CN108039377B - 一种用于c波段的应力硅探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于C波段的应力硅探测器及其制作方法，该应力硅探测器包括：设置在背衬底上的二氧化硅层，以及，均设置在所述二氧化硅层内的应力单晶硅吸收层和硅波导层，且所述应力单晶硅吸收层连接设置在硅波导层的上端；所述应力单晶硅吸收层通过所述硅波导层与二氧化硅层对非晶硅薄膜施加拉应力而形成；所述硅波导层和所述应力单晶硅吸收层分别连接电极。本发明能够准确且有效地增大硅的晶格常数，并减小带隙，从而能够可靠地增加硅的吸收限，使得硅探测器可以在C波段乃至更长的波长范围内工作。
Description
技术领域
本发明涉及光电信息中的光电探测器领域，具体涉及一种用于C波段的应力硅探测器及其制作方法。
背景技术
近年来，随着物联网的迅猛发展，光纤通信系统作为物联网的重要依托，其发展受到更多的重视。在长途骨干网领域，随着光传输技术的成熟和发展，世界范围内出现了干线传输网络的建设热潮，传输带宽、传输容量快速发展。
随着光纤通信系统的发展，光器件的发展也同样面临着机遇和挑战，如何开发出性能优良、价格低廉的光器件已经成为人们所面临的首要问题。硅基光电子器件具有易于集成、工艺成本低等优点，近些年来引起研究人员的广泛关注。由于掺铒光纤放大器(EDFA)的产生，使得光纤长距离通信产生了长足的发展。然而EDFA的工作波长为1545nm-1555nm，故目前的光纤通信系统主要工作在C波段。
但由于单晶硅本身带隙的限制，由于单晶硅的禁带宽度只有1.11eV，对应的截止光吸收波长为1100nm，不能满足现行的C波段的光通信的应用要求，因此，通过能带工程来扩展硅材料的吸收限，具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种用于C波段的应力硅探测器及其制作方法，能够准确且有效地增大硅的晶格常数，并减小带隙，从而能够可靠地增加硅的吸收限，使得硅探测器可以在C波段乃至更长的波长范围内工作。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种用于C波段的应力硅探测器，所述应力硅探测器包括：
设置在背衬底上的二氧化硅层，以及，均设置在所述二氧化硅层内的应力单晶硅吸收层和硅波导层，且所述应力单晶硅吸收层连接设置在硅波导层的上端；
所述应力单晶硅吸收层通过所述硅波导层与二氧化硅层对非晶硅薄膜施加拉应力而形成；
所述硅波导层和所述应力单晶硅吸收层分别连接电极。
进一步地，所述硅波导层包括：平板形硅波导层，以及连接设置在所述硅平板层上部中间位置的脊形硅波导层；
相对应的，所述脊形硅波导层和所述应力单晶硅吸收层分别与各电极连接。
进一步地，所述二氧化硅层包括：连接设置的二氧化硅下层和二氧化硅上层，且所述二氧化硅下层为SOI衬底中的二氧化硅区域；
相对应的，所述硅波导层为经刻蚀后的所述SOI衬底中的顶层硅区域；
所述二氧化硅上层与所述二氧化硅下层的分界处为所述硅波导层的底部所在平面。
进一步地，所述二氧化硅层内竖直设有用于连通二氧化硅层的顶端和所述应力单晶硅吸收层顶端的源极通孔，使得源极S经该源极通孔连接至所述应力单晶硅吸收层；
以及，所述二氧化硅层内还竖直设有用于连通二氧化硅层的顶端和所述硅平板层的顶端的栅极通孔，使得栅极G经该栅极通孔连接至所述硅平板层。
进一步地，所述应力单晶硅吸收层与脊形硅波导层的剖面宽度相同。
第二方面，本发明提供一种用于C波段的应力硅探测器的制作方法，所述应力硅探测器的制作方法包括：
对SOI衬底上的顶层硅区域进行刻蚀，得到硅波导层；
在所述硅波导层上淀积一层的非晶硅薄膜；
在所述非晶硅薄膜的表面覆盖二氧化硅、并与所述SOI衬底中的二氧化硅区域组成二氧化硅层；
对所述非晶硅薄膜进行退火处理，使得所述二氧化硅层和所述硅波导层均对经退火处理后的非晶硅薄膜形成拉应力，进而使得所述非晶硅薄膜转化为应力单晶硅吸收层；
以及，在所述二氧化硅层中设置分别连接所述硅波导层和所述应力单晶硅吸收层的电极。
进一步地，所述对SOI衬底上的顶层硅区域进行刻蚀，得到硅波导层，包括：
对SOI衬底上的顶层硅区域进行刻蚀，得到平板形硅波导层和位于该硅平板层上部中间位置的脊形硅波导层，其中，所述平板形硅波导层和脊形硅波导层组成所述硅波导层。
进一步地，所述在所述硅波导层上淀积一层非晶硅薄膜，包括：
以化学气相沉积CVD的方式，在所述硅波导层上低温淀积一层非晶硅薄膜，其中，所述低温淀积的温度范围为：150℃-350℃。
进一步地，所述对所述非晶硅薄膜进行退火处理，使得所述二氧化硅层和所述硅波导层均对经退火处理后的非晶硅薄膜形成拉应力，进而使得所述非晶硅薄膜转化为应力单晶硅吸收层，包括：
控制激光器以小于1100nm的波长辐照所述二氧化硅层，进而对所述非晶硅薄膜进行退火处理，使得所述二氧化硅层和所述硅波导层均对经退火处理后的非晶硅薄膜形成拉应力，进而使得所述非晶硅薄膜转化为应力单晶硅吸收层。
进一步地，所述在所述二氧化硅层中设置分别连接所述硅波导层和所述应力单晶硅吸收层的电极，包括：
在所述二氧化硅层内竖直设置用于连通二氧化硅层的顶端和所述应力单晶硅吸收层顶端的源极通孔，使得源极S经该源极通孔连接至所述应力单晶硅吸收层；
以及，在所述二氧化硅层内竖直设置用于连通二氧化硅层的顶端和所述硅平板层的顶端的栅极通孔，使得栅极G经该栅极通孔连接至所述硅平板层。
由上述技术方案可知，本发明提供的用于C波段的应力硅探测器，通过设置在背衬底上的二氧化硅层，以及，均设置在所述二氧化硅层内的应力单晶硅吸收层和硅波导层，且所述应力单晶硅吸收层连接设置在硅波导层的上端；所述应力单晶硅吸收层通过所述硅波导层与二氧化硅层对非晶硅薄膜施加拉应力而形成；所述硅波导层和所述应力单晶硅吸收层分别连接电极。本发明能够准确且有效地增大硅的晶格常数，并减小带隙，从而能够可靠地增加硅的吸收限，使得硅探测器可以在C波段乃至更长的波长范围内工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一中的用于C波段的应力硅探测器的结构示意图；
图2是本发明实施例二中的用于C波段的应力硅探测器的制作方法的流程示意图；
图3是本发明的应用实例中的SOI基底结构示意图；
图4是本发明的应用实例中的刻蚀得到的脊形硅波导层和平板形硅波导层的结构示意图；
图5是本发明的应用实例中的沉积非晶硅薄膜的结构示意图；
图6是本发明的应用实例中的形成二氧化硅上层的结构示意图；
图7是本发明的应用实例中的大功率激光器辐照二氧化硅上层的表面的结构示意图；
图8是本发明的应用实例中的形成应力单晶硅吸收层的结构示意图；
其中，1-背衬底；2-二氧化硅层；21-二氧化硅下层；22-二氧化硅上层；31-平板形硅波导层；32-脊形硅波导层；4-应力单晶硅吸收层；41-非晶硅薄膜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例一提供一种用于C波段的应力硅探测器的具体实施方式，参见图1，所述用于C波段的应力硅探测器具体包括如下内容：
设置在背衬底1上的二氧化硅层2，以及，均设置在所述二氧化硅层2内的应力单晶硅吸收层4和硅波导层，且所述应力单晶硅吸收层4连接设置在硅波导层的上端；所述应力单晶硅吸收层4通过所述硅波导层与二氧化硅层2对非晶硅薄膜41施加拉应力而形成；所述硅波导层和所述应力单晶硅吸收层4分别连接电极。
可以理解的是，所述应力单晶硅吸收层4与脊形硅波导层32的剖面宽度相同。所述应力单晶硅吸收层4通过所述硅波导层与二氧化硅层2对非晶硅薄膜41施加拉应力而形成，也就是说，非晶硅薄膜41经过退火后变为单晶硅，由于非晶硅薄膜41原子堆叠杂乱无章，在一定量的原子数量的情况下非晶硅薄膜41占有较大的空间，因而非晶硅薄膜41退火成为单晶硅之后所占空间有所减小，由于硅与二氧化硅之间的Si-O健的作用，二氧化硅对退火形成的单晶硅形成拉应力，从而减小了硅的带隙。
且所述非晶硅薄膜41的厚度不限，根据探测器的性能指标灵活设置，在一种具体举例中，所述非晶硅薄膜41的厚度可以为200nm-2μm。
在上述描述中，所述硅波导层包括：平板形硅波导层31，以及连接设置在所述硅平板层上部中间位置的脊形硅波导层32；相对应的，所述脊形硅波导层32和所述应力单晶硅吸收层4分别与各电极连接。
在上述描述中，所述二氧化硅层2包括：连接设置的二氧化硅下层21和二氧化硅上层22，且所述二氧化硅下层21为SOI衬底中的二氧化硅区域；相对应的，所述硅波导层为经刻蚀后的所述SOI衬底中的顶层硅区域；所述二氧化硅上层22与所述二氧化硅下层21的分界处为所述硅波导层的底部所在平面。
在上述描述中，所述二氧化硅层2内竖直设有用于连通二氧化硅层2的顶端和所述应力单晶硅吸收层4顶端的源极通孔，使得源极S经该源极通孔连接至所述应力单晶硅吸收层4；以及，所述二氧化硅层2内还竖直设有用于连通二氧化硅层2的顶端和所述硅平板层的顶端的栅极通孔，使得栅极G经该栅极通孔连接至所述硅平板层。
可以理解的是，首先通过对SOI衬底上的顶层硅区域进行刻蚀，得到硅波导层；在所述硅波导层上淀积一层的非晶硅薄膜41；在所述非晶硅薄膜41的表面覆盖二氧化硅、并与所述SOI衬底中的二氧化硅区域组成二氧化硅层2；对所述非晶硅薄膜41进行退火处理，使得所述二氧化硅层2和所述硅波导层均对经退火处理后的非晶硅薄膜41形成拉应力，进而使得所述非晶硅薄膜41转化为应力单晶硅吸收层4；以及，在所述二氧化硅层2中设置分别连接所述硅波导层和所述应力单晶硅吸收层4的电极，来制作得到所述用于C波段的应力硅探测器。
从上述描述可知，本发明的实施例所提供的用于C波段的应力硅探测器，能够准确且有效地增大硅的晶格常数，并减小带隙，从而能够可靠地增加硅的吸收限，使得硅探测器可以在C波段乃至更长的波长范围内工作。
本发明的实施例二提供一种用于C波段的应力硅探测器的制作方法的具体实施方式，参见图2，所述用于C波段的应力硅探测器的制作方法具体包括如下内容：
步骤100：对SOI衬底上的顶层硅区域进行刻蚀，得到硅波导层。
在步骤100中，对SOI衬底上的顶层硅区域进行刻蚀，得到平板形硅波导层31和位于该硅平板层上部中间位置的脊形硅波导层32，其中，所述平板形硅波导层31和脊形硅波导层32组成所述硅波导层。
步骤200：在所述硅波导层上淀积一层的非晶硅薄膜41。
在步骤200中，以化学气相沉积CVD的方式，在所述硅波导层上低温淀积一层非晶硅薄膜41，其中，所述低温淀积的温度范围为：150℃-350℃。
步骤300：在所述非晶硅薄膜41的表面覆盖二氧化硅、并与所述SOI衬底中的二氧化硅区域组成二氧化硅层2。
步骤400：对所述非晶硅薄膜41进行退火处理，使得所述二氧化硅层2和所述硅波导层均对经退火处理后的非晶硅薄膜41形成拉应力，进而使得所述非晶硅薄膜41转化为应力单晶硅吸收层4。
在步骤400中，控制激光器以小于1100nm的波长辐照所述二氧化硅层2，进而对所述非晶硅薄膜41进行退火处理，使得所述二氧化硅层2和所述硅波导层均对经退火处理后的非晶硅薄膜41形成拉应力，进而使得所述非晶硅薄膜41转化为应力单晶硅吸收层4。
在一种具体举例中，所述激光器为大功率激光器，且所述波长小于500nm的波长为宜，区间在600nm至1100nm的区间范围也可以，但退火速度较慢。
步骤500：在所述二氧化硅层2中设置分别连接所述硅波导层和所述应力单晶硅吸收层4的电极。
在步骤500中，在所述二氧化硅层2内竖直设置用于连通二氧化硅层2的顶端和所述应力单晶硅吸收层4顶端的源极通孔，使得源极S经该源极通孔连接至所述应力单晶硅吸收层4；以及，在所述二氧化硅层2内竖直设置用于连通二氧化硅层2的顶端和所述硅平板层的顶端的栅极通孔，使得栅极G经该栅极通孔连接至所述硅平板层。
从上述描述可知，本发明的实施例所提供的用于C波段的应力硅探测器的制作方法，能够准确且有效地制作得到用于C波段的应力硅探测器，且制作效率高，使得根据该方法制作得到的用于C波段的应力硅探测器能够有效地增大硅的晶格常数，并减小带隙，从而能够可靠地增加硅的吸收限，使得硅探测器可以在C波段乃至更长的波长范围内工作。
为进一步的说明本方案，本发明还提供一种应用上述制作方法制作用于C波段的应力硅探测器的应用实例，参见图1、图3至8，该应用实例具体包括如下内容：
参见图3，准备SOI(Silicon-On-Insulator)衬底，其中，所述SOI衬底为绝缘衬底上的硅，该技术是在顶层硅区域和背衬底1之间引入了一层二氧化硅区域。
参见图4，在对所述SOI衬底的光电子制作工艺当中，刻蚀得到硅波导层，且所述硅波导层包括：平板形硅波导层31，以及连接设置在所述硅平板层上部中间位置的脊形硅波导层32。
参见图5，在刻蚀完的硅波导层顶端用化学气相沉积CVD(Chemical VaporDeposition)法低温(150℃-350℃)淀积一定厚度(具体厚度不限，根据探测器的性能指标灵活设置)的非晶硅薄膜41。
参见图6，然后在非晶硅薄膜41的表面覆盖一层二氧化硅上层22，且所述二氧化硅上层22与作为二氧化硅下层21为SOI衬底中的二氧化硅区域共同组成二氧化硅层2。
参见图7，之后用适当波长(小于500nm的波长为宜，区间在600nm至1100nm的区间范围也可以，但退火速度较慢)的大功率激光器辐照二氧化硅上层22的表面。
参见图8，由于在该波段二氧化硅是透明的，激光器辐射出的光能量透过二氧化硅层2被非晶硅薄膜41吸收，吸收光后的非晶硅薄膜41温度逐渐上升，直至超过非晶硅的熔融温度1420k，从而达到对非晶硅薄膜41退火的目的。非晶硅薄膜41经过退火后变为单晶硅，由于非晶硅原子堆叠杂乱无章，在一定量的原子数量的情况下非晶硅占有较大的空间，因而非晶硅退火成为单晶硅之后所占空间有所减小，由于硅与二氧化硅之间的Si-O健的作用，二氧化硅对退火形成的单晶硅形成拉应力，得到应力单晶硅吸收层4，从而减小了硅的带隙。
参见图1，在二氧化硅层2制备通孔之后加入金属电极后，得到用于C波段的应力硅探测器。
从上述描述可知，该硅探测器制备在SOI衬底上，硅波导通过刻蚀SOI衬底的顶层硅制成，吸收区为单晶应力硅吸收层，单晶应力硅吸收层下部为硅波导，周围为覆盖的二氧化硅层2。通过硅波导层及二氧化硅层2对应力硅吸收层施加应力。硅波导层与二氧化硅层2对应力单晶硅层都施加拉应力，从而减小了硅的带隙，增大吸收限。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种用于C波段的应力硅探测器的制作方法，其特征在于，所述应力硅探测器包括：
设置在背衬底上的二氧化硅层，以及，均设置在所述二氧化硅层内的应力单晶硅吸收层和硅波导层，且所述应力单晶硅吸收层连接设置在硅波导层的上端；
所述应力单晶硅吸收层通过所述硅波导层与二氧化硅层对非晶硅薄膜施加拉应力而形成；
所述硅波导层和所述应力单晶硅吸收层分别连接电极；
相应地，所述应力硅探测器的制作方法包括：
对SOI衬底上的顶层硅区域进行刻蚀，得到硅波导层；
在所述硅波导层上淀积一层的非晶硅薄膜；
在所述非晶硅薄膜的表面覆盖二氧化硅、并与所述SOI衬底中的二氧化硅区域组成二氧化硅层；
对所述非晶硅薄膜进行退火处理，使得所述二氧化硅层和所述硅波导层均对经退火处理后的非晶硅薄膜形成拉应力，进而使得所述非晶硅薄膜转化为应力单晶硅吸收层；
以及，在所述二氧化硅层中设置分别连接所述硅波导层和所述应力单晶硅吸收层的电极。
2.根据权利要求1所述的应力硅探测器的制作方法，其特征在于，所述对SOI衬底上的顶层硅区域进行刻蚀，得到硅波导层，包括：
对SOI衬底上的顶层硅区域进行刻蚀，得到平板形硅波导层和位于该平板形硅波导层上部中间位置的脊形硅波导层，其中，所述平板形硅波导层和脊形硅波导层组成所述硅波导层。
3.根据权利要求1所述的应力硅探测器的制作方法，其特征在于，所述在所述硅波导层上淀积一层非晶硅薄膜，包括：
以化学气相沉积CVD的方式，在所述硅波导层上低温淀积一层非晶硅薄膜，其中，所述低温淀积的温度范围为：150℃-350℃。
4.根据权利要求1所述的应力硅探测器的制作方法，其特征在于，所述对所述非晶硅薄膜进行退火处理，使得所述二氧化硅层和所述硅波导层均对经退火处理后的非晶硅薄膜形成拉应力，进而使得所述非晶硅薄膜转化为应力单晶硅吸收层，包括：
控制激光器以小于1100nm的波长辐照所述二氧化硅层，进而对所述非晶硅薄膜进行退火处理，使得所述二氧化硅层和所述硅波导层均对经退火处理后的非晶硅薄膜形成拉应力，进而使得所述非晶硅薄膜转化为应力单晶硅吸收层。
5.根据权利要求2所述的应力硅探测器的制作方法，其特征在于，所述在所述二氧化硅层中设置分别连接所述硅波导层和所述应力单晶硅吸收层的电极，包括：
在所述二氧化硅层内竖直设置用于连通二氧化硅层的顶端和所述应力单晶硅吸收层顶端的源极通孔，使得源极经该源极通孔连接至所述应力单晶硅吸收层；
以及，在所述二氧化硅层内竖直设置用于连通二氧化硅层的顶端和所述平板形硅波导层的顶端的栅极通孔，使得栅极经该栅极通孔连接至所述平板形硅波导层。
6.根据权利要求2所述的应力硅探测器的制作方法，其特征在于，所述硅波导层包括：平板形硅波导层，以及连接设置在所述平板形硅波导层上部中间位置的脊形硅波导层；
相对应的，所述脊形硅波导层和所述应力单晶硅吸收层分别与各电极连接。
7.根据权利要求1所述的应力硅探测器的制作方法，其特征在于，所述二氧化硅层包括：连接设置的二氧化硅下层和二氧化硅上层，且所述二氧化硅下层为SOI衬底中的二氧化硅区域；
相对应的，所述硅波导层为经刻蚀后的所述SOI衬底中的顶层硅区域；
所述二氧化硅上层与所述二氧化硅下层的分界处为所述硅波导层的底部所在平面。
8.根据权利要求6所述的应力硅探测器的制作方法，其特征在于，所述二氧化硅层内竖直设有用于连通二氧化硅层的顶端和所述应力单晶硅吸收层顶端的源极通孔，使得源极经该源极通孔连接至所述应力单晶硅吸收层；
以及，所述二氧化硅层内还竖直设有用于连通二氧化硅层的顶端和所述平板形硅波导层的顶端的栅极通孔，使得栅极经该栅极通孔连接至所述平板形硅波导层。
9.根据权利要求6所述的应力硅探测器的制作方法，其特征在于，所述应力单晶硅吸收层与脊形硅波导层的剖面宽度相同。
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