一种光电探测器的制作方法

本申请实施例涉及光电探测器技术领域，特别涉及一种光电探测器。

背景技术：

硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料(如sige/si、绝缘体上硅等)，利用现有互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。硅光子技术结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，是应对摩尔定律失效的颠覆性技术。这种结合得力于半导体晶圆制造的可扩展性，因而能够降低成本。光电探测器作为硅光子架构的核心器件之一，具有实现光信号到电信号转换的功能。但晶体硅材料的能带结构决定其在光通信波段探测效率很低，虽然iii-v族半导体材料更适合用于光电探测器，但是iii-v族半导体材料与硅工艺不兼容，无法与硅进行有效的单片集成；考虑到锗材料与cmos工艺的兼容性，本领域提出了采用锗材料作为光吸收层材料而形成锗硅光电探测器的技术。然而，目前的锗硅光电探测器具有响应度较低且无法满足高光功率探测的需求的缺点，因此有待进一步的改进。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请实施例为解决现有技术中存在的至少一个问题而提供一种光电探测器。

为达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种光电探测器，包括：

硅层，所述硅层包括第一掺杂类型的掺杂区；与所述硅层接触的锗层，所述锗层包括第二掺杂类型的掺杂区；

氮化硅波导，所述氮化硅波导沿所述锗层的至少三个侧壁的延伸方向围绕所述锗层设置；

其中，所述氮化硅波导用于传输光信号，并将所述光信号耦合至所述锗层，所述锗层用于探测所述光信号，并将所述光信号转换为电信号。

在一种可选的实施方式中，所述锗层的侧壁在硅层上的投影具有第一形状，所述第一形状在第一方向上的长度大于在第二方向上的长度；

所述氮化硅波导包括：第一波导区、第二波导区和第三波导区；所述第一波导区和所述第二波导区分别在所述锗层的第一侧壁和第二侧壁的外侧围绕所述锗层，所述第一侧壁和所述第二侧壁分别为所述锗层的平行于第一方向的彼此相对的两侧壁；所述第三波导区在第二方向上连接所述第一波导区和所述第二波导区。

在一种可选的实施方式中，所述第一波导区和所述第二波导区为直波导区；

所述第三波导区为弯曲波导区。

在一种可选的实施方式中，所述氮化硅波导传输的光信号沿所述第一波导区至所述第三波导区至所述第二波导区的方向传播；

所述第一波导区与所述锗层之间的距离大于所述第二波导区与所述锗层之间的距离。

在一种可选的实施方式中，所述氮化硅波导沿垂直于所述光信号的输入方向上的横截面面积为0.06μm²-0.5μm²。

在一种可选的实施方式中，所述氮化硅波导围绕所述锗层的部分与所述锗层之间的距离为50nm-1000nm。

在一种可选的实施方式中，所述氮化硅波导的延伸方向平行于所述硅层与所述锗层的接触平面，所述氮化硅波导与所述硅层之间的距离为100nm-1200nm。

在一种可选的实施方式中，所述锗层在第一方向上的长度为5μm-100μm。

在一种可选的实施方式中，所述氮化硅波导与所述锗层之间具有二氧化硅材料；

所述氮化硅波导与所述硅层之间具有二氧化硅材料。

在一种可选的实施方式中，所述第一掺杂类型的掺杂区和所述第二掺杂类型的掺杂区上分别设有第一金属电极和第二金属电极；

所述第一掺杂类型为p型，所述第二掺杂类型为n型，以形成pin结构的光电探测器；或者，

所述第一掺杂类型为n型，所述第二掺杂类型为p型，以形成nip结构的光电探测器。

本申请实施例提供了一种光电探测器，包括：硅层，所述硅层包括第一掺杂类型的掺杂区；与所述硅层接触的锗层，所述锗层包括第二掺杂类型的掺杂区；氮化硅波导，所述氮化硅波导沿所述锗层的至少三个侧壁的延伸方向围绕所述锗层设置；其中，所述氮化硅波导用于传输光信号，并将所述光信号耦合至所述锗层，所述锗层用于探测所述光信号，并将所述光信号转换为电信号。本申请实施例中采用氮化硅材料形成氮化硅波导，且氮化硅波导围绕锗层设置，从而氮化硅波导中的光信号可以与锗层进行至少两次耦合；如此，不仅可以实现高光功率探测，而且降低了光信号的传播损耗，避免了饱和吸收效应的出现，同时，无需增加探测器的探测区长度(即锗层长度)即可提高探测器的响应度。

附图说明

图1为本申请实施例提供的光电探测器的侧面剖视图；

图2为本申请实施例提供的光电探测器的俯视图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本申请的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。

在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“与……相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“与……直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本申请教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本申请必然存在第一元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本申请的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请实施例。

硅光子集成芯片中可采用兼容cmos工艺的锗材料实现光电探测，通过在硅平板波导上形成锗层，利用锗材料吸收光子继而产生载流子。目前锗硅光电探测器结构中通常利用硅平板波导将光信号传导入结构内部，继而将携带信号的光耦合至锗层内；这种结构存在以下不足：第一方面，硅平板波导作为传输光信号的结构，在较高光功率密度的情况下，会有明显非线性效应，产生双光子吸收，因此难以支持高光功率探测；第二方面，由于硅材料和锗材料的折射率差较小，硅平板波导内传输的光信号比较容易耦合至锗层，将会导致探测器饱和吸收效应出现，继而降低探测器的响应度；三是整个硅平板波导一般进行p型或n型掺杂，以形成电场、抽取载流子，然而，形成的p型或n型掺杂区域会对硅平板波导中光信号的传输产生影响，导致光的传播损耗，进一步降低探测器的响应度。

为此，提出了本申请实施例的以下技术方案。

图1为本申请实施例提供的光电探测器的侧面剖视图，图2为本申请实施例提供的光电探测器的俯视图，需要说明的是，图1为沿图2中虚线方向的侧面剖视图，如图1和图2所示，本申请实施例提供的光电探测器，包括：

硅层110，所述硅层110包括第一掺杂类型的掺杂区111；与所述硅层110接触的锗层120，所述锗层120包括第二掺杂类型的掺杂区121；

氮化硅波导130，所述氮化硅波导130沿所述锗层120的至少三个侧壁的延伸方向围绕所述锗层120设置；

其中，所述氮化硅波导130用于传输光信号，并将所述光信号耦合至所述锗层120，所述锗层120用于探测所述光信号，并将所述光信号转换为电信号。

在本申请实施例中，所述光电探测器还包括：衬底，所述衬底可以为单质半导体材料衬底(例如为硅(si)衬底、锗(ge)衬底等)、复合半导体材料衬底(例如为锗硅(sige)衬底等)，或绝缘体上硅(soi)衬底、绝缘体上锗(geoi)衬底等。本申请实施例以衬底为soi衬底为例进行说明，所述光电探测器还包括底层衬底140，所述底层衬底140例如为底层硅材料；在所述底层衬底140上具有埋氧层(图中未示出)；所述硅层110形成在所述埋氧层上。所述锗层120形成在所述硅层110上，所述氮化硅波导130沿所述锗层120的至少三个侧壁的延伸方向围绕所述锗层120设置，且所述氮化硅波导130与所述锗层120之间具有二氧化硅材料，所述氮化硅波导130与所述硅层110之间具有二氧化硅材料。如图1所示，所述二氧化硅材料150覆盖所述硅层110和所述锗层120，所述氮化硅波导130设置在所述二氧化硅材料150中，并与所述硅层110和所述锗层120各间隔一定距离，所述二氧化硅材料用于支撑和固定所述氮化硅波导130，且所述二氧化硅材料具有较低的折射率，从而可以对传输的光信号进行光约束。

在本申请实施例中，所述氮化硅波导130的折射率和所述锗层120的折射率的差较大，且氮化硅波导130围绕锗层120设置，如此既能够保证光信号从氮化硅波导130到锗层120的高耦合效率，又能够使得光信号均匀分布在锗层120中，从而能够避免锗层120局部光场较强造成的光生载流子堆积形成的探测器过早饱和现象；可以理解的是，耦合效率越高，耦合进入锗层120中的光子数就越多，这样仅需要较短的耦合区长度就可以实现高响应速度。需要说明的是，耦合区长度等于所述锗层120的长度。

在本申请实施例中，所述氮化硅光波导130不仅用于实现光信号的传播与变向，且与所述锗层120发生耦合作用，从而形成内建电场，产生载流子。

在本申请实施例中，使用低非线性氮化硅材料作为传输光波导，氮化硅波导不会出现双光子吸收效应，且氮化硅波导支持高光功率密度、大光学带宽的低损耗光传输。

所述锗层120的侧壁在硅层110上的投影具有第一形状，所述第一形状在第一方向上的长度大于在第二方向上的长度；

所述氮化硅波导130包括：第一波导区131、第二波导区132和第三波导区133；所述第一波导区131和所述第二波导区132分别在所述锗层120的第一侧壁和第二侧壁的外侧围绕所述锗层120，所述第一侧壁和所述第二侧壁分别为所述锗层120的平行于第一方向的彼此相对的两侧壁；所述第三波导区133在第二方向上连接所述第一波导区131和所述第二波导区132。

在本申请实施例中，所述锗层120的侧壁在硅层110上的投影具有第一形状，如图2所示，图中虚线方向为所述第二方向，与虚线方向垂直的方向为所述第一方向。在图2所示实施例中，该第一形状可以为矩形，所述矩形具有沿所述第一方向延伸的长边和沿所述第二方向延伸的短边；其中，所述第一形状在第一方向上的长度为矩形长边的长度，所述第一形状在第二方向上的长度为矩形短边的长度。结合图2可以理解的是，耦合区长度即为所述第一形状在第一方向上的长度。

需要说明的是，如图1所示，所述锗层120的第一侧壁和第二侧壁即为所述锗层120(沿第一方向上)的左侧壁和右侧壁。

所述第一波导区131和所述第二波导区132为直波导区；

所述第三波导区133为弯曲波导区。

在本申请实施例中，如图2所示，所述第一波导区131和所述第二波导区132分别位于所述锗层120的第一侧壁和第二侧壁的外侧，也就是说，所述第一波导区131和所述第二波导区132分别位于所述锗层120(沿第一方向上)的左侧和右侧。

在本申请实施例中，所述第三波导区133用于将所述第一波导区131的光信号转折180°后传输至所述第二波导区132。需要说明的是，本申请实施例中以所述第一波导区131为光输入波导区为例进行说明。

所述氮化硅波导130传输的光信号沿所述第一波导区131至所述第三波导区133至所述第二波导区132的方向传播；

所述第一波导区131与所述锗层120之间的距离大于所述第二波导区132与所述锗层120之间的距离。

在本申请实施例中，由于所述第一波导区131为光输入波导区，所述氮化硅波导130传输的光信号沿所述第一波导区131至所述第三波导区133至所述第二波导区132的方向传播，则在所述第一波导区131传输的光信号强度大于在所述第二波导区132传输的光信号强度(因为所述第一波导区131传输的光信号被所述锗层120吸收了部分后，经由所述第三波导区133传输至所述第二波导区132，则此时所述第二波导区132传输的光信号是经由所述锗层120耦合一次后剩余的光信号)，那么形成所述氮化硅波导130时，可以将所述第一波导区131设置在比所述第二波导区132距离所述锗层120更远的位置上，从而在所述第一波导区131传输的光信号强度较强时，控制所述第一波导区131传输的光信号与所述锗层120的耦合速度，避免出现所述锗层120过早饱和的现象，而在所述第二波导区132传输的光信号强度较弱时，使得所述第二波导区132剩余的光信号能够全部耦合进行所述锗层120，从而提高耦合效率。

在本申请实施例中，所述第一波导区131和所述第二波导区132分别位于所述锗层120的两侧，所述第一波导区131和所述第二波导区132通过所述第三波导区133连接，使得所述氮化硅波导130内传输的光信号与所述锗层120至少耦合作用两次，从而能够在不增加所述锗层120的长度的情况下，提高光电探测器的响应度，同时也不会降低光电探测器3db光电带宽。

所述氮化硅波导130沿垂直于所述光信号的输入方向上的横截面面积为0.06μm²-0.5μm²。需要说明的是，所述氮化硅波导130沿垂直于所述光信号的输入方向上的横截面可以为矩形或梯形。本申请实施例中以所述氮化硅波导130沿垂直于所述光信号的输入方向上的横截面为矩形为例进行说明。在实际应用时，所述氮化硅波导130沿垂直于所述光信号的输入方向上的横截面也可以为梯形(所述梯形靠近所述硅层110的下底边长大于远离所述硅层110的上底边长)。

所述氮化硅波导130围绕所述锗层120的部分与所述锗层120之间的距离为50nm-1000nm。

所述氮化硅波导130的延伸方向平行于所述硅层110与所述锗层120的接触平面，所述氮化硅波导130与所述硅层110之间的距离为100nm-1200nm。

所述锗层120在第一方向上的长度为5μm-100μm。也就是说，耦合区的长度为5μm-100μm。通过控制所述锗层120在第一方向上的长度，既可以控制耦合区的长度。

需要说明的是，本申请实施例提供的所述光电探测器的优选尺寸为：所述氮化硅波导130沿垂直于所述光信号的输入方向上的横截面(如图1所示的横截面)的长度为800nm，宽度为300nm；所述锗层120沿垂直于所述光信号的输入方向上的横截面(如图1所示的横截面)的长度为3μm，宽度为500nm；所述锗层120在第一方向上的长度(即耦合区的长度)为12μm；所述氮化硅波导130与所述硅层110之间的距离为150nm；所述第一波导区131与所述锗层120之间的距离为100nm；所述第二波导区132与所述锗层120之间的距离为80nm。

如图1和图2所示，所述硅层110包括第一掺杂类型掺杂区111；所述锗层120包括第二掺杂类型的掺杂区121；所述第一掺杂类型的掺杂区111和所述第二掺杂类型的掺杂区121上分别设有第一金属电极112和第二金属电极122；所述第一掺杂类型为p型，所述第二掺杂类型为n型，以形成pin结构的光电探测器；或者，所述第一掺杂类型为n型，所述第二掺杂类型为p型，以形成nip结构的光电探测器。

在本申请实施例中，所述硅层110的上表面形成有第一掺杂类型的掺杂区111；需要说明的是，所述硅层110的上表面形成的第一掺杂类型的掺杂区111可以为一个或多个，图1和图2仅示例出了所述硅层110上形成有两个第一掺杂类型的掺杂区111的情况。两个所述第一掺杂类型的掺杂区111上分别设有第一金属电极112。所述锗层120的上表面形成有第二掺杂类型的掺杂区121；所述第二掺杂类型的掺杂区上设有第二金属电极122。所述第一掺杂类型可以为p型或n型，所述第一掺杂类型为p型时，则所述第二掺杂类型为n型，以形成pin结构的光电探测器；所述第一掺杂类型为n型时，则所述第二掺杂类型为p型，以形成nip结构的光电探测器。需要说明是，所述硅层110和所述锗层120之间未被掺杂的区域作为pin结构或nip结构中的本征体。

在本申请实施例中，所述硅层110还可以为掺杂硅层，在所述第一掺杂类型为p型时，所述硅层110可以为整体p型掺杂硅层，但所述掺杂区的掺杂浓度大于所述硅层110的整体掺杂浓度；在所述第一掺杂类型为n型时，所述硅层110可以为整体n型掺杂硅层，但所述掺杂区的掺杂浓度大于所述硅层110的整体掺杂浓度。可以理解地，由于采用氮化硅波导传输光信号，避免了以掺杂的硅层作为波导的情况下对光信号传输造成的不利影响，从而有效地降低了光信号的传输损耗。

在本申请实施例中，通过在所述硅层110上的第一金属电极112和所述锗层120上的第二金属电极122之间施加外加电压以形成外加电场，抽取所述锗层120内产生的载流子，且外加电场的电场方向与所述锗层120内形成的内建电场的电场方向相同，从而所述外加电场可以加快载流子的移动速度，从而提高光电探测器的响应度。需要说明的是，在所述硅层110上设置有两个第一金属电极112的情况下，第一金属电极112可以分别与第二金属电极122连接形成外加电场。也就是说，在所述硅层110上设置有两个第一金属电极112的情况下，第一金属电极112与第二金属电极122之间可以形成两个外加电场。

在本申请实施例中，如图2所示，所述金属电极(112和122)沿所述第一方向上的长度小于所述锗层120的在第一方向的长度。所述金属电极(112和122)的上表面裸露于光电探测器的上表面。

在本申请实施例中，本申请实施例中还可以通过改变所述锗层120和所述硅层110的掺杂区结构，以实现雪崩增益探测(apd)。具体实现方式包括：在所述锗层120上增加一个雪崩区，或者在形成的nip结构或pin结构上施加一个大于6v的反偏电压以实现雪崩增益探测。

本申请实施例提供了一种光电探测器，包括：硅层，所述硅层包括第一掺杂类型的掺杂区；与所述硅层接触的锗层，所述锗层包括第二掺杂类型的掺杂区；氮化硅波导，所述氮化硅波导沿所述锗层的至少三个侧壁的延伸方向围绕所述锗层设置；其中，所述氮化硅波导用于传输光信号，并将所述光信号耦合至所述锗层，所述锗层用于探测所述光信号，并将所述光信号转换为电信号。所述氮化硅波导的折射率和所述锗层的折射率的差较大，且氮化硅波导围绕锗层设置，如此既能够保证光信号从氮化硅波导到锗层的高耦合效率，又能够使得光信号均匀分布在锗层中，从而能够避免锗层局部光场较强造成的光生载流子堆积形成的探测器过早饱和现象；可以理解的是，耦合效率越高，耦合进入锗层120中的光子数就越多，这样仅需要较短的耦合区长度就可以实现高响应速度。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本申请所提供的几个产品实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的产品实施例。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。