一种锗硅雪崩光电探测器及其制作方法与流程

本申请涉及光子集成器件技术领域，特别涉及一种锗硅雪崩光电探测器及其制作方法。

背景技术：

目前雪崩光电探测器因其高灵敏度，被广泛引用于接入网、5g承载光模块中。硅基光电子集成技术可以实现多种功能器件高密度、低成本的集成，并通过标准的硅基工艺实现大规模的生产，近年来得到快速发展。当前，锗硅光电探测器已经可以集成在硅基光电子集成芯片中，然而将雪崩光电探测器集成进入硅基光电子集成芯片仍存在较大的挑战。

相关技术中，雪崩光电探测器主要采用层叠结构，需要多层材料生长工艺，与目前常见的硅光晶圆代工厂的工艺不兼容，严重制约了锗硅雪崩光电探测器与其他功能元件的集成。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种锗硅雪崩光电探测器及其制作方法，以解决相关技术中工艺不兼容，制约了锗硅雪崩光电探测器与其他功能元件的集成问题。

第一方面，提供了一种锗硅雪崩光电探测器，包括：

埋氧层；

底层，其设于所述埋氧层上，所述底层依次包括由单晶硅多步掺杂而成的本征底层硅区、过渡底层硅区、倍增区、n型重掺杂底层硅区；

本征锗层，其设于所述底层上，且所述本征锗层在所述底层上的投影覆盖部分本征底层硅区、以及部分过渡底层硅区；

覆盖层，其覆盖于所述本征锗层上，所述覆盖层依次包括由多晶硅多步掺杂而成的p型重掺覆盖层硅区、本征覆盖层硅区、过渡覆盖层硅区，所述p型重掺覆盖层硅区远离本征覆盖层硅区的一端与本征底层硅区接触，所述过渡覆盖层硅区远离本征覆盖层硅区的一端与过渡底层硅区接触，以形成电荷过渡区；

p电极，其与所述p型重掺覆盖硅区相连；

n电极，其与所述n型重掺杂底层硅区相连。

一些实施例中，所述过渡底层硅区和过渡覆盖层硅区的掺杂浓度相同。

一些实施例中，掺杂浓度。

一些实施例中，所述本征覆盖层硅区全部位于所述本征锗层的顶部，所述p型重掺覆盖层硅区和过渡覆盖层硅区均部分位于所述本征锗层的顶部，部分位于所述本征锗层的一侧。

一些实施例中，所述p电极通过p极通孔与所述p型重掺覆盖硅区相连。

一些实施例中，所述n电极通过n极通孔与所述n型重掺杂底层硅区相连。

一些实施例中，所述本征锗层为梯形结构。

第二方面，本申请还提供了一种上述锗硅雪崩光电探测器的制作方法，包括步骤：

通过多次底层掺杂，制作本征底层硅区、过渡底层硅区、倍增区、n型重掺杂底层硅区；

外延锗制作本征锗层；

沉积覆盖硅层；

多次覆盖层硅掺杂，制作p型重掺覆盖层硅区、本征覆盖层硅区、过渡覆盖层硅区；

通过后端金属通孔工艺，将p电极与p型重掺覆盖层硅区连接，并将n电极与n型重掺杂底层硅区连接。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：能够与现有的工艺兼容，便于与其他功能元件集成，实现多功能集成，并可大规模生产。

本申请实施例提供了一种锗硅雪崩光电探测器，由于不采用层叠结构，不需要在多晶硅上外延锗，只需要在单晶硅上外延锗，能够与现有的工艺兼容，便于与其他功能元件集成，实现多功能集成，并可大规模生产。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的锗硅雪崩光电探测器的分层结构示意图；

图2为本申请实施例提供的锗硅雪崩光电探测器的分区结构示意图；

图3为本申请实施例提供的锗硅雪崩光电探测器的电荷过渡区的位置示意图。

图4为本申请实施例提供的锗硅雪崩光电探测器的制作方法流程图。

图中：1、本征锗层；2、底层；3、覆盖层；4、埋氧层；5、本征底层硅区；6、p型重掺覆盖层硅区；7、本征覆盖层硅区；8、过渡覆盖层硅区；9、过渡底层硅区；10、倍增区；11、n型重掺杂底层硅区；12、p极通孔；13、p电极；14、n极通孔；15、n电极；16、电荷过渡区。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种锗硅雪崩光电探测器，其不采用层叠结构，能够与现有的工艺兼容，便于与其他功能元件集成，实现多功能集成，并可大规模生产。

参见图1至图3所示，本申请实施例的锗硅雪崩光电探测器包括埋氧层4、底层2、本征锗层1、覆盖层3、p电极13和n电极15。

底层2设于所述埋氧层4上，所述底层2依次包括由单晶硅多步掺杂而成的本征底层硅区5，过渡底层硅区9、倍增区10、n型重掺杂底层硅区11。

本征锗层1设于所述底层2上，且所述本征锗层1在所述底层2上的投影覆盖部分本征底层硅区5、以及部分过渡底层硅区9。

覆盖层3覆盖于所述本征锗层1上，所述覆盖层3依次包括由多晶硅多步掺杂而成的p型重掺覆盖层硅区6、本征覆盖层硅区7、过渡覆盖层硅区8，所述p型重掺覆盖层硅区6远离本征覆盖层硅区7的一端与本征底层硅区5接触，所述过渡覆盖层硅区8远离本征覆盖层硅区7的一端与过渡底层硅区9接触，以形成电荷过渡区16。

p电极13与所述p型重掺覆盖层硅区6相连；n电极15与所述n型重掺杂底层硅区11相连。

在本申请实施例中，电荷过渡区16为过渡覆盖层硅区8远离本征覆盖层硅区7的一端与过渡底层硅区9接触而形成的，p电极、n电极、所述电荷过渡区16用于传递电荷，所述倍增区10用于放大光电流。

在本申请实施例中，p型重掺覆盖层硅区6和过渡覆盖层硅区8被本征覆盖层硅区7隔离。

本申请实施例的锗硅雪崩光电探测器的工作原理为：在p电极13上加载高偏压，n电极15上加载低电压，p电极13通过p型重掺覆盖层硅区6将电压加载在本征锗层1上，光入射进本征锗层1后，被本征锗层1吸收产生光生载流子，在电压作用下经电荷过渡区16和倍增区10产生放大光电流，电流经n型重掺杂底层硅区11流到n电极15，形成电流环路。

本申请实施例的锗硅雪崩光电探测器，不采用层叠结构，不需要在多晶硅上外延锗，只需要在单晶硅上外延锗，能够与现有的工艺兼容，便于与其他功能元件集成，实现多功能集成，并可大规模生产。

更为具体地，在本申请实施例中，所述过渡底层硅区9和过渡覆盖层硅区8的掺杂浓度相同。且所述过渡底层硅区9的掺杂浓度小于p型重掺覆盖层硅区6的掺杂浓度。

优选地，在本申请实施例中，所述本征锗层1为梯形结构，所述本征覆盖层硅区7全部位于所述本征锗层1的顶部，所述p型重掺覆盖层硅区6和过渡覆盖层硅区8均部分位于所述本征锗层1的顶部，部分位于所述本征锗层1的一侧。

本申请实施例中，由于p型重掺覆盖层硅区6和过渡覆盖层硅区8均部分位于所述本征锗层1的顶部，部分位于所述本征锗层1的一侧，在本征锗层1的侧面形成强的横向电场。当在电极上加载电压后，光入射进本征锗层1内，被本征锗层1吸收产生光生载流子，并在强的横向电压加速作用下经过过渡覆盖层硅区8传递载流子轰击倍增区10，p型重掺覆盖层硅区6和过渡覆盖层硅区8在本征锗层1上的侧面覆盖，更加便于形成强的横向电场，从而能够加速光生载流子轰击倍增区10，使得探测器性能更好。

更进一步地，在本申请实施例中，所述p电极13与所述p型重掺覆盖层硅区6的顶部相连。

更进一步地，在本申请实施例中，所述n电极15通过n极通孔14与所述n型重掺杂底层硅区11相连。

参见图4所示，本申请实施例还提供了一种锗硅雪崩光电探测器的制作方法，包括步骤：

s1：通过多次底层掺杂，制作本征底层硅区5、过渡底层硅区9、倍增区10、n型重掺杂底层硅区11；

s2：外延锗制作本征锗层1；

s3：沉积覆盖硅层；

s4：多次覆盖层硅掺杂，制作p型重掺覆盖层硅区6、本征覆盖层硅区7、过渡覆盖层硅区8；

s5：通过后端金属通孔工艺，将p电极13与p型重掺覆盖层硅区6连接，并将n电极15与n型重掺杂底层硅区11连接。

本申请实施例的锗硅雪崩光电探测器的制作方法，可以制作上述锗硅雪崩光电探测器，不采用层叠结构，不需要在多晶硅上外延锗，只需要在单晶硅上外延锗，能够与现有的工艺兼容，便于与其他功能元件集成，实现多功能集成，并可大规模生产。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。