[發明專利]一種高性能硅基鍺探測器及其制備方法

在審

• 申請號: 202011552811.4
• 申請日: 2020-12-24
• 公開（公告）號: CN112736158A
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 張軼錦;曹溪源;武愛民
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L31/108
• 分類號: H01L31/108;H01L31/0352;H01L31/18
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所(普通合伙) 31233
• 代理人: 魏峯;黃志達

本發明涉及一種高性能硅基鍺探測器及其制備方法，由下至上包括作為探測器制作初始材料包括硅材料(1)、SiO₂層(2)和鍺層(3)的襯底、作為肖特基接觸的金屬電極(4)和覆蓋于鍺層(3)和金屬電極(4)上的石墨烯薄膜(5)。本發明通過光子晶體結構設計，使～200nm的超薄鍺層結構在1310nm入射光處實現了超高吸收，量子效率不受限于吸收層的厚度；制作工藝無需摻雜，大大簡化了工藝成本及制造成本，具有良好的市場應用前景。

技術領域

本發明屬于半導體領域，特別涉及一種高性能硅基鍺探測器及其制備方法。

背景技術

大數據時代的信息傳輸對帶寬和功耗的要求越來越高，傳統電互聯方式由于受限于電子傳輸速率的極限已經不能滿足日益增長的需求，基于硅光集成的光互連技術由于其高速、低功耗、低串擾和可大規模集成等特點成為理想的數據傳輸和交互方案。作為硅光集成芯片的核心組件之一，高響應度、高帶寬的面接收型硅基鍺探測器一直是研究的熱點。而探測器固有的帶寬和量子效率的矛盾關系一直是亟待解決的重點，為在不犧牲帶寬的前提下提高器件響應度，科研人員進行了很多嘗試，其中，具有的代表性的是RCE(諧振腔增強)型探測器和等離子體增強型探測器。雖然這兩種方案都在一定程度上提高了器件的響應度，但RCE型探測器的諧振腔設計增加了工藝復雜度，等離子體增強型探測器由于引入了金屬會給器件帶來額外的熱負荷。

近年來，納米結構光學的崛起為解決光電探測器帶寬和量子效率的矛盾提供了新思路。2017年，美國加州大學戴維斯分校Yang Gao等人將捕獲光子的微孔結構應用于硅探測器上，在980-1000nm響應處獲得了近10倍的效率提升。次年，同課題組將此種微孔結構應用于本征區為2微米的Ge-on-Si探測器中，在1200-1800nm范圍內對探測器響應度提升，在1550nm處實現了0.91A/W的響應度。與此同時，國內的研究團隊也積極開展相關研究。2019年，武漢華中科技大學國家光電子實驗室夏金松課題組將微孔結構應用于本征區為350nm的Ge-on-Si探測器上，器件在1550nm處實現了70％以上的吸收和300％以上的量子效率提升，并在20Gbps的信號速率下正常工作。

以上的研究都表明了納米光學結構與面接收型探測器的兼容性以及對探測器響應度的提升作用，但上述研究都未能在超薄本征區上實現通信波段器件的超高吸收。因此，利用新的原理、新的結構在超薄本征區上實現高響應度、高帶寬的面接收型探測器是必要的。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種高性能硅基鍺探測器及其制備方法，解決現有技術中高響應度和高帶寬相互制約的問題。

本發明提供了一種高性能硅基鍺探測器，由下至上由下至上包括作為探測器制作初始材料包括硅材料、SiO₂層和鍺層的襯底、作為肖特基接觸的金屬電極和覆蓋于鍺層和金屬電極上的石墨烯薄膜。

所述鍺層為周期性空氣孔陣列。

所述金屬電極為Au電極，與Ge形成肖特基接觸。

所述石墨烯薄膜為單層石墨烯。

本發明還提供了一種高性能硅基鍺探測器的制備方法，包括如下步驟：

(1)提供襯底GOI，作為探測器制作初始材料；

(2)通過電子束曝光以及ICP刻蝕工藝在鍺層上制備周期性空氣孔陣列；

(3)通過光刻以及刻蝕工藝形成器件臺面結構；

(4)通過光刻以及電子束蒸發工藝形成金屬電極；

(5)通過CVD生長或機械剝離形成石墨烯薄膜，并將其轉移到器件上。

(6)通過光刻以及等離子體刻蝕方法定義石墨層薄膜的圖案。

有益效果