[發明專利]一種具有非對稱結的硅基探測器及其制備方法

在審

• 申請號: 202110763544.3
• 申請日: 2021-07-06
• 公開（公告）號: CN113471325A
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 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: H01L31/105
• 分類號: H01L31/105;H01L31/0224;H01L31/18
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 鄢功軍

本發明公開了一種具有非對稱結的硅基探測器，包括：SOI襯底，包括：底部硅材料層；二氧化硅填埋層；頂層硅，頂層硅上形成波導層；n型輕摻雜區和p型輕摻雜區，形成在頂層硅和波導層上，n型輕摻雜區上形成有n型重摻雜區，p型輕摻雜區上形成有p型重摻雜區；光吸收層形成在波導層上，光吸收層的表面上形成有光吸收層p型輕摻雜區，光吸收層p型輕摻雜區與p型輕摻雜區電性連接；二氧化硅窗口層形成在頂層硅和波導層上；絕緣介質層形成在光吸收層和二氧化硅窗口層上；與n型重摻雜區和p型重摻雜區對應的二氧化硅窗口層和絕緣介質層上分別開有第一電極窗口和第二電極窗口；n電極形成在第一電極窗口上；p電極形成在第二電極窗口上。

技術領域

本發明涉及光互連領域，尤其涉及一種具有非對稱結的硅基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。硅材料由于其帶隙寬度的限制，其硅探測器的工作波長在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系數，且完全兼容硅的CMOS(互補金屬氧化物半導體)工藝。因此，鍺硅探測器是硅基片上光互連探測器的主要選擇。

常見的波導耦合鍺硅探測器主要采用縱向PIN結構或橫向PIN結構。對于縱向PIN結構，在鍺光吸收區的頂部重摻雜區需要與金屬電極形成歐姆接觸，這就要求光吸收區具有較大的尺寸用于布置金屬電極，從而導致器件RC(電阻電容)較大，帶寬較低；光吸收區上的金屬電極也會引起較大的光吸收損耗，導致器件的響應度較低。對于橫向PIN結構，金屬電極均制備在硅上，遠離光吸收區，無金屬吸收損耗，器件的響應度較高；此外光吸收區可以采用很小的尺寸，減少了器件的結電容，提高了器件的帶寬。其中有代表性的就是比利時根特大學的橫向PIN探測器(Optics Express 24(5),4622-4631(2016))。但是橫向PIN結構的鍺硅探測器的制備工藝非常復雜，不僅需要對鍺進行化學機械拋光，控制鍺的厚度和形狀，還需要對鍺波導的側壁分別進行離子注入。因此，設計和制備工藝簡單且高性能的鍺硅探測器是硅基片上探測器研究的重點和熱點。

發明內容

有鑒于此，為了制備出具有高性能的硅基探測器，本發明提供了一種具有非對稱結的硅基探測器及其制備方法。

本發明提供一種具有非對稱結的硅基探測器，該硅基探測器包括：SOI襯底，包括：底部硅材料層；形成在底部硅材料層上的二氧化硅填埋層；以及形成在二氧化硅填埋層上的頂層硅，頂層硅上形成波導層，頂層硅的兩側形成臺面；n型輕摻雜區，形成在頂層硅和波導層上，n型輕摻雜區上形成有n型重摻雜區；p型輕摻雜區，形成在頂層硅和波導層上，p型輕摻雜區上形成有p型重摻雜區；光吸收層，形成在波導層上，光吸收層的部分表面上形成有光吸收層p型輕摻雜區，光吸收層p型輕摻雜區與p型輕摻雜區電性連接；二氧化硅窗口層，形成在頂層硅和波導層上，與波導層對應的二氧化硅窗口層上開有與光吸收層底邊尺寸吻合的外延窗口；絕緣介質層，形成在光吸收層和二氧化硅窗口層上；與n型重摻雜區對應的二氧化硅窗口層和絕緣介質層上開有第一電極窗口；與p型重摻雜區對應的二氧化硅窗口層和絕緣介質層上開有第二電極窗口；n電極，形成在第一電極窗口上，與n型重摻雜區電性連接；p電極，形成在第二電極窗口上，與p型重摻雜區電性連接。

在本發明的實施例中，n型輕摻雜區、光吸收層和光吸收層p型輕摻雜區形成非對稱縱向PIN結。

在本發明的實施例中，通過選擇外延獲得光吸收層，光吸收層的截面為等腰三角形或等腰梯形或準半圓形。

在本發明的實施例中，光吸收層的材料為純鍺或鍺錫合金。

在本發明的實施例中，n型輕摻雜區和p型輕摻雜區為空間上非對稱摻雜，n型輕摻雜區的區域大于p型輕摻雜區的區域。