[发明专利]一种波导耦合的硅基光电探测器及其制备方法

说明书

本发明提供一种波导耦合的硅基光电探测器，包括：SOI衬底(100)，包括至下而上的底部硅材料层(130)、二氧化硅填埋层(120)和顶层硅(110)，其中，顶层硅(110)上形成有波导层(111)，波导层(111)上形成有掺杂区；二氧化硅窗口层(300)，覆盖于波导层(111)、二氧化硅填埋层(120)和掺杂区的部分表面，其中，二氧化硅窗口层上开有外延窗口；光吸收层(200)，布置在外延窗口中；绝缘介质层(400)，覆盖于二氧化硅窗口层(300)和光吸收层(200)之上；电极，设于二氧化硅窗口层(300)和绝缘介质层(400)的电极窗口中。本发明的光电探测器整体工艺步骤少，制作难度低，有利于降低成本及和其他硅器件的片上集成。

技术领域

本发明涉及半导体光电探测器技术领域，具体涉及一种波导耦合的硅基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，其需要进行两次外延，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。其中有代表性的是美国桑迪亚国家实验室(Optics Express 24，19072-19081(2016).)和北京工业大学的波导耦合的锗硅雪崩探测器设计。他们的器件共同点都是在Ge上制备p型电极，需要对Ge材料进行离子注入和金属电极制备，而Ge的下方全是电荷掺杂区，电荷掺杂区的范围要大于Ge的尺寸。这种结构由于电荷掺杂区过大，只能部分被耗尽，Ge中的电场分布会严重不均匀，从而导致Ge材料边缘雪崩、器件暗电流过大、带宽较低。此外，由于Ge上有离子注入区和金属电极，也会导致其暗电流较大，光响应较低。除了以上的横向设计外，武汉广电工业技术研究院有限公司提出了一种横向的雪崩探测器设计。其典型的结构是衬底具有倒梯形凹槽，用于增加吸收层中的电场，且吸收层为平顶结构。该结构不仅增加了工艺步骤(衬底倒梯形凹槽结构需要选择性腐蚀或刻蚀，吸收层的平顶结构则需要化学机械抛光等)，而且增加了吸收层和衬底之间的接触界面，对于有晶格失配的材料系统，如锗硅，该结构会增加器件的暗电流。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述问题，本发明提供了一种波导耦合的硅基光电探测器及其制备方法，用于至少部分解决传统方法工艺步骤多，制作难度大等技术问题。

(二)技术方案