一种具有非对称结的硅基探测器及其制备方法

1.本发明涉及光互连领域，尤其涉及一种具有非对称结的硅基探测器及其制备方法。


背景技术：

2.随着集成电路的不断发展，集成密度不断提高，传统的电互连成为性能提高的主要瓶颈，主要表现在：时延增长、功耗升高和信号串扰增大等。由于光互连具有高速度、高带宽、低功耗等特点，以硅基光子器件为基础的片上光互连是有望解决传统电互连对集成电路发展限制的优选方案。其中，硅基光电探测器是硅基光互连的关键器件之一，是近年来重要的研究课题。硅材料由于其带隙宽度的限制，其硅探测器的工作波长在1100nm以下，无法胜任近红外波段的光探测。同为四族元素的锗材料在近红外波段具有较高的光吸收系数，且完全兼容硅的cmos(互补金属氧化物半导体)工艺。因此，锗硅探测器是硅基片上光互连探测器的主要选择。
3.常见的波导耦合锗硅探测器主要采用纵向pin结构或横向pin结构。对于纵向pin结构，在锗光吸收区的顶部重掺杂区需要与金属电极形成欧姆接触，这就要求光吸收区具有较大的尺寸用于布置金属电极，从而导致器件rc(电阻电容)较大，带宽较低；光吸收区上的金属电极也会引起较大的光吸收损耗，导致器件的响应度较低。对于横向pin结构，金属电极均制备在硅上，远离光吸收区，无金属吸收损耗，器件的响应度较高；此外光吸收区可以采用很小的尺寸，减少了器件的结电容，提高了器件的带宽。其中有代表性的就是比利时根特大学的横向pin探测器(optics express 24(5),4622
‑
4631(2016))。但是横向pin结构的锗硅探测器的制备工艺非常复杂，不仅需要对锗进行化学机械抛光，控制锗的厚度和形状，还需要对锗波导的侧壁分别进行离子注入。因此，设计和制备工艺简单且高性能的锗硅探测器是硅基片上探测器研究的重点和热点。


技术实现要素：

4.有鉴于此，为了制备出具有高性能的硅基探测器，本发明提供了一种具有非对称结的硅基探测器及其制备方法。
5.本发明提供一种具有非对称结的硅基探测器，该硅基探测器包括：soi衬底，包括：底部硅材料层；形成在底部硅材料层上的二氧化硅填埋层；以及形成在二氧化硅填埋层上的顶层硅，顶层硅上形成波导层，顶层硅的两侧形成台面；n型轻掺杂区，形成在顶层硅和波导层上，n型轻掺杂区上形成有n型重掺杂区；p型轻掺杂区，形成在顶层硅和波导层上，p型轻掺杂区上形成有p型重掺杂区；光吸收层，形成在波导层上，光吸收层的部分表面上形成有光吸收层p型轻掺杂区，光吸收层p型轻掺杂区与p型轻掺杂区电性连接；二氧化硅窗口层，形成在顶层硅和波导层上，与波导层对应的二氧化硅窗口层上开有与光吸收层底边尺寸吻合的外延窗口；绝缘介质层，形成在光吸收层和二氧化硅窗口层上；与n型重掺杂区对应的二氧化硅窗口层和绝缘介质层上开有第一电极窗口；与p型重掺杂区对应的二氧化硅
窗口层和绝缘介质层上开有第二电极窗口；n电极，形成在第一电极窗口上，与n型重掺杂区电性连接；p电极，形成在第二电极窗口上，与p型重掺杂区电性连接。
6.在本发明的实施例中，n型轻掺杂区、光吸收层和光吸收层p型轻掺杂区形成非对称纵向pin结。
7.在本发明的实施例中，通过选择外延获得光吸收层，光吸收层的截面为等腰三角形或等腰梯形或准半圆形。
8.在本发明的实施例中，光吸收层的材料为纯锗或锗锡合金。
9.在本发明的实施例中，n型轻掺杂区和p型轻掺杂区为空间上非对称掺杂，n型轻掺杂区的区域大于p型轻掺杂区的区域。
10.在本发明的实施例中，n型轻掺杂区与p型轻掺杂区之间有未掺杂区域。
11.在本发明的实施例中，光吸收层的长度大于5μm，宽度大于400nm。
12.在本发明的实施例中，光吸收层p型轻掺杂区位于偏向p型轻掺杂区的一侧，并与p型轻掺杂区电性连接。
13.在本发明的实施例中，n型重掺杂区、n电极、p型重掺杂区和p电极都位于顶层硅上，并远离光吸收层。
14.本发明还提供一种上述的硅基探测器的制备方法，该制备方法包括：提供一soi衬底，soi衬底包括：底部硅材料层；形成在底部硅材料层上的二氧化硅填埋层；以及形成在二氧化硅填埋层上的顶层硅；将顶层硅制作成台面，形成波导层；在顶层硅和波导层上形成n型轻掺杂区，在n型轻掺杂区上形成n型重掺杂区；在顶层硅和波导层上形成p型轻掺杂区，在p型轻掺杂区上形成p型重掺杂区；在顶层硅和波导层上形成二氧化硅窗口层，与波导层对应的二氧化硅窗口层上开有外延窗口；在二氧化硅窗口层的外延窗口中选择外延光吸收层；在光吸收层上形成光吸收层p型轻掺杂区；在光吸收层和二氧化硅窗口层上形成绝缘介质层；在与n型重掺杂区对应的二氧化硅窗口层和绝缘介质层上开有第一电极窗口；在与p型重掺杂区对应的二氧化硅窗口层和绝缘介质层上开有第二电极窗口；在第一电极窗口上形成n电极，在第二电极窗口上形成p电极。
15.本发明提供的具有非对称结的硅基探测器及其制备方法，具有以下有益效果：
16.(1)n型轻掺杂区、光吸收层和光吸收层p型轻掺杂区形成一非对称纵向pin结，利用非对称纵向pin结来提取光生载流子，从而实现光信号的探测。
17.(2)不需要在光吸收层上制备电极，最终形成的硅基探测器器件的尺寸可以很小，因此器件结电容小，带宽大。
18.(3)由于金属电极远离光吸收层，可以减小金属电极的光吸收，减少金属电极引起的光损耗，提高器件的光响应度。
19.(4)制备硅基探测器的工艺流程简单，制备难度低，不需要化学机械抛光等复杂的工艺。
附图说明
20.图1为本发明实施例提供的硅基探测器的结构示意图；
21.图2为本发明实施例提供的硅基探测器的制备流程图。
22.【附图标记说明】
23.100
‑
soi衬底；110
‑
顶层硅；120
‑
二氧化硅填埋层；130
‑
底层硅材料层；111
‑
波导层；112
‑
n型轻掺杂区；113
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p型轻掺杂区；114
‑
n型重掺杂区；115
‑
p型重掺杂区；200
‑
光吸收层；210
‑
光吸收层p型轻掺杂区；300
‑
二氧化硅窗口层；400
‑
绝缘介质层；510
‑
n电极；520
‑
p电极。
具体实施方式
24.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
25.图1为本发明实施例提供的硅基探测器的结构示意图。
26.如图1所示，本发明提供一种具有非对称结的硅基探测器，该硅基探测器包括：soi衬底100，波导层111，n型轻掺杂区112，p型轻掺杂区113，n型重掺杂区114，p型重掺杂区115，光吸收层200，光吸收层p型轻掺杂区210，二氧化硅窗口层300，绝缘介质层400，n电极510，p电极520。
27.soi衬底100，包括：底部硅材料层130；形成在底部硅材料层130上的二氧化硅填埋层120；以及形成在二氧化硅填埋层120上的顶层110，顶层硅110上形成波导层111，顶层硅110的两侧形成台面；n型轻掺杂区112，形成在顶层硅110和波导层111上，n型轻掺杂区112上形成有n型重掺杂区114；p型轻掺杂区113，形成在顶层硅110和波导层111上，p型轻掺杂区113上形成有p型重掺杂区115；光吸收层200，形成在波导层111上，光吸收层200的部分表面上形成有光吸收层p型轻掺杂区210，光吸收层p型轻掺杂区210与p型轻掺杂区113电性连接；二氧化硅窗口层300，形成在顶层硅110和波导层111上，与波导层111对应的二氧化硅窗口层300上开有与光吸收层200底边尺寸吻合的外延窗口；绝缘介质层400，形成在光吸收层200和二氧化硅窗口层300上；与n型重掺杂区114对应的二氧化硅窗口层300和绝缘介质层400上开有第一电极窗口；与p型重掺杂区115对应的二氧化硅窗口层300和绝缘介质层400上开有第二电极窗口；n电极510，形成在第一电极窗口上，与n型重掺杂区114电性连接；p电极520，形成在第二电极窗口上，与p型重掺杂区115电性连接。
28.根据本发明的实施例，顶层硅110可以为轻掺杂材料或本征材料，厚度可以为200～500nm，电阻率大于1欧姆/厘米。
29.根据本发明的实施例，波导层111满足单模条件。
30.根据本发明的实施例，n型轻掺杂区112、光吸收层200和光吸收层p型轻掺杂区210形成非对称纵向pin结。
31.根据本发明的实施例，通过选择外延获得光吸收层200，光吸收层200的截面为等腰三角形或等腰梯形。
32.根据本发明的实施例，光吸收层200的材料可以为纯锗或锗锡合金。
33.根据本发明的实施例，n型轻掺杂区112和p型轻掺杂区113为空间上非对称掺杂，n型轻掺杂区112的区域大于p型轻掺杂区113的区域。
34.根据本发明的实施例，n型轻掺杂区112与p型轻掺杂区113之间有未掺杂区域，未掺杂区域的宽度为300～1000nm，例如，可以为300nm、500nm、600nm、800nm、1000nm。
35.根据本发明的实施例，外延窗口的长度为5～20μm，例如，可以为5μm、8μm、10μm、15μm、20μm；宽度为400～1500nm，例如，可以为400nm、800nm、1000nm、1200nm、1500nm。
36.根据本发明的实施例，光吸收层p型轻掺杂区210位于偏向p型轻掺杂区113的一侧，并与p型轻掺杂区113电性连接。
37.根据本发明的实施例，n型重掺杂区114、n电极510、p型重掺杂区115和p电极520都位于顶层硅110上，并远离光吸收层200。
38.根据本发明的实施例，n电极510和p电极520不是形成在波导层111上，而是形成在光吸收层200两侧的顶层硅110上，以保证较小的金属光吸收，从而提高器件的光响应度。
39.图2为本发明实施例提供的硅基探测器的制备流程图。
40.如图2所示，本发明还提供一种上述的硅基探测器的制备方法，该制备方法包括：操作s101～s108。
41.在操作s101，提供一soi衬底100，soi衬底110包括：底部硅材料层130；形成在底部硅材料层130上的二氧化硅填埋层120；以及形成在二氧化硅填埋层120上的顶层硅110。
42.根据本发明的实施例，soi衬底100的顶层硅110的厚度可以为220nm，晶向为(001)方向，导电类型为p型，电阻率可以为10欧姆/厘米。二氧化硅填埋层120的厚度可以为3μm。
43.在操作s102，将顶层硅110制作成台面，形成波导层111。
44.根据本发明的实施例，采用光刻和干法刻蚀的方法刻蚀顶层硅110，刻蚀深度为60～150nm，形成波导层111，其中刻蚀深度可以为60nm、80nm、100nm、120nm、150nm。
45.在操作s103，在顶层硅110和波导层110上形成n型轻掺杂区112，在n型轻掺杂区112上形成n型重掺杂区114；在顶层硅110和波导层111上形成p型轻掺杂区113，在p型轻掺杂区113上形成p型重掺杂区115。
46.根据本发明的实施例，n型重掺杂区114位于顶层硅110上，p型重掺杂区115也位于顶层硅110上。
47.根据本发明的实施例，采用离子注入或杂质扩散的方式形成n型轻掺杂区112，n型重掺杂区114，p型轻掺杂区113和p型重掺杂区115。
48.根据本发明的实施例，采用离子注入的方式在顶层硅110和波导层110上注入如磷、砷等离子，后退火激活，形成n型轻掺杂区112。
49.根据本发明的实施例，采用离子注入的方式在n型轻掺杂区112的顶层硅110部分注入如磷、砷等离子，后退火激活，形成n型重掺杂区114。
50.根据本发明的实施例，采用离子注入的方式在顶层硅110和波导层110上注入如硼、镓等离子，后退火激活，形成p型轻掺杂区113。
51.根据本发明的实施例，采用离子注入的方式在p型轻掺杂区113的顶层硅110部分注入如硼、镓等离子，后退火激活，形成p型重掺杂区115。
52.根据本发明的实施例，n型轻掺杂区112和p轻掺杂区113的掺杂浓度为1x10
17
/cm3～1x10
18
/cm3，掺杂深度小于150nm。
53.根据本发明的实施例，n型轻掺杂区112的宽度较大，但未跨过波导层111宽度的中心，p轻掺杂区113宽度较小。
54.根据本发明的实施例，n型轻掺杂区112、p轻掺杂区113之间留有未掺杂的区域，该区域的宽度为300～1000nm，例如，可以为300nm、500nm、600nm、800nm、1000nm。
55.根据本发明的实施例，n型重掺杂区114和p型重掺杂区115的掺杂浓度为1x10
19
/cm3～1x10
20
/cm3，掺杂深度小于150nm。
56.根据本发明的实施例，部分n型轻掺杂区112、部分p轻掺杂区113的顶部保持平齐并位于同一水平面上。
57.根据本发明的实施例，部分n型轻掺杂区112、部分p轻掺杂区113、n型重掺杂区114和p型重掺杂区115的顶部保持平齐并位于同一水平面上，长度相同，略长于光吸收层200的长度。
58.在操作s104，在顶层硅110和波导层111上形成二氧化硅窗口层300，与波导层111对应的二氧化硅窗口层300上开有外延窗口。
59.根据本发明的实施例，采用等离子体增强化学气相沉积法(pecvd)生长出一层二氧化硅层，作为二氧化硅窗口层300；并通过光刻和干法刻蚀的方法在二氧化硅窗口层300上刻蚀出外延窗口。
60.根据本发明的实施例，还可以利用湿法腐蚀的方式形成上述的外延窗口。
61.根据本发明的实施例，还可以利用先干法刻蚀后湿法腐蚀的混合刻蚀方式形成上述的外延窗口。
62.根据本发明的实施例，外延窗口为矩形，矩形外延窗口的长度为5～20μm，例如，可以为5μm、8μm、10μm、15μm、20μm；宽度为400～1500nm，例如，可以为400nm、500nm、1000nm、1200nm、1500nm。
63.根据本发明的实施例，外延窗口中露出部分n型轻掺杂区112和部分p型轻掺杂区113。
64.根据本发明的实施例，n型轻掺杂区112的露出部分宽度较大，p型轻掺杂区113露出部分宽度较小，其中，露出部分的宽度可以为100～200nm，例如，可以为100nm、120nm、150nm、180nm、200nm。
65.在操作s105，在二氧化硅窗口层300的外延窗口中选择外延光吸收层200；在光吸收层200上形成光吸收层p型轻掺杂区210。
66.根据本发明的实施例，n型轻掺杂区112、光吸收层200和光吸收层p型轻掺杂区210形成非对称纵向pin结，通过施加外部电压控制光吸收层200中的电场，可以实现对光吸收层200中光生载流子的提取，从而实现光信号的探测。
67.根据本发明的实施例，采用相反的掺杂类型，p型轻掺杂区、光吸收层和光吸收层n型轻掺杂区形成非对称纵向pin结，通过施加外部电压控制光吸收层中的电场，也可以实现对光吸收层中光生载流子的提取，从而实现光信号的探测。
68.根据本发明的实施例，光吸收层200是通过选择外延直接实现的，光吸收层200的形状由二氧化硅窗口层300的外延窗口和外延工艺共同控制，不需要通过后期的刻蚀或腐蚀来改变其形状。
69.根据本发明的实施例，为了达到较佳的探测效果，光吸收层200的长度应大于5μm，例如，可以为6μm、10μm、20μm、50μm、100μm；宽度应大于400nm，例如，可以为410nm、450nm、500nm、800nm、1000nm。
70.根据本发明的实施例，可以采用离子注入或杂质扩散的方式，在光吸收层200上表面形成光吸收层p型轻掺杂区210。
71.根据本发明的实施例，采用离子注入的方式在光吸收层200的上表面注入如硼、镓等离子，后退火激活，形成光吸收层p型轻掺杂区210。
72.根据本发明的实施例，光吸收层200的材料为纯锗或锗锡合金。
73.根据本发明的实施例，当光吸收层200材料为纯锗时，其工作波长在1200～1630nm。
74.根据本发明的实施例，当光吸收层200材料为锗锡合金时，通过调节锗锡合金中的锡组分，可实现工作波长在1200～2500nm。
75.根据本发明的实施例，光吸收层p型轻掺杂区210不位于光吸收层200的中心，而是位于偏向p轻掺杂区113的一侧。
76.根据本发明的实施例，光吸收层p型轻掺杂区210的一侧与光吸收层200的底边边缘相连，另一侧与光吸收层200的底边边缘距离为300～1000nm，例如，可以为300nm、500nm、600nm、800nm、1000nm。
77.根据本发明的实施例，光吸收层p型轻掺杂区210与p型轻掺杂区113存在离子注入的重叠区，以此实现电性连接。
78.根据本发明的实施例，光吸收层p型轻掺杂区210的掺杂浓度为1x10
17
/cm3～1x10
18
/cm3，掺杂深度小于150nm。
79.在操作s106，在光吸收层200和二氧化硅窗口层300上形成绝缘介质层400。
80.根据本发明的实施例，绝缘介质层400形成在光吸收层200和二氧化硅窗口层300上，以保护所覆盖的材料与外界环境的电性隔绝，以及免受外物的污染或外力损坏。
81.根据本发明的实施例，绝缘介质层400可以为sio2或si3n4。
82.根据本发明的实施例，可以采用等离子体增强化学气相沉积法沉积sio2或si3n4，沉积厚度为300～1000nm，例如，可以为300nm、500nm、600nm、800nm、1000nm。
83.在操作s107，在与n型重掺杂区114对应的二氧化硅窗口层300和绝缘介质层400上开有第一电极窗口；在与p型重掺杂区115对应的二氧化硅窗口层300和绝缘介质层400上开有第二电极窗口。
84.根据本发明的实施例，采用光刻胶为掩膜，干法刻蚀的方式，在与n型重掺杂区114对应的二氧化硅窗口层300和绝缘介质层400上开出第一电极窗口。
85.根据本发明的实施例，采用光刻胶为掩膜，干法刻蚀的方式，在与p型重掺杂区115对应的二氧化硅窗口层300和绝缘介质层400上开出第二电极窗口。
86.在操作s108，在第一电极窗口上形成n电极，在第二电极窗口上形成p电极。
87.根据本发明的实施例，在第一电极窗口上形成n电极，在第二电极窗口上形成p电极，n电极与n型重掺杂区114电性连接，p电极与p型重掺杂区115电性连接，并实现良好的欧姆接触。
88.在本发明的实施例中，n型轻掺杂区、光吸收层和光吸收层p型轻掺杂区形成一非对称纵向pin结，利用非对称纵向pin结来提取光生载流子，从而实现光信号的探测。
89.在本发明的实施例中，不需要在光吸收层上制备电极，最终形成的硅基探测器器件的尺寸可以很小，因此器件结电容小，带宽大。
90.在本发明的实施例中，由于金属电极远离光吸收层，可以减小金属电极的光吸收，减少金属电极引起的光损耗，提高器件的光响应度。
91.本发明的实施中制备硅基探测器的工艺流程简单，制备难度低，不需要化学机械抛光等复杂的工艺。
92.需要说明的是，虽然本发明可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
93.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。