表面等离子激元光电探测器及其制备方法与流程

本发明属于光纤通信、可见光通信及光互连领域，涉及一种与标准CMOS工艺兼容的光电探测器结构，涉及利用氧化、光刻、刻蚀、离子注入、金属化等一系列标准CMOS工艺技术实现此种探测器的制备方法，具体讲，涉及表面等离子激元的光电探测器及其制备方法。

背景技术：

随着移动互联网、物联网、无线传感网络等无线通信技术的发展和应用，电磁波谱中射频无线通信所占的频带愈渐拥挤。以频率更高、波长更短的光波作为信息载体的通信方式成为通信领域的研究热点。其中，可见光通信技术是在普通照明光源的基础上增加了数据传输功能，将通信与室内照明光源相结合，构建可见光无线通信网络，实现信息从服务器到客户端的无线传输。可见光通信技术不仅满足用户对移动通信网络覆盖范围广、链路质量高的要求，而且保证移动通信网络的安全性，包括网络数据安全与用户健康安全。因此，可见光通信技术以其传输速率高、保密性强、无电磁干扰、无需频谱认证等优点成为无线通信的研究热点之一。

可见光通信系统主要由发射、信道和接收三个部分构成。其发射部分主要包括将信号源转换为便于光信道传输的电信号的信息处理电路、将电信号调制为LED强度变化的驱动调制电路及发光二极管(LED)等，而接收部分则包括将光信号还原为电信号的光电探测器、前置放大器、时钟恢复与判决电路等。作为可见光通信系统中的关键器件之一，光电探测器的优劣影响着整个系统的性能。目前，在光纤通信和可见光通信领域，光接收机多采用引线键合或多芯片封装技术将Ⅲ-Ⅴ族半导体光电探测器与硅基CMOS电路混合集成在同一基底上。这种方法成本昂贵，且引入寄生参数，不利于超高速、多通道光接收机阵列的实现。因此，研究基于标准CMOS工艺的光电探测器对于单片光电集成芯片(OEIC)的发展极为重要。

然而，在标准的硅基CMOS工艺中，受硅材料自身特性和工艺结构的限制，基于CMOS工艺研制的光电探测器多为PN结光电二极管，难以同时兼顾速度和响应度。通常情况下，标准CMOS工艺制备PN结光电二极管的带宽仅为数十MHz，远远不能满足高速光通信及光互连的需求。为了进一步拓展与标准CMOS工艺兼容探测器的带宽，同时实现差分输出，毛陆虹等人提出了双光电二极管结构的探测器(ZL 200310101069.5)和带平面螺旋电感的光电探测器(ZL 200720098995.5)，将器件本征带宽扩展至数百MHz。谢生等人提出一种空间调制结构的光电探测器及其制备方法(ZL 201410033300.X)，实现了探测器的全差分输出。尽管基于标准CMOS工艺的光电探测器取得了很大进展，但响应度和响应速度的折衷问题仍需进一步优化。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，解决传统结构光电探测器在速度和响应度之间相互的制约，本发明旨在提出一种基于标准CMOS工艺的表面等离子激元光电探测器。所述器件结构能够在不降低光电探测器响应速度的同时增加响应度，且可实现光电器件和电子电路的单片集成。本发明采用的技术方案是，表面等离子激元光电探测器制备方法，步骤如下：

1)利用包括氧化、淀积、光刻、刻蚀及化学机械抛光的标准CMOS工艺在P型轻掺杂硅衬底上制备浅槽隔离STI，实现光电探测器和电子电路间的电学隔离，避免相互影响；

2)在浅槽隔离之间的有源区内制备一个中等掺杂浓度的N阱；

3)在N阱区外进行P型重掺杂，移除衬底产生的光生载流子；

4)在晶片上表面淀积氧化物介质，并利用光刻、刻蚀及金属化工艺将第一层金属制作成叉指型的周期性光栅，用作光电探测器的阴极和阳极；

5)采用旋涂工艺在芯片上表面涂覆有机硅化物；

6)利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备其他高层互连金属，用于将光电探测器的光电流引出至接触焊盘；

7)在芯片上表面顺序淀积氧化硅/氮化硅钝化层，防止芯片划伤和外界环境的影响。

表面等离子激元光电探测器由半导体衬底和叉指型金属光栅层构成，当入射光从金属一侧辐照光栅表面时，金属光栅中自由电子的电荷密度波将与入射电磁波产生耦合作用，导致电荷密度涨落，引发集体震荡，感生的表面等离子激元沿光栅表面传播，将绝大部分入射光限制在光栅附近，从而降低金属光栅对入射光的反射，当金属光栅与半导体衬底形成两个背对背的肖特基二极管时，能量高于半导体带隙的、限制在光栅附近的光子被价带电子吸收，产生电子-空穴对，这些电子-空穴对在外电场的作用下，漂移至两端电极，产生光生电流，从而实现光电探测。

光栅的周期可由光栅匹配公式得到

其中，k_sp为金属-介质界面的SP波矢，k₀为入射光波矢，ε_m和ε_d分别为金属和介质的介电常数，其中金属的介电常数为复数，ε_m＝ε′_m+iε″_m，实部ε_m'表示对电磁波的散射，虚部ε_m”表示对电磁波的吸收，i为虚数单位，θ为入射光与探测器法矢的夹角，m为整数，Λ为光栅的周期。

对入射光波长为450nm的光电探测器，通过仿真优化得到光电探测器的最佳结构参数如下：光栅周期为350nm，光栅高度为60nm，光栅宽度为200nm,此时对应的有源层归一化光谱吸收为81.4％。

本发明的特点及有益效果是：

(1)本发明所述光电探测器基于标准CMOS工艺，所以可与光接收机的电子电路单片集成。

(2)采用二维结构的周期性金属光栅与入射光耦合，使其在金属与有源层界面产生表面等离子效应，从而将光场局域化在金属与有源层界面，实现入射光的透射与吸收增强作用，为解决响应度和响应速度之间的制约关系提供了一种有效的解决方法。

(3)调整光栅结构和几何尺寸，可以改变光电探测器的峰值响应波长，因而本发明所述探测器可用于光纤通信、可见光通信及光互连等不同领域。

附图说明：

图1为金属光栅探测器理论分析的结构示意图。

图2为归一化光谱吸收与光栅高度以及光栅周期的关系图。

图3为归一化吸收光谱与光栅宽度之间的关系。

图4为有源层中电场强度分布的灰度图。

图5为基于硅基标准CMOS工艺的金属光栅探测器的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的基于标准CMOS工艺的表面等离子激元光电探测器主要包括半导体衬底和条状金属光栅层。当入射光从金属一侧辐照条状光栅表面时，金属光栅中自由电子的电荷密度波将与入射电磁波产生耦合作用，导致电荷密度涨落，引发集体震荡，感生的表面等离子激元沿光栅表面传播，将绝大部分入射光限制在光栅附近，从而降低金属光栅对入射光的反射。当条状金属光栅与半导体衬底形成两个背对背的肖特基二极管时，能量高于半导体带隙的、限制在光栅附近的光子被价带电子吸收，产生电子-空穴对。这些电子-空穴对在外电场的作用下，漂移至两端电极，产生光生电流，从而实现光电探测。

实现本发明所述光电探测器的主要工艺步骤包括：

1)利用氧化、淀积、光刻、刻蚀及化学机械抛光等标准CMOS工艺在P型轻掺杂硅衬底上制备浅槽隔离(STI)，实现光电探测器和电子电路间的电学隔离，避免相互影响。

2)在浅槽隔离之间的有源区内制备一个中等掺杂浓度的N阱。

3)在N阱区外进行P型重掺杂，移除衬底产生的光生载流子。

4)在晶片上表面淀积氧化物介质，并利用光刻、刻蚀及金属化工艺将第一层金属制作成叉指型的周期性光栅，用作光电探测器的阴极和阳极。

5)采用旋涂工艺在芯片上表面涂覆有机硅化物。

6)利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备其他高层互连金属，用于将光电探测器的光电流引出至接触焊盘。

7)在芯片上表面顺序淀积氧化硅/氮化硅钝化层，防止芯片划伤和外界环境的影响。

本发明所述光电探测器的结构参数是通过求解电磁场，利用时域有限差分方法(FDTD)优化得到的，具体的有源层吸收特性在附图中给出。表征有源层吸收特性的参数为有源层归一化光谱吸收，即有源层吸收的光功率与入射光功率的比值。

在优化结构的参数时，首先考虑光栅结构对激发表面等离子激元的影响，再考虑有源层的厚度对于器件性能的影响。在标准CMOS工艺条件下，硅衬底的厚度可完全吸收入射到有源层中的光，因而可以忽略有源层厚度对器件性能的影响。当光栅间距小于一定尺寸时，表面等离子探测器的性能对光栅间距比较敏感。因此，本发明在确定结构参数时，优先考虑光栅周期和光栅高度对光电探测器性能的影响，随后考虑光栅宽度对器件性能的影响。

图1所示为理论分析所采用的表面等离子光电探测器的结构示意图。其中，101为硅有源层、102为Al金属光栅、103为TM偏振的入射光。金属光栅与有源层硅形成了两个背靠背的肖特基二极管。当TM偏振入射光辐照金属光栅表面时，金属光栅中自由电子的电荷密度波将与入射电磁波产生耦合作用，导致电荷密度涨落，引发集体震荡，感生的表面等离子激元沿光栅表面传播，将绝大部分入射光限制在光栅附近，从而降低金属光栅对入射光的反射。当入射光进入到有源层中，能量高于半导体带隙的、限制在光栅附近的光子被价带电子吸收，产生电子-空穴对。这些电子-空穴对在外电场的作用下，漂移至两端电极，产生光生电流，从而实现光信号向电信号的转化。

作为优选实施例，下面以用于可见光通信的450nm入射光为例，优化设计本发明所述光探测器的结构参数。

图2为光栅宽度为240nm，有源层厚度为500nm，在TM(电场方向垂直于金属光栅条且λ＝450nm)偏振光照射的条件下，光电探测器有源层的归一化光谱吸收随光栅高度及光栅周期的变化。其中，光栅周期和光栅高度的步长均为10nm。由图中可知，光谱吸收随着光栅高度的变化呈现周期性，而随着光栅周期的变化未呈现周期性。当光栅周期大于700nm时出现的两个峰值是由光照的有效面积变大导致的。通过对光栅周期及光栅高度的扫描，可以得到这两个参量之间的匹配关系。光栅的周期可由光栅匹配公式得到

其中，k_sp为金属-介质界面的SP波矢，k₀为入射光波矢，ε_m和ε_d分别为金属和介质的介电常数，其中金属的介电常数为复数，ε_m＝ε′_m+iε″_m，实部ε_m'表示对电磁波的散射，虚部ε_m”表示对电磁波的吸收，i是虚数单位，θ为入射光与探测器法矢的夹角，m为整数，Λ为光栅的周期。光栅高度对激发SP共振模式的影响可通过仿真优化，获得最佳光栅高度，使有源层的吸收达到最大。由图2可得，最佳光栅周期与光栅高度的匹配情况为：光栅周期为350nm，光栅高度为60nm，此时对应的有源层归一化光谱吸收为78.2％。

图3为入射光波长450nm、光栅周期350nm、光栅高度60nm时，有源层的归一化光谱吸收与光栅宽度的关系。光谱吸收随着光栅的宽度的增加先增大后减小，光栅宽度为200nm时，有源层的归一化光谱吸收达到最大，为81.4％。

图4为入射光波长450nm、光栅周期350nm、光栅高度60nm、光栅宽度200nm时，硅有源层中电场强度的分布图。由图可知，对于450nm的入射光而言，所述光栅结构激发的表面等离子激元在有源层的厚度方向上呈现衰减，与表面等离子激元的传播模式一致。

由上述仿真结果可知，对于入射光波长为450nm的可见光探测器，光栅周期为350nm、光栅高度为60nm、光栅宽度为200nm时，有源层对入射光的吸收达到最大，此时的器件结构参数最佳。

结合附图5，下面详细叙述本发明针对450nm优化结构参数的光电探测器的制备过程。

1)利用氧化、淀积、光刻、刻蚀及化学机械抛光等标准CMOS工艺在P型轻掺杂硅衬底1上制备浅槽隔离(STI)2，实现光电探测器和电子电路间的电学隔离，避免相互影响。

2)在浅槽隔离区内制备一个中等掺杂浓度的N阱3，N阱的宽为2μm，深为400nm，掺杂浓度为1×15cm^-3。

3)在N阱区3外进行P型重掺杂4，掺杂浓度为5×19cm^-3，消除衬底产生的光生载流子。

4)在晶片上表面淀积氧化物介质5，介质的厚度为1μm，并利用光刻、刻蚀及金属化工艺将第一层金属制作成叉指型的周期性光栅6，用作光电探测器的阴极和阳极，光栅的周期为350nm，厚度为60nm，宽度为200nm。

5)采用旋涂工艺在芯片上表面涂覆厚度为1.28μm的有机硅化物7。

6)利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备第二层互连金属8，金属厚度为0.58μm，用于将光电探测器的光电流引出。

7)在芯片上表面顺序淀积厚度为8.72μm氧化硅/氮化硅钝化层9，防止芯片划伤和外界环境的影响。

综上所述，本发明基于标准CMOS工艺下，通过利用第一层金属作为金属光栅层引入表面等离子激元，在不增加有源层厚度的情况下，增加了有源层对入射光的吸收，解决了常规结构光电探测器中响应度和响应速度之间难以同时兼顾的问题。本发明优选实施例针对450nm波长的可见光，对光电探测器的结构进行优化，故为可见光通信系统提供了性能优良的器件。由于本发明基于硅基标准CMOS工艺，所以为硅基单片光电集成电路(OEIC)的实现提供了一种解决方案。