CN109742175A - 垂直耦合型波分复用光信号接收共面光电探测器 - Google Patents

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Abstract

垂直耦合型波分复用光信号接收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，针对空间通信领域，特别是波分复用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。本发明结构：p型掺杂插指区，n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，之间的间隙是本征吸收区；二维耦合光栅区是在吸收材料区两侧电极中间部分在紫外光刻后采用干法刻蚀技术，在入射平面上与掺杂区条平行和垂直两个方向上周期不同的二维光栅结构；控制两个维度光栅的周期和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。

Description

垂直耦合型波分复用光信号接收共面光电探测器
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多通道波分复用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。但是高速引起的小器件尺寸窄吸收厚度必然导致光响应的匮乏，特别是吸收长度较长的长波长光谱。例如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。
传统垂直结构的PIN或者PN型高速探测器，是降低载流子渡越时间来获得高速性能，却也降低了吸收区厚度，造成器件长波长响应度低；此外，减小器件尺寸获得低RC常数，高截止频率性能，却也降低了器件通光面的尺寸，无法做到大孔径波分复用的探测器。虽然共面探测器件能够解决尺寸限制的问题，通过P N交替的共面多对结结构，有效的增大光敏面积，但是PN结和电场仍集中器件表面，光吸收的长度仍很短，长波长响应依旧低，而且表面效应会引入大量暗电流，增大器件电容。因此共面探测器只能用于短波的高速探测，不适用于近红外大孔径的空间光探测和通信领域。
本发明是针对空间通信领域，特别是波分复用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，设计并制作了一种垂直耦合型近红外波分复用光信号接收共面光电探测器。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种垂直耦合型波分复用光信号接收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。
1.一种垂直耦合型波分复用光信号接收共面光电探测器结构，其特征在于，包括p+欧姆接触电极101、n+欧姆接触电极102、p型掺杂插指区103、n型掺杂插指区104、本征吸收区105、衬底层106、二维耦合光栅区107，所述p型掺杂插指区103，n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p+欧姆接触电极101和n+欧姆接触电极102分别是对应溅射在两侧的p型掺杂插指区103，n型掺杂插指区104之上作为电极；所述二维耦合光栅区107，是在吸收材料区两侧电极中间部分在紫外光刻后采用干法刻蚀技术，在入射平面上与掺杂区条平行和垂直两个方向上周期不同的二维光栅结构；控制两个维度光栅的周期和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；离子注入浓度峰值的深度要求大于光栅刻蚀深度1到60nm之间。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。本征区105在103与104之间，107为本征区105的一部分刻蚀后的结果。
2.进一步，采用二维耦合光栅区作为入射面。
3.进一步，探测器的材料为：Si、Ge/Si、InGaAs/InP AlGaAs/GaAs、GaN/Ga2O3/AlN、或SiC材料体系。
4.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。
5.进一步，探测波长范围为紫外、可见光或红外光波段。
6.进一步，适用于垂直入射多通道的满足波分复用的光信号接收设计。
7.进一步，能够使用CMOS工艺制作完成。
8.进一步，器件的工作模式是：零偏压无功耗模式、低偏压无倍增模式、高偏压雪崩线性倍增模式或雪崩击穿偏压下的Geiger模式。
9.进一步，光栅平面横、纵两个方向上的周期及占空比参数决定耦合吸收的光波长范围。
附图说明：
图1：根据本发明提出的二维耦合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106，二维耦合光栅区107。
图2-1：本发明器件的光场仿真图。
图2-2：本发明器件x-z剖视图。
图3-1：光刻n型掺杂插指区做掩膜，图中透明部分为光刻胶。
图3-2：光刻p型掺杂插指区做掩膜。
图3-3：反转光刻，溅射金属并剥离形成电极。
图3-4：电子束曝光形成二维耦合光栅图形。图中透明部分为电子束曝光胶。
图3-5：ICP刻蚀形成二维耦合光栅。
图4：本发明器件的电场分布图。
图5：SEM下二维耦合光栅实物图
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106，二维耦合光栅区107。其特征在于，以硅材料为例，硅衬底上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。二维耦合光栅区107是通过在硅衬底表面深紫外光刻机曝光后刻蚀形成。
由于二维耦合光栅的引入和插指掺杂使得有足够多的多波长光被探测器吸收，光峰值耦合效率达到70％以上。解决了光吸收的同时，对于SOI衬底，为实现高速性能，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。通过减少本征吸收区105的宽度，减小渡越长度和时间，提高带宽，如图6所示，模拟了本发明所描述器件的频率响应图，可以看到在本发明的结构下，器件带宽能够达到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。
结构实现二维耦合光栅垂直耦合，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横向的二维耦合光栅区107。通过控制二维耦合光栅的周期，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/GaAsGaN/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二维耦合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、在硅衬底的顶部，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、在硅衬底的顶部，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、干燥之后快退(RTA)升温至1000℃保持10秒，以激活离子。表面反转光刻，溅射金属并剥离形成电极。(如图3-3)
4、干燥，再次RTA 450℃保持30秒形成合金。
5、表面做二维耦合光栅图形的电子束曝光，为后续刻蚀做掩膜。
(如图3-4)
6、之后ICP刻蚀，形成二维耦合光栅，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 (9)

1.一种垂直耦合型波分复用光信号接收共面光电探测器结构，其特征在于，包括p+欧姆接触电极(101)、n+欧姆接触电极(102)、p型掺杂插指区(103)、n型掺杂插指区(104)、本征吸收区(105)、衬底层(106)、二维耦合光栅区(107)，所述p型掺杂插指区(103)，n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p+欧姆接触电极(101)和n+欧姆接触电极(102)分别是对应溅射在两侧的p型掺杂插指区(103)，n型掺杂插指区(104)之上作为电极；所述二维耦合光栅区(107)，是在吸收材料区两侧电极中间部分在紫外光刻后采用干法刻蚀技术，在入射平面上与掺杂区条平行和垂直两个方向上周期不同的二维光栅结构；控制两个维度光栅的周期和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；离子注入浓度峰值的深度要求大于光栅刻蚀深度1到60nm之间。
2.根据权利要求1所述的一种垂直耦合型波分复用光信号接收共面光电探测器，其特征在于：采用二维耦合光栅区作为入射面。
3.根据权利要求1所述的一种垂直耦合型波分复用光信号接收共面光电探测器，其特征在于：探测器的材料为：Si、Ge/Si、InGaAs/InP AlGaAs/GaAs、GaN/Ga2O3/AlN、或SiC材料体系。
4.根据权利要求1所述的一种垂直耦合型波分复用光信号接收共面光电探测器，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。
5.根据权利要求1所述的一种垂直耦合型波分复用光信号接收共面光电探测器，其特征在于：探测波长范围为紫外、可见光或红外光波段。
6.根据权利要求1所述的一种垂直耦合型波分复用光信号接收共面光电探测器，其特征在于：适用于垂直入射多通道的满足波分复用的光信号接收设计。
7.根据权利要求1所述的一种垂直耦合型波分复用光信号接收共面光电探测器，其特征在于：能够使用CMOS工艺制作完成。
8.根据权利要求1所述的一种垂直耦合型波分复用光信号接收共面光电探测器，其特征在于：器件的工作模式是：零偏压无功耗模式、低偏压无倍增模式、高偏压雪崩线性倍增模式或雪崩击穿偏压下的Geiger模式。
9.根据权利要求1所述的一种垂直耦合型波分复用光信号接收共面光电探测器，其特征在于：光栅平面横、纵两个方向上的周期及占空比参数决定耦合吸收的光波长范围。
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