一种硅基叉指型光电探测器的制作方法

本发明涉及光信号调制技术领域，尤其涉及一种硅基叉指型光电探测器。

背景技术：

近年来，随着光通信技术的快速发展，光通信系统所传输的容量需求持续增加。但与此同时，拥有更高传输容量的光通信系统对信号的传输、信号的调制与解调技术、信号处理技术等产生了更高的要求，在已有的1550nm波段的缓慢发展已经无法满足这样的高要求。为了解决面临的发展瓶颈，人们将目光锁定在了2μm波段的新型光通信系统。新的波段带来了更大的发展前景的同时也带了巨大的挑战，旧有的适用于1550nm的光器件大部分并不适用于全新的2μm波段，例如光电探测器。硅单晶的带隙宽度为1.12ev，其截至频率在1100nm，传统的锗基光电探测器中锗的带隙宽度为0.67ev，其截止频率为1870nm，覆盖了传统1300nm和1550nm两个通信波段，但同样在2微米波段无法完成光电转换。基于此，我们需要通过掺杂在硅材料带隙中引入缺陷能级，使其可以在2微米波段完成光电转化。尽管已经有许多硅-石墨烯光电探测器的报道，其原理为石墨烯的光伏效应：用一定波长的光照射非均匀石墨烯时（如ｐ-ｎ结、不同掺杂区等），在内建电场的作用下，石墨烯内部产生光生电压，如将石墨烯形成回路，则会形成光电流的现象。但是目前的光电探测器仍存在着吸收效率低，响应度不高的问题；而且石墨烯转移工艺复杂繁琐，生产难度大，生产良率低。

技术实现要素：

针对以上技术问题，本发明公开了一种硅基叉指型光电探测器，解决了光电探测器光电流太小，不易探测的问题。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种硅基叉指型光电探测器，其包括衬底、位于衬底上的叉指结构的硅波导和金属电极，所述硅波导包括n型掺杂区、n型掺杂的叉指、p型掺杂区、p型掺杂的叉指，所述n型掺杂的叉指、p型掺杂的叉指位于n型掺杂区和p型掺杂区之间，所述n型掺杂的叉指、p型掺杂的叉指交替排列并相互接触；所述n型掺杂的叉指与同侧的n型掺杂区域接触，与对侧的p型掺杂区之间留有间隙；所述p型掺杂的叉指与同侧的p型掺杂区域接触，与对侧的n型掺杂区之间留有间隙；通过金属电极和处于波导两侧并与波导相接的n型掺杂区、p型掺杂区相连。

此技术方案，不同于已报道的硅-石墨烯光电探测器光电流产生原理，本发明的光电流产生是通过掺杂在硅中引入缺陷态，这些缺陷态在硅的价带与导带间形成缺陷态能级，处于这些缺陷态能级中的电子可以吸收波长在2μm的光子能量后跃迁到导带，变成自由电子，再通过电极施加的外部偏压下定向流动产生光电流。通过采用特殊涉及的叉指型的波导结构，硅波导处便会产生更多的p-n结的空间电荷区。电极在施加负压时，空间电荷区强电场与硅波导会产生更大的重叠面积，提高了导带电子的收集效率，从而产生更大光电流。相比于硅-石墨烯光电探测器，本发明又省去了复杂繁琐的石墨烯转移工艺，大大降低了生产难度，提高了生产良率；同时解决了现有技术基于缺陷态吸收原理的光电探测器存在着的吸收效率低，响应度不高的问题。

作为本发明的进一步改进，所述n型掺杂区和p型掺杂区的外侧分别设有n型重掺杂区和p型重掺杂区，所述金属电极与n型重掺杂区、p型重掺杂区相连。

作为本发明的进一步改进，所述n型掺杂的叉指、p型掺杂的叉指的叉指长0.7~1.0μm，宽0.2~0.4μm。进一步的，所述n型掺杂的叉指、p型掺杂的叉指的叉指长0.85μm，宽0.3μm。

作为本发明的进一步改进，所述间隙的宽度为0.1~0.4μm。进一步的，所述间隙的宽度为0.2μm。

作为本发明的进一步改进，所述叉指结构的硅波导为在衬底上刻蚀深度为160nm形成0.6μm宽、1.5mm长的波导。

作为本发明的进一步改进，所述衬底为厚220nm的soi片。

作为本发明的进一步改进，所述n型重掺杂区、p型重掺杂区上沉积有第一金属层，所述第一金属层上设有硅化物层，所述硅化物层上设有第二金属层，所述第一金属层与第二金属层通过在硅化物上打孔注入金属铜相连或通过金属化孔连接，所述第二金属层与金属电极连接。其中，金属化孔为孔的内壁镀上一层导电金属，使之互相可靠连通。采用此技术方案，降低了寄生电容。

作为本发明的进一步改进，所述金属电极为铜电极。

作为本发明的进一步改进，所述金属电极通过沉积生成。

作为本发明的进一步改进，所述金属电极通过沉积生成，所述金属电极的规格为（70~90）μm×（50~70）μm。进一步的，所述金属电极的规格为80μm×60μm。

本发明公开了一种如上所述硅基叉指型光电探测器的制备方法，其包括以下步骤：

步骤s1，在soi衬底上刻蚀160nm深度的硅波导，

步骤s2，然后对硅波导进行叉指型掺杂，在波导上形成叉指结构，n型掺杂的叉指、p型掺杂的叉指交替排列；n型掺杂的叉指与同侧的n型掺杂区接触，与对侧的p型掺杂区之间留有间隙；所述p型掺杂的叉指与同侧的p型掺杂区接触，与对侧的n型掺杂区之间留有间隙；

步骤s3，在n型掺杂区、p型掺杂区的外侧分别进行n型重掺杂和p型重掺杂；

步骤s4，在n型重掺杂和p型重掺杂的上方通过沉积生长一层铜金属。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

采用本发明的技术方案，通过特殊设计的叉指结构，在电极加负压时，p-n节形成的电场面积相比普通光电探测器面积更大，覆盖探测波导的区域更大，因此相比普通光电探测器，相同面积的波导情形下叉指型光电探测器拥有更高的调制效率；能够更高效地收集由于缺陷态吸收效应从缺陷态能级跃迁到导带的电子，形成更大的光电流，从而提高光电探测器的性能。

而且，本发明所述的硅基叉指型光电探测器具有结构紧凑，功耗低，带宽高，易于集成，与传统cmos工艺相兼容，加工简单等优点，拥有广阔的发展前景，未来会在光通信领域占有重要应用地位。

附图说明

图1是本发明一种硅基叉指型光电探测器的俯视结构示意图。

图2是本发明一种硅基叉指型光电探测器的波导截面示意图。

附图标记包括：1-n型掺杂区，2-n型掺杂的叉指，3-p型掺杂区，4-p型掺杂的叉指，5-n型重掺杂区，6-p型重掺杂区，7-衬底，8-第一金属层，9-第二金属层，10-硅化物层，11-通孔，12-金属电极。

具体实施方式

下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

一种硅基叉指型光电探测器，其包括衬底7、位于衬底7上的叉指结构的硅波导和金属电极12，所述硅波导包括n型掺杂区1（即n+掺杂区）、n型掺杂的叉指2、p型掺杂区3（即p+掺杂区）、p型掺杂的叉指4，所述n型掺杂的叉指2、p型掺杂的叉指4位于n型掺杂区1和p型掺杂区3之间，所述n型掺杂的叉指2、p型掺杂的叉指4交替排列；所述n型掺杂的叉指2与同侧的n型掺杂区1域接触，与对侧的p型掺杂区3之间留有0.2μm的间隙；所述p型掺杂的叉指4与同侧的p型掺杂区3域接触，与对侧的n型掺杂区1之间留有0.2μm的间隙；所述n型掺杂区1和p型掺杂区3的外侧分别设有n型重掺杂区5（即n++掺杂区）和p型重掺杂区6（即p++掺杂区），所述金属电极12与n型重掺杂区5、p型重掺杂区6相连。其中，所述叉指结构的硅波导为在厚220nm的soi片衬底7上刻蚀的深度为160nm形成0.6μm宽、1.5mm长的波导。所述n型掺杂的叉指2、p型掺杂的叉指4的叉指长0.85μm，宽0.3μm。

所述金属电极12上方设有硅化物层10，所述n型重掺杂区5、p型重掺杂区6上沉积有第一金属层8，所述第一金属层8上设有硅化物层10，所述硅化物层10上设有第二金属层9，所述第一金属层8与第二金属层9通过在硅化物上打通孔11注入金属铜相连或通过金属化孔连接。所述第二金属层9与金属电极12连接。其中，金属化孔为孔的内壁镀上一层导电金属，使之互相可靠连通。

进一步的，所述金属电极12为铜电极。所述金属电极12的规格为80μm×60μm。

上述硅基叉指型光电探测器采用以下步骤制备得到：

在厚度为220nm的soi衬底7上刻蚀160nm形成长1.5mm、宽600nm的硅波导，然后对硅波导进行叉指型掺杂，在波导形成长0.85μm、宽0.3μm的叉指结构，n型掺杂的叉指2与同侧n型重掺杂区5域接触，与对侧p型重掺杂区6域保持0.2μm距离；同理，p型掺杂的叉指4结构与同侧p型掺杂区3域接触，并与对侧n型掺杂区1域保持0.2μm距离。随后，分别在n型、p型掺杂区3域外侧分别进行n型和p型重掺杂，此部分用于与引出金属。完成掺杂后，在重掺杂区域上方生长一层铜金属，与重掺杂的硅形成良好的欧姆接触。为降低寄生电容，随后在第一层铜金属上方生长一层硅化物（silicide），最后在硅化物上再次生长一层铜金属，两层金属层通过在硅化物上打孔注入金属铜相连。生长两层铜金属和硅化物的同时，用于施加反向电压的金属电极12同步完成。

上述硅基叉指型光电探测器，主要由叉指结构的硅基光波导构成，其探测原理为缺陷态吸收效应。在soi片的单晶硅层，由于离子注入引起硅原子间相互碰撞，最终使得硅晶格中产生缺陷，这些缺陷的产生在硅的带隙中引入了一些新的能级，称为缺陷态能级。此时，硅材料价带中的一个电子吸收一个光子的能量后就可能跃迁到缺陷态能级，然后再吸收另一个光子能量后就可以跃迁到导带。缺陷态吸收效应的吸收系数很低，属于一种比较弱的光电效应，要想利用缺陷态吸收效应进行光电探测器的设计，使得探测器性能达到可用级别，需要对探测器结构进行特别设计。本实施例对探测器的探测波导部分进行叉指型掺杂，当在电极施加反向电压时，波导由于掺杂产生的p-n结的空间电荷区会扩大，电场与波导重合面积扩大，更多由于缺陷态吸收产生的导带自由电子在空间电荷区电场的作用下分离并被加速，电极所施加的反向电压越大，载流子到达电极的速度越快，而载流子的速度越快，其具有的能量也就越大，其迁移过程中与晶格相碰撞产生新的电子空穴对的可能性越大，此时便实现了光电流的增益过程。用于光探测的波导部分采用叉指结构，这样，硅波导处便会产生更多的p-n结的空间电荷区。电极在施加负压时，空间电荷区强电场与硅波导会产生更大的重叠面积，从而产生更大光电流。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。