本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，特別是一種光電二極管。

背景技術(shù)：
在光纖通信系統(tǒng)中，光電探測(cè)器是必不可少的關(guān)鍵器件之一。0.8μm～0.9μm波段的短距離、高密度光纖通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，常采用Si單晶襯底或GaAs基PIN光電探測(cè)器、雪崩光電探測(cè)器與硅前置放大器混合集成的光接收器。而1.06μm～1.55μm波段光纖通信網(wǎng)，則通常采用Ge單晶襯底或InP基PIN光電探測(cè)器、雪崩光電探測(cè)器與硅前置放大器混合集成的光接收器。硅光電二極管作為其中一個(gè)重要分支，因其光譜響應(yīng)良好、噪聲低、壽命長和與CMOS工藝兼容性高等特點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用在可見光探測(cè)和成像領(lǐng)域。其中，PIN硅光電平面二極管作為最常用的光電探測(cè)器之一，具有快速、室溫、廉價(jià)、堅(jiān)固、靈敏度高、量子效率高、體積小、重量輕、可靠性好、使用方便等特點(diǎn)。但是由于能帶結(jié)構(gòu)的固有特性，Si單晶材料對(duì)近紅外光存在吸收系數(shù)低、吸收長度長、對(duì)1.1μm以上波段沒有響應(yīng)等問題。Ge材料由于其具有比Si材料高的電子和空穴遷移率，與硅工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，成為研究的熱點(diǎn)。另外，Ge的帶隙寬度小于Si，室溫下為0.67eV，對(duì)通信波段1.3～1.6μm的光具有較高的吸收系數(shù)，可以提供在近紅外波段的高響應(yīng)性。因此，在Si基上外延Ge材料對(duì)光電集成具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。而且，近年來，通過緩沖層技術(shù)的引入，在Si基上已經(jīng)可以外延出高質(zhì)量純Ge材料，解決了由于Si和Ge的晶格失配較大，而帶來的在Si基上直接外延純Ge材料帶來的大量失配位錯(cuò)，從而嚴(yán)重影響器件性能的問題。在現(xiàn)有技術(shù)中，0.8μm～0.9μm波段光探測(cè)常采用Si基PIN光電探測(cè)器或雪崩光電探測(cè)器完成，而1.06μm～1.55μm波段光探測(cè)常采用Ge基PIN光電探測(cè)器獲雪崩光電探測(cè)器完成，兩個(gè)重要波段的探測(cè)分別用兩種結(jié)構(gòu)完成。因此，設(shè)計(jì)一種光電二極管，通過修改光電二極管的結(jié)構(gòu)，將硅與鍺結(jié)合，形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，分別發(fā)揮其材料在且在0.8μm～0.9μm以及1.1μm～1.35μm兩個(gè)重要波段的高響應(yīng)性，從而擴(kuò)展光電二極管對(duì)目標(biāo)光的響應(yīng)波段，完成波長400nm～1350nm，即可見光到紅外光波段的探測(cè)，是非常有意義的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)背景技術(shù)的不足之處設(shè)計(jì)一種可見光到紅外光探測(cè)的寬波段光電二極管，目的在于得到一種能夠擴(kuò)展硅光電二極管探測(cè)波段，完成可見光到紅外光探測(cè)的寬波段光電二極管。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種可見光到紅外光探測(cè)的寬波段光電二極管，該光電二極管包括：可見光探測(cè)區(qū)和紅外光探測(cè)區(qū)，所述可見光探測(cè)區(qū)包括：重?fù)诫sN型Si襯底、設(shè)置于重?fù)诫sN型Si襯底下表面兩側(cè)的金屬陰極、設(shè)置于重?fù)诫sN型Si襯底下表面中間位置的抗反射層、設(shè)于重?fù)诫sN型Si襯底上的輕摻雜N型Si外延層、設(shè)于輕摻雜N型Si外延層上的重?fù)诫sP型Si層、設(shè)于重?fù)诫sP型Si層兩側(cè)的第一金屬陽極；其特征在于所述紅外光探測(cè)區(qū)設(shè)置于可見光探測(cè)區(qū)的重?fù)诫sP型Si層上，所述紅外光探測(cè)區(qū)包括：本征Ge緩沖層、設(shè)于本征Ge緩沖層上的重?fù)诫sP型Ge層、設(shè)于重?fù)诫sP型Ge層上的第二金屬陽極、二氧化硅層、鈍化層；其中本征Ge緩沖層、重?fù)诫sP型Ge層、第二金屬陽極構(gòu)成棱臺(tái)結(jié)構(gòu)，所述二氧化硅層用于密封本征Ge緩沖層和重?fù)诫sP型Ge層，所述鈍化層設(shè)置于二氧化硅層上。進(jìn)一步的，所述重?fù)诫sN型Si襯底中心處設(shè)有開口，抗反射層位于開口內(nèi)，直接設(shè)置于輕摻雜N型Si外延層下表面。進(jìn)一步的，所述抗反射層材料由為SiO2和Si3N4組成，金屬接觸陰極、第一金屬陽極、第二金屬陽極的材料為Al，其中SiO2膜厚60nm,Si3N4膜厚50nm。進(jìn)一步的，所述的重?fù)诫sN型Si襯底的摻雜濃度大于1e19cm-3。進(jìn)一步的，所述N型Si外延層(3)的厚度為10μm，濃度在2e13cm-3到3e13cm-3之間。進(jìn)一步的，所述的重?fù)诫sP型Si(4)的厚度為0.2μm，濃度1e19cm-3。進(jìn)一步的，所述的本征Ge緩沖層(5)的厚度為10μm，濃度在2e15cm-3到3e15cm-3之間。進(jìn)一步的，所述的重?fù)诫sP型Ge(6)的厚度為0.8μm，濃度大于1e20cm-3。在探測(cè)過程中：低波段光探測(cè)(波長1000nm以下)時(shí)，光子從開口的重?fù)诫sN型Si襯底(2)射入，輕摻雜N型Si外延層(3)和重?fù)诫sP型Si(4)作為光吸收區(qū)，吸收光子，產(chǎn)生光生載流子。在外加電壓作用下，金屬接觸陰極VR和第一金屬接觸陽極VAF(12)之間產(chǎn)生電場(chǎng)，光生載流子在電場(chǎng)作用下，分別向兩極漂移移動(dòng)，直至被電極吸收；在較高探測(cè)波段(波長1000nm以上)時(shí)，光子從開口的重?fù)诫sN型Si襯底(2)射入，輕摻雜N型Si外延層(3)和重?fù)诫sP型Si(4)對(duì)于光子而言為透明材料，不能吸收光子，光透過輕摻雜N型Si外延層(3)和重?fù)诫sP型Si(4)，進(jìn)入由本征Ge緩沖層(5)和在其之上的重?fù)诫sP型Ge(6)組成的臺(tái)面結(jié)構(gòu)(7)，被Ge材料吸收，并產(chǎn)生光生載流子。在外加電壓作用下，金屬接觸陰極VR和第二金屬接觸陽極VAS(12)之間產(chǎn)生電場(chǎng)，光生載流子在電場(chǎng)作用下，分別向兩極漂移移動(dòng)，直至被電極吸收。根據(jù)本發(fā)明，能擴(kuò)展硅光電二極管的光探測(cè)波段，本發(fā)明結(jié)構(gòu)能完成400nm～1350nm光波段的探測(cè)，且在0.8μm～0.9μm以及1.1μm～1.35μm兩個(gè)重要波段均具有較高響應(yīng)性。附圖說明圖1為常規(guī)硅基光電PIN型二極管結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的具有較長波段探測(cè)的光電二極管(PD)的截面圖。具體實(shí)施方式本發(fā)明所要解決的，就是針對(duì)上述光電二極管存在的問題，提出一種能完成可見光到紅外波段探測(cè)的寬波段光電二極管，其在0.8μm～0.9μm波段以及1.06μm～1.55μm波段均有高響應(yīng)性。下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明光電二極管作進(jìn)一步的闡述。需要注意的是，圖1和圖2僅僅表示所述二極管的示意性簡化圖，因此這兩張圖并不是按比例繪制的。如圖1所示為常規(guī)硅基光電PIN型二極管結(jié)構(gòu)圖。常規(guī)硅基光電PIN型二極管包括：重?fù)诫sN型Si襯底(20)，其上一次層疊有低摻雜N型Si外延層(21)以及重?fù)诫sP型注入層(22)。重?fù)诫sP型注入層(22)上設(shè)置有金屬陽極接觸(23)，重?fù)诫sN型Si襯底(20)背面設(shè)置有金屬陰極接觸(24)。重?fù)诫sP型注入層(22)上設(shè)置有抗反射層(25)，以加強(qiáng)對(duì)入射光的吸收。典型地，金屬陽極接觸(23)和金屬陰極接觸均由金屬Al材料構(gòu)成，抗反射層由SiO2和Si3N4組合而成。應(yīng)注意，上述材料僅僅是以示例的方式提供的，本技術(shù)領(lǐng)域人員應(yīng)理解，其他材料也可以用在常規(guī)硅基光電PIN型二極管的構(gòu)造中。該類型光電二極管的工作原理是入射光射入器件，低摻雜N型Si外延層(21)作為光吸收區(qū)，吸收光子產(chǎn)生光生載流子。在外加反向偏置作用下，器件內(nèi)部產(chǎn)生自下而上的電場(chǎng)，光生載流子在電場(chǎng)作用下，空穴被金屬陽極(23)收集，電子被金屬陰極(24)收集。如圖1所示為常規(guī)硅基光電PIN型二極管結(jié)構(gòu)在0.8μm～0.9μm波段具有高響應(yīng)性，但是由于Si材料能帶結(jié)構(gòu)的固有特性，其對(duì)1.1μm以上紅外光波段沒有響應(yīng)。在一些實(shí)施例中，低摻雜N型Si外延層(21)的厚度T(21)大約是8μm。在一些實(shí)施例中，低摻雜N型Si外延層(21)的摻雜濃度大約在2e13cm-3到3e13cm-3之間。在一些實(shí)施例中，重?fù)诫sP型注入層(22)的厚度T(22)大約是0.2μm，重?fù)诫sN型Si襯底(20)和重?fù)诫sP型注入層(22)的摻雜濃度均在1e19cm-3以上。如圖2所示為本發(fā)明實(shí)施例的具有較長波段探測(cè)的光電二極管(PD)100的結(jié)構(gòu)圖。具有較長波段探測(cè)的光電二極管(PD)包括含一個(gè)窗口(1)的重?fù)诫sN型Si襯底(2)，其上依次層疊有輕摻雜N型Si外延層(3)、重?fù)诫sP型Si(4)、以及由本征Ge緩沖層(5)和在其之上的重?fù)诫sP型Ge(6)構(gòu)成的臺(tái)面結(jié)構(gòu)(7)。臺(tái)面(7)上依次層疊有二氧化硅介質(zhì)層(8)和鈍化層(9)。在開口的重?fù)诫sN型Si襯底(2)背面設(shè)置有金屬接觸陰極(10)，在重?fù)诫sP型Si(4)上設(shè)置有第一金屬接觸陽極(11)，在重?fù)诫sP型Ge(6)上設(shè)置有第二金屬接觸陽極(12)，輕摻雜N型Si外延層(3)背面設(shè)置的抗反射層(13)。典型地，第一金屬接觸陽極(11)、第二金屬接觸陽極(12)和金屬陰極接觸(10)均由金屬Al材料構(gòu)成，抗反射層由SiO2和Si3N4組合而成。應(yīng)注意，上述材料僅僅是以示例的方式提供的，本技術(shù)領(lǐng)域人員應(yīng)理解，其他材料也可以用在本發(fā)明實(shí)施例中的光電二極管的構(gòu)造中。本發(fā)明實(shí)施例光電二極管的原理是入射光從器件底部窗口射入，當(dāng)探測(cè)波段較低(波長1μm以下)時(shí)，使用金屬接觸陰極VR(10)和第一金屬接觸陽極VAF(11)，第二金屬接觸陽極VAS(12)空置。光子從開口的重?fù)诫sN型Si襯底(2)射入，輕摻雜N型Si外延層(3)作為光吸收區(qū)，吸收光子產(chǎn)生光生載流子。在外加反向偏置作用下，金屬接觸陰極VR(10)和第一金屬接觸陽極VAF(11)之間產(chǎn)生電場(chǎng)，光生載流子在電場(chǎng)作用下，空穴被第一金屬接觸陽極VAF(11)收集，電子被金屬接觸陰極VR(10)收集。其工作原理與常規(guī)硅基光電PIN型二極管類似，在0.8μm～0.9μm波段具有高響應(yīng)性。當(dāng)探測(cè)波段較高(波長1μm以上)時(shí)，使用金屬接觸陰極VR(10)和第二金屬接觸陽極VAS(12)，第一金屬接觸陽極VAF(11)空置。光子從開口的重?fù)诫sN型Si襯底(2)射入，由于光子能量小于Si的禁帶寬度，輕摻雜N型Si外延層(3)和重?fù)诫sP型Si(4)不能吸收光子，產(chǎn)生光生載流子，光透過輕摻雜N型Si外延層(3)和重?fù)诫sP型Si(4)，進(jìn)入由本征Ge緩沖層(5)和在其之上的重?fù)诫sP型Ge(6)組成的臺(tái)面結(jié)構(gòu)(7)，被Ge材料吸收，并產(chǎn)生光生載流子。在外加反向偏置作用下，金屬接觸陰極VR(10)和第二金屬接觸陽極VAS(12)之間產(chǎn)生電場(chǎng)，光生載流子在電場(chǎng)作用下，空穴被第二金屬接觸陽極VAS(12)收集，電子被金屬接觸陰極VR(10)收集。在一些實(shí)施例中，重?fù)诫sN型Si襯底(2)的濃度大于1e19cm-3，N型Si外延層(3)的厚度T(3)大約是10μm，濃度大約在2e13cm-3到3e13cm-3之間。在一些實(shí)施例中，重?fù)诫sP型Si(4)的厚度T(4)大約是0.2μm，濃度大于1e19cm-3。在一些實(shí)施例中，本征Ge緩沖層(5)的厚度T(5)大約是10μm，濃度大約是在2e15cm-3到3e15cm-3之間。在一些實(shí)施例中，重?fù)诫sP型Ge(6)的厚度T(6)大約是0.8μm，濃度大于1e20cm-3。此實(shí)施例器件結(jié)構(gòu)在1350nm左右波段具有高響應(yīng)性。在不同光探測(cè)波段(波長1μm以下及波長1μm以上)，通過使用不同的接觸電極，在硅基PIN與Ge光電二極管之間切換，使本發(fā)明結(jié)構(gòu)對(duì)不同波段入射光做出最大限度的響應(yīng)，從而擴(kuò)展光的吸收波段，使器件在0.8μm～0.9μm以及1.1μm～1.35μm波段具有較高響應(yīng)。此外，本發(fā)明設(shè)計(jì)的新型結(jié)構(gòu)，在反向偏置電壓持續(xù)增大時(shí)，在低探測(cè)波段，可形成硅雪崩光電二極管，從而提高器件響應(yīng)度以及響應(yīng)速度；在較高探測(cè)波段，本征Ge緩沖層(5)和在其之上的重?fù)诫sP型Ge(6)作為光吸收區(qū)域，開口的重?fù)诫sN型Si襯底(2)、輕摻雜N型Si外延層(3)和重?fù)诫sP型Si(4)構(gòu)成雪崩倍增區(qū)域，此區(qū)域可以用于放大具有低噪聲的光生載流子，實(shí)現(xiàn)了較高波段探測(cè)時(shí)，光吸收區(qū)域與倍增區(qū)域的分離，從而提高器件響應(yīng)度以及響應(yīng)速度。因此，本發(fā)明設(shè)計(jì)的新型光電二極管結(jié)構(gòu)，在波段響應(yīng)方面，能完成更長波段的探測(cè)，其在400nm～1350nm光波段均能響應(yīng)，且在0.8μm～0.9μm以及1.1μm～1.35μm兩個(gè)重要波段均具有較高響應(yīng)性。雖然本發(fā)明已經(jīng)描述了特定實(shí)施例，但是將意識(shí)到本發(fā)明的原理不限于那些實(shí)施例。本文描述的發(fā)明概念可在需完成可見光到紅外光探測(cè)時(shí)使用。本文公開的實(shí)施例能完成400nm～1350nm寬光波段的探測(cè)，且在0.8μm～0.9μm以及1.1μm～1.35μm兩個(gè)重要波段均具有較高響應(yīng)性。