[發明專利]一種波導耦合的光電探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 202010846271.4
• 申請日: 2020-08-20
• 公開（公告）號: CN111952399B
• 公開（公告）日: 2022-02-25
• 發明（設計）人: 劉智;成步文;鄭軍;薛春來
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L31/107
• 分類號: H01L31/107;H01L31/0232;H01L31/0352;H01L31/18
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 孫蕾

本發明公開了一種波導耦合的光電探測器及其制備方法。其中，本發明的一個方面提供了一種波導耦合的光電探測器，可以包括：襯底，包括底部硅材料層、中間二氧化硅填埋層和頂層硅；波導層和微結構倍增區，由襯底上的部分頂層硅刻蝕而成，其中，微結構倍增區用于調控電場分布和/或電場強弱，在波導層和微結構倍增區制備有摻雜區；二氧化硅窗口層，覆蓋于波導層、微結構倍增區和摻雜區的部分表面，其中，在二氧化硅窗口層上開有外延窗口；光吸收層，布置在外延窗口中；絕緣介質層，覆蓋于光吸收層和二氧化硅窗口層上，在二氧化硅窗口層和絕緣介質層上開有電極窗口；電極，電極包括n電極和p電極，設置于電極窗口中。

技術領域

本發明屬于半導體光電探測器領域，特別涉及一種波導耦合的光電探測器及其制備方法。

背景技術

隨著集成電路的不斷發展，集成密度不斷提高，傳統的電互連成為性能提高的主要瓶頸，主要表現在：時延增長、功耗升高和信號串擾增大等。由于光互連具有高速度、高帶寬、低功耗等特點，以硅基光子器件為基礎的片上光互連是有望解決傳統電互連對集成電路發展限制的優選方案。其中，硅基雪崩光電探測器是硅基光互連的關鍵器件之一，是近年來重要的研究課題。硅材料的空穴電子離化率比是各種倍增材料中最小的，最適合用于制作雪崩倍增層，但是其工作波長在1100nm以下，無法勝任近紅外波段的光探測。同為四族元素的鍺材料在近紅外波段具有較高的光吸收效率，且完全兼容硅的CMOS工藝。因此，用鍺作為吸收層，硅作為倍增層的分離吸收-倍增(SACM)結構的Ge/Si雪崩探測器可以充分發揮兩者的優勢。

常見的硅基雪崩光電探測器主要采用縱向結構，需要進行兩次外延，即本征硅的外延和本征鍺的外延。對于沒有硅基片上集成應用需求的面入射鍺硅雪崩光電探測器，該縱向結構使用廣泛，性能優良。而針對硅基片上集成的硅基雪崩波導光電探測器，縱向結構所需的二次外延增加了工藝的難度和復雜性，降低了和其他片上集成器件的兼容性。因此，采用橫向結構，利用SOI的本征頂層硅作為雪崩倍增區的波導耦合的雪崩光電探測器被設計和制備出來。

但是，無論是縱向還是橫向的硅基雪崩光電探測器都需要在器件中部制備電荷區來調節電荷區兩側的吸收區和倍增區的電場。硅基雪崩光電探測器的性能對電荷區中載流子的分布和濃度非常敏感。對于波導耦合的雪崩光電探測器，由于較高能量的離子注入對光刻膠厚度有一定的要求，使得離子注入的尺寸難以進一步縮小，因此難以制備小寬度的電荷層。如果不需要制備電荷層，即可實現器件電場的有效調控，可以極大地降低器件的制作難度。

發明內容

鑒于此，為了能夠通過不需要制備電荷層，實現對器件電場的有效調控，降低器件的制作難度，本發明提供了一種波導耦合的光電探測器及其制備方法，使得實現有效的光吸收和雪崩倍增，對電場進行有效調控。

為了實現上述目的，本發明的一個方面提供了一種波導耦合的光電探測器，可以包括：襯底，包括底部硅材料層、中間二氧化硅填埋層和頂層硅；波導層和微結構倍增區，由襯底上的部分頂層硅刻蝕而成，其中，微結構倍增區用于調控電場分布和/或電場強弱，在波導層和微結構倍增區制備有摻雜區；二氧化硅窗口層，覆蓋于波導層、微結構倍增區和摻雜區的部分表面，其中，在二氧化硅窗口層上開有外延窗口；光吸收層，布置在外延窗口中；絕緣介質層，覆蓋于光吸收層和二氧化硅窗口層上，在二氧化硅窗口層和絕緣介質層上開有電極窗口；電極，電極包括n電極和p電極，設置于電極窗口中。

根據本發明的實施例，其中，微結構倍增區包括以下至少之一：等寬等空間占比納米線及其陣列或不等寬不等空間占比的納米線及其陣列。

根據本發明的實施例，其中，光吸收層無離子注入和電極連接。

根據本發明的實施例，其中，摻雜區包括；n型重摻雜區、p型輕摻雜區、p型重摻雜區；p型輕摻雜區的摻雜濃度大于5×10¹⁷/cm³；n型重摻雜區和p型重摻雜區的摻雜濃度大于5×10¹⁸/cm³。