[发明专利]一种基于补偿掺杂的全硅光电探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于补偿掺杂的全硅光电探测器及其制备方法，属于光电子器件领域。全硅光电探测器包括补偿掺杂的吸收区、收集电流的P++和N++重掺杂区。一方面，通过P型和N型混合的补偿掺杂的方式，在硅波导内部引入了超过传统的单次掺杂的缺陷密度，同时形成具有本征半导体性质的吸收区，避免对光探测无贡献的自由载流子吸收。另一方面，通过狭缝波导提高了界面处的缺陷密度以及增强了缺陷与光之间的相互作用。从而，全硅光电探测器可以利用在硅波导中引入的缺陷以及增强光与缺陷的相互作用来实现光通信波段(1.3‑1.6μm)的光探测。此外，本发明的制备过程完全兼容CMOS工艺，无需引入其他材料，具备低成本和高集成度的优势。

技术领域

本发明属于光电子器件领域，更具体地，涉及一种基于补偿掺杂的全硅光电探测器及其制备方法。

背景技术

随着光通信与光互连技术的快速发展，集成化、小型化是未来的发展趋势。硅基光子技术兼容CMOS工艺，具备低成本和高集成度的优势，能满足集成化、小型化的需求。在硅基光子技术中，硅基光电探测器是实现光电转换的核心器件。然而，硅材料在1.1μm吸收截止，无法满足光通信波段的光探测。为了实现硅在光通信波段的光探测，目前已经提出了两种解决方案。第一种方案通过外延生长在光通信波段具有强吸收的光敏材料(如锗)，实现光通信波段的光探测。第二种方案利用硅的亚带隙吸收、双光子吸收等效应实现硅在光通信波段的光探测。

非专利文献1(Optics Express,2011,19(25):24897-24904.)报道了一种常用的光通信波段光电探测器的实现方法，即通过外延生长锗材料实现光通信波段的光探测。图1为非专利文献1中光电探测器的结构示意图，包含左侧硅重掺杂区101、硅轻掺杂区102、右侧硅重掺杂区103、锗重掺杂区104、锗吸收区105、二氧化硅包层106。锗材料的带隙大约为0.8eV，在1.55μm吸收截止。外延生长的锗层的本征吸收可以显著增强光通信波段的光探测，但是锗与硅的晶格失配会显著增加暗电流，降低探测器的灵敏度，并且复杂的外延生长工艺会显著增加成本。

为了解决上述方案的缺点，全硅光电探测器的方案被提出，专利文献2(CN202111008464.3)公开了一种氦离子注入提升硅基探测器红外响应的方法。该方法利用中性氦离子轰击硅波导，从而在硅波导中引入缺陷，进而利用缺陷态吸收效应实现光探测。上述效应能使硅的吸收截止边带红移，增强光通信波段的光探测，但是该方法产生的缺陷密度小，特别是缺陷与光之间的相互作用弱，这导致光的吸收效率低。

为了解决上述问题，非专利文献3(Journal of Nanophotonics,2011,5(1):9507.)报道了一种利用微环谐振腔来增强缺陷与光之间的相互作用的全硅光电探测器。上述微环谐振结构通过离子注入的方式引入缺陷，并且增强了腔内的光场强度，从而增强了腔内光场与缺陷之间的相互作用。但因为微环谐振腔对工作波长具有选择性，且工作波长会随温度变化发生漂移，所以导致该探测器的响应度受环境影响较大。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于补偿掺杂的全硅光电探测器及其制备方法，以显著增强全硅光电探测器在光通信波段的光探测，并且无需外延生长其他材料、完全兼容CMOS工艺。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于补偿掺杂的全硅光电探测器，包括补偿掺杂的吸收区、收集电流的P++和N++重掺杂区，所述吸收区具有本征半导体性质。

进一步地，所述吸收区由狭缝波导构成。

进一步地，所述吸收区中P型掺杂和N型掺杂的离子浓度差异不超过10¹⁸cm^-3。

第二方面，本发明提供了一种基于补偿掺杂的全硅光电探测器的制备方法，包括：

在基底上生长一层本征硅；

在本征硅上刻蚀吸收区以及位于所述吸收区两侧的重掺杂区；