CN109728110B

CN109728110B - 垂直耦合型浅槽隔离共面光电探测器

Info

Publication number: CN109728110B
Application number: CN201910000895.1A
Authority: CN
Inventors: 李冲; 鲍凯; 黎奔; 秦世宏; 赵艳军
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2019-01-02
Filing date: 2019-01-02
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2039-01-02
Also published as: CN109728110A

Abstract

垂直耦合型浅槽隔离共面光电探测器涉及半导体光电器件领域以及光互联领域，具体设计一种能够对空间通信及垂直入射光信号进行探测且具有高速性能的光电探测器。n型掺杂插指区，p型掺杂插指区是横向依次通过光刻离子注入在顶层硅中形成的掺杂区域，之间的间隙是垂直耦合光栅；光栅区，是在衬底p型和n型掺杂插指条区中间部分经过深紫外光刻后采用干法刻蚀技术，形成的与掺杂条区平行的周期性刻蚀浅槽，构成垂直耦合光栅结构；浅槽光栅的宽度小于入射波长，对垂直入射的光形成衍射效应，周期的光栅形成衍射叠加，将光能量的传播方向由垂直转化为水平方向，提高光吸收能量；离子注入浓度峰值的深度要求大于光栅刻蚀深度30到60nm。

Description

垂直耦合型浅槽隔离共面光电探测器

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，具体设计一种能够对空间通信及垂直入射光信号进行探测且具有高速性能的光电探测器。

背景技术

随着光电技术的发展，数据传输的速度进一步获得提升。硅基光电材料在近红外和可见光波段的良好吸收性能，让低成本，高质量，高可靠性强，低噪声的硅基材料成为了可见光探测的不二选择。为了实现高速，往往需要减小器件尺寸降低系统RC常数，减小PIN本征层的厚度减小载流子渡越时间。对于垂直入射的器件来说，本身去掉了复杂冗长的波导耦合结构，可简化器件结构和封装，降低成本。但是高速引起小的器件尺寸和窄的吸收厚度必然导致光响应的匮乏。在短距离通信普遍使用的近红外 850nm波段附近，硅材料对光的吸收长度为20μm，此厚度的器件的响应速率在1GHz以下。如何做好光的吸收同时实现高速，一直都是硅基光电的难题之一。

单一的PIN或者PN型结构高速器件的光敏面较小，引入P N交替的共面多对插指结构，有效的增大了入射光吸收的光敏面，一定程度上解决了垂直入射光孔径的问题，但是PN结和电场集中器件表面，表面效应会引入大量暗电流，同时增大器件电容。在表面掺杂区之间制作浅刻蚀隔离槽，隔离p+和n+掺杂区，将电场限制在刻蚀槽下方，避免局域高场和提前击穿。周期性隔离槽形成周期性折射率变化，隔离槽的宽度与入射波长可比拟，垂直入射的光产生狭缝衍射现象，将纵向的光波衍射到横向，提高光的吸收面积和响应度。

本发明就是针对光互联领域，特别是850nm光电探测器的低成本，低功耗，强抗辐射能力，易于封装和形成线阵和面阵结构，能和微电子集成电路大面积单片集成的需求，设计并制作了一种光栅垂直耦合型插指光电探测器。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种垂直耦合型浅槽隔离共面光电探测器结构，相比于报道的其他结构，该结构工艺简单，具有高速，高吸收和高集成度等优点。

一种垂直耦合型浅槽隔离共面光电探测器结构，其特征在于，包括n+ 欧姆接触电极101、p+欧姆接触电极102、n型掺杂插指区103、p型掺杂插指区104、本征吸收区105、衬底层106，光栅区107，所述n型掺杂插指区103，p型掺杂插指区104是横向依次通过光刻离子注入在顶层硅中形成的掺杂区域，之间的间隙是垂直耦合光栅105。所述n+欧姆接触电极101和p+欧姆接触电极102分别是对应溅射在两侧的n型掺杂插指区103，p 型掺杂插指区104之上作为电极。所述光栅区107，是在衬底p型和n型掺杂插指条区中间部分经过深紫外光刻后采用干法刻蚀技术，形成的与掺杂条区平行的周期性刻蚀浅槽，构成垂直耦合光栅结构。浅槽光栅的宽度小于入射波长，对垂直入射的光形成衍射效应，周期的光栅形成衍射叠加，将光能量的传播方向由垂直转化为水平方向，提高光吸收能量。离子注入浓度峰值的深度要求大于光栅刻蚀深度30到60nm。其中，离子注入的浓度随注入深度的变化分布不同。这里对峰值深度的要求是为了避免本征区电场被减弱。

进一步，探测器的材料为：Si、Ge/Si、InGaAs/InP或AlGaAs/GaAs、 GaN/Ga₂O₃/AlN或SiC材料体系。

进一步，衬底采用单个块材料，或采用掩埋绝缘层的多层材料。

进一步，探测波长范围为紫外、可见光或红外光波段。

进一步，适用于垂直入射光接收设计。

进一步，能够使用CMOS工艺制作完成。

附图说明：

图1：根据本发明提出的光栅垂直耦合型插指光电探测器的三维视图；

图中：n⁺欧姆接触电极101，p⁺欧姆接触电极102，n型掺杂插指区 103，p型掺杂插指区104，本征吸收区105，衬底层106，光栅区107。

图2-1：本发明器件的光场仿真图。

图2-2：本发明器件的x-z剖视图

图3-1：光刻n型掺杂插指区，图中透明部分为光刻胶。对Si衬底N 型重掺杂。

图3-2：光刻p型掺杂插指区后，对Si衬底P型重掺杂。

图3-3：反转光刻，溅射金属并剥离形成电极。

图3-4：电子束曝光形成光栅图形。图中透明部分为电子束曝光胶。

图3-5：ICP刻蚀形成光栅。

图4：本发明器件的电场分布图。

图5：SEM下光栅实物图

图6：根据本发明模拟得到的频率响应曲线。

具体实施方式：

本发明的探测器结构，如图1所示，包括n⁺欧姆接触电极101，p⁺欧姆接触电极102，n型掺杂插指区103，p型掺杂插指区104，本征吸收区 105，衬底层106，光栅区107。其特征在于，以硅材料为例，硅衬底顶部依次通过光刻离子注入，横向交替形成n型掺杂插指区103、p型掺杂插指区104、本征吸收区105。光栅区107是通过在顶层硅表面深紫外光刻机曝光后刻蚀形成。

由于光栅的引入和插指掺杂使得有足够多的光被探测器吸收，光耦合效率达到70％以上。解决了光吸收的同时，为实现高速性能，对于SOI衬底，还可以进一步减少顶层硅的厚度，薄的顶层硅厚度抑制载流子的扩散运动，降低载流子渡越时间，所有光生载流子一旦生成，就被强电场迅速拉向两极并吸收。如图4的电场分布所示，场强能够达到3×10⁵V/cm。通过减少p型和n型条形叉指间距，减小渡越长度和时间，提高带宽，如图 6所示，模拟出本发明器件的频率响应，可以看到在本发明的结构下，器件的带宽达到30GHz。如果两极加高的反向电压，器件会出现雪崩倍增效应，进一步提高光的吸收和响应度。

结构实现光栅垂直耦合，光在本征吸收区105被横向收集，其工作原理，如图1所示，光源的光垂直照射到器件纵向的光栅区107。通过控制光栅的周期，刻蚀深度使得满足布拉格衍射条件，将垂直入射的光转变为水平方向。通过计算设计可以将大部分的光传导到水平方向，仿真结果如图 2-1，向下和反射的光很少，满足了我们的要求。水平方向的光在本征吸收区105被吸收，产生可以自由移动的光生电子空穴对，反向偏压下，插指交替的结构可以迅速将光生载流子驱向两极，形成电信号，如图2-2所示。

本发明设计针对硅基/SOI器件，同时Ge/Si InGaAs/InP或AlGaAs/GaAs GaN/Ga₂O₃/AlN材料器件亦可适用。

适用于高速、高吸收效率、高可靠性及高集成度的光栅垂直耦合型插指光电探测器的设计。

本发明的探测波长范围适用于紫外、可见光、红外光波段。

如图3所示，其制备过程和方法如下：

1、在Si衬底上，光刻n型掺杂插指区做掩膜,之后磷离子注入，形成n型掺杂插指区103，掺杂浓度5×10¹⁸cm^-3到2×10¹⁹cm^-3之间，注入能量120keV。(如图3-1)

2、在Si衬底上，光刻p型掺杂插指区做掩膜,之后硼离子注入，形成p型掺杂插指区104，掺杂浓度5×10¹⁸cm^-3到2×10¹⁹cm^-3之间，注入能量50keV(如图3-2)

3、清洗、干燥之后快速退火(RTA)1000℃保持10秒，激活离子。

4、表面反转光刻，溅射金属并剥离形成电极。(如图3-3)

5、干燥，再次RTA 450℃退火30秒形成合金。

6、表面做光栅图形的电子束曝光，为后续刻蚀做掩膜。(如图3-4)

7、之后ICP刻蚀，形成光栅，清洗并干燥。(如图3-5)

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

1.一种垂直耦合型浅槽隔离共面光电探测器结构，其特征在于，包括n+欧姆接触电极（101）、p+欧姆接触电极（102）、n型掺杂插指区（103）、p型掺杂插指区（104）、本征吸收区（105）、衬底层（106），光栅区（107），所述n型掺杂插指区（103），p型掺杂插指区（104）是横向依次通过光刻离子注入在顶层硅中形成的掺杂区域，之间的间隙是本征吸收区（105）；所述n+欧姆接触电极（101）和p+欧姆接触电极（102）分别是对应溅射在n型掺杂插指区（103）、p型掺杂插指区（104）的平行条区部分之外作为电极；所述光栅区（107），是在衬底p型和n型掺杂插指条区中间部分经过深紫外光刻后采用干法刻蚀技术，形成的与掺杂条区平行的周期性刻蚀浅槽，构成垂直耦合光栅结构；浅槽光栅的宽度小于入射波长，对垂直入射的光形成衍射效应，周期的光栅形成衍射叠加，将光能量的传播方向由垂直转化为水平方向，提高光吸收能量；离子注入浓度峰值的深度要求大于光栅刻蚀深度30到60nm。

2.根据权利要求1所述的一种垂直耦合型浅槽隔离共面光电探测器，其特征在于：探测器的材料为：Si、Ge/Si、InGaAs/InP或AlGaAs/GaAs、GaN/Ga2O3/AlN或SiC材料体系。

3.根据权利要求1所述的一种垂直耦合型浅槽隔离共面光电探测器，其特征在于：衬底采用单个块材料，或采用掩埋绝缘层的多层材料。

4.根据权利要求1所述的一种垂直耦合型浅槽隔离共面光电探测器，其特征在于：探测波长范围为紫外、可见光或红外光波段。

5.根据权利要求1所述的一种垂直耦合型浅槽隔离共面光电探测器，其特征在于：适用于垂直入射光接收设计。

6.根据权利要求1所述的一种垂直耦合型浅槽隔离共面光电探测器，其特征在于：能够使用CMOS工艺制作完成。