CN110870084A - 肖特基光检测器 - Google Patents
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Abstract
一种光电子装置以及一种制作光电子装置的方法。所述装置包括：脊形波导，所述脊形波导由掺杂硅形成，所述掺杂波导具有脊突部分，所述脊突部分含有最上表面和两个侧壁表面；以及与所述两个侧壁表面相邻的厚片部分。所述装置还包括：金属接触层，所述金属接触层直接邻接所述最上表面和所述两个侧壁表面，并且所述金属接触层沿着所述厚片部分的一部分延伸以便在所述金属接触层与所述脊形波导之间提供肖特基势垒。
Description
技术领域
本发明涉及光电子装置，并且明确地说涉及包括金属接触的肖特基光检测器，所述金属接触基本上环绕硅波导。
背景技术
通信系统中的重要部件是1310nm和1550nm光检测器，即，在1310nm和1350nm的波长下操作的光检测器。另外，在其他红外波长下需要检测器。然而，由于硅PN结中存在的带隙，硅PN光检测器在这些波长下不具有响应。因此，在这些波长下操作的光检测器通常由锗或InGaAs制成。然而，为了在硅基板上制作此类光检测器，必须使用除了PN结以外的装置结构，其中一者是利用内部光致发射效应(IPE)的肖特基光检测器。
然而，常规的肖特基光检测器具有极低的响应度，这个缺点可能会显著地损害装置的实际应用，因为极少光子被金属层吸收。响应度可以被定义为在特定波长下由单位光学功率产生的光电流的数目。这可以被描述为
其中λ是按微米单位来计的波长。
为了增加硅肖特基光检测器的响应度，金属层必须要吸收更多光子。近来，已在参考文献1至5中报告了用于增加基于硅波导的肖特基光检测器的响应度的方法。
在参考文献1中，波导是条形硅波导，并且金属仅接触波导的顶部。在此结构中，硅波导与顶部上有金属的波导之间的光模失配较大，仅具有62％的耦合效率，因此响应度较低，在内部量子效率为1％的情况下仅为12.5mA/W。
在参考文献2中，使用脊形硅波导，在所述波导的顶部以及波导侧壁的部分上具有金属接触。SU8光致抗蚀剂用作包覆层，所述包覆层将具有潜在的可靠性问题，并且用于肖特基接触的电极由金制成，这将是其他硅装置的潜在污染源。因此，这种结构不适合于致密硅光子集成电路应用。
在参考文献3中，波导是条形波导，并且锥形的金电极在硅波导的顶部上以进行肖特基接触。这具有参考文献2中的关于金污染的相同缺点。
在参考文献4中，硅波导具有从400nm渐缩到200nm并且随后下降到75nm的梯形形状，这是难以制作的。两种类型的金属(Au和Ti)用作电极来进行肖特基接触。金在波导的一侧上并且Ti在另一侧上以形成金属-半导体-金属(MSM)结。此装置也具有参考文献2中的关于金污染的相同缺点。
在参考文献5中，信号电极和接地电极位于波导的顶部上，所述波导由具有相对较高的自由变化的载流子密度的材料的薄条带形成。此波导无法在硅光子集成电路中使用。
在本发明的一些实施方案中，不仅是硅肖特基光检测器具有高响应度，并且还不需要光致抗蚀剂或金电极。硅肖特基光检测器还可以通过简单的制作工艺来提供。因此，在此硅肖特基光检测器中，可靠性和污染问题可能不那么显著或可能完全不存在。
发明内容
因此，在第一方面中，本发明的一些实施方案提供一种光电子装置，所述光电子装置包括：
脊形波导，所述脊形波导由掺杂硅形成，所述脊形波导具有：脊突部分，所述脊突部分含有最上表面和两个侧壁表面；以及与所述两个侧壁表面相邻的厚片部分；所述装置还包括：金属接触层，所述金属接触层直接邻接所述最上表面和所述两个侧壁表面，并且所述金属接触层沿着所述厚片部分的一部分延伸以便在所述金属接触层与所述脊形波导之间提供肖特基势垒。
所述掺杂硅可以是p型掺杂并且可以(例如)具有在5Ωcm至10Ωcm之间的电阻率，范围端点包括在内。掺杂剂可以是硼。所述肖特基势垒可以具有在0.22eV与0.8eV之间的势垒能量，范围端点包括在内，所述势垒能量取决于用于金属接触层的金属的类型、硅掺杂浓度、硅表面状态密度以及温度。所述光电子装置可以是光检测器，并且更明确地说是肖特基光检测器。
所述装置还可以包括设置在所述厚片部分内的重度掺杂区。掺杂剂可以是硼。设有重度掺杂区可以减小所述装置的电阻。所述重度掺杂区可以设置在所述厚片区内的与所述脊突部分相距1μm与5μm之间(范围端点包括在内)的距离处。
所述装置还可以包括被设置成与所述重度掺杂区电接触的电极。
所述金属接触层可以由不是金的金属制成。如果所述装置不包括金，那么对可能位于所述光电子装置附近的其他光子装置造成污染的风险可能会降低。
所述金属接触层可以由钛、钨或铂制成。钛、钨或铂的使用使所述装置的操作带宽增加，这归因于由这些材料提供的不同的势垒高度。举例来说，钛基肖特基势垒具有0.7eV与0.8eV之间的高度，范围端点包括在内，所述高度对应于1.55μm与1.77μm之间的截止波长，范围端点包括在内。钨基肖特基势垒具有约0.56eV的高度，所述高度对应于约2.2μm的截止波长，并且铂基肖特基势垒具有约0.22eV的高度，所述高度对应于约5.6μm的截止波长。
所述脊突部分可以具有如从一个侧壁到另一个侧壁测量的在400nm与600nm之间的宽度，范围端点包括在内，并且在一些实施方案中具有500nm的宽度。
所述脊突部分可以具有如从所述厚片部分的最上表面开始测量的在100nm与150nm之间的高度，范围端点包括在内，并且在一些实施方案中，对于220nm厚的SOI，具有120nm的高度。在一些实施方案中，对于1.5μm厚的SOI，所述脊突部分可以具有1.3μm的高度。在一些实施方案中，对于1.8μm厚的SOI，所述脊突部分可以具有1.6μm的高度。在一些实施方案中，对于3μm厚的SOI，所述脊突部分可以具有2.8μm的高度。
所述金属接触层可以是在20nm厚与200nm厚之间，范围端点包括在内。也就是说，所述金属接触在垂直于所述波导的引导方向的方向上可以具有在20nm与200nm之间的尺寸，范围端点包括在内。
所述装置还可以包括设置在所述金属接触层的顶部上的氮化钛层。在此类实例中，所述金属接触层可以由钛形成。所述层可以用于限制所述金属接触层的氧化。氮化钛层可以是在10nm厚与100nm厚之间，范围端点包括在内。
所述金属接触层可以在与所述波导的引导方向平行的方向上沿着所述波导延伸1μm与20μm之间的距离，范围端点包括在内。
所述装置还可以包括被设置成与所述金属接触层电接触的电极。
所述脊形波导可以是锥形脊形波导，并且可以具有如从一个侧壁到另一个侧壁测量的宽度，所述宽度在与所述波导的引导方向平行的方向上从500nm渐缩到300nm。
所述装置还可以包括输入波导，所述输入波导耦合到所述脊形波导。所述输入波导可以具有如从绝缘体的最上表面到所述输入波导的最上表面测量的为至少1.5μm并且不超过3μm的高度。
所述输入波导可以从第一高度渐缩到第二高度，所述第二高度小于所述第一高度，并且所述第二高度是在所述脊形波导近侧。
所述输入波导的高度可以渐缩一个或多个离散的梯级。举例来说，在一些实例中，所述输入波导的高度可以离散地渐缩两个离散的梯级，这可能表示高度可能存在梯级变化，所述高度变化并未被视为连续的。
在本文中，最上可以指代远离所述装置的基板的位置或方向。
所述金属接触层与所述脊形波导一起可以形成等离子体波导。此类等离子体波导可以具有高的光吸收，这可以提高所述光检测器的效率。此外，可以设计出脊形波导与金属等离子体波导之间的小失配，使得在脊形波导与所述金属等离子体波导之间可以获得＞92％耦合效率。
在第二方面中，本发明的一些实施方案提供一种制作光电子装置的方法，所述方法包括以下步骤：将掩膜设置于掺杂的绝缘体上硅层的一部分上面；蚀刻所述绝缘体上硅层的未掩蔽部分以提供脊形波导，所述脊形波导包括：脊突部分，所述脊突部分含有最上表面和两个侧壁表面；以及与所述两个侧壁表面相邻的厚片部分；设置金属接触层以便直接邻接所述脊突部分的所述最上表面和所述两个侧壁表面以及所述厚片部分的一部分；以及对所述装置进行退火以在所述金属接触层与所述脊形波导之间形成肖特基势垒。
所述方法还可以包括用第一种类的掺杂剂对所述厚片部分的区进行重度植入的步骤。
在所述植入步骤之后，所述方法还可以包括以下步骤：对所述装置进行退火。在退火步骤之后，所述方法还可以包括以下步骤：将上包覆层设置于所述装置上面；以及在设置所述金属接触层之前图案化所述上包覆层。
所述方法还可以包括以下步骤：将第一电极设置成与所述厚片的植入有掺杂剂的所述区电接触并且将第二电极设置成与所述金属接触层电接触。
所述方法还可以包括在所述金属接触层上面沉积第二金属接触层的步骤。所述第二金属接触层可以由氮化钛形成，并且所述金属接触层可以由钛形成。
所述方法还可以包括形成输入波导的步骤，所述输入波导耦合到所述脊形波导，其中所述输入波导具有如从绝缘体层的最上表面开始测量的在1μm与3μm之间的高度，范围端点包括在内。所述输入波导可以被形成以从第一高度渐缩到第二高度，所述第二高度小于所述第一高度，并且所述第二高度是在所述脊形波导近侧。所述输入波导可以被形成以使其高度渐缩一个、两个或更多个离散的梯级。
附图说明
现在将参看附图举例来描述本发明的实施方案，在附图中：
图1示出根据本发明的一些实施方案的光电子装置；
图2示出根据本发明的一些实施方案的变型的光电子装置；
图3a至图3i示出根据本发明的一些实施方案的光电子装置的各种制造步骤；以及
图4和图5分别示出根据本发明的一些实施方案的变型光电子装置。
图6和图7分别示出根据本发明的一些实施方案的可植入于1μm、1.5μm、1.8μm或3μm的SOI平台中的变型光电子装置。
图8a、图8b和图8c示出根据本发明的一些实施方案的具有锥形结构的变型光电子装置的不同视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的一些实施方案的光电子装置。广泛地说，所述光电子装置包括在具有2μm BOX层和p型掺杂剂(5Ωcm至10Ωcm的电阻率)的220nm绝缘体上硅(SOI)上的脊形波导，所述脊形波导具有500nm的宽度和120nm脊深度。所述硅波导可以是直波导，或从500nm变到300nm的锥形波导。在接近脊形波导处(1μm至5μm)形成重度p型掺杂区(P+)以为电极提供低接触电阻。在将Ti层(20nm至200nm)与或不与TiN层(10nm至100nm)一起直接放置于硅脊形波导的顶部(即，脊形波导的最上表面)上，沉积硅脊形波导的两个侧壁和所述硅脊形波导的相邻厚片(1μm至3μm)以制作肖特基接触(二极管)。可以使用在Ti层的顶部上的TiN层来保护Ti层免于氧化。Ti(或Ti/TiN)的长度通常是1μm至20μm。随后使铝电极接触P+掺杂区和Ti(或Ti/TiN)层。这些装置在图1和图2中示出(其中图2示出包括TiN层的实例)。
图3a至图3i示出制造上文描述的光电子装置的各种阶段。在图3a中所示的第一步骤中，提供绝缘体上硅(soi)晶圆。显著地，设置于内埋氧化物层上方的绝缘体上硅层掺杂有p型掺杂剂以提供5Ωcm与10Ωcm之间的电阻率。所述绝缘体上硅层是约220nm厚，即，如从硅层的上表面到内埋氧化物层的上表面测量。
在图3b中所示的第二步骤中，将硬掩膜设置于所述绝缘体上硅层的一部分上面。随后，如图3c中所示，部分地蚀刻所述掺杂的绝缘体上硅层的未掩蔽部分。这样导致由掺杂硅层形成的脊形波导，所述脊形波导包括脊突部分(即，在硬掩膜下面的部分)和厚片部分(即，所述脊突部分的任一侧的区)。所述脊突部分可以被描述为含有最上表面和两个侧壁表面。所述最上表面是离内埋氧化物层最远的表面，并且所述侧壁表面与所述最上表面相邻。
随后移除所述硬掩膜，并且将光致抗蚀剂设置于所述最上表面的区上方，留下用于通过植入提供重度掺杂区的窗口。在任选步骤中，可以在光致抗蚀剂与绝缘体上硅层之间设有二氧化硅层以进行表面保护。可以使用所述重度掺杂区(可以使用硼作为掺杂剂对所述重度掺杂区进行P+掺杂)来减小所述装置的电阻率。
接下来，如图3e中所示，可以对所述装置进行退火，并且可以将上包覆层沉积于所述装置上面。随后，如图3f中所示，可以在所述上包覆层的一个区上面提供其他的光致抗蚀剂，可以将所述上包覆层的未掩盖区域蚀刻掉，并且可以图案化金属接触并将所述金属接触沉积于所述装置上面。所述金属接触可以由包括以下任一者的金属形成：钛、铂或钨。所述金属接触可以由不是金的金属形成。在所述金属接触由钛形成的情况下，可以在金属接触钛层上面设有任选的氮化钛层并且使用所述氮化钛层来保护所述金属接触层免于氧化。
随后可以移除光致抗蚀剂，如图3g中所示，导致具有设置于所述所述脊形波导的脊突和厚片的一部分上面的金属接触层的装置。随后对所述装置进行退火，这样可以在金属接触层与绝缘体上硅层(所述绝缘体上硅层是P掺杂的)之间形成肖特基势垒。
在另一个步骤中，对电极(所述电极可以由铝形成)进行图案化并且将所述电极沉积在所述装置上面以形成第一和第二电极，所述第一电极和所述第二电极分别连接到所述重度掺杂区和所述金属接触层。这在图3h中示出。在另一个步骤中，如图3i中所示，移除在提供电极过程中使用的光致抗蚀剂以及任何过量的电极材料，并且对所述装置进行退火。
图4和图5示出所述光电子装置的其他变型。这些变型与图1中所示的装置大体上相同，然而，在图4中，所述金属接触层由钨(W)形成，并且在图5中，所述金属接触层由铂(Pt)形成。
图6示出所述光电子装置的变型。此装置是基于具有BOX层的较厚SOI，所述BOX层具有如从所述基板的最上表面到所述BOX层的最上表面测量的为400nm的高度。所述SOI厚度H可以是1μm、或1.5μm、或1.8μm、或3μm；厚片的厚度h是200nm；并且脊形波导的宽度W可以在400nm与600nm之间。所述金属接触层由Ti形成。所述金属接触层还可以由Pt或W形成，这取决于(例如)波长响应要求。
图7示出所述光电子装置的变型。除了在Ti金属层的顶部上存在额外的TiN层之外，这种装置具有与图6中的装置结构相同的装置结构。
图8a示出所述光电子装置的变型的俯视图。此装置是基于具有2μm的BOX层的较厚SOI。所述输入波导(由箭头指示的左侧)具有1μm、或1.5μm、或1.8μm或3μm的SOI厚度，并且在右侧形成具有220nm的SOI厚度的肖特基结。所述输入波导的宽度可以是在1μm与2.6μm之间，并且所述肖特基结的波导宽度是在400nm与600nm之间。在较厚的输入波导与220nm波导之间形成锥形波导，所述锥形波导使转变光学损耗最小化。所述锥形结构可以具有一个高度梯级或多个高度梯级。在图8a中，作为一个实例，所述锥形结构具有两个高度梯级。沿着光传播方向的每个梯级的长度可以是在500μm与5000μm之间，并且锥形的尖端宽度(如垂直于引导方向来测量)可以是在100nm与500nm之间。图8b示出沿着图8a中的线AA’截取的截面图，所述截面图示出了具有Ti金属层的肖特基结。图8c示出沿着图8a中的线BB’截取的截面图，所述截面图示出具有两个高度梯级的锥形波导结构。
虽然已结合上文描述的示例性实施方案来描述了本发明，但是在给出本公开时，许多等效的修改和变化将是本领域的技术人员显而易见的。因此，上文陈述的本发明的示例性实施方案被认为是说明性而非限制性的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行对所描述实施方案的各种改变。
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上文提及的所有参考文献特此以引用方式并入。
Claims (24)
1.一种光电子装置，所述光电子装置包括：
脊形波导，所述脊形波导由掺杂硅形成，所述脊形波导具有：
脊突部分，所述脊突部分含有最上表面和两个侧壁表面；以及
与所述两个侧壁表面相邻的厚片部分；
所述装置还包括：
金属接触层，所述金属接触层直接邻接所述最上表面和所述两个侧壁表面，并且所述金属接触层沿着所述厚片部分的一部分延伸以便在所述金属接触层与所述脊形波导之间提供肖特基势垒。
2.如权利要求1所述的光电子装置，其中所述金属接触层是具有20nm至200nm的厚度的钛，范围端点包括在内。
3.如权利要求1所述的光电子装置，其中所述金属接触层包括钛和氮化钛，钛层的厚度是20nm至200nm，并且氮化钛层的厚度是10nm至100nm，范围端点包括在内。
4.如权利要求1所述的光电子装置，其中所述金属接触层是具有20nm至200nm的厚度的钨，范围端点包括在内。
5.如权利要求1所述的光电子装置，其中所述金属接触层是具有20nm至200nm的厚度的铂，范围端点包括在内。
6.如任一前述权利要求所述的光电子装置，其中所述脊形波导的长度是在1μm至20μm之间，范围端点包括在内。
7.如任一前述权利要求所述的光电子装置，其中重P掺杂区是在所述厚片区内。
8.如权利要求7所述的光电子装置，其中所述重P掺杂区位于远离脊形波导侧壁1μm至5μm处，范围端点包括在内。
9.如任一前述权利要求所述的光电子装置，其中所述脊形波导是具有500nm的宽度的直波导。
10.如权利要求1至8中任一项所述的光电子装置，其中所述脊形波导是从500nm渐缩到300nm的锥形波导。
11.如任一前述权利要求所述的光电子装置，所述光电子装置还包括耦合到所述脊形波导的输入波导，其中所述输入波导具有如从绝缘体层的最上表面到所述输入波导的最上表面测量的在1μm与3μm之间的高度，范围端点包括在内。
12.如权利要求11所述的光电子装置，其中所述输入波导从第一高度渐缩到第二高度，所述第二高度小于所述第一高度，并且所述第二高度是在所述脊形波导近侧。
13.如权利要求12所述的光电子装置，其中所述输入波导的高度渐缩一个或多个离散的梯级。
14.一种制作光电子装置的方法，所述方法包括以下步骤：
将掩膜设置于掺杂的绝缘体上硅层的一部分上；
蚀刻所述绝缘体上硅层的未掩蔽部分以提供脊形波导，所述脊形波导包括：
脊突部分，所述脊突部分含有最上表面和两个侧壁表面；以及
与所述两个侧壁表面相邻的厚片部分；
设置金属接触层以便直接邻接所述脊突部分的所述最上表面和所述两个侧壁表面以及所述厚片部分的一部分；以及
对所述装置进行退火以在所述金属接触层与所述脊形波导之间形成肖特基势垒。
15.如权利要求14所述的方法，所述方法还包括在设置所述金属接触层之前用第一种类的掺杂剂对所述厚片部分的区进行重度植入的步骤。
16.如权利要求15所述的方法，所述方法还包括在所述植入之后并且在设置所述金属接触层之前对所述装置执行掺杂剂退火步骤的步骤。
17.如权利要求16所述的方法，所述方法还包括在所述掺杂剂退火步骤之后将上包覆层设置于所述装置上并且在设置所述金属接触层之前图案化所述上包覆层的步骤。
18.如权利要求15至17中任一项所述的方法，所述方法还包括将第一电极设置成与所述厚片的植入有掺杂剂的所述区电接触并且将第二电极设置成与所述金属接触层电接触的步骤。
19.如权利要求14至18中任一项所述的方法，其中所述金属接触层由钛形成。
20.如权利要求14至19中任一项所述的方法，所述方法还包括在所述金属接触层上面沉积第二金属接触层的步骤。
21.如从属于权利要求19的权利要求20所述的方法，其中所述第二金属接触层由氮化钛形成。
22.如任一前述权利要求所述的方法，所述方法还包括形成输入波导的步骤，所述输入波导耦合到所述脊形波导，其中所述输入波导具有如从绝缘体层的最上表面开始测量的在1μm与3μm之间的高度，范围端点包括在内。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述输入波导被形成以从第一高度渐缩到第二高度，所述第二高度小于所述第一高度，并且所述第二高度是在所述脊形波导近侧。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述输入波导被形成以使高度渐缩一个或多个离散的梯级。
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