CN108010982A - 波导复合式耦合型单行载流子探测器 - Google Patents
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Abstract
波导复合式耦合型单行载流子探测器涉及半导体光电器件领域以及光互联领域。波导耦合将器件光吸收和电输运方向相互垂直，光从波导通过端面对接或者倏逝波效应耦合到吸收材料中，吸收效率由器件长度决定；单行载流子结构是利用多子迟豫时间短，仅高速少子输运，缩短渡越时间的同时抑制空间电荷效应，提高探测器的饱和度和线性度。本发明就是将端面对接及倏逝波耦合结合以减少单纯倏逝波耦合的光损耗，来针对光互连领域中特别天线系统以及平衡探测系统中的光电探测器的高线性度、高速率、高信噪比以及高密度集成的需求，设计并制作了一种波导耦合型单行载流子光电探测器结构。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域以及光互联领域，具体涉及一种能够对高强度通信光信号进行探测且具有良好线性度的波导单行载流子二极管。
背景技术
单行载流子(UTC)光电二极管最早于1997年日本Ishibashi T等人提出，该器件仅利用具有高迁移率的电子作为信号载体，将光载信号转换为电信号，不仅避免了传统p-i-n结构二极管在大功率接收时的空间电荷效应，而且器件的渡越频率也大于传统结构二极管，因此，此结构器件具有高线性度和高带宽特性，在天线系统以及平衡探测系统中成为核心器件并被广泛应用。
理论分析得知，只有当探测器的尺寸足够小(如，台面直径<15μm时)，RC常数远小于渡越时间，UTC器件的3dB带宽才会大于传统p-i-n结构器件，其高响应速率特性优势才会凸显。但是，器件尺寸的缩小，对于垂直入射型器件就意味着通光孔径的减小，这不利于光耦合效率和器件响应度的提高，因此采用波导耦合入射就完全避免了以上情况，不仅可以最大程度的缩小器件尺寸和器件RC常数，而且还可以通过减薄吸收层厚度进一步降低渡越时间提高器件带宽。因此，波导耦合型UTC器件，能够实现大功率高线性度接收的同时，单位时间接收的信息量以及信噪比也远大于传统器件。
探测器的波导耦合结构主要分倏逝波耦合(evanescent coupling)型和对接耦合(butt coupling)两种，倏逝波利用了两个材料界面处的倏逝波效应使得传输波导上方的吸收材料能够吸收传输光，这种效应造成光在材料界面处吸收，对于不同半导体晶体材料界面处存在大量缺陷和位错，不利于载流子的收集和输运；而对接耦合是吸收材料与传输波导对接，光从波导直接传输到吸收材料中，增大了器件单位长度下的吸收效率，同时，入射光分布在整个吸收层，便于载流子的输运，防止光生载流子的聚集。
本发明就是针对光互连领域中特别天线系统以及平衡探测系统中的光电探测器的高线性度、高速率、高信噪比以及高密度集成的需求，设计并制作了一种波导复合式耦合型单行载流子光电探测器结构。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种波导复合式耦合型单行载流子探测器结构，相比于报道的其他结构，该结构工艺简单，具有高速，高饱和度，高信噪比和高集成度等优点。
为了实现上述目的，本发明的探测器结构，如图1所示，包括p+欧姆接触电极101，p型阶梯状梯度掺杂吸收区102，本征区103，n+欧姆接触区104，n+欧姆接触电极105，绝缘掩埋层106，衬底层107，单模入射波导108。其特征在于，p型阶梯状梯度掺杂吸收区102，吸收区102上表面掺杂浓度是能与金属电极101形成欧姆接触的重掺杂浓度，重掺杂浓度在5×1018～1×1020cm-3选取；吸收区102下表面处的掺杂浓度在5×1016～1×1017cm-3之间选取，述吸收区102内从上至下浓度为阶梯状下降，下降阶梯的阶梯个数纵向选取2～50点，点所在界面纵向两侧的掺杂浓度差>10％，吸收区102的截面为矩形，同时102位于本征区103顶部；本征区103位于单模入射波导108末端，103与108的底面共平面，103的宽度在108宽度的100％～150％之间选取，103与108的一侧对齐共平面，103的另一侧紧挨着n+欧姆接触区104；单模入射波导108、n+欧姆接触区104和本征区103底面共平面，且位于同一材料层；n+欧姆接触区104和所述本征区103厚度相同；
器件实现单电子传输的同事，利用与单模波导之间的对接与倏逝波两种耦合方式复合(combination)的耦合结构，实现器件的尺寸较小的情况下光耦合效率能达到90％以上；电子的单侧输运消除对称结构带来的电扰动现象；器件吸收层宽度与单模波导相同，都在亚微米量级，保证吸收的同时大大的缩小了器件尺寸，降低载流子渡越时间和器件暗电流，提高器件的信噪比和带宽。
结构实现单模光波导直接耦合，由于单模波导上部与吸收区有一定的端面对接，因此光耦合存在对接端入射方式；而在单模波导下部则入射到Si本征区所在层，这个部分由于吸收区的禁带宽度高于本征区，折射率大于本征区，因此光通过倏逝波耦合方式向折射率大的吸收区传输，此部分的光吸收方式是倏逝波耦合方式，因此，本专利结构的光采用对接与倏逝波复合的耦合方式，其耦合效率高于倏逝波的，低于对接耦合的。器件的3D结构如图1所示，在单模入射波导108传输的光子通过对接耦合和倏逝波耦合复合(结合)的耦合方式被108上面的p型梯度掺杂吸收区102吸收，产生可以自由移动的光生电子空穴对。光生空穴在吸收区102为多子，弛豫时间短，仅光生电子被输运，吸收区内为阶梯状梯度掺杂，可以提高吸收区的两端电势差，使电子获得更高的速率输运。以Si/Ge材料系器件为例，-5V偏压下，线性梯度掺杂的吸收区压降为0.25V，而六层的台阶状梯度掺杂的压降为0.64V(如图5)，由此可见，阶梯状掺杂器件比线性梯度掺杂器件吸收区的局域电场更高，台阶状掺杂的器件电子进入本征区时的动能高于线性掺杂器件，因此，吸收区为阶梯状梯度掺杂替代传统的线性梯度掺杂，电子漂移速率更高，渡越时间更低。当电子通过扩散和漂移，到达禁带宽度较宽的本征层103，其较宽的禁带可以阻止空穴反方向运动，而且将电子和空穴隔离。另外当本征区厚度过薄时，为保证载流子漂移长度，本征区宽度应大于108区域，防止大注入时电子的漂移长度过短，与空穴形成内建电场，器件过早发生饱和。此外，为防止漂移区过长而使载流子的渡越时间增大，认为漂移区长度在108区域的150％时是合理的。由于器件的外加偏压主要降在103层，电子在高外加场的作用下降快速漂移到一侧的n+欧姆接触区104，形成电信号。
本发明设计针对Ge/Si器件，同时InGaAs/InP或AlGaAs/GaAs材料器件亦可适用。
适用于高速、高信噪比、高饱和及高集成度的波导耦合型探测器的设计。
本发明的探测波长范围适用于红外光波段。
附图说明：
附图说明：
图1：根据本发明提出的波导耦合型单行载流子探测器的三维视图；
图中：p+欧姆接触电极101，p型阶梯状梯度掺杂分布的吸收区102，本征区103，n+欧姆接触区104，n+欧姆接触电极105，绝缘掩埋层106，衬底层107，单模入射波导108。
图2：本发明器件的x-z轴侧视图。
图3：本发明器件的y-z轴侧视图。
图4-1：干法刻蚀出单模Si波导108。
图4-2：干法刻蚀出本征区103。
图4-3：沉积一层SiO2，Ge外延窗口刻蚀，露出下面的Si材料。
图4-4：选择外延梯度掺杂的Ge层102。
图4-5：刻蚀SiO2，磷离子注入形成n+欧姆接触区104。
图4-6：光刻，蒸发并剥离电极金属，形成两个电极。
图5：本发明的波导耦合光电二极管吸收区掺杂浓度分布(图上方)和对应的电场分布(图下方)示例。
图6-1：本发明的波导耦合光电二极管光场分布。
图6-2：本发明的波导耦合光电二极管带宽性能。
具体实施方式：
如图4所示，其制备过程和方法如下：
1、在绝缘体上硅(SOI)衬底的顶层220nm厚的Si上干法刻蚀出单模Si波导108及器件的Si区，刻蚀深度为220nm(如图4-1)。
2、光刻，将器件的Si区，向下刻蚀100nm，波导Si不变(如图4-2)。
3、在表面沉积一层700nm厚的SiO2，干法和湿法结合的方式将吸收区(102)所在位置的SiO2完全去除，露出下面的Si材料层(如图4-3)，在材料外延过程中Ge原子仅附着在Si材料上，在SiO2材料上不生长，因此这个刻蚀区域被称为Ge外延窗口，外延Ge层102，厚度约为400nm，通过原位掺杂的方式，控制外延层的厚度和杂质浓度，将吸收区等分为5个区域，每个区域厚80nm，控制五个区域的掺杂浓度由下到上分别为1×1017cm-3，5×1017cm-3，1×1018cm-3，5×1018cm-3和1×1019cm-3。
此处Ge吸收层102的宽度要小于或等于Ge吸收层厚度，这样才能形成专利要求的垂直侧壁的结构。由于Ge材料的生长为选择外延，Ge原子只能在Si的{100}晶面上生长，SiO2起到生长掩膜的作用，而Ge原子在不同晶面沉积速率不同，Ge/Si(100)选择性外延会出现{311}晶面，使得外延层形成空间梯形结构，下梯度角～27°，这不利于器件尺寸的缩小和器件内部电场的控制，因此本专利要求Ge窗口宽度与单模波导108宽度相同(0.35μm～0.6μm)，且小于等于Ge材料层的厚度，这样的小尺寸的狭缝凹槽窗口才能迫使Ge原子在狭缝的SiO2侧壁上沉积，形成空间矩形的Ge吸收层。
此外，P型掺杂是通过原位掺杂的方式通过外延掺入的。这种方式掺杂晶体质量要优于离子注入的方式，而且对掺杂浓度分布控制更精准。通过模拟计算发现，界面两侧掺杂浓度差别越大，在界面处形成的电场越强，当掺杂浓度呈线性降低时，吸收层内部的电场很弱(几乎为0)，如图5的深色黑线所示。因此选用阶梯状下降的掺杂浓度分布，才能引入较强的内电场，提高载流子的输运速率，如图5的浅色线所示。
4、刻蚀SiO2，磷离子注入形成n+欧姆接触区104，掺杂浓度为1×1019cm-3；
5、快速退火，将注入的杂质离子激活，退火温度500℃，退火时间30秒；
6、PECVD氧化层钝化；
7、刻蚀开孔，蒸发电极金属，形成p+型欧姆接触电极101和n+型欧姆接触电极105。
8、退火合金。
至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。
Claims (6)
1.一种波导复合式耦合型单行载流子探测器结构，其特征在于，包括p+欧姆接触电极(101)、p型阶梯状梯度掺杂分布的吸收区(102)、本征区(103)、n+欧姆接触区(104)、n+欧姆接触电极(105)、绝缘掩埋层(106)、衬底层(107)和单模入射波导(108)，所述p型阶梯状梯度掺杂分布的吸收区(102)，所述吸收区(102)上表面掺杂浓度是能与所述金属电极(101)形成欧姆接触的重掺杂浓度，重掺杂浓度在5×1018～1×1020cm-3选取；所述吸收区(102)下表面处的掺杂浓度在5×1016～1×1017cm-3之间选取，在所述吸收区(102)内从上至下浓度为阶梯状下降，下降阶梯的阶梯个数纵向选取2～50点，点所在界面纵向两侧的掺杂浓度差>10％，所述吸收区(102)的截面为矩形，宽度等于所述单模入射波导(108)的宽度，所述吸收区(102)位于所述本征区(103)顶部，同时，所述本征区(103)位于所述单模入射波导(108)的末端，所述本征区(103)的厚度在所述单模入射波导(108)厚度的10％～90％之间选取，所述本征区(103)的宽度在所述单模入射波导(108)宽度的100％～150％之间选取，所述本征区(103)及所述吸收区(102)与所述单模入射波导(108)的一侧对齐共平面，所述本征区(103)的另一侧紧挨着所述n+欧姆接触区(104)；所述单模入射波导(108)、所述n+欧姆接触区(104)和所述本征区(103)底面共平面，且位于同一材料层；所述n+欧姆接触区(104)和所述本征区(103)厚度相同。
2.根据权利要求1所述的一种波导复合式耦合型单行载流子探测器，其特征在于：光吸收层宽度在亚微米量级的方形长条结构。
3.根据权利要求1所述的一种波导复合式耦合型单行载流子探测器，其特征在于：探测器的材料为：Ge/Si、InGaAs/InP或AlGaAs/GaAs材料体系。
4.根据权利要求1所述的一种波导复合式耦合型单行载流子探测器，其特征在于：探测波长范围为红外光波段。
5.根据权利要求1所述的一种波导复合式耦合型单行载流子探测器，其特征在于：适用于平衡探测系统的光接收器件设计。
6.根据权利要求1所述的一种波导复合式耦合型单行载流子探测器，其特征在于：适用于天线系统的光接收设计。
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