p-i-n光電二極管可以減輕對于用于 將信號會聚在p-i-n光電二極管上的光學(xué)器件的嚴格會聚要求。然而，作為本發(fā)明某些 實施例的基于納米線的光電二極管的相對較低的介電常數(shù)的結(jié)果，可以實現(xiàn)短渡越時間 和低電容的組合，其支持這種大面積p-i-n光電二極管的高帶寬操作。例如，根據(jù)本發(fā)明 某些實施例，可以實現(xiàn)具有10-40皮秒(ps)渡越時間和僅幾百飛法拉(fF)電容的100至 150 μ m直徑或邊長的p-i-n光電二極管。根據(jù)各個實施例，本發(fā)明的基于納米線的光電二極管包括p-i-n光電二極管結(jié) 構(gòu)，其中，i型區(qū)域是由跨P型摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域與η型摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域之間的溝槽橋 接的一個或多個納米線提供的。ρ型半導(dǎo)體區(qū)域和η型半導(dǎo)體區(qū)域可以是使用常規(guī)沉積方 法所形成的單晶半導(dǎo)體。在各個實施例中，溝槽的側(cè)壁遠離溝槽的中心傾斜或者歪斜。側(cè)壁的傾斜有助 于將入射光學(xué)信號耦合到光子被吸收的p-i-n光電二極管的有源區(qū)域(例如(一個或多個) 納米線所提供的i區(qū)域)。例如，側(cè)壁的傾斜傾向于將光反射到光子可能被吸收的納米線 中。此外，根據(jù)本發(fā)明各個實施例，側(cè)壁的傾斜可以增加p-i-n光電二極管的有源區(qū)域 相對于非有源區(qū)域的面積。例如，在交叉指型p-i-n光電二極管中，ρ型摻雜的半導(dǎo)體和 η型摻雜的半導(dǎo)體的交替指或手指的尺寸可以通過使得間隔開的交替指所形成的溝槽的側(cè) 壁傾斜而在基于納米線的光電二極管的接收表面處最小化。歪斜或者傾斜的側(cè)壁也可以 減少邊緣電容，從而進一步減少p-i-n光電二極管電容。在此所使用的術(shù)語“納米線”定義為單獨的準一維的、納米尺度的、一般為單 晶的結(jié)構(gòu)，其典型地被表征為具有遠小于第三空間維度或方向的兩個空間維度或方向。 納米線中的第三較大維度的存在有助于電子沿著該維度傳送，而傳導(dǎo)在其它兩個空間維 度上是受限的。此外，在此所定義的納米線通常具有軸向維度或長度(作為主要的或 第三空間維度)、相對端和實芯。例如，納米線的軸向長度典型地是納米線的直徑(或 等效地，寬度)的許多倍。納米線也可以被稱為納米晶須、納米棒(nanorod)或納米針 (nanoneedle)。 “半導(dǎo)體納米線”是構(gòu)成半導(dǎo)體的納米線。例如，納米線可以具有大約 10至IOOnm量級的直徑。此外，示例性納米線可以具有沿著納米線的長度而變化的(例 如，可變的或者非均勻的)直徑。通常，在此所采用的術(shù)語“納米尺度”指的是范圍從 小于大約IOnm到幾百納米的尺寸。納米線可以根據(jù)各種方法而形成。例如，納米線可以通過用納米線的材料來填 充包括納米尺度孔的鑄模而形成。具體而言，具有孔的鑄模或掩模形成在表面上。然后 用將變?yōu)榧{米線的材料填充這些孔。在某些情況下，鑄模被移除，從而留下獨立的納米 線。在其它情形下，鑄模(例如SiO2)可以保留。填充孔的材料的組成可以沿著納米線 的長度而變化，以形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并且/或者摻雜物材料可以沿著所述長度而變化，以形成半導(dǎo)體結(jié)(例如p-i-n結(jié))。在另一示例中，納米線是通過自組裝而不用鑄模來生長 的。納米線可以使用各種技術(shù)而生長。例如，催化生長包括使用例如氣-液-固 (VLS)技術(shù)和氣-固(VS)技術(shù)中的一種或多種的金屬催化生長，但不限于此。納米微 粒催化劑形成在納米線待從其生長的表面上?？梢岳缡褂冒ㄇ膀?qū)體(precursor)納米 線材料的氣體混合物并且在納米微粒催化劑的輔助下在化學(xué)氣相沉積(CVD)室中執(zhí)行所 述生長。具體而言，納米微粒催化劑加速了氣體混合物中的前驅(qū)體納米線材料的分解。 源自包含特定納米線材料的氣體的分解的原子擴散通過納米微粒催化劑或者在其周圍擴 散，并且沉淀在下面的襯底上。納米線材料的原子沉淀在納米微粒催化劑與表面之間， 以啟動納米線生長。此外，隨著在納米微粒-納米線界面處的繼續(xù)沉淀，納米線的催化 生長繼續(xù)。這種繼續(xù)沉淀使得納米微粒保持在生長的納米線的自由端的頂尖處。納米 線生長繼續(xù)，直到實現(xiàn)目標納米線長度為止。其它技術(shù)(例如，諸如激光燒蝕)也可以 用于供應(yīng)形成生長的納米線的材料。形成納米線的材料的組成可以沿著納米線的長度而 變化，以形成軸向異質(zhì)結(jié)構(gòu)，如上所述，或者其可以在徑向方向上變化，以形成徑向或
“芯-殼”異質(zhì)結(jié)構(gòu)。還如上所述，摻雜物濃度可以在數(shù)量或類型方面變化，以形成電 結(jié)(例如p-i-n結(jié))。在催化生長期間，納米線可以從納米微粒催化劑的位置在主要垂直于適當取向 的襯底表面的平面的方向上生長。在最常見的生長條件下，納米線關(guān)于晶格在<111>方 向上生長，并且因而主要垂直于(晶格的)(111)表面生長。對于(111)取向的水平表面 而言，納米線將相對于水平表面主要垂直地生長。在(111)取向的垂直表面上，納米線 將相對于垂直表面主要橫向地(即水平地)生長。在此為了簡單起見，在此結(jié)合諸如“111”和“110”此類的數(shù)字對中括號 “[]”的使用與晶格的方向或取向有關(guān)，并且意圖將方向“<>”包括在其范圍內(nèi)。在此
為了簡單起見，在此關(guān)于諸如“111”和“110”此類的數(shù)字對圓括號“0”的使用與 晶格的平面或平坦表面有關(guān)，并且意圖將平面“ ”包括在其范圍內(nèi)。這樣的使用意圖 遵循本領(lǐng)域已知的常用結(jié)晶命名法。在此所使用的術(shù)語“半導(dǎo)體”和“半導(dǎo)體材料”獨立地包括但不限于來自元素 周期表的IV族元素和化合物半導(dǎo)體、III-V族化合物半導(dǎo)體和II-VI族化合物半導(dǎo)體、或 形成任何晶體取向的另一半導(dǎo)體材料。例如但并非限制，半導(dǎo)體襯底可以是具有(111) 取向或(110)取向的硅層(即頂層)的絕緣體上硅(SOI)晶片、或(111)硅的單一獨立式 晶片，這取決于實施例。根據(jù)本文的一些實施例，使得其導(dǎo)電的半導(dǎo)體材料(無論是納 米線還是襯底的一部分)摻雜有摻雜物材料，從而根據(jù)應(yīng)用來施加目標量的導(dǎo)電率(以及 可能地其它特性)。對于本發(fā)明各個實施例有用的絕緣體或絕緣體材料是能夠制成絕緣的任何材 料，包括但不限于來自以上列出的各族的半導(dǎo)體材料、另一半導(dǎo)體材料、以及本來絕緣 的材料。此外，絕緣體材料可以是任何以上引述的半導(dǎo)體材料的氧化物、碳化物、氮化 物或氧氮化物，從而材料的絕緣特性得以促進。例如，絕緣體可以是氧化硅(SiOx)?？?選地，絕緣體可以包括金屬的氧化物、碳化物、氮化物或氧氮化物(例如氧化鋁)或甚至是多種不同材料的組合以形成單一絕緣材料，或其可以由多層絕緣材料形成。半導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料可以基本上是未摻雜的或是摻雜的。未摻雜的或未有意摻 雜的(例如輕微摻雜雜散污染物的)半導(dǎo)體在此被稱為“本征”半導(dǎo)體、“本征摻雜的” 半導(dǎo)體、或“i型”半導(dǎo)體。摻雜的半導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)的摻雜區(qū)域通常是通過將受主材 料(即ρ型摻雜物)或施主材料(即η型摻雜物)添加到半導(dǎo)體以產(chǎn)生非本征半導(dǎo)體而形 成的。添加摻雜物的工藝被稱為摻雜。摻雜有ρ型摻雜物的半導(dǎo)體在此被稱為“ρ型半 導(dǎo)體”，并且可以在半導(dǎo)體器件或?qū)觾?nèi)形成或者提供ρ區(qū)域。相似地，摻雜有η型摻雜 物的半導(dǎo)體在此被稱為“η型半導(dǎo)體”，并且可以在半導(dǎo)體器件或?qū)觾?nèi)形成或者提供η區(qū) 域。在此所使用的“半導(dǎo)體結(jié)”指的是在半導(dǎo)體材料內(nèi)在其兩個不同摻雜的區(qū)域之 間形成的結(jié)。半導(dǎo)體材料的P摻雜的區(qū)域與η摻雜的區(qū)域之間的結(jié)被稱為ρ-η半導(dǎo)體 結(jié)，或者簡稱為ρ-η結(jié)。ρ-η結(jié)包括不對稱摻雜的半導(dǎo)體結(jié)，例如但不限于ρ+-η結(jié)，其 中“ρ+”表示與η型摻雜物或雜質(zhì)相比相對更高濃度的ρ型摻雜物或雜質(zhì)。其中本征摻 雜區(qū)域(i區(qū)域)位于ρ摻雜的區(qū)域(或“ρ區(qū)域”)與η摻雜的區(qū)域(或“η區(qū)域”)之 間并且將它們分離的半導(dǎo)體結(jié)通常在此被稱為p-i-n半導(dǎo)體結(jié)，或者簡稱為p-i-n結(jié)。在 此所使用的術(shù)語“半導(dǎo)體結(jié)”也指代可以包括不同半導(dǎo)體材料(例如GaAs和GaAlAs) 的一個或多個層、不同摻雜濃度(例如ρ、ρ+、ρ > ρ++、η、η+、η_、η++、i等)的層、 以及各層之內(nèi)以及跨各層的摻雜濃度梯度的復(fù)雜結(jié)。進而在此，“本征”摻雜的半導(dǎo)體 或有關(guān)的“本征”區(qū)域、層以及半導(dǎo)體之一被定義為具有基本上未摻雜的(例如未有意 摻雜的)或當與半導(dǎo)體結(jié)的其他層或區(qū)域(例如ρ摻雜區(qū)域或η摻雜區(qū)域)中存在的摻雜 濃度相比時相對輕微摻雜的摻雜濃度的半導(dǎo)體或半導(dǎo)體區(qū)域。如在此所使用的，半導(dǎo)體結(jié)的“有源區(qū)域”被定義為積極地參與半導(dǎo)體結(jié)的預(yù) 期操作的結(jié)的那個部分。例如，光電二極管中半導(dǎo)體結(jié)的有源區(qū)域是吸收在光電二極管 中產(chǎn)生光電流的多數(shù)光子的結(jié)的那個部分。在某些實施例中，“有源區(qū)域”被定義為包 括耗盡區(qū)域厚度加上等于離開半導(dǎo)體結(jié)或從其附近進入四周中性區(qū)域的若干少數(shù)載流子 擴散長度的距離之和。例如，在p-i-n光電二極管結(jié)中，有源區(qū)域可以基本上被限定為二 極管結(jié)的本征區(qū)域(即i區(qū)域)。接合不同半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體結(jié)在此被定義和稱為“異質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)”，或者簡稱 為“異質(zhì)結(jié)”。例如，夾在第二半導(dǎo)體材料的兩個鄰近層之間的第一半導(dǎo)體材料的層將 被稱為異質(zhì)結(jié)。這種異質(zhì)結(jié)(其中，第一半導(dǎo)體材料具有第一帶隙，且第二半導(dǎo)體材料 具有第二帶隙，第一帶隙低于第二帶隙)在此被定義為量子阱或異質(zhì)結(jié)量子阱。(相同材料或不同材料的)n型半導(dǎo)體和ρ型半導(dǎo)體之間的半導(dǎo)體結(jié)一般也被稱 為“二極管結(jié)”，無論本征層是否分離η型摻雜的半導(dǎo)體和ρ型摻雜的半導(dǎo)體。在各摻 雜半導(dǎo)體之間具有本征納米線的這種二極管結(jié)是在此所描述的各種基于納米線的光電二 極管器件實施例的基礎(chǔ)。通常，在基于半導(dǎo)體的器件(例如ρ-η 二極管或p-i-n 二極管)中所使用的半導(dǎo) 體可以是單晶(即單一晶)、多晶、微晶或無定形(即非晶體)之一。在此，作為“單 晶”的半導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料具有在微米尺度上基本連續(xù)的晶格，或者由所述晶格來表 征。因而，單晶半導(dǎo)體通常展現(xiàn)長范圍(例如大于100 μ m)的原子有序化。例如，從使用Czochralski工藝自籽晶生長的晶棒切下的半導(dǎo)體晶片通常被認為是單晶。相似地，在 絕緣體層上生長以形成絕緣體上半導(dǎo)體(SOI)襯底的半導(dǎo)體材料的外延層可以基本上是 外延層內(nèi)的單晶。與之對照的是，多晶或微晶半導(dǎo)體包括許多隨機取向的晶格且缺乏長 范圍原子有序化。用作互連和很多太陽能電池上的頂層的多晶硅是多晶半導(dǎo)體的示例。在此為了簡單起見，在襯底或板與襯底或板上的任何層或結(jié)構(gòu)之間不進行區(qū) 分，除非這種區(qū)分對于正確理解是必要的。進而，如在此所使用的，冠詞“一”意圖具 有專利領(lǐng)域中的普遍意義，即“一個或多個”。例如，“一層”通常意味著“一個或多 個層”，并且照此，“所述層”在此意味著“所述(一個或多個)層”。此外，在此對
“頂”、“底”、“上面”、“下面”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”或 “水平”的任何引用用于討論的目的，并非意圖在此進行限制。此外，本文的示例意圖 僅是說明性的，并且是為了討論的目的而不是作為限制給出的。圖1示出根據(jù)本發(fā)明實施例的基于納米線的光電二極管100的截面圖。如所示 的那樣，基于納米線的光電二極管100是p-i-n光電二極管。基于納米線的光電二極管 100在有源區(qū)域(例如i區(qū)域)中吸收入射光學(xué)信號(例如入射光子)，并且生成光電流。 光電流通過連接到基于納米線的光電二極管100的ρ區(qū)域和η區(qū)域的電接觸(未示出)而 傳送到外部電路。如所示的那樣，基于納米線的光電二極管100包括第一側(cè)壁110。第一側(cè)壁110 包括第一半導(dǎo)體。在某些實施例中，第一側(cè)壁110的第一半導(dǎo)體實質(zhì)上是單晶。在其它 實施例中，第一側(cè)壁110的第一半導(dǎo)體是多晶、微晶和無定形中的一種或多種。第一側(cè) 壁110的第一半導(dǎo)體摻雜有ρ型摻雜物，使其成為P型半導(dǎo)體。例如，作為第一側(cè)壁110 的ρ型半導(dǎo)體，第一半導(dǎo)體可以包括摻雜有受主材料(例如硼(B)或鋁(Al))的單晶硅 (Si)。基于納米線的光電二極管100還包括第二側(cè)壁120。第二側(cè)壁120包括摻雜有η 型摻雜物的第一半導(dǎo)體，使其成為η型半導(dǎo)體。在某些實施例中，第二側(cè)壁120的第一 半導(dǎo)體實質(zhì)上是單晶。在其它實施例中，第二側(cè)壁120的第一半導(dǎo)體是多晶、微晶和無 定形中的一種或多種。例如，作為第二側(cè)壁120的η型半導(dǎo)體的第一半導(dǎo)體可以包括摻 雜有施主材料(例如磷(P)、砷(As)或銻(Sb)中的一種或多種)的單晶硅(Si)。第二側(cè)壁120水平地與第一側(cè)壁110間隔開。該間距在第一側(cè)壁110與第二側(cè) 壁120之間形成溝槽130。溝槽130大致在垂直方向上延伸。具體而言，第一側(cè)壁110 和第二側(cè)壁120是溝槽130的側(cè)壁?；诩{米線的光電二極管100還包括納米線140。納米線140水平地橫跨溝槽 130從第一側(cè)壁110到達第二側(cè)壁120。圖1通過示例的方式僅示出第一側(cè)壁110與第二 側(cè)壁120之間的一個納米線140。在某些實施例中，多個納米線140可以橫跨溝槽130從 第一側(cè)壁110到達第二側(cè)壁120。具體而言，根據(jù)某些實施例，納米線140在第一端連接 到第一側(cè)壁110，并且在第二端連接到第二側(cè)壁120。在第一端和第二端處的相應(yīng)連接是 緊密連接，形成半導(dǎo)體結(jié)。納米線140包括第二半導(dǎo)體，其可以與第一半導(dǎo)體相同或不同，這取決于實施 例。在某些實施例中，第二半導(dǎo)體是單晶。根據(jù)某些實施例，第二半導(dǎo)體包括本征半導(dǎo) 體或i型半導(dǎo)體。在這種實施例中，納米線140包括i型半導(dǎo)體。第一側(cè)壁110(p型)、(一個或多個)納米線140 (i型)和第二側(cè)壁120 (η型)一起形成p-i-n光電二極管。如圖1所示，納米線140不用第二半導(dǎo)體填充溝槽130。代替地，溝槽130內(nèi)存 在間隙空間，溝槽130并未被第二半導(dǎo)體所填充或者以其他方式被其所占據(jù)。在某些實 施例中，存在相當大的間隙空間。例如，間隙空間可以填充有環(huán)境大氣(例如空氣、真 空等)，基于納米線的光電二極管100浸入在所述環(huán)境大氣中。在其它實施例中，間隙空 間填充有另一材料，例如介電材料(例如絕緣氧化物)。在某些實施例中，間隙空間填充 材料具有比第二半導(dǎo)體的介電常數(shù)更小的介電常數(shù)。在這種實施例中，第一側(cè)壁110與 第二側(cè)壁120之間的區(qū)域的有效介電常數(shù)小于第二半導(dǎo)體的介電常數(shù)。在某些實施例中，第二半導(dǎo)體實質(zhì)上與第一半導(dǎo)體相似。在其它實施例中，第 一半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體不同。在某些實施例中，第一半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體具有不同的帶 隙。例如，第二半導(dǎo)體的帶隙可以小于第一半導(dǎo)體的帶隙。在另一示例中，第二半導(dǎo)體 的帶隙大于第一半導(dǎo)體的帶隙(例如量子阱)。在某些實施例中，第一半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體之一或二者是化合物半導(dǎo)體。在 某些實施例中，該化合物半導(dǎo)體可以包括III-V以及II-VI化合物半導(dǎo)體之一或二者。 例如，第二半導(dǎo)體的化合物半導(dǎo)體可以是III-V化合物半導(dǎo)體，例如但不限于磷化銦 (InP)、砷化鎵(GaAs)、以及鎵鋁砷(GaAlAs)，而第一半導(dǎo)體是VI族元素半導(dǎo)體，例 如但不限于硅(Si)或鍺(Ge)。在另一示例中，第一半導(dǎo)體是III-V化合物半導(dǎo)體，例如 GaAs,且第二半導(dǎo)體是不同的III-V化合物半導(dǎo)體，例如GaAlAs。在某些實施例中，第 一半導(dǎo)體可以包括與第二半導(dǎo)體的化合物半導(dǎo)體不同的并且具有比之更小或更大的帶隙 的化合物半導(dǎo)體。在某些實施例中，溝槽130的頂部寬于溝槽130的底部。具體而言，第一側(cè)壁 110和第二側(cè)壁120之一或二者以相對于垂直軸132的傾斜角θ傾斜遠離溝槽130的中 心，如圖1所示。在某些實施例中，傾斜角θ大于大約5度，但小于大約45度。在某 些實施例中，傾斜角θ在大約10度至大約30度之間。在某些實施例中，溝槽130的平 均寬度大于大約第二半導(dǎo)體的一個少數(shù)載流子擴散長度。例如，當?shù)诙雽?dǎo)體為InP時 溝槽的平均寬度可以是在大約1_4μιη的范圍中。在某些實施例中，當?shù)谝话雽?dǎo)體實質(zhì)上是單晶時，該單晶第一半導(dǎo)體包括(111) 晶格平面，其垂直取向并且與溝槽130的至少一部分長度同延(coextensive)。在這種實施 例中，晶格的<111>方向基本上跨過溝槽而指向。例如，第一側(cè)壁110的第一半導(dǎo)體可 以是單晶，并且具有前述的垂直取向且同延的(111)晶格平面。示例性第一側(cè)壁110形 成溝槽側(cè)壁并且晶格的<111>方向跨過溝槽130指向第二側(cè)壁120。由于已知納米線優(yōu) 先地在<111>方向上生長，因此對于該示例，從第一側(cè)壁110生長的納米線140將優(yōu)先地 朝向第二側(cè)壁120生長。此外，甚至當?shù)谝粋?cè)壁110傾斜離開溝槽130的中心(例如， 如圖1所示)時，納米線140將傾向于跨過溝槽130水平生長。在某些實施例中，基于納米線的光電二極管100還包括襯底160的絕緣表面層 150。在某些實施例中，整個襯底160可以是絕緣的(例如藍寶石襯底、半絕緣InP襯底 或半絕緣GaAs襯底)，在此情況下，襯底160實質(zhì)上構(gòu)成絕緣表面層150。在其它實施 例中，絕緣表面層150是在襯底160的表面上沉積或者另外形成的絕緣材料層(即如圖1 所示)。例如，襯底160可以是具有二氧化硅(SiO2)絕緣表面層150的硅(Si)襯底。在其它實施例中，絕緣表面層150被另一層(未示出)替代，所述另一層在第一側(cè)壁110的 ρ型半導(dǎo)體與第二側(cè)壁120的η型半導(dǎo)體之間提供電隔離。在某些實施例中，絕緣層150 禁止納米線140形成(例如生長)在絕緣層150上或者連接到絕緣層150。圖2Α示出根據(jù)本發(fā)明實施例的交叉指型p-i-n光電二極管200的截面圖。圖2B 示出根據(jù)本發(fā)明實施例的圖2A所示的交叉指型p-i-n光電二極管200的透視圖。圖3示 出根據(jù)本發(fā)明另一實施例的交叉指型p-i-n光電二極管200的截面圖。交叉指型p-i-n光電二極管200包括多個第一指或“手指” 210。每個第一手指 210包括ρ型半導(dǎo)體。在某些實施例中，ρ型半導(dǎo)體實質(zhì)上是單晶。在這種實施例中，第 一手指210實質(zhì)上是單晶ρ型半導(dǎo)體的條帶。每個第一手指210具有側(cè)壁212。在某些 實施例中，多個第一手指210的側(cè)壁212實質(zhì)上與以上關(guān)于基于納米線的光電二極管100 描述的第一側(cè)壁110相似。交叉指型p-i-n光電二極管200還包括多個第二指或“手指” 220。每個第二 手指220包括η型半導(dǎo)體。在某些實施例中，η型半導(dǎo)體實質(zhì)上是單晶。在這種實施例 中，第二手指220實質(zhì)上是單晶η型半導(dǎo)體的條帶。每個第二手指220具有側(cè)壁222。 在某些實施例中，多個第二手指220的側(cè)壁222實質(zhì)上與以上關(guān)于基于納米線的光電二極 管100描述的第二側(cè)壁120相似。第二手指220中的單獨手指與第一手指210中的單獨手指水平間隔開，并且散布 于其間。分隔的散布的多個第一手指210和第二手指220在相應(yīng)多個手指的相應(yīng)第一手 指210和第二手指220之間形成多個溝槽230。每一溝槽230的頂部寬于溝槽230的底 部。在某些實施例中，溝槽230實質(zhì)上與以上關(guān)于基于納米線的光電二極管100描述的 溝槽130相似。交叉指型p-i-n光電二極管200還包括多個納米線240，其水平橫跨多個溝槽中 的單獨溝槽230。具體地說，納米線240從第一手指210的相應(yīng)側(cè)壁212橫跨到第二手指 220的相應(yīng)側(cè)壁222。納米線240包括i型半導(dǎo)體。在某些實施例中，該多個納米線240 實質(zhì)上與以上關(guān)于基于納米線的光電二極管100描述的納米線140相似。具體而言，在 某些實施例中，i型半導(dǎo)體包括具有比第一手指210的ρ型半導(dǎo)體和第二手指220的η型 半導(dǎo)體之一或二者的帶隙更小的帶隙的化合物半導(dǎo)體。交叉指型p-i-n光電二極管200的溝槽230具有由填充溝槽230的環(huán)境規(guī)定的介 電常數(shù)，如以上對于溝槽130所描述的那樣。在某些實施例中，溝槽230的有效介電常 數(shù)小于多個納米線240的i型半導(dǎo)體的介電常數(shù)。在某些實施例中，交叉指型p-i-n光電二極管200還包括絕緣襯底250。絕緣襯 底250支撐多個第一手指210和多個第二手指220。例如，絕緣襯底250可以包括半導(dǎo)體 上絕緣體襯底。在某些實施例中，絕緣襯底250實質(zhì)上與以上關(guān)于基于納米線的光電二 極管100描述的絕緣表面150以及襯底160相似。在某些實施例中，交叉指型p-i-n光電二極管200還包括第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體 層，它們分別與多個第一手指210以及多個第二手指220電接觸。圖2B通過示例的方式 示出多個第一手指210的互連臂上的第一導(dǎo)體層260以及多個第二手指220的互連臂上的 第二導(dǎo)體層280。在某些實施例中，第一導(dǎo)體層260被提供在所述多個第一手指210中 的每一個的頂表面上。第一導(dǎo)電層260電互連多個第一手指210并且減少多個第一手指210的總(collective)串聯(lián)電阻。在某些實施例中，第二導(dǎo)體層280被提供在所述多個第 二手指220中的每一個的頂表面上。第二導(dǎo)電層280電互連多個第二手指220并且減少 多個第二手指220的總串聯(lián)電阻。例如，第一導(dǎo)體層260和第二導(dǎo)體層280可以包括通 過蒸發(fā)或濺射而在相應(yīng)手指210、220的頂表面上并且沿著相應(yīng)手指210、220的頂表面沉 積的金屬。在另一示例中，第一導(dǎo)體層260和第二導(dǎo)體層280包括多晶硅互連(例如重 摻雜的多晶硅層)。在某些實施例中，多個第一手指210和多個第二手指220之一或二者的單獨手指 具有三角形和梯形之一的截面形狀。例如，圖2A示出具有梯形截面形狀的相應(yīng)多個第一 手指210和第二手指220。圖3示出具有三角形截面形狀的相應(yīng)多個第一手指210和第 二手指220。相應(yīng)手指210、220的三角形和梯形截面形狀具有相對于垂直軸(未示出) 的相應(yīng)側(cè)壁212、222角。在此，側(cè)壁角是在遠離溝槽230的中心的方向上測量并且定義 的，如圖1中關(guān)于側(cè)壁角θ所示出的那樣。在某些實施例中，側(cè)壁角大于大約5度。在 某些實施例中，側(cè)壁角小于或等于45度。圖4示出根據(jù)本發(fā)明實施例的制造基于納米線的光電二極管的方法300的流程 圖。制造基于納米線的光電二極管的方法300包括提供310絕緣襯底。例如，絕緣襯 底可以是具有絕緣層的襯底(例如SOI襯底)。制造基于納米線的光電二極管的方法300 還包括在絕緣襯底上形成320第一板和第二板，所述第一板包括ρ型半導(dǎo)體，所述第 二板包括η型半導(dǎo)體。當形成320時，第二板通過溝槽與第一板間隔開。此外，溝槽在 遠離絕緣襯底的溝槽頂部寬于鄰近于絕緣襯底的溝槽的底部。例如，通過溝槽間隔開的 第一板和第二板可以實質(zhì)上與通過溝槽230間隔開的第一手指210和第二手指220相似， 如圖2Α、圖2Β和圖3中的一幅或多幅所示，并且如以上關(guān)于交叉指型p-i-n光電二極管 200所描述的那樣。制造基于納米線的光電二極管的方法300還包括跨過溝槽連接330納米線。具 體而言，納米線從第一板的側(cè)壁連接330到第二板的相對側(cè)壁，從而形成半導(dǎo)體結(jié)。納 米線包括i型半導(dǎo)體。連接330納米線的步驟提供了 p-i-n光電二極管。在某些實施例 中，ρ型半導(dǎo)體和η型半導(dǎo)體之一或二者是單晶。在某些實施例中，形成320第一板和第二板的步驟包括將單晶半導(dǎo)體沉積在 絕緣襯底上。形成320第一板和第二板的步驟還包括刻蝕單晶半導(dǎo)體，以限定由溝槽 所分離的第一板和第二板。在某些實施例中，刻蝕步驟產(chǎn)生具有相對于垂直軸的傾斜角 θ的第一板和第二板之一或二者的側(cè)壁。傾斜角θ通常遠離溝槽的中心。在某些實施 例中，傾斜角θ大于大約5度，但小于或等于45度。在某些實施例中，傾斜角θ小于 大約30度。在某些實施例中，傾斜角θ大于大約10度。例如，半絕緣單晶襯底(例如InP或GaAs)可以使用具有與一組第一交叉指型手 指(例如當以GaAs襯底開始時，為ρ型AlGaAs)對應(yīng)的開孔的介電掩模進行掩蔽。例 如，所述掩蔽可以通過標準光刻工藝來限定開孔?？梢圆捎酶煞涛g或濕法刻蝕來創(chuàng)建 開孔。例如，介電掩模可以是氮化硅或二氧化硅。然后將掩蔽后的襯底置于有機金屬氣 相外延(OMVPE)反應(yīng)器中，以在掩模的開孔中選擇性地生長ρ型AlGaAs手指。一旦 第一交叉指型手指(即ρ型AlGaAs手指)生長在襯底上，就在新的偏移位置處重復(fù)該工 藝，以使用OMVPE反應(yīng)器通過η型AlGaAs生長形成η型AlGaAs交叉指型手指。例如，納米線可以是具有比手指的帶隙更小的帶隙的GaAs、InGaAs、InP。手指對于入射 輻射無需是透明的。在某些情況下，不使用透明手指可以使得因在手指中生成的載流子 擴散進入高場區(qū)域——納米線的i型半導(dǎo)體——所導(dǎo)致的慢響應(yīng)最小化。在某些實施例中，跨過溝槽將納米線連接330到第一板和第二板的步驟包括 使用以上對于納米線生長所描述的任何方法就地(in situ)生長納米線。在某些實施例中， 納米線與以上對于光電二極管100、200所描述的納米線140、240的任何實施例相似。在某些實施例中，制造基于納米線的光電二極管的方法300還包括形成到第 一板的電接觸以及到第二板的電接觸。電接觸為在半導(dǎo)體結(jié)處所產(chǎn)生的光電流提供退出 基于納米線的光電二極管的路徑。電接觸可以通過金屬的濺射或蒸發(fā)或者例如將重摻雜 的多晶硅沉積在第一板和第二板的相應(yīng)頂表面上而形成。在某些實施例中，電接觸相似 于以上對于交叉指型光電二極管200所描述的第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層，包括第一導(dǎo)體 層260和第二導(dǎo)體層280。因而，已經(jīng)描述了基于納米線的光電二極管、交叉指型p-i-n光電二極管以及使 用光電二極管的i區(qū)域中的i型半導(dǎo)體納米線制造基于納米線的光電二極管的方法的實施 例。應(yīng)理解，以上描述的實施例僅僅是說明表示本發(fā)明原理的很多具體實施例中的某些 實施例。清楚的是，在不脫離所附權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的范圍的情況下，本領(lǐng)域技 術(shù)人員可以容易地設(shè)計很多其它布置。
權(quán)利要求
1.一種基于納米線的光電二極管100、200，包括第一側(cè)壁110、212，其包括摻雜有ρ型摻雜物的第一半導(dǎo)體；第二側(cè)壁120、222，其包括摻雜有η型摻雜物的所述第一半導(dǎo)體，所述第二側(cè)壁 120、222在襯底150、160、250上與所述第一側(cè)壁110、212水平分隔開以形成溝槽 130、230，其中溝槽130、230的頂部寬于與所述襯底150、160、250鄰近的溝槽130、 230的底部，所述第一側(cè)壁110、212和所述第二側(cè)壁120、222之一或二者中的所述第一 半導(dǎo)體是單晶；以及納米線140、240,其水平橫跨所述溝槽130、230從所述第一側(cè)壁110、212到達所述 第二側(cè)壁120、222，所述納米線140、240包括第二半導(dǎo)體，所述第二半導(dǎo)體是本征i型 半導(dǎo)體，其中，所述第一側(cè)壁110、212、所述納米線140、240和所述第二側(cè)壁120、222—起 形成p-i-n光電二極管。
2.權(quán)利要求1所述的基于納米線的光電二極管100、200，其用在交叉指型p-i-n光電 二極管200中，所述交叉指型p-i-n光電二極管200包括多個第一手指210，所述第一手指210包括摻雜有所述ρ型摻雜物的所述第一半導(dǎo) 體，所述第一手指210中的一個或多個的側(cè)壁212是所述第一側(cè)壁110、212，所述第一手 指210彼此互連；多個第二手指220，所述第二手指220包括摻雜有所述η型摻雜物的所述第一半導(dǎo) 體，所述第二手指220中的一個或多個的側(cè)壁222是所述第二側(cè)壁120、222，所述第二手 指220彼此互連，所述第二手指220中進一步散布有所述第一手指210，從而多個所述溝 槽130、230分隔開所述第一手指210和所述第二手指220中的鄰近手指；以及多個納米線140、240，其水平橫跨所述溝槽130、230以形成對應(yīng)的多個p-i-n結(jié)，其中，所述交叉指型p-i-n光電二極管200促進高調(diào)制速率光學(xué)信號的接收。
3.—種交叉指型p-i-n光電二極管100、200，包括多個第一手指110、210，其包括ρ型半導(dǎo)體；多個第二手指120、220，其包括η型半導(dǎo)體，所述第二手指120、220在襯底150、 160、250上與所述第一手指110、210水平分隔開并且散布于所述第一手指110、210之 間，以在相應(yīng)的第一手指110、210和第二手指120、220之間形成多個溝槽130、230，其 中，所述溝槽130、230的頂部寬于與所述襯底150、160、250鄰近的所述溝槽130、230 的底部；以及多個納米線140、240，其水平橫跨所述溝槽130、230從所述第一手指110、210的 相應(yīng)側(cè)壁110、212到達所述第二手指120、220的相應(yīng)側(cè)壁120、222，所述納米線140、 240包括i型半導(dǎo)體，其中，所述第一手指110、210、所述納米線240和所述第二手指120、220 —起形成 多個交叉指型p-i-n半導(dǎo)體結(jié)。
4.一種制造基于納米線的光電二極管100、200的方法300，所述方法300包括提供310絕緣襯底150、160、250 ；在所述絕緣襯底150、160、250上形成320包括ρ型半導(dǎo)體的第一板110、210以及包 括η型半導(dǎo)體的第二板120、220，由溝槽130、230將所述第二板與所述第一板分隔開，所述溝槽130、230在遠離所述絕緣襯底150、160、250的頂部寬于與所述絕緣襯底150、 160、250鄰近的底部；以及跨所述溝槽130、230將納米線140、240從所述第一板110、210的側(cè)壁110、212連 接330到所述第二板120、220的相對側(cè)壁120、222，所述納米線140、240包括i型半導(dǎo) 體，從而形成p-i-n半導(dǎo)體結(jié)，其中，所述ρ型半導(dǎo)體和所述η型半導(dǎo)體之一或二者是單晶。
5.權(quán)利要求1-4中的任一所述的基于納米線的光電二極管100、200，其中，所述第 一側(cè)壁110、212與所述第二側(cè)壁120、222之間的所述溝槽130、230中的區(qū)域的有效介 電常數(shù)小于所述第二半導(dǎo)體的介電常數(shù)。
6.權(quán)利要求1-5中的任一所述的基于納米線的光電二極管100、200，其中，所述第 二半導(dǎo)體的帶隙小于所述第一半導(dǎo)體的帶隙。
7.權(quán)利要求1-6中的任一所述的基于納米線的光電二極管100、200，其中，所述第 二半導(dǎo)體包括化合物半導(dǎo)體，所述第一半導(dǎo)體包括與所述第二半導(dǎo)體的化合物半導(dǎo)體不 同并且具有比其更大的帶隙的化合物半導(dǎo)體。
8.權(quán)利要求1-7中的任一所述的基于納米線的光電二極管100、200，其中，所述第 一側(cè)壁110、212和所述第二側(cè)壁120、222之一或二者以相對于垂直軸132的傾斜角θ 傾斜遠離所述溝槽130、230的中心，所述傾斜角θ大于大約5度但小于大約45度。
9.權(quán)利要求1-8中的任一所述的基于納米線的光電二極管100、200，其中，所述第 一側(cè)壁110、212和所述第二側(cè)壁120、222之一或二者以相對于垂直軸132的傾斜角θ 傾斜遠離所述溝槽130、230的中心，所述傾斜角θ在大約10度和大約30度之間。
10.權(quán)利要求1-9中的任一所述的基于納米線的光電二極管100、200，其中，所述 第一側(cè)壁110、212和所述第二側(cè)壁120、222之一或二者傾斜遠離所述溝槽130、230的 中心，所述溝槽130、230的平均寬度大于所述第二半導(dǎo)體的大約一個少數(shù)載流子擴散長 度。
11.權(quán)利要求1-10中的任一所述的基于納米線的光電二極管100、200，其中，所 述單晶第一半導(dǎo)體包括(111)晶格平面，所述(111)晶格平面垂直取向并且與所述溝槽 130、230的至少一部分長度同延，從而所述晶格的<111>方向基本上跨過所述溝槽130、 230而指向。
12.權(quán)利要求1-11中的任一所述的基于納米線的光電二極管100、200，其中，所述 襯底150、160、250包括絕緣表面層150，所述絕緣表面層150將所述第一側(cè)壁110、212 與所述第二側(cè)壁120、222電隔離。
13.權(quán)利要求2-12中的任一所述的交叉指型p-i-n光電二極管100、200，還包括第一導(dǎo)體層260，其電連接到所述多個第一手指110、210，所述第一導(dǎo)電層260減少所述多個第一手指110、210的總串聯(lián)電阻；以及第二導(dǎo)電層280，其電連接到所述多個第二手指120、220，第二導(dǎo)電層280減少所述 多個第二手指120、220的總串聯(lián)電阻，其中，所述襯底150、160、250包括絕緣層150，所述多個第一手指110、210和所述 多個第二手指120、220被支撐在所述絕緣層150上。
14.權(quán)利要求2-13中的任一所述的交叉指型p-i-n光電二極管100、200，其中，所述i型半導(dǎo)體包括化合物半導(dǎo)體，其具有的帶隙小于所述第一手指110、210的ρ型半導(dǎo)體或 所述第二手指120、220的η型半導(dǎo)體的帶隙。
15.權(quán)利要求2-14中的任一所述的交叉指型p-i-n光電二極管100、200，其中，所述 多個第一手指210和所述多個第二手指220之一或二者的手指210、220的截面形狀是三 角形和梯形之一，其具有大于大約5度并且小于或等于45度的相對于垂直軸132的側(cè)壁 角θ。
全文摘要
基于納米線的光電二極管100和交叉指型p-i-n光電二極管200在光電二極管100、200的i區(qū)域中使用i型半導(dǎo)體納米線140、240?；诩{米線的光電二極管100、200包括摻雜有p型摻雜物的第一半導(dǎo)體的第一側(cè)壁110、212、210、摻雜有n型摻雜物的第一半導(dǎo)體的第二側(cè)壁120、222、220、以及橫跨所述第一側(cè)壁與所述第二側(cè)壁之間的溝槽130、230的本征半導(dǎo)體納米線140、240。溝槽在頂部寬于與襯底150、160、250鄰近的底部。所述第一側(cè)壁和所述第二側(cè)壁之一或二者的第一半導(dǎo)體是單晶，并且所述第一側(cè)壁、所述納米線和所述第二側(cè)壁一起形成所述光電二極管的p-i-n半導(dǎo)體結(jié)。
文檔編號H01L31/101GK102017189SQ200880129039
公開日2011年4月13日 申請日期2008年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月5日
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