[发明专利]具有亚波长光栅结构的面入射硅基锗光电探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种具有亚波长光栅结构的面入射硅基锗光电探测器及其制备方法。

背景技术

硅基光电子将硅的CMOS微电子技术与光子技术相融合，具有价格低、性能好、易于集成、适合大规模制备等优点，在光互连、光通信、光传感等领域有广泛的应用前景，成为近年国际光电子研究领域的热点。

硅基光电探测器是硅光电子的关键器件，发展适用于通讯波段(特别是1310nm和1550nm)的硅基高性能光电探测器成为硅基光电子发展的一个重要方向。由于硅的禁带宽度为1.12eV，无法有效吸收波长大于1.1μm的光信号，因此纯硅的光电探测器无法胜任近红外光探测。目前光纤通信系统中商用通信波段光电探测器普遍使用III-V族材料，其价格相对昂贵，热学机械性能差，且无法与硅微电子芯片实现工艺兼容。而同为IV族元素的锗材料，在近红外和光通信波段具有较高的响应，且与现有的硅CMOS工艺可以实现兼容，可以有效地降低成本。尽管锗与硅之间存在着4.2％的晶格失配，但近年来随着硅基锗材料外延技术的突破，硅基锗光电探测器被认为是硅基光电探测器的不二选择。

面入射的硅基锗光电探测器由于光耦合方式简单，应用范围非常广泛，其易于与光纤封装，常用于光通信接收模块，以及机柜间、板间、模块间、芯片间的光互连等。但是，由于锗与硅之间存在着4.2％的晶格失配，在硅上直接外延的锗材料中的穿透位错密度仍然高于1×10⁶cm^-2，且在硅和锗的界面上存在着大量的失配位错，使得器件的暗电流密度比较大。报道的硅基锗光电探测器的暗电流密度普遍大于15mA/cm²@-1V，典型值为几十mA/cm²@-1V，这是限制其应用的主要因素之一。常规的外延条件下，由于Si和Ge的晶格失配需要释放，Ge缓冲层中的失配位错通常是无法避免的，而Ge中的穿透位错密度却可以降低，因此，降低Si基Ge光电探测器暗电流密度的思想主要集中在降低Ge薄膜中的穿透位错密度，但目前也只能降低至10^-6cm^-2。另外面入射的光电探测器都存在着响应度和响应带宽之间相互制约的矛盾。增大光电探测器的吸收层厚度，可以提高器件的量子效率，减少器件结电容，但是却增大载流子在吸收区的渡越时间，从而降低光电探测器的响应带宽；而薄的吸收层厚度，可以减少载流子的渡越时间，提高光电探测器的响应带宽，却会降低器件的量子效率。目前仍然以上下表面形成共振腔增强(RCE)为主来缓解该问题，但是该方案的工艺比较复杂，特别是底部高反射面的制作难度很大，这都限制了RCE探测器的应用。

发明内容

针对以上面入射硅基锗光电探测器目前存在的暗电流密度偏大，以及响应度和带宽之间相互制约的问题，本发明提出了一种具有亚波长光栅结构的面入射硅基锗光电探测器的方案来解决这两个关键问题。

本发明提供一种具有亚波长光栅结构的面入射硅基锗光电探测器，包括：

一SOI衬底；

一二氧化硅层，其制作在SOI层的n型顶层硅上，该二氧化硅层刻蚀有二氧化硅光栅，该二氧化硅光栅为一圆形或矩形结构，在二氧化硅光栅的空隙处制作有本征锗层，在本征锗层上制作有p型锗层，形成基片，所述二氧化硅光栅、本征锗层和p型锗层构成锗/二氧化硅亚波长光栅；

n电极，其制作在SOI衬底的n型顶层硅上；

p电极，其制作在p型锗层上；

一抗反射绝缘介质层，其制作在基片的上表面；

其中该n电极和p电极暴露出抗反射绝缘介质层外。

本发明还提供一种具有亚波长光栅结构的面入射硅基锗光电探测器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在SOI衬底上的n型顶层硅的表面沉积二氧化硅层，该n型顶层硅为n型掺杂；

步骤2：刻蚀二氧化硅层形成二氧化硅光栅，在二氧化硅光栅的空隙处露出n型顶层硅材料；

步骤3：以二氧化硅光栅为掩膜，在二氧化硅光栅的空隙处的n型顶层硅材料上选择外延本征锗层，该本征锗层上制作有p型锗层，该p型锗层为p型掺杂，所述的p型锗层、本征锗层和n型顶层硅形成纵向的p-i-n结构；

步骤4：采用刻蚀的方法，将外延有本征锗层、p型锗层的二氧化硅光栅构成的锗/二氧化硅亚波长光栅刻蚀成圆形或矩形的形状，刻蚀深度到达SOI衬底上的n型顶层硅的表面，形成基片；

步骤5：在基片的表面沉积抗反射绝缘介质层；