CN104752548B - 以慢光增强吸收的锗光检测器 - Google Patents
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Abstract
一种以慢光增强吸收的锗光检测器，至少包括一依序具有一硅基板、一氧化层及一硅岛层的硅绝缘基板；一形成于该硅岛层上的锗条纹层；以及多个分别配置于该硅岛层的平面部，且位于该第一掺杂区及该第二掺杂区上的金属电极。藉此，本发明通过锗条纹层操作在慢光模式，利用硅岛层厚度d2、以及锗条纹层厚度d1与宽度w等参数，并以调变其缓变渐缩结构与周期性结构控制群折射，使锗的吸收系数可以在1600nm波长提高1dB/μm，与传统块状锗相比大约能提高1至2个数量级。
Description
技术领域
本发明涉及一种以慢光增强吸收的锗光检测器，尤指涉及一种吸收可以通过锗条纹(Ge stripe)层操作在慢光模式(Slow-Light Mode)而大幅度提高吸收的锗光检测器。
背景技术
锗硅光检测器由于其与CMOS制造过程的相容性及低成本的性质，最近已成为高速接收器的一受欢迎的选择。然而，一低效率的吸收在波长大于1550纳米(nm)时发生，因为块状锗的直接能隙～0.8电子伏特，这限制了其使用在L波段(1564nm～1625nm)的光通信的波长划分多工(Wavelength-Division Multiplexing,WDM)的目的。虽然通过在硅上高温生长锗可导入拉伸应变(Tensile Strain)以增加长波长的吸收，但如此一高热预算工艺将在整合锗检测器与集成电路中增加困难度，例如在一单晶片上加入转换阻抗放大器(Transimpedance Amplifier,TIA)。故，一般现有技术无法符合使用者于实际使用时的所需。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有技术所遭遇的上述问题并提供一种以曝光及蚀刻等半导体工艺步骤提供一缓变渐缩结构与周期性结构以使锗条纹层操作在慢光模式(Slow-Light Mode)而使其吸收率可以大幅度提高的锗光检测器。此相关参数调变锗条纹层的缓变渐缩结构与周期性结构，可使锗的吸收系数在1600nm波长提高1dB/μm，大约能提高1至2个数量级的以慢光增强吸收的锗光检测器。
为达以上的目的，本发明提供一种以慢光增强吸收的锗光检测器，包括一硅绝缘(Silicon On Insulator,SOI)基板，依序具有一硅基板、一氧化层及一硅岛层，该硅岛层具有一硅锗交接面及一位于该硅锗交接面两侧的平面部，且自部分该硅锗交接面的下方延伸至部分该平面部的下方包含有一第一掺杂区及一第二掺杂区；以及一锗条纹(Ge stripe)层，形成于该硅岛层上，其具有一上表面及相对应的一第一侧表面与一第二侧表面，该锗条纹层于接近入光侧的方向包含有一缓变渐缩(Gradual Taper)结构，且于远离入光侧的方向包含有一周期性(Periodic Pattern)结构。
于本发明上述实施例中，该锗条纹层的第一侧表面与该第二侧表面的内部包含有一第三掺杂区与一第四掺杂区，以及多个金属电极，分别配置于该第一掺杂区及该第二掺杂区上；其中该第一掺杂区与该第三掺杂区同极性，该第二掺杂区与该第四掺杂区同极性。
于本发明上述实施例中，该第三掺杂区与该第四掺杂区以侧壁掺杂工艺形成于该锗条纹层的第一侧表面与第二侧表面且具有相反掺杂极性。
于本发明上述实施例中，该第一掺杂区与该第二掺杂区为相反掺杂极性。
于本发明上述实施例中，该锗条纹层的上表面包含有多个孔洞，于该缓变渐缩结构中的孔洞往入光侧的方向呈现逐渐缩小状，于该周期性结构中的孔洞呈现大小均等状，且最小的孔洞与最大的孔洞的尺寸相差5～95％。
于本发明上述实施例中，该上表面的两侧长边包含有多个凹槽，于该缓变渐缩结构中的凹槽往入光侧的方向呈现逐渐缩小状，于该周期性结构中的凹槽呈现大小均等状，且最小的凹槽与最大的凹槽的尺寸相差5～95％。
于本发明上述实施例中，该锗条纹层的厚度小于2μm。
于本发明上述实施例中，该硅岛层的厚度大于100nm。
于本发明上述实施例中，该第一、二掺杂区的厚度占该硅岛层总厚度的10～90％。
于本发明上述实施例中，该锗条纹层的宽度大于100nm。
于本发明上述实施例中，该锗条纹层与该硅岛层可以直接键结(Direct Bonding)或外延(Epitaxy)的方式连接。
于本发明上述实施例中，该锗条纹层可与一硅绝缘波导(SOI Waveguide)直接耦合(Butt Coupled)，该锗条纹层与该SOI波导之间的间距介于10nm～100nm，可填入一氧化层。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1，本发明的立体示意图；
图2A，本发明的锗条纹层第一实施例顶视示意图；
图2B，本发明的锗条纹层第二实施例顶视示意图；
图3，本发明的锗光检测器与硅绝缘波导接合示意图。
其中，附图标记
硅绝缘基板1
硅基板11
氧化层12
硅岛层13
硅锗层交接面131
平面部132
第一掺杂区133
第二掺杂区134
锗条纹层2
上表面21
缓变渐缩结构211
周期性结构212
孔洞213、213a～213f
凹槽214、214a～214f
第一侧表面22
第三掺杂区221
第二侧表面23
第四掺杂区231
金属电极3
硅绝缘波导4
氧化层41
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
请参阅图1～图3所示，分别为本发明的立体示意图、本发明的锗条纹层第一实施例顶视示意图、本发明的锗条纹层第二实施例顶视示意图、及本发明的锗光检测器与硅绝缘波导接合示意图。如图所示：本发明提供一种以慢光增强吸收的锗光检测器，至少包括一硅绝缘(Silicon On Insulator,SOI)基板1、一锗条纹(Ge stripe)层2、以及多个金属电极3所构成。
上述所提的硅绝缘基板1是依序具有一硅基板11、一氧化层12及一硅岛层13，该硅岛层13具有一硅锗层交接面131及一位于该硅锗层交接面131两侧的平面部132，且自部分该硅锗层交接面131的下方延伸至部分该平面部132的下方包含有一第一掺杂区133及一第二掺杂区134，且该第一掺杂区133与该第二掺杂区134为相反掺杂极性，当该第一掺杂区133为n+型掺杂区时，该第二掺杂区134为p+型掺杂区；当该第一掺杂区133为p+型掺杂区时，该第二掺杂区134为n+型掺杂区。
该锗条纹层2形成于该硅绝缘基板1中硅岛层13的硅锗层交接面131上，其具有一上表面21及相对应的一第一侧表面22与一第二侧表面23，该上表面21于接近入光侧的方向包含有一缓变渐缩(Gradual Taper)结构211，且于远离入光侧的方向包含有一周期性(Periodic Pattern)结构212，而该第一侧表面22与该第二侧表面23的内部包含有一第三掺杂区221与一第四掺杂区231，且该第一掺杂区133与该第三掺杂区221同极性，该第二掺杂区134与该第四掺杂区231同极性。其中该第三掺杂区221与该第四掺杂区231是以侧壁掺杂(Sidewall Doping)工艺形成于该锗条纹层2的第一侧表面22与第二侧表面23且具有相反掺杂极性，当该第三掺杂区221为n+型掺杂区时，该第四掺杂区231为p+型掺杂区；当该第三掺杂区221为p+型掺杂区时，该第四掺杂区231为n+型掺杂区。
该些金属电极3分别配置于该硅岛层13的平面部132，且位于该第一掺杂区133及该第二掺杂区134上。
上述锗条纹层2的宽度w大于100nm；其厚度d1小于2μm；以及该硅岛层13的厚度d2大于100nm，且该第一、二掺杂区133、134的厚度占该硅岛层13总厚度的10～90％。上述锗条纹层2与该硅岛层13可以直接键结(Direct Bonding)或外延(Epitaxy)的方式连接。
上述上表面21于一具体实施例中，如图1、图2A所示，该上表面21包含有多个孔洞213，于该缓变渐缩结构211中的孔洞213a～213e是往入光侧的方向呈现逐渐缩小状，于该周期性结构212中的孔洞213f呈现大小均等状，且最小的孔洞213a与最大的孔洞213f的尺寸相差5～95％。此举例的缓变渐缩结构为a至e共五个，但实际实施例的缓变渐缩结构数量可大于或小于此范例。
上述上表面21于另一具体实施例中，如图2B所示，该上表面21的两侧长边包含有多个凹槽214，于该缓变渐缩结构211中的凹槽214a～214e是往入光侧的方向呈现逐渐缩小状，于该周期性结构212中的凹槽214f呈现大小均等状，且最小的凹槽214a与最大的凹槽214f的尺寸相差5～95％。于本实施例中，该上表面21两侧长边的凹槽214彼此平行排列；另外，本发明的上表面两侧长边的凹槽亦可彼此交错排列。于本实施例中，缓变渐缩结构为a至e共五个，但实际实施例的缓变渐缩结构数量可大于或小于此范例。
所以，藉由上述揭露的结构构成一全新的以慢光增强吸收的锗光检测器。
本发明以慢光增强吸收的锗光检测器，可以锗条纹层2与一硅绝缘波导(SOIWaveguide)4直接耦合(Butt Coupled)。如图3所示，该锗条纹层2与该SOI波导4之间的间距介于10nm～100nm，可填入一氧化层41。当运用时，本发明所提以慢光增强吸收的锗光检测器，当锗条纹层操作在慢光模式(Slow-Light Mode)时，锗的吸收系数在1600nm波长可以被提高1至2个数量级，显示其吸收可以通过锗条纹层操作在慢光模式而大幅度提高。
藉此，本发明通过锗条纹层操作在慢光模式，以调变其缓变渐缩结构与周期性结构控制群折射(Group Velocity)，并利用硅岛层厚度d2、以及锗条纹层厚度d1与宽度w等参数，使锗的吸收系数可以在1600nm波长提高1dB/μm，与传统块状锗(Bulk Ge)相比大约能提高1至2个数量级。
综上所述，本发明提供的以慢光增强吸收的锗光检测器，可有效改善现有技术的种种缺点，当锗条纹层操作在慢光模式(Slow-Light Mode)时，锗的吸收系数在1600nm波长可以被提高1至2个数量级。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (16)
1.一种以慢光增强吸收的锗光检测器，其特征在于，包括：
一硅绝缘基板，依序具有一硅基板、一氧化层及一硅岛层，该硅岛层具有一硅锗层交接面及一位于该硅锗层交接面两侧的平面部，且自部分该硅锗层交接面的下方延伸至部分该平面部的下方包含有一第一掺杂区及一第二掺杂区；以及
一锗条纹层，形成于该硅岛层上，其具有一上表面及相对应的一第一侧表面与一第二侧表面，该锗条纹层于接近入光侧的方向包含有一缓变渐缩结构，且于远离入光侧的方向包含有一周期性结构；
该锗条纹层的上表面包含有多个孔洞，于该缓变渐缩结构中的孔洞往入光侧的方向呈现逐渐缩小状，于该周期性结构中的孔洞呈现大小均等状，且最小的孔洞与最大的孔洞的尺寸相差5～95％，其中该缓变渐缩结构处的锗条纹层宽度与该周期性结构处的锗条纹层宽度相同。
2.根据权利要求1所述的以慢光增强吸收的锗光检测器，其特征在于，该锗条纹层的第一侧表面与该第二侧表面的内部包含有一第三掺杂区与一第四掺杂区，且该第一掺杂区与该第三掺杂区同极性，该第二掺杂区与该第四掺杂区同极性。
3.根据权利要求2所述的以慢光增强吸收的锗光检测器，其特征在于，该第三掺杂区与该第四掺杂区以侧壁掺杂工艺形成于该锗条纹层的第一侧表面与第二侧表面且具有相反掺杂极性。
4.根据权利要求1所述的以慢光增强吸收的锗光检测器，其特征在于，该第一掺杂区与该第二掺杂区系为相反掺杂极性。
5.根据权利要求1所述的以慢光增强吸收的锗光检测器，其特征在于，该硅岛层的厚度大于100nm。
6.根据权利要求1所述的以慢光增强吸收的锗光检测器，其特征在于，该第一掺杂区、第二掺杂区的厚度占该硅岛层总厚度的10～90％。
7.根据权利要求1所述的以慢光增强吸收的锗光检测器，其特征在于，该锗条纹层与该硅岛层以直接键结或外延的方式连接。
8.根据权利要求1所述的以慢光增强吸收的锗光检测器，其特征在于，该锗条纹层与一硅绝缘波导直接耦合，该锗条纹层与该硅绝缘波导之间的间距介于10nm～100nm，能够填入一氧化层。
9.一种以慢光增强吸收的锗光检测器，其特征在于，包括：
一硅绝缘基板，依序具有一硅基板、一氧化层及一硅岛层，该硅岛层具有一硅锗层交接面及一位于该硅锗层交接面两侧的平面部，且自部分该硅锗层交接面的下方延伸至部分该平面部的下方包含有一第一掺杂区及一第二掺杂区；以及
一锗条纹层，形成于该硅岛层上，其具有一上表面及相对应的一第一侧表面与一第二侧表面，该锗条纹层于接近入光侧的方向包含有一缓变渐缩结构，且于远离入光侧的方向包含有一周期性结构；
该上表面的两侧长边包含有多个凹槽，于该缓变渐缩结构中的凹槽往入光侧的方向呈现逐渐缩小状，于该周期性结构中的凹槽呈现大小均等状，且最小的凹槽与最大的凹槽的尺寸相差5～95％。
10.根据权利要求9所述的以慢光增强吸收的锗光检测器，其特征在于，该锗条纹层的第一侧表面与该第二侧表面的内部包含有一第三掺杂区与一第四掺杂区，且该第一掺杂区与该第三掺杂区同极性，该第二掺杂区与该第四掺杂区同极性。
11.根据权利要求10所述的以慢光增强吸收的锗光检测器，其特征在于，该第三掺杂区与该第四掺杂区以侧壁掺杂工艺形成于该锗条纹层的第一侧表面与第二侧表面且具有相反掺杂极性。
12.根据权利要求9所述的以慢光增强吸收的锗光检测器，其特征在于，该第一掺杂区与该第二掺杂区为相反掺杂极性。
13.根据权利要求9所述的以慢光增强吸收的锗光检测器，其特征在于，该硅岛层的厚度大于100nm。
14.根据权利要求9所述的以慢光增强吸收的锗光检测器，其特征在于，该第一掺杂区、第二掺杂区的厚度占该硅岛层总厚度的10～90％。
15.根据权利要求9所述的以慢光增强吸收的锗光检测器，其特征在于，该锗条纹层与该硅岛层以直接键结或外延的方式连接。
16.根据权利要求9所述的以慢光增强吸收的锗光检测器，其特征在于，该锗条纹层与一硅绝缘波导直接耦合，该锗条纹层与该硅绝缘波导之间的间距介于10nm～100nm，能够填入一氧化层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |