CN108447940B - 背靠背双吸收硅基光电探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种背靠背双吸收硅基光电探测器，包括：一SOI衬底，或该衬底为硅衬底；一吸收层，其制作在SOI衬底的顶层硅上，该吸收层包括一非故意掺杂层，一故意掺杂层，一非故意掺杂本征层，一上故意掺杂层；一第一甲电极，其制作在上故意掺杂层上面的台面上；一乙电极，其制作在故意掺杂层上面的台面上；一第二甲电极，其制作在顶层硅上面的台面上，形成基片；一绝缘介质层，其制作在基片的上表面及底部Si材料层和二氧化硅埋层以外的侧面，并暴露出第一甲电极、乙电极和第二甲电极。本发明采用垂直N‑I‑P‑I‑N结构或垂直P‑I‑N‑I‑P结构，可以在相同的偏压条件下，提高探测器的偏压电场强度，从而减小载流子渡越时间，减弱载流子的复合，提高光电探测器的饱和输出电流。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种背靠背双吸收硅基光电探测器及制备方法。
背景技术
硅基光电子学将光子学器件与成熟的微电子集成电路集成，在价格、可靠性、集成化、智能化等方面具有明显的优势。硅基光电探测器是光电子集成的重要组成部分。目前，硅基光电探测器主要使用两类材料：一种是在Si衬底上键合III-V族材料制备光电探测器；一种是在Si衬底上外延生长IV族来制备光电探测器。相比于III-V族材料，IV族材料具有明显的优势，与CMOS工艺兼容性，可进行大规模集成制备，有利于实现低成本、低功耗的大规模电路集成。
光纤通信取代铜缆传输信号，极大地提高了传输容量和传输速度，也降低了传输损耗。但是随着5G、物联网等技术发展以及网络的建设，现有的光纤通信网络已经远远不能满足当前和未来信息社会对高性能通信的需求，RF光子链路可以有效提高通信系统的传输容量和传输速率。RF光子链路是将微波信号通过调制器加载到半导体激光器产生的光信号上进行调制，然后通过光纤传输至接收端，由光电探测器将光信号转化成微波信号输出。光通信网络和微波光子系统的发展均要求RF光子链路具有大带宽、宽无杂散动态范围(SFDR)、高链路增益、低噪声系数等特点。使用高功率、高线性度和宽带光电探测器，可以大大提高RF光子链路系统的性能，增加无杂散动态范围(SFDR)和降低噪声系数(NF)。同时，200Gbps/400Gbps的光通信领域，也对光电探测器的高线性度、高饱和特性性提出了更高的要求。光电探测器的高功率特性的影响因素有：1)空间电荷限制效应，光生载流子在穿过耗尽层时，光生载流子的空间分布产生了一附加电场，这会使偏置电场重新分布。对于足够高功率的输入光，会产生大量的光生载流子，光生载流子分布产生的电场会变得十分强以致使偏置电场减小甚至瓦解，导致载流子输运时间增加，可能有额外的载流子复合，这个因素会使光电流饱和；2)热效应，大的光输入下，光电探测器中产生大光电流，根据焦耳定律，会产生焦耳热，温度升高，从而产生更多的载流子，载流子过多时，使探测器热“损坏”，导致输出电流压缩。为此本发明提出了一种背靠背双吸收硅基光电探测器，可以在相同的偏压条件下，提高探测器的偏压电场强度，从而减小载流子渡越时间，减弱载流子的复合，提高光电探测器的饱和输出电流。
发明内容
本发明的目的在于提供一种背靠背双吸收硅基光电探测器及其制备方法，可以在相同的偏压条件下，提高探测器的偏压电场强度，从而减小载流子渡越时间，减弱载流子的复合，提高光电探测器的饱和输出电流。
本发明提供一种背靠背双吸收硅基光电探测器，包括：
一SOI衬底，该SOI衬底包括一底部Si材料层和制作在其上的二氧化硅填埋层以及制作在二氧化硅填埋层上中间部位圆形的顶层硅，或该衬底为硅衬底；
一吸收层，其制作在SOI衬底的顶层硅上，该吸收层包括一非故意掺杂层，该非故意掺杂层的半径小于顶层硅的半径，在顶层硅的外围形成台面；一故意掺杂层，其制作在非故意掺杂层上；一非故意掺杂本征层，其制作在故意掺杂层上，该非故意掺杂本征层的半径小于故意掺杂层的半径，在故意掺杂层的外围形成台面，一上故意掺杂层，其制作在非故意掺杂本征层上；
一第一甲电极，其制作在上故意掺杂层上面的台面上；
一乙电极，其制作在故意掺杂层上面的台面上；
一第二甲电极，其制作在顶层硅上面的台面上，形成基片；
一绝缘介质层，其制作在基片的上表面及底部Si材料层和二氧化硅埋层以外的侧面，并暴露出第一甲电极、乙电极和第二甲电极。
本发明还提供一种背靠背双吸收硅基光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：对SOI衬底的顶层硅进行重掺杂，或该衬底为硅衬底；
步骤2：在SOI衬底的顶层硅上制备吸收层，该吸收层包括非故意掺杂层、故意掺杂层、非故意掺杂本征层和上故意掺杂层；
步骤3：对吸收层及顶层硅进行刻蚀，形成圆形的阶梯状结构，分别在SOI衬底的二氧化硅填埋层、顶层硅、故意掺杂层的外围形成圆形的台面，形成基片；
步骤4：在所述基片的上表面及硅材料层和二氧化硅埋层以外的侧面制备绝缘介质层；
步骤5：对上故意掺杂层上面的绝缘介质层刻蚀孔洞，暴露出上故意掺杂层；
步骤6：对故意掺杂层上面外围的绝缘介质层刻蚀孔洞，暴露出故意掺杂层；
步骤7：对顶层硅外围台面上的的绝缘介质层刻蚀孔洞，暴露出顶层硅；
步骤8：在上故意掺杂层上的孔洞内制作第一甲电极，在故意掺杂层上的孔洞内制作乙电极，在顶层硅上的孔洞内制作第二甲电极，并使第一甲电极和第二甲电极电性连接。
从上述技术方案可以看出，本发明的有益效果是，采用垂直N-I-P-I-N结构或垂直P-I-N-I-P结构，可以在相同的偏压条件下，提高探测器的偏压电场强度，从而减小载流子渡越时间，减弱载流子的复合，提高光电探测器的饱和输出电流。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的制备流程图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明提供一种背靠背双吸收硅基光电探测器，包括：
一SOI衬底10，该SOI衬底10包括一底部Si材料层11和制作在其上的二氧化硅填埋层12以及制作在二氧化硅填埋层12上中间部位的圆形顶层硅13，在所述的顶层硅13上制作N型重掺杂层或P型重掺杂层，所述的N型重掺杂层或P型重掺杂层的掺杂方式有离子注入或扩散等形式。所述的N型重掺杂层或P型重掺杂层的掺杂浓度大于1018cm3，用于制作良好的欧姆接触。或该衬底10为硅衬底；
一吸收层20，其制作在SOI衬底10的顶层硅13上，该吸收层20包括一非故意掺杂层21，该非故意掺杂层21的半径小于顶层硅13的半径，在顶层硅13的外围形成台面；一故意掺杂层22，其制作在非故意掺杂层21上；一非故意掺杂本征层23，其制作在故意掺杂层22上，该非故意掺杂本征层23的半径小于故意掺杂层22的半径，在故意掺杂层22的外围形成台面，一上故意掺杂层24，其制作在非故意掺杂本征层23上，所述的非故意掺杂层21、故意掺杂层22、非故意掺杂本征层23和上故意掺杂层24的材料是Ge、SiGe合金、GeSn合金或SiGeSn合金。所述的吸收层20可以通过MBE或CVD等方式生长在N型重掺杂或P型重掺杂的顶层硅13上。对于CVD生长方式，生长过程采用高低温两步法外延生长，首先在低温270℃生长Ge的缓冲层，然后在高温570℃下生长高温Ge，所述的故意掺杂层22是通过原位掺杂的方式实现，故意掺杂层22的掺杂浓度大于1018cm3，用于制作良好的欧姆接触。所述的上故意掺杂层24的掺杂方式有原位掺杂、离子注入和扩散等形式，上故意掺杂层24的掺杂浓度大于1018cm3，用于制作良好的欧姆接触。所述的上故意掺杂层24和非故意掺杂本征层23形成上台面。所述的故意掺杂层22和非故意掺杂层21形成下台面。所述的上台面和下台面可以通过湿法腐蚀和干法刻蚀等方式形成。所述的上台面是半径为15-100um不等的圆形台面。所述的下台面的半径比上台面的半径大10um；
一第一甲电极41，其制作在上故意掺杂层24上面的台面上，与上故意掺杂层24形成良好的欧姆接触，所述第一甲电极41在台面上呈环形状分布，所述的第一甲电极41采用与上故意掺杂层24形成良好欧姆接触的金属材料；
一乙电极42，其制作在故意掺杂层22上面外围的台面上，与故意掺杂层22形成良好的欧姆接触，所述乙电极42在台面上呈环形状分布，所述的乙电极42采用与故意掺杂层22形成良好欧姆接触的金属材料；
一第二甲电极43，其制作在顶层硅13上面外围的台面上，与故意掺杂的顶层硅13形成良好的欧姆接触，所述第二甲电极43在台面上呈环形状分布，所述的第二甲电极43采用与顶层硅13形成良好欧姆接触的金属材料，形成基片；
一绝缘介质层30，其制作在基片的上表面及底部Si材料层11和二氧化硅埋层12以外的侧面，并暴露出第一甲电极41、乙电极42和第二甲电极43。所述的绝缘介质层30通过合理设计，可达到减少入射光的反射作用。所述的绝缘介质层30可以是二氧化硅、氮化硅或二氧化硅与氮化硅组成的增透材料；
其中所述SOI衬底10的顶层硅13、非故意掺杂层21、故意掺杂的层22、非故意掺杂本征层23和上故意掺杂层24形成垂直N-I-P-I-N二极管结构或垂直P-I-N-I-P二极管结构，所述的故意掺杂层22为P型载流子，上故意掺杂层24为N型载流子，或故意掺杂层22为N型载流子，上故意掺杂层24为P型载流子。
请参阅图2，并结合参阅图1，本发明还提供一种背靠背双吸收硅基光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将SOI衬底10用丙酮、乙醇、去离子水依次清洗，通过热扩散方式对SOI衬底10的顶层硅13进行重掺杂，形成N型重掺杂或P型重掺杂的顶层硅13，所述的SOI衬底10的顶层硅13的厚度为220nm，所述的N型重掺杂或P型重掺杂的顶层硅13的方块电阻为50Ω/□，对应的掺杂浓度大约为1019cm3，或该衬底10为硅衬底；
步骤2：经实验室改进的RCA方法清洗包括N型重掺杂或P型重掺杂的顶层硅13的SOI衬底10后，放入超高真空化学气相沉积系统(UHV-CVD)，在SOI衬底10的顶层硅13上制备吸收层20，该吸收层20包括非故意掺杂层21、故意掺杂层22、非故意掺杂本征层23和上故意掺杂层24，所述顶层硅13、非故意掺杂层21、故意掺杂层22、非故意掺杂本征层23和上故意掺杂层24形成垂直N-I-P-I-N结构或垂直P-I-N-I-P结构，所述的故意掺杂层22为P型载流子，上故意掺杂层24为N型载流子，或故意掺杂层22为N型载流子，上故意掺杂层24为P型载流子，所述的非故意掺杂层21、故意掺杂层22、非故意掺杂本征层23和上故意掺杂层24的材料是Ge、SiGe合金、GeSn合金或SiGeSn合金。本实施例中，为了获得大于0.3A/W的响应度，吸收层20的厚度大约为800nm，其中非故意掺杂层21的厚度大约为300nm，故意掺杂层22的厚度大约为100nm，非故意掺杂本征层23的厚度大约为300nm，上故意掺杂层24的厚度共大约为100nm。
步骤3：对吸收层20及顶层硅13进行刻蚀，形成阶梯状结构，分别在SOI衬底10的二氧化硅填埋层12、顶层硅13、故意掺杂层22的外围形成圆形的台面，形成基片。所述的刻蚀方法为干法刻蚀或湿法刻蚀，刻蚀过程中需采用较低的刻蚀速率，利于故意掺杂层22和顶层硅13形成良好的欧姆接触；
步骤4：在所述基片的上表面及硅材料层11和二氧化硅埋层12以外的侧面制备绝缘介质层30，实现其与外界环境的电性隔绝。本实施例中，采用等离子增强的化学气相沉积系统(PECVD)沉积二氧化硅400nm；
步骤5：对上故意掺杂层24上面的绝缘介质层30刻蚀孔洞，暴露出上故意掺杂层24；
步骤6：对故意掺杂层22上面外围的绝缘介质层30刻蚀孔洞，暴露出故意掺杂层22；
步骤7：对顶层硅13外围台面上的的绝缘介质层30刻蚀孔洞，暴露出顶层硅13；
步骤8：在上故意掺杂层24上的孔洞内制作第一甲电极41，在故意掺杂层22上的孔洞内制作乙电极42，在顶层硅13上的孔洞内制作第二甲电极43，并使第一甲电极41和第二甲电极43电性连接。
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 (5)
1.一种背靠背双吸收硅基光电探测器，包括：
一SOI衬底，该SOI衬底包括一底部Si材料层和制作在其上的二氧化硅填埋层以及制作在二氧化硅填埋层上中间部位圆形的顶层硅，或该衬底为硅衬底；
一吸收层，其制作在SOI衬底的顶层硅上，该吸收层包括一非故意掺杂层，该非故意掺杂层的半径小于顶层硅的半径，在顶层硅的外围形成台面；一故意掺杂层，其制作在非故意掺杂层上；一非故意掺杂本征层，其制作在故意掺杂层上，该非故意掺杂本征层的半径小于故意掺杂层的半径，在故意掺杂层的外围形成台面，一上故意掺杂层，其制作在非故意掺杂本征层上；其中所述的非故意掺杂层、故意掺杂层、非故意掺杂本征层和上故意掺杂层的材料分别选自Ge、SiGe合金、GeSn合金或SiGeSn合金；其中所述故意掺杂层为P型载流子，上故意掺杂层为N型载流子，或者,所述故意掺杂层为N型载流子，上故意掺杂层为P型载流子；一第一甲电极，其制作在上故意掺杂层上面的台面上；
一乙电极，其制作在故意掺杂层上面的台面上；
一第二甲电极，其制作在顶层硅上面的台面上，形成基片；
一绝缘介质层，其制作在基片的上表面及底部Si材料层和二氧化硅埋层以外的侧面，并暴露出第一甲电极、乙电极和第二甲电极。
2.根据权利要求1所述的背靠背双吸收硅基光电探测器，其中所述SOI衬底的顶层硅、非故意掺杂层、故意掺杂的层、非故意掺杂本征层和上故意掺杂层形成垂直N-I-P-I-N二极管结构或垂直P-I-N-I-P二极管结构。
3.一种背靠背双吸收硅基光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：对SOI衬底的顶层硅进行重掺杂，或该衬底为硅衬底；
步骤2：在SOI衬底的顶层硅上制备吸收层，该吸收层包括非故意掺杂层、故意掺杂层、非故意掺杂本征层和上故意掺杂层；其中，所述故意掺杂层为P型载流子，上故意掺杂层为N型载流子，或者，所述故意掺杂层为N型载流子，上故意掺杂层为P型载流子；
步骤3：对吸收层及顶层硅进行刻蚀，形成圆形的阶梯状结构，分别在SOI衬底的二氧化硅填埋层、顶层硅、故意掺杂层的外围形成圆形的台面，形成基片；
步骤4：在所述基片的上表面及硅材料层和二氧化硅埋层以外的侧面制备绝缘介质层；
步骤5：对上故意掺杂层上面的绝缘介质层刻蚀孔洞，暴露出上故意掺杂层；
步骤6：对故意掺杂层上面外围的绝缘介质层刻蚀孔洞，暴露出故意掺杂层；
步骤7：对顶层硅外围台面上的的绝缘介质层刻蚀孔洞，暴露出顶层硅；
步骤8：在上故意掺杂层上的孔洞内制作第一甲电极，在故意掺杂层上的孔洞内制作乙电极，在顶层硅上的孔洞内制作第二甲电极，并使第一甲电极和第二甲电极电性连接。
4.根据权利要求3所述的背靠背双吸收硅基光电探测器的制备方法，其中所述顶层硅、非故意掺杂层、故意掺杂层、非故意掺杂本征层和上故意掺杂层形成垂直N-I-P-I-N结构或垂直P-I-N-I-P结构。
5.根据权利要求3所述的背靠背双吸收硅基光电探测器的制备方法，其中所述的非故意掺杂层、故意掺杂层、非故意掺杂本征层和上故意掺杂层的材料是Ge、SiGe合金、GeSn合金或SiGeSn合金。
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