CN109786497B - 单行载流子光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单行载流子光电探测器，包括SOI衬底、光波导区、有源区、N电极和P电极；SOI衬底自下而上包括底层硅层、掩埋二氧化硅层和顶层硅层，掩埋二氧化硅层的一部分被顶层硅层覆盖；光波导区包括二氧化硅层和形成于二氧化硅层中的氮化硅层，二氧化硅层位于顶层硅层和暴露部分的掩埋二氧化硅层之上，氮化硅层包括用作直波导的宽度固定的氮化硅层和用作模式转换耦合器的宽度由宽变窄的氮化硅层；有源区自下而上包括位于顶层硅层之上的硅本征层和锗吸收层，有源区位于模式转换耦合器左侧且与模式耦合器之间具有预设间距；N电极位于顶层硅层上的N接触层处，P电极位于锗吸收层上的P接触层处。本发明的探测器具有高响应速度和高饱和输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种单行载流子光电探测器。
背景技术
光纤通信由于固有的高带宽、低损耗的优势正在逐渐取代传统的电缆通信。而光电探测器是光纤通信系统中的重要核心部件之一，光电探测器的性能对整个光纤通信系统起着决定性作用。
常见的光电探测器分为两种类型：PIN型光电探测器和单行载流子光电探测器，其中，PIN型光电探测器在高输入功率下，其外加电场会受到光生载流子所感应的空间电场屏蔽作用，导致载流子漂移速率减慢，严重影响PIN型光电探测器在高输入功率下的高频性能；单行载流子光电探测器的特点是电子作为唯一有效载流子具有很高的漂移速度，能够显著减少载流子的堆积，从而能够在更高输入功率下具有较小的空间电荷屏蔽效应，因此单行载流子光电探测器具有优异的高速、高饱和功率特性。
单行载流子光电探测器根据光耦合方式可分为端面垂直耦合型单行载流子光电探测器和波导耦合型单行载流子光电探测器。对于端面垂直耦合型单行载流子光电探测器，光吸收方向与载流子输运方向平行，小信号响应带宽与响应度之间存在严重的制约关系；对于波导耦合型单行载流子光电探测器的光吸收方向与载流子输运方向垂直，可以同时兼顾小信号响应带宽和响应度，且其易于多种有源、无源器件集成，因此波导耦合单行载流子光电探测器成为发展的主流。
对于波导耦合型单行载流子光电探测器，常见的光波耦合方式分为对接耦合和倏逝耦合。在对接耦合型探测器中光从无源区到有源区的耦合效率虽然很高，但在有源区端面附近造成载流子密度较高，使得探测器过早达到饱和状态，降低了探测器的饱和输出功率；而倏逝耦合型探测器虽然能够保证光均匀地从无源区耦合到有源区进行吸收，不会存在过早饱和的现象，但光从无源波导倏逝耦合到有源区的耦合效率偏低，造成探测器响应度过低，同时也影响了饱和输出功率。由此可见，这两种耦合结构探测器的饱和输出功率比较低，不能满足高功率光纤通信系统对芯片的要求，因此研发具有高速、高饱和输出功率特性的光电探测器势在必行。
发明内容
本发明提供的单行载流子光电探测器具有高饱和输出功率的优点。
本发明提供一种单行载流子光电探测器，所述单行载流子光电探测器包括SOI衬底、光波导区、有源区、N电极和P电极；所述SOI衬底包括自下而上依次堆叠的底层硅层、掩埋二氧化硅层和顶层硅层，其中，所述掩埋二氧化硅层的一部分被所述顶层硅层覆盖；所述光波导区包括二氧化硅层和形成于所述二氧化硅层中的氮化硅层，其中，所述二氧化硅层位于所述顶层硅层和暴露部分的所述掩埋二氧化硅层之上，所述氮化硅层包括用作直波导的宽度固定的氮化硅层和用作模式转换耦合器的宽度由宽变窄的氮化硅层；所述有源区包括自下而上依次堆叠在所述顶层硅层之上的硅本征层和锗吸收层，其中，所述有源区位于所述模式转换耦合器左侧且与所述模式耦合器之间具有预设间距；所述N电极位于所述顶层硅层上的N接触层处，所述P电极位于所述锗吸收层上的P接触层处。
可选地，所述顶层硅层为N型掺杂的硅层。
可选地，所述锗吸收层为渐变掺杂的锗层。
可选地，所述渐变掺杂的浓度自上而下依次降低。
可选地，所述预设间距为0.1μm。
可选地，所述硅本征层与所述锗吸收层的高度之和大于或者等于所述氮化硅层与其下方的二氧化硅层的高度之和。
本发明实施例提供的单行载流子光电探测器，通过设计楔形波导结构，信号光从波导区的直波导输出进模式转换耦合器中，然后从模式转换耦合器逐渐耦合进有源区的锗吸收层。相比于对接耦合和倏逝耦合，本发明既能够保证信号光从无源波导到有源区的高耦合效率，又能够使得信号光均匀分布在锗吸收层中，从而能够避免锗吸收层局部光场较强造成的光生载流子堆积形成的探测器过早饱和现象；而且正是由于这种楔形波导结构的高耦合效率，耦合进入锗吸收层中的光子数就越多，这样仅需要较短的有源区长度就可以实现高响应速度。综上所述，本发明的单行载流子光电探测器既具有高响应速度又具有高饱和输出功率。
附图说明
图1为本发明实施例单行载流子光电探测器的3D结构示意图；
图2为上述实施例中的单行载流子光电探测器的俯视图；
图3-10为上述实施例中的单行载流子光电探测器的制备流程示意图。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
本发明实施例提供一种单行载流子光电探测器，如图1和图2所示，所述单行载流子光电探测器包括SOI衬底、光波导区、有源区、N电极008和P电极009；所述SOI衬底包括自下而上依次堆叠的底层硅层001、掩埋二氧化硅层002和顶层硅层003，其中，所述掩埋二氧化硅层002的一部分被所述顶层硅层003覆盖；所述光波导区包括二氧化硅层004和形成于所述二氧化硅层004中的氮化硅层005，其中，所述二氧化硅层004位于所述顶层硅层003和暴露部分的所述掩埋二氧化硅层002之上，所述氮化硅层005包括用作直波导的宽度固定的氮化硅层和用作模式转换耦合器的宽度由宽变窄的氮化硅层；所述有源区作为光电转换区包括自下而上依次堆叠在所述顶层硅层003之上的硅本征层006和锗吸收层007，其中，所述有源区位于所述模式转换耦合器左侧且与所述模式耦合器之间具有预设间距；所述N电极011位于所述顶层硅层003上的N接触层008处，所述P电极010位于所述锗吸收层007上的P接触层009处。
本发明实施例提供的单行载流子光电探测器，通过设计楔形波导结构，信号光从波导区的直波导输出进模式转换耦合器中，然后从模式转换耦合器逐渐耦合进有源区的锗吸收层。相比于对接耦合和倏逝耦合，本发明既能够保证信号光从无源波导到有源区的高耦合效率，又能够使得信号光均匀分布在锗吸收层中，从而能够避免锗吸收层局部光场较强造成的光生载流子堆积形成的探测器过早饱和现象；而且正是由于这种楔形波导结构的高耦合效率，耦合进入锗吸收层中的光子数就越多，这样仅需要较短的有源区长度就可以实现高响应速度。综上所述，本发明的单行载流子光电探测器既具有高响应速度又具有高饱和输出功率。
可选地，所述顶层硅层003为N型掺杂的硅层。
可选地，所述锗吸收层007为渐变掺杂的锗层，具体地，所述渐变掺杂的浓度自上而下依次降低。
可选地，所述预设间距为0.1μm。
可选地，所述硅本征层与所述锗吸收层的高度之和大于或者等于所述氮化硅层与其下方的二氧化硅层的高度之和。
具体地，上述高度要求是基于如下原因：
由于生长氮化硅的温度在1050摄氏度左右，而锗吸收层在此温度下会融化，因此工艺顺序为先生长氮化硅层，再生长锗吸收层，考虑到每一步需要化学机械抛光处理，氮化硅的上表面不可能高于锗吸收层的上表面，这里需要满足上述高度要求。
为了便于对本发明的理解，下面对本发明的单行载流子光电探测器的制备流程介绍如下，如图3-10所示：
(1)在SOI衬底的顶层硅层003进行局部N型重掺杂，以在所述顶层硅层003上形成N接触层008。
(2)利用等离子体增强化学气相沉积法在所述顶层硅层003和暴露部分的所述掩埋二氧化硅层002之上大面积沉积二氧化硅004，并在所述二氧化硅004上旋涂光刻胶，然后显影掉部分光刻胶形成第一刻蚀窗口，接着采用干刻方式将所述第一刻蚀窗口内的二氧化硅刻尽。
(3)采用二次外延方式在所述第一刻蚀窗口内生成硅层，并对生成的硅层进行化学机械抛光处理，以形成本征硅层006。
(4)利用等离子体增强化学气相沉积法继续大面积沉积二氧化硅004，并在所述二氧化硅004上旋涂光刻胶，显影掉部分光刻胶形成第二刻蚀窗口，接着采用干刻方式刻蚀所述第二刻蚀窗口内的二氧化硅，直至保留合适高度的二氧化硅后停止刻蚀。
这里需要说明的是，这里保留合适高度的二氧化硅是为了避免造成光泄漏，即如果刻蚀过深，会导致光波导区的光耦合至顶层硅层中造成光泄漏。
(5)采用等离子体增强化学气相沉积法在所述第二刻蚀窗口内沉积氮化硅，随后采用化学机械抛光技术将表面研磨平整，形成氮化硅层005。
(6)利用等离子体增强化学气相沉积法继续大面积沉积二氧化硅，并在所述二氧化硅上旋涂光刻胶，然后显影掉所述本征硅层之上的光刻胶，接着采用干刻方式将所述本征硅层之上的二氧化硅刻尽，形成第三刻蚀窗口。
(7)采用二次外延方式在所述第三刻蚀窗口内进行锗的外延生长，随后采用化学机械抛光技术将表面研磨平整，以形成锗吸收层007，并对所述锗吸收层007进行自上而下的渐变掺杂，所述掺杂浓度逐渐降低，之后在所述锗吸收层007上进行局部P型重掺杂，以在所述锗吸收层007上形成P接触层009。
(8)采用等离子体增强化学气相沉积法继续大面积沉积二氧化硅004，并在所述二氧化硅004上旋涂光刻胶，显影掉部分光刻胶以露出N接触层008和所述P接触层009，之后在所述N接触层008和所述P接触层009分别溅射出N电极011和P电极010。
如图10所示，本征硅层006的厚度为TSi，锗吸收层007的厚度为TGe，氮化硅层005的厚度为TSi3N4，氮化硅层005下方的二氧化硅的厚度为TSiO2，其中，TSi+TGe≥TSi3N4+TSiO2。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种单行载流子光电探测器，其特征在于，所述单行载流子光电探测器包括SOI衬底、光波导区、有源区、N电极和P电极；所述SOI衬底包括自下而上依次堆叠的底层硅层、掩埋二氧化硅层和顶层硅层，其中，所述掩埋二氧化硅层的一部分被所述顶层硅层覆盖；所述光波导区包括二氧化硅层和形成于所述二氧化硅层中的氮化硅层，其中，所述二氧化硅层位于所述顶层硅层和暴露部分的所述掩埋二氧化硅层之上，所述氮化硅层包括用作直波导的宽度固定的氮化硅层和用作模式转换耦合器的宽度由宽变窄的氮化硅层；所述有源区包括自下而上依次堆叠在所述顶层硅层之上的硅本征层和锗吸收层，其中，所述有源区位于所述模式转换耦合器左侧且与所述模式转换耦合器之间具有一定间距；所述N电极位于所述顶层硅层上的N接触层处，所述P电极位于所述锗吸收层上的P接触层处。
2.根据权利要求1所述的单行载流子光电探测器，其特征在于，所述顶层硅层为N型掺杂的硅层。
3.根据权利要求1所述的单行载流子光电探测器，其特征在于，所述锗吸收层为渐变掺杂的锗层。
4.根据权利要求3所述的单行载流子光电探测器，其特征在于，所述渐变掺杂的浓度自上而下依次降低。
5.根据权利要求1所述的单行载流子光电探测器，其特征在于，所述有源区与所述模式转换耦合器之间的间距为0.1μm。
6.根据权利要求1所述的单行载流子光电探测器，其特征在于，所述硅本征层与所述锗吸收层的高度之和大于或者等于所述氮化硅层与其下方的二氧化硅层的高度之和。
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