CN108039389B - 波导耦合型单行载流子探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明为波导耦合型单行载流子探测器，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)，p型阶梯状梯度掺杂分布的吸收区(102)，吸收区(102)的截面为矩形，所述吸收区(102)位于本征区(103)顶部，本征区(103)位于所述单模入射波导(108)的末端，本征区(103)的宽度与所述单模入射波导(108)相同；单模入射波导(108)、n+欧姆接触区(104)和所述本征区(103)共平面；仅在本征区(103)的一侧布置所述n+欧姆接触区(104)。本发明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。
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。
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，是有限位置点处制备成掺杂浓度突变，掺杂浓度呈阶梯状下降的吸收区，同时102位于本征区103顶部，102的截面为矩形；本征区103位于单模入射波导108末端，宽度与单模入射波导相同；单模入射波导108和本征区103以及n+欧姆接触层104共平面，位于同一材料层，厚度均相同。紧挨本征区103的单侧排布着n+欧姆接触区104，103和104依次延伸方向垂直于单模入射波导108光传输方向。
器件实现单电子传输的同时，利用单模波导直接倏逝波耦合的结构实现器件的尺寸较小的情况下光耦合效率仍能达到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倏逝波耦合，被p型梯度掺杂层吸收，以及宽禁带层漂移的器件功能，其工作原理，如图1所示，在单模入射波导108传输的光子通过倏逝波直接耦合的方式被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，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，而六阶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。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：
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及器件的Si区。
图4-2：沉积一层SiO2，刻蚀出Ge窗口，露出下面的Si材料。
图4-3：选择外延Ge层102。
图4-4：磷离子注入形成n+欧姆接触区104。
图4-5：刻蚀开孔，蒸发电极金属，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2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、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4-2)，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500nm，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100nm，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。
3、磷离子注入形成n+欧姆接触区104，掺杂浓度为1×1019cm-3；
4、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；
5、PECVD氧化层钝化；
6、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。
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)，所述吸收区(102)为p型阶梯状梯度掺杂分布，所述吸收区(102)上表面掺杂浓度足能与p+欧姆接触电极(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)内从上到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，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)的宽度与所述单模入射波导(108)相同；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)共平面，且位于同一材料层，厚度也均相同；仅在所述本征区(103)的一侧布置所述n+欧姆接触区(104)。
2.根据权利要求1所述的一种波导耦合型单行载流子探测器结构，其特征在于：吸收区宽度在亚微米量级的方形长条结构。
3.根据权利要求1所述的一种波导耦合型单行载流子探测器结构，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所述的一种波导耦合型单行载流子探测器结构，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所述的一种波导耦合型 单行载流子探测器结构，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所述的一种波导耦合型单行载流子探测器结构，其特征在于：适用于天线系统的光接收设计。
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