CN100552984C - 锗/硅混合集成的波导型光电转换器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电转换器技术领域，公开了一种Ge/Si混合集成的波导型光电转换器，Ge/Si混合集成的波导型光电转换器由一Si基SOI波导(3)和一Ge基横向p-i-n结构倒装焊接而成，其中Ge横向p-i-n结构是由波导本征区(4)，和波导两侧的p、n掺杂区(7，8)组成；光信号从Si波导(3)输入，通过消逝场耦合到Ge波导(4)中，并在Ge的p-i-n结构中进行光电转换。本发明同时公开了一种Ge/Si混合集成的波导型光电转换器的制造方法。利用本发明，可以在通信波段实现光电转换器件与微电子芯片的集成；同时，可提高光电转换器的响应度、频率响应和灵敏度。

Description

锗/硅混合集成的波导型光电转换器及其制造方法

技术领域

本发明涉及光电转换器技术领域，尤其涉及一种与CMOS工艺兼容的1.55波段锗硅Ge/Si混合集成的波导型光电转换器及其制造方法。

背景技术

随着高密度、大容量数据传输和运算的发展，将光电子与微电子集成在一个芯片上的优势越来越明显、需求越来越迫切，它对我国国民经济的发展、国家安全和科学进步起着重要的支撑作用。为此，人们使用成熟的Si工艺和Si在通信波段的透明特性，在Si基SOI波导上研制出大量的光无源器件。然而，在Si基光有源器件方面的研究进展缓慢，其原因不仅是由于Si的间接带隙导致其光吸收和跃迁率低，对波长大于1μm的光不吸收，而且在结构上也不易于与Si波导集成。

Si基光电探测器是Si基光电子集成中接收光信号、并将其转换成电信号的器件，在波长小于1μm的近红外波段，Si基光电探测器具有响应快、探测灵敏度高、暗电流小和频带宽的特点，而且易于同场效应晶体管(FET)和异质结双极晶体管(HBT)一起构成混合集成光电子电路，以共同完成光探测和光信号放大的作用，是单片集成系统中不可缺少的部分。

在通信波段，Si基光电探测器的有源区材料主要采用Ge，这是由于Ge具有良好的光吸收特性、高载流子迁移率、并易于Si工艺兼容的优点。但是Ge与Si的晶格失配高达4％，直接生长有一定的困难；其次通常的分立器件都是用来探测垂直于薄膜表面光信号的，无法与平面光波导集成；第三，在分立器件中光吸收要求本征层厚与载流子漂移要求本征层薄相矛盾；第四，分立器件所用工艺不与互补式金属-氧化层-半导体(CMOS)工艺兼容，进而无法与微电子集成。针对这些不足，许多研究者开发出与波导连接的横向器件，其大至可分为两类：一类是早期借助外延生长而上下叠放的pn或p-i-n型结构(H.Temkin，et.al.，“Ge_xSi_1-x strained-layersuperlattice waveguide photo-detectors operating near 1.3μm”，AppliedPhysics Letters，48：963-65，1986)，其优势是可以照搬分立器件中各种材料生长来满足横向器件需要，不足之处是与CMOS兼容性差，其顶部金属电极对光信号吸收强烈而产生损耗；另一类则是近来发展起来的横向p-i-n结构，它是利用离子注入的方式在Si中形成双空位复合物(divacancycomplex)缺陷，价带电子在吸收了光子后跃迁至深能级(缺陷光吸收)(E.V.Monakhov，et.al.，“Divacancy annealing in Si：Influence ofhydrogen”，Physical Review B，69：153202，2006)，以及饱和后释放电子，其最大优势是与CMOS兼容、与光电子集成，尽管缺陷光吸收的效率低下，但可以通过延长吸收波导来补偿。加拿大McMaster大学工程物理系的研究小组采用第二类横向p-i-n结构制备出了光电探测器，其波长在1.55μm的响应度为9mA/W(J.D.B.Bradley，et.al.，“Silicon waveguide-integratedoptical power monitor with enhanced sensitivity at 1550nm”，Applied PhysicsLetters，86：241103，2005)；美国MIT的Lincoln实验室对前者波导细化，使光生载流子的渡越时间缩短，得到了更好的结果，其器件工作波长在1.27-1.74μm，1.55μm处的响应度为800mA/W，3dB带宽为10-20GHz(M.W.Gleis，et al.，“CMOS-compatible all-Si high-speed waveguidephotodiodes with high responsivity in near-infrared communication band”，IEEE Photonics Technology Letters，19(3)：152-54，2007)。

尽管Si基光电探测器有很大的进展，但仍存在着一些问题和有待改进的地方。首先，光吸收率低下，缺陷对光的吸收率往往要比带间吸收低好几个数量级；其次，电子输运机理不明，原理上Si波导吸收是由于Si⁺离子注入后引起的双空位复合物缺陷、该缺陷属于深能级，价带电子吸收光子后跃迁至缺陷深能级，但电子从深能级如何输运到电极上并不清楚，从前面的文献可以看到，当波导横截面为5×5μm²时，其响应度很低，这使得器件制备具有盲目性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种Ge/Si混合集成的波导型光电转换器，尤其是1.55微米波段的Ge/Si混合集成的波导型光电转换器件，从而在Si上实现光通信信号的接收与微电子芯片的集成。

本发明的另一个目的在于提供一种Ge/Si混合集成的波导型光电转换器件的制造方法，尤其是1.55微米波段的Ge/Si混合集成的波导型光电转换器的制造方法，以提高光电转换器的响应度、频率响应和灵敏度。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种制造Ge/Si混合集成的波导型光电转换器件的方法，该方法包括以下步骤：

形成包括Si薄层3的Si基SOI基片；

使用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法将Si薄层3刻蚀或腐蚀成第一脊形或矩形波导3；

使用离子注入的方法，将氧离子O⁺注入进Ge基片6中、并退火，形成GeO₂包层5；

使用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法将Ge薄层刻蚀或腐蚀成第二脊形或矩形波导4；

使用注入或扩散的方法，在第二脊形或矩形波导4的一侧形成p型掺杂区7，在第二脊形或矩形波导4的另一侧形成n型掺杂区8，从而在Ge表面上构成横向p-i-n结构；和

使用倒装焊工艺方法，将Ge波导与Si波导对准并固定，然后进行加温焊接。

上述方案中，所述SOI基片由Si衬底1、SiO₂包层2、和Si薄层3构成。

上述方案中，采用离子注入或扩散的方法将III族离子并入第二脊形或矩形波导4一侧，形成p型掺杂区7，采用离子注入或扩散的方法将V族离子并入第二脊形或矩形波导4的另一侧，形成n型掺杂区8。

该方法进一步包括以下步骤：

采用金属蒸发的方法在p型掺杂区7上制备Al或Al合金电极9和在n型掺杂区8上制备Al或Al合金电极10；和

在Si直波导3两侧采用金属蒸发的方法制备金锡合金Au_0.8Sn_0.2薄膜。

上述方案中，所述倒装焊包括如下步骤：

先将电极9与金锡合金11对准、电极10与金锡合金12对准，Ge波导与Si波导对准，并使Ge和Si未刻蚀表面相接触和固定；和

将器件整体加热至260-460度之间，对Ge表面的Al或Al合金电极与Si上金锡合金进行倒装焊接。

一种Ge/Si混合集成的波导型光电转换器，该光电转换器包括：

具有Si薄层3的Si基SOI基片；

第一脊形或矩形波导3，所述第一脊形或矩形波导3采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法刻蚀或腐蚀Si薄层而形成；

GeO₂包层5，所述GeO₂包层5采用离子注入的方法将氧离子O⁺注入到Ge基片6中并退火而形成；

第二脊形或矩形波导4，所述第二脊形或矩形波导4采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法刻蚀或腐蚀Ge薄层而形成，其中在所述第二脊形或矩形波导4的一侧形成p型掺杂区7，在所述第二脊形或矩形波导4的另一侧形成n型掺杂曲8，由此在Ge表面构成横向p-i-n结构。

上述方案中，采取离子注入的方法将III族离子注入进第二脊形或矩形波导4的一侧、并退火而形成p型掺杂区7，和采取离子注入的方法将V族离子注入进第二脊形或矩形波导4的另一侧、并退火而形成n型掺杂区8。

上述方案中，该光电转换器进一步包括：

采用金属蒸发的方法分别在p型掺杂区7上制备的Al或Al合金电极9，和在n型掺杂区8上制备的Al或Al合金电极10；和

采用金属蒸发的方法在Si直波导3两侧分别制备的金锡合金Au_0.8Sn_0.2，其中

采用倒装焊技术将Ge表面的Al或Al合金电极与Si表面的金锡合金进行焊接，从而将电信号从Ge表面引到Si表面上。

上述方案中，所述SOI基片由Si衬底1、SiO₂包层2和Si薄层构成。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，可以将Ge基波导与Si基波导在宽松条件下形成非晶键键合式的平行耦合，耦合间距可放宽到1微米左右，同样可以产生由消逝场引起的平行波导间耦合，从而大为简化工艺条件；

2、利用本发明，是利用金锡合金(Au_0.8Sn_0.2)薄膜在熔点后自然形成液滴状，从而可以在先控制耦合距离后进行倒装焊接；

3、利用本发明，即Ge的高吸收率，可以大大提高光电转换器的响应度；

4、利用本发明，可以极大地缩短器件长度，从而提高光电转换器的灵敏度；

5、利用本发明，可以将光吸收路径(沿波导方向)与载流子漂移路径(垂直波导方向)分开，在提高量子效率的同时也能加快响应时间。

6、利用本发明，可以直接探测波导中的光信号，从而与平面光波回路形成无损连接，进一步可与微电子芯片集成在一起。

附图说明

图1为本发明的Ge/Si混合集成的波导型光电转换器件在垂直波导方向上沿图2中AB虚线的剖面图；和

图2a、2b为图1中的Ge/Si混合集成的波导型光电转换器件在未倒装焊之前的芯片俯视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1为本发明提供的一种与CMOS工艺兼容的1.55微米波段全Si波导型光电转换器件在垂直波导方向上的剖面结构示意图。

图1为本发明提供的一种Ge/Si混合集成的波导型光电转换器件在垂直波导方向上沿图2中AB虚线的剖面图，优选地，该Ge/Si混合集成的波导型光电转换器件适于1.55微米波长。图1从下至上依次为Si衬底1、SiO₂下包层2、Si矩形波导3、Ge脊形波导4、GeO₂包层5、Ge衬底6，以及Ge波导左侧的p型掺杂区7和右侧的n型掺杂区8。

图2a、2b为Ge/Si混合集成的波导型光电转换器件在未倒装焊之前的芯片俯视图，其中，图2a显示了Si基SOI波导芯片，Si衬底在下，芯片面朝上，Si波导3位于中间，金锡合金(Au_0.8Sn_0.2)薄膜焊料13～16的厚度约为0.1～0.6微米；图2b显示了Ge基波导芯片，Ge衬底在下，芯片面朝上，Ge脊形波导4位于中间，左右分别为n型掺杂区8和p型掺杂区7，在Ge平面上形成横向p-i-n结构，即Ge/Si混合集成的波导型光电转换器件的主要部分构建在Ge基片上，以Ge波导为本征区i，左右各为n型和p型掺杂区，构成横向p-i-n结构，这种结构可以将光吸收路径(沿波导方向)与载流子漂移路径(垂直波导方向)分开，在提高量子效率的同时也能加快响应时间；再在p型掺杂区7和n型掺杂区8上分别制备Al或Al合金电极9、10，当图2b中Ge芯片倒扣在图2a中Si芯片上时，则成为图1的光电转换器件，从而Si基波导与Ge基波导平行耦合，将Si波导中光信号耦合进Ge波导中。由于Ge的折射率(4.56)大于Si波导折射率(3.53)，从而使得Ge基波导与Si波导之间的平行耦合条件大为宽松，不必形成表面键合，其间距可以在1微米左右，从而实现对1.55微米波段信号的探测。

采取干法刻蚀或湿法腐蚀的方法在Si基SOI衬底上制备Si波导3；采用金属蒸发的方法制备金锡合金(Au_0.8Sn_0.2)11，12。

采取离子注入的方法将O⁺离子注入进Ge基片6中，并退火，形成GeO₂包层5；采取干法刻蚀或湿法腐蚀的方法将Ge薄层刻蚀或腐蚀成脊形或矩形波导4；采取离子注入或扩散的方法将III族(如硼等)并入波导4一侧、并退火，形成p型掺杂区7；采取离子注入或扩散的方法将V族(如磷等)并入进波导4另一侧、并退火成n型掺杂区8；从而在Ge平面上形成横向p-i-n结构；

在p型掺杂区7和n型掺杂区8上采用金属蒸发的方法制备电极Al或Al合金电极9、10；

采用倒装焊工艺，将Ge波导与Si波导对准和固定，然后进行加温焊接，其中，将电极9与金锡合金11对准、电极10与金锡合金12对准，控制和固定好Ge和Si表面间的距离，整体加热至260-460度之间，利用金锡合金在其熔点处由薄膜转为微球，从而自动连接Ge和Si片，并将Ge上电信号引到Si表面。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1、一种制造Ge/Si混合集成的波导型光电转换器件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

形成包括Si薄层(3)的Si基SOI基片；

使用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法将Si薄层(3)刻蚀或腐蚀成第一脊形或矩形波导(3)；

使用离子注入的方法，将氧离子O⁺注入进Ge基片(6)中、并退火，形成Ge基片中部的GeO₂包层(5)和所述GeO₂包层上的Ge薄层；

使用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法将Ge薄层刻蚀或腐蚀成第二脊形或矩形波导(4)；

使用注入或扩散的方法，在第二脊形或矩形波导(4)的一侧形成p型掺杂区(7)，在第二脊形或矩形波导(4)的另一侧形成n型掺杂区(8)，从而在Ge薄层表面上构成横向p-i-n结构；和

使用倒装焊工艺方法，将第二脊形或矩形波导与第一脊形或矩形波导对准并固定，然后进行加温焊接。

2、根据权利要求1所述的制造Ge/Si混合集成的波导型光电转换器件的方法，其特征在于，所述SOI基片由Si衬底(1)、SiO₂包层(2)、和Si薄层(3)构成。

3、根据权利要求1或2所述的制造Ge/Si混合集成的波导型光电转换器件的方法，其特征在于，采用离子注入或扩散的方法将III族离子注入第二脊形或矩形波导(4)一侧，形成p型掺杂区(7)，采用离子注入或扩散的方法将V族离子注入第二脊形或矩形波导(4)的另一侧，形成n型掺杂区(8)。

4、根据权利要求1或2所述的制造Ge/Si混合集成的波导型光电转换器件的方法，其特征在于，该方法进一步包括以下步骤：

采用金属蒸发的方法在p型掺杂区(7)上制备Al或Al合金电极(9)和在n型掺杂区(8)上制备Al或Al合金电极(10)；和

在第一脊形或矩形波导(3)两侧采用金属蒸发的方法制备金锡合金Au_0.8Sn_0.2薄膜(11，12)。

5、根据权利要求4所述的制造Ge/Si混合集成的波导型光电转换器件的方法，其特征在于，所述倒装焊包括如下步骤：

先将第二脊形或矩形波导两侧的Al或Al合金电极(9)、(10)与第一脊形或矩形波导两侧的金锡合金(11)、(12)分别对准，并使Ge薄层和Si薄层未刻蚀表面相接触和固定；和

将器件整体加热至260～460度之间，对Ge薄层表面的Al或Al合金电极与Si薄层上金锡合金进行倒装焊接。

6、一种Ge/Si混合集成的波导型光电转换器，其特征在于，该光电转换器包括：

具有Si薄层(3)的Si基SOI基片；

第一脊形或矩形波导(3)，所述第一脊形或矩形波导(3)采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法刻蚀或腐蚀Si薄层而形成；

GeO₂包层(5)及其上的Ge薄层，所述GeO₂包层(5)和Ge薄层采用离子注入的方法将氧离子O⁺注入到Ge基片(6)中并退火而形成；

第二脊形或矩形波导(4)，所述第二脊形或矩形波导(4)采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法刻蚀或腐蚀Ge薄层而形成，其中在所述第二脊形或矩形波导(4)的一侧形成p型掺杂区(7)，在所述第二脊形或矩形波导(4)的另一侧形成n型掺杂区(8)，由此在Ge薄层表面构成横向p-i-n结构。

7、根据权利要求6所述的Ge/Si混合集成的波导型光电转换器，其特征在于，采取离子注入的方法将III族离子注入进第二脊形或矩形波导(4)的一侧、并退火而形成p型掺杂区(7)，和采取离子注入的方法将V族离子注入进第二脊形或矩形波导(4)的另一侧、并退火而形成n型掺杂区(8)。

8、根据权利要求6所述的Ge/Si混合集成的波导型光电转换器，其特征在于，该光电转换器进一步包括：

采用金属蒸发的方法分别在p型掺杂区(7)上制备的Al或Al合金电极(9)，和在n型掺杂区(8)上制备的Al或Al合金电极(10)；和

采用金属蒸发的方法在第一脊形或矩形波导(3)两侧的Si薄层上分别制备的金锡合金Au_0.8Sn_0.2(11，12)，其中

采用倒装焊技术将Ge薄层表面的Al或Al合金电极(9，10)与Si薄层表面的金锡合金(11，12)进行焊接，从而将电信号从Ge薄层表面引到Si薄层表面上。

9、根据权利要求6、7或8所述的Ge/Si混合集成的波导型光电转换器件，其特征在于，所述SOI基片由Si衬底(1)、SiO₂包层(2)和Si薄层构成。

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