一种宽度渐变的硅基探测器及其制备方法

1.本发明涉及光互连领域，尤其涉及一种宽度渐变的硅基探测器及其制备方法。


背景技术：

2.高频光子链路具有宽带宽，低传输损耗，小尺寸、低重量和抗电磁干扰能力强等优势，可以有效提高通信系统的传输容量和传输速率，在许多微波和毫米波应用中受到广泛青睐，如微波光子雷达、相控阵天线和rof(光载无线通信)等。低暗电流，高速，高响应度和高饱和功率光电探测器在rf(无线射频)光子链路中至关重要。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效率，硅基锗材料具有较高的导热性能，且完全兼容硅的cmos(互补金属氧化物半导体)工艺，因此适用于制作高饱和功率光电探测器。
3.常见的提高锗硅探测器饱和光功率的方法有两种。第一种是通过片上光分路器，将光一分为二，然后分别从锗硅探测器的两端进入，减少光生载流子在探测器一端的聚集，从而提高器件的饱和光功率。第二种是通过探测器一侧的渐变式波导，将光信号逐渐耦合到探测器中，使光在探测器中分布相对均匀，从而提高器件的饱和光功率。第一种方法的需要采用一个片上波导光分路器进行分光，片上波导光分路器的加工精度较高，器件整体的尺寸相对较大，光分路器上本身也有一定的光损耗，导致响应度较低(optics express,23(2015)22857 22866.)；第二种方法的主要问题是，侧边波导虽然可以均匀化探测器中的光场强度，但是难以同时满足有效的光吸收长度，因此光响应度也比较低。侧向波导并且占据了探测器的下电极面积，导致器件的串联电阻较大，带宽受限(optics letter,42(2017)851854.)。
4.因此，设计一种工艺简单、高响应度、高速、高饱和光功率的硅基探测器是一个重要的研究课题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，为了得到具有高饱和光功率的硅基探测器，本发明提供了一种宽度渐变的硅基探测器及其制备方法。
6.本发明提供一种宽度渐变的硅基探测器，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；n型轻掺杂区，形成在波导层上；n型重掺杂区，形成在n型轻掺杂区的两侧；光吸收层，形成在n型轻掺杂区上，光吸收层的部分上表面形成有光吸收层p型重掺杂区；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设有与光吸收层底边尺寸相吻合的外延窗口；绝缘介质层，形成在光吸收层和二氧化硅窗口层上；其中，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设有第一电极窗口；与光吸收层p型重掺杂区对应的绝缘介质层上开设有第二电极窗口；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，与光吸收层p型重掺
杂区电性连接；其中，光吸收层在靠近光入射端的宽度大于在远离光入射端的宽度，光吸收层的宽度平滑渐变。
7.在本发明的实施例中，光吸收层的宽度根据光吸收层的光吸收系数平滑渐变。
8.在本发明的实施例中，光吸收层在靠近光入射端的宽度为8～10μm，在远离光入射端的宽度为2～4μm；光吸收层的长度为8～15μm。在本发明的实施例中，波导层为条形波导或脊形波导。
9.在本发明的实施例中，n型轻掺杂区的宽度大于外延窗口的宽度。
10.在本发明的实施例中，n型轻掺杂区与n型重掺杂区处于同一平面；n型轻掺杂区的掺杂浓度大于1x10
17
/cm3；n型重掺杂区的掺杂浓度大于5x10
18
/cm3。
11.在本发明的实施例中，光吸收层的材料为以下之一：纯锗、锗锡合金、ingaas。
12.在本发明的实施例中，光吸收层为在外延窗口上选择外延获得。
13.在本发明的实施例中，光吸收层p型重掺杂区的掺杂浓度为1x10
19
/cm3～1x10
20
/cm3，掺杂深度小于150nm。
14.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型重掺杂区形成一纵向pin结。
15.在本发明的实施例中，绝缘介质层，用于将所覆盖的材料与外界环境电性隔绝。
16.本发明还提供一种上述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；在波导层上形成n型轻掺杂区；在n型轻掺杂区的两侧形成n型重掺杂区；在顶层硅和波导层上形成二氧化硅窗口层，在与波导层对应的二氧化硅窗口层上开设有外延窗口；其中，外延窗口在靠近光入射端的宽度大于在远离光入射端的宽度，外延窗口的宽度平滑渐变；在外延窗口中选择外延光吸收层；在光吸收层上表面形成光吸收层p型重掺杂区；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设有第一电极窗口；在与光吸收层p型重掺杂区对应的绝缘介质层上开设有第二电极窗口；在第一电极窗口上形成n电极，n电极与n型重掺杂区电性连接；在第二电极窗口上形成p电极，p电极与光吸收层p型重掺杂区电性连接。
17.本发明提供的宽度渐变的硅基探测器及其制备方法，具有以下有益效果：
18.(1)n型轻掺杂区、光吸收层和光吸收层p型重掺杂区形成一纵向pin结，光吸收层在靠近光入射端的宽度较大，在远离光入射端的宽度较小，光吸收层的宽度平滑渐变，从而保证整个探测器中的光强和光生载流子的分布均匀化，显著减少光生载流子聚集引起的饱和效应，从而提高器件的饱和光功率。
19.(2)由于无需制备上光分路器，得到的探测器器件具有高响应度。
20.(3)由于无需采用波导侧边耦合，得到的探测器器件具有高带宽。
21.(4)制备硅基探测器的工艺流程简单，制备难度低。
附图说明
22.图1为本发明实施例提供的宽度渐变的硅基探测器的结构示意图；
23.图2为本发明实施例提供的宽度渐变的硅基探测器的三维结构示意图；
24.图3为本发明实施例提供的宽度渐变的硅基探测器的制备流程图。
25.【附图标记说明】
26.100
‑
soi衬底；110
‑
顶层硅；120
‑
二氧化硅填埋层；130
‑
底部硅材料层；111
‑
波导层；112
‑
n型轻掺杂区；113
‑
n型重掺杂区；200
‑
光吸收层；210
‑
光吸收层的p型重掺杂区；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
27.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。
28.光电探测器的饱和特性受热效应、空间电荷效应和串联电阻分压的影响。其中热效应是由器件的结构和材料的散热特性决定，而空间电荷效应和串联电阻分压可以通过改变光电探测器耗尽层的电场强度来改变器件的饱和特性。串联电阻由器件材料和制备工艺决定。空间电荷效应主要取决于光电探测器的结构。一方面，需要优化器件结构，提高光电探测器的电场强度；另一方面，需要优化光电探测器吸收光的分布，使光生载流子均匀分布在探测器内，降低光生载流子产生的电场。因此，提高硅基锗光电探测器饱和光功率的主要途径是设计合理的结构，优化光吸收分布，减少空间电荷效应。
29.本发明的目的在于提出一种宽度渐变的硅基探测器及其制备方法。探测器中由于材料对光的吸收，相同宽度的光吸收区中，光强随着进入光吸收区的距离增加而将快速下降，导致光吸收区的光生载流子分布不均匀，光生载流子主要集中在光吸收区前部。宽度渐变探测器的宽度根据材料的吸收系数和光强进行渐变，在靠近探测器光入射端宽度较大，在远离光入射端宽度较小，中间平滑地进行宽度渐变。设计良好的该渐变结构可以保证整个探测器中的光强和光生载流子的分布均匀化，显著减少光生载流子聚集引起的饱和效应，从而提高探测器器件的饱和光功率。
30.图1为本发明实施例提供的宽度渐变的硅基探测器的结构示意图。
31.图2为本发明实施例提供的宽度渐变的硅基探测器的三维结构示意图。
32.结合图1和图2所示，本发明提供一种宽度渐变的硅基探测器，该硅基探测器包括：soi衬底100，波导层111，n型轻掺杂区112，n型重掺杂区113，光吸收层200，光吸收层p型重掺杂区210，二氧化硅窗口层300，绝缘介质层400，n电极510，p电极520。
33.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上的顶层硅110，顶层硅110上形成波导层111；n型轻掺杂区112，形成在波导层111上；n型重掺杂区113，形成在n型轻掺杂区112的两侧；光吸收层200，形成在n型轻掺杂区112上，光吸收层200的部分上表面形成有光吸收层p型重掺杂区210；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上开设有与光吸收层200底边尺寸相吻合的外延窗口；绝缘介质层400，形成在光吸收层200和二氧化硅窗口层300上；其中，与n型重掺杂区113对应的二氧化硅窗口层300和绝缘介质层400上开设有第一电极窗口；与光吸收层p型重掺杂区210对应的绝缘介质层400上开设有第二电极窗口；n电极510，形成在第一电极窗口上，与n型重掺杂区电性113连接；p电极520，形成在第二电极窗口上，与光吸收层p型重掺杂区210电性连接；其中，光吸收层200在靠近光入射端的宽度大于在远离光入射端的宽度，光吸收层200的宽度平滑渐变。
34.根据本发明的实施例，光吸收层200在靠近光入射端的宽度为8～10μm，例如，可以为8μm、9μm、10μm；在远离光入射端的宽度为2～4μm，例如，可以为2μm、3μm、4μm。
35.根据本发明的实施例，光吸收层200的长度大于5μm时，可以实现较佳的探测效果。
36.根据本发明的实施例，光吸收层200的长度可以为8～15μm，例如，可以为8μm、10μm、12μm、14μm、15μm。
37.根据本发明的实施例，顶层硅110为轻掺杂材料或本征材料，电阻率大于1欧姆/厘米。
38.根据本发明的实施例，波导层111可以为条形波导或脊形波导。
39.根据本发明的实施例，当波导层111为条形波导时，制作顶层硅110除波导层111外，其余部分均刻蚀或腐蚀至二氧化硅填埋层120。
40.根据本发明的实施例，波导层111满足单模条件。
41.根据本发明的实施例，n型轻掺杂区112的宽度大于外延窗口的宽度。
42.根据本发明的实施例，n型轻掺杂区112与n型重掺杂区113处于同一平面；n型轻掺杂区112的掺杂浓度大于1x10
17
/cm3；n型重掺杂区113的掺杂浓度大于5x10
18
/cm3。
43.根据本发明的实施例，光吸收层200的材料为以下之一：纯锗、锗锡合金、ingaas。
44.根据本发明的实施例，光吸收层p型重掺杂区210的掺杂浓度为1x10
19
/cm3～1x10
20
/cm3，掺杂深度小于150nm。
45.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型重掺杂区210形成一纵向pin结，通过施加外部电压控制光吸收层200中的电场，可以实现对光生载流子的提取，从而实现对光信号的探测。
46.根据本发明的实施例，绝缘介质层400，用于将所覆盖的材料与外界环境电性隔绝。
47.图3为本发明实施例提供的宽度渐变的硅基探测器的制备流程图。
48.如图3所示，本发明还提供一种上述硅基探测器的制备方法，该制备方法包括：操作s101～s108。
49.在操作s101，提供一soi衬底100，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上的顶层硅110。
50.根据本发明的实施例，soi衬底100的顶层硅110的厚度为220nm，晶向为(001)方向，导电类型为p型，电阻率为10欧姆/厘米。
51.根据本发明的实施例，二氧化硅填埋层120的厚度为3μm。
52.在操作s102，将顶层硅110制作成台面，形成波导层111。
53.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60～220nm，形成波导层111。
54.根据本发明的实施例，当刻蚀深度未达到220nm时，波导层111为脊形波导。
55.根据本发明的实施例，当刻蚀深度达到220nm时，波导层111为条形波导。
56.根据本发明的实施例，波导层111可以为条形波导或脊形波导。
57.在操作s103，在波导层111上形成n型轻掺杂区112；在n型轻掺杂区112的两侧形成n型重掺杂区113。
58.根据本发明的实施例，可以通过离子注入或杂质扩散的方式形成n型轻掺杂区112
和n型重掺杂区113。
59.根据本发明的实施例，可以采用离子注入的方式在波导层111注入如磷、砷等离子，后退火激活，形成n型轻掺杂区。
60.根据本发明的实施例，n型重掺杂区113位于n型轻掺杂区112两侧，n型轻掺杂区112和n型重掺杂区113长度相同。
61.根据本发明的实施例，n型轻掺杂区112的掺杂浓度为1x10
17
/cm3～1x10
18
/cm3，掺杂深度小于150nm。
62.根据本发明的实施例，n型重掺杂区113的掺杂浓度为1x10
19
/cm3～1x10
20
/cm3，掺杂深度小于150nm。
63.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，在与波导层111对应的二氧化硅窗口层300上开设有外延窗口；其中，外延窗口在靠近光入射端的宽度大于在远离光入射端的宽度，外延窗口的宽度平滑渐变。
64.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。
65.根据本发明的实施例，通过光刻和干法刻蚀的方法在二氧化硅窗口层300上刻蚀出宽度渐变的外延窗口，在靠近光入射端的宽度大于在远离光入射端的宽度，外延窗口的宽度平滑渐变。
66.根据本发明的实施例，在靠近光入射端外延窗口的宽度为8～10μm，在远离光入射端外延窗口的宽度为2～4μm，外延窗口的宽度根据光吸收层200的光吸收系数平滑过渡。
67.根据本发明的实施例，外延窗口的长度为8～15μm，可以保证较好的光吸收效果。
68.根据本发明的实施例，n型轻掺杂区112的宽度大于外延窗口的宽度。
69.根据本发明的实施例，外延窗口的形成方式包括湿法腐蚀、干法刻蚀或先干法刻蚀后湿法腐蚀的混合刻蚀法。
70.根据本发明的实施例，采用先干法刻蚀后湿法腐蚀的混合刻蚀法，既保证图形转移精度，又避免干法刻蚀引入的表面粗糙和缺陷。
71.在操作s105，在外延窗口中选择外延光吸收层200；在光吸收层200上表面形成光吸收层p型重掺杂区210。
72.根据本发明的实施例，外延窗口可以为矩形，利用超高真空化学气相沉积系统(uhv
‑
cvd)，在二氧化硅窗口层300的矩形外延窗口中选择外延光吸收层200。
73.根据本发明的实施例，光吸收层200的材料为以下之一：纯锗、锗锡合金、ingaas，厚度为400～800nm，例如，可以为400nm、500nm、600nm、700nm、800nm。
74.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。
75.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。
76.根据本发明的实施例，当光吸收层200材料为ingaas时，通过调节ingaas中的in组分，可实现工作波长在1200～2500nm。
77.根据本发明的实施例，光吸收层200可以通过选择外延或刻蚀实现。
78.根据本发明的实施例，采用选择外延形成光吸收层200，其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。
79.根据本发明的实施例，可以通过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型重掺杂区210。
80.根据本发明的实施例，采用离子注入的方式在光吸收层200上表面注入如硼、镓等离子，后退火激活，形成光吸收层p型重掺杂区210。
81.根据本发明的实施例，光吸收层p型重掺杂区210位于光吸收层200的中心。
82.根据本发明的实施例，光吸收层p型重掺杂区210的掺杂浓度为1x10
19
/cm3～1x10
20
/cm3，掺杂深度小于150nm。
83.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型重掺杂区210形成一纵向pin结。
84.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型重掺杂区形成一纵向pin结，该结构也可通过施加外部电压控制光吸收层中的电场，实现相同的光探测功能。
85.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。
86.根据本发明的实施例，绝缘介质层400可以为sio2或si3n4。
87.根据本发明的实施例，采用等离子体增强化学气相沉积法沉积sio2，作为绝缘介质层400，厚度可以为300～1000nm，例如，可以为300nm、500nm、700nm、800nm、1000nm。
88.在操作s107，在与n型重掺杂区113对应的二氧化硅窗口层300和绝缘介质层400上开设有第一电极窗口；在与光吸收层p型重掺杂区210对应的绝缘介质层400上开设有第二电极窗口。
89.根据本发明的实施例，采用光刻胶为掩膜，干法刻蚀的方式，开设第一电极窗口和第二电极窗口。
90.在操作s108，在第一电极窗口上形成n电极，n电极与n型重掺杂区电性连接；在第二电极窗口上形成p电极，p电极与光吸收层p型重掺杂区电性连接。
91.根据本发明的实施例，n电极510，与n型重掺杂区113电性连接，p电极520，光吸收层p型重掺杂区210电性连接，实现良好的欧姆接触。
92.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型重掺杂区形成一纵向pin结，光吸收层在靠近光入射端的宽度较大，在远离光入射端的宽度较小，光吸收层的宽度平滑渐变，从而保证整个探测器中的光强和光生载流子的分布均匀化，显著减少光生载流子聚集引起的饱和效应，从而提高器件的饱和光功率。
93.在本发明的实施例中，由于无需制备上光分路器，得到的探测器器件具有高响应度。
94.在本发明的实施例中，由于无需采用波导侧边耦合，得到的探测器器件具有高带宽。
95.在本发明的实施例中，制备硅基探测器的工艺流程简单，制备难度低。
96.需要说明的是，虽然本专利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。
97.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。