[发明专利]一种波导耦合的光电探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种波导耦合的光电探测器及其制备方法。其中，本发明的一个方面提供了一种波导耦合的光电探测器，可以包括：衬底，包括底部硅材料层、中间二氧化硅填埋层和顶层硅；波导层和微结构倍增区，由衬底上的部分顶层硅刻蚀而成，其中，微结构倍增区用于调控电场分布和/或电场强弱，在波导层和微结构倍增区制备有掺杂区；二氧化硅窗口层，覆盖于波导层、微结构倍增区和掺杂区的部分表面，其中，在二氧化硅窗口层上开有外延窗口；光吸收层，布置在外延窗口中；绝缘介质层，覆盖于光吸收层和二氧化硅窗口层上，在二氧化硅窗口层和绝缘介质层上开有电极窗口；电极，电极包括n电极和p电极，设置于电极窗口中。

技术领域

本发明属于半导体光电探测器领域，特别涉及一种波导耦合的光电探测器及其制备方法。

背景技术

随着集成电路的不断发展，集成密度不断提高，传统的电互连成为性能提高的主要瓶颈，主要表现在：时延增长、功耗升高和信号串扰增大等。由于光互连具有高速度、高带宽、低功耗等特点，以硅基光子器件为基础的片上光互连是有望解决传统电互连对集成电路发展限制的优选方案。其中，硅基雪崩光电探测器是硅基光互连的关键器件之一，是近年来重要的研究课题。硅材料的空穴电子离化率比是各种倍增材料中最小的，最适合用于制作雪崩倍增层，但是其工作波长在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，且完全兼容硅的CMOS工艺。因此，用锗作为吸收层，硅作为倍增层的分离吸收-倍增(SACM)结构的Ge/Si雪崩探测器可以充分发挥两者的优势。

常见的硅基雪崩光电探测器主要采用纵向结构，需要进行两次外延，即本征硅的外延和本征锗的外延。对于没有硅基片上集成应用需求的面入射锗硅雪崩光电探测器，该纵向结构使用广泛，性能优良。而针对硅基片上集成的硅基雪崩波导光电探测器，纵向结构所需的二次外延增加了工艺的难度和复杂性，降低了和其他片上集成器件的兼容性。因此，采用横向结构，利用SOI的本征顶层硅作为雪崩倍增区的波导耦合的雪崩光电探测器被设计和制备出来。

但是，无论是纵向还是横向的硅基雪崩光电探测器都需要在器件中部制备电荷区来调节电荷区两侧的吸收区和倍增区的电场。硅基雪崩光电探测器的性能对电荷区中载流子的分布和浓度非常敏感。对于波导耦合的雪崩光电探测器，由于较高能量的离子注入对光刻胶厚度有一定的要求，使得离子注入的尺寸难以进一步缩小，因此难以制备小宽度的电荷层。如果不需要制备电荷层，即可实现器件电场的有效调控，可以极大地降低器件的制作难度。

发明内容

鉴于此，为了能够通过不需要制备电荷层，实现对器件电场的有效调控，降低器件的制作难度，本发明提供了一种波导耦合的光电探测器及其制备方法，使得实现有效的光吸收和雪崩倍增，对电场进行有效调控。

为了实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种波导耦合的光电探测器，可以包括：衬底，包括底部硅材料层、中间二氧化硅填埋层和顶层硅；波导层和微结构倍增区，由衬底上的部分顶层硅刻蚀而成，其中，微结构倍增区用于调控电场分布和/或电场强弱，在波导层和微结构倍增区制备有掺杂区；二氧化硅窗口层，覆盖于波导层、微结构倍增区和掺杂区的部分表面，其中，在二氧化硅窗口层上开有外延窗口；光吸收层，布置在外延窗口中；绝缘介质层，覆盖于光吸收层和二氧化硅窗口层上，在二氧化硅窗口层和绝缘介质层上开有电极窗口；电极，电极包括n电极和p电极，设置于电极窗口中。

根据本发明的实施例，其中，微结构倍增区包括以下至少之一：等宽等空间占比纳米线及其阵列或不等宽不等空间占比的纳米线及其阵列。

根据本发明的实施例，其中，光吸收层无离子注入和电极连接。

根据本发明的实施例，其中，掺杂区包括；n型重掺杂区、p型轻掺杂区、p型重掺杂区；p型轻掺杂区的掺杂浓度大于5×10¹⁷/cm³；n型重掺杂区和p型重掺杂区的掺杂浓度大于5×10¹⁸/cm³。