CN110911507A - 一种基于介质超表面的垂直入射型硅基锗光电探测器 - Google Patents
一种基于介质超表面的垂直入射型硅基锗光电探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于介质超表面的垂直入射型硅基锗光电探测器，属于半导体探测器领域。包括：衬底，其材料为SOI；位于衬底上的有源层，其材料为锗和硅，上表面有介质超表面微结构，所述介质超表面微结构为亚波长周期性结构。本发明在硅基锗探测器有源层上加工介质超表面微纳结构，利用介质超表面引入的米氏谐振，将入射光限制在硅基锗探测器的有源吸收区，增强探测器对入射光的吸收效率，在不牺牲硅基锗光电探测器的高速性能下，提升了探测器的响应度。通过对介质超表面微纳的结构进行优化设计，调控各个谐振单元本身及及谐振单元之间的排布，能够有效地控制谐振增强吸收峰的光波长位置，从而在特定波长或特定波段提升光电探测器的响应度。
Description
技术领域
本发明属于半导体探测器领域，应用于光通信中接收光信号，更具体地，涉及一种基于介质超表面的垂直入射型硅基锗光电探测器。
背景技术
硅是间接带隙半导体材料，具有储量丰富、成本低、机械强度大、与微电子电路兼容等优点，是制备光电探测器特别是集成光电接收器的重要材料。锗探测器与硅基COMS工艺兼容，响应波段覆盖通信波段，有着良好的电学性能等优势，是目前制备硅基集成光电探测器的重要方案之一。
硅光子学以硅为主体材料，在其之上设计研究各类光学器件，实现光的发射，传输，接收等功能，并最终实现全硅的光电集成。由于硅与传统的COMS工艺兼容，利于集成；地质含量丰富；绝缘体上硅(SOI)性能优势等优点，硅光子广泛受关注。Inter公司认为一个成熟的硅基光互连系统包括硅基光源、硅基光波导、硅基调制器、硅基探测器、低成本封装技术、与COMS工艺线兼容六大核心部件与技术。其中硅基集成的锗探测器是目前硅基光互联中最热门的光探测解决方案。
传统的垂直入射型硅基锗光电探测器，由于锗在光通信波段的光吸收系数比较低，一般需要增加探测器有源层吸收区厚度来提高探测器的响应度。然而厚的有源吸收区增加了外延的材耗和难度，同时也会增加硅基锗光电探测器光生载流子在PN结中耗尽区的渡越时间，从而会影响光电探测器在光通信领域中的高速工作使用。
发明内容
针对现有技术垂直入射型硅基锗光电探测器高速性能与响应度互相制约的问题，本发明提供了一种基于介质超表面的垂直入射型硅基锗光电探测器，其目的在于在不增加光电探测器的有源层吸收区厚度的情况下，提升传统的垂直入射型光电探测器的光响应度性能。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于介质超表面的垂直入射型硅基锗光电探测器，所述硅基锗光电探测器包括：
衬底，所述衬底的材料为SOI；
位于所述衬底上的有源层，所述有源层的材料为锗和硅，所述有源层的上表面有介质超表面微结构，所述介质超表面微结构为亚波长周期性结构。
优选地，所述有源层包括：第一下掺杂层、第二下掺杂层、非掺杂本征层、第一上掺杂层、第二上掺杂层，其中，第一下掺杂层和第二下掺杂层为同类型掺杂，第一上掺杂层和第二上掺杂层为同类型掺杂，且与下掺杂层类型相反。
优选地，第一下掺杂层和第二上掺杂层的材料为锗，第二下掺杂层、非掺杂层和第一上掺杂层的材料为硅。
优选地，所述介质超表面微结构由多个相同的微纳图形周期排布构成。
优选地，同时调控所述介质超表面微结构中微纳图形的尺寸、周期和深度，改变微纳图形的光谐振增强波段，将该波段的光限制在探测器有源层吸收区和吸收区上下的光限制层。
优选地，所述微纳图形的谐振增强波段在光电探测器有源层的光吸收谱范围内。
优选地，所述排布的方式为四方晶格、六方晶格或者准晶格。
优选地，所述微纳图形为纳米孔、纳米柱、纳米小球、纳米环或纳米棒中的至少一种。
优选地，所述探测器还包括：
位于有源层上的钝化层，所述钝化层的折射率低于有源层，其材料为绝缘介质，且对硅基锗光电探测器探测波段透明。
优选地，所述钝化层为二氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明在硅基锗探测器有源层上加工介质超表面微纳结构，利用介质超表面引入的米氏谐振，将入射光限制在硅基锗探测器的有源吸收区，从而增强探测器对入射光的吸收效率，在不牺牲硅基锗光电探测器的高速性能下，提升了探测器的响应度。
(2)本发明通过对介质超表面微纳的结构进行优化设计，人为地调控各个谐振单元本身及及谐振单元之间的排布，能够有效地控制谐振增强吸收峰的光波长位置，从而在特定波长或特定波段提升光电探测器的响应度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于介质超表面的垂直入射型硅基锗光电探测器结构示意图；
图2(a)为本发明实施例提供的周期性小孔阵列介质超表面微纳结构示意图；
图2(b)为本发明实施例提供的谐振场的分布特征图；
图3(a)为本发明实施例提供的外延生长过程示意图；
图3(b)为本发明实施例提供的介质超表面微结构制作过程示意图；
图3(c)为本发明实施例提供的一阶台面制作过程示意图；
图3(d)为本发明实施例提供的二阶台面制作过程示意图；
图3(e)为本发明实施例提供的欧姆接触电极制作过程示意图；
图3(f)为本发明实施例提供的沉积钝化层过程示意图；
图3(g)为本发明实施例提供的开窗口过程示意图；
图3(h)为本发明实施例提供的沉积电极引线过程示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1-上掺杂层硅，2-上掺杂层锗，3-本征层锗，4-下掺杂层锗，5-下掺杂层硅，6-SOI衬底的顶层硅，7-SOI衬底的二氧化硅埋氧层，8-SOI衬底的Si基底，9-介质超表面微纳结构，10-欧姆接触金属电极，11-绝缘介质钝化保护层，12-金属电极引线，13-光电探测器有源层，14-衬底。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
首先，对本发明涉及的术语进行解释如下：
介质超表面：Dieletric metasurface，在电介质材料上制作的超表面。
垂直入射型探测器：Normal incidence photodetector，光垂直于探测器表面入射，直接耦合进探测器里。
微纳图形：尺度为微米和纳米量级的图形。
如图1所示，本发明提供了一种基于介质超表面的垂直入射型硅基锗光电探测器，该探测器包括：
衬底14；
位于所述衬底上的有源层13，
及位于有源层上的钝化层11；
其中，如图2(a)所示，所述有源层面向钝化层的一端上有介质超表面微结构9，所述介质超表面微结构为亚波长周期性结构，包含若干个拼接的微纳图形阵列，每个所述微纳图形阵列由多个相同的微纳图形周期排布构成。
介质超表面是由具有特殊电磁特性的、由一系列亚波长谐振单元组成的人工二维结构，能在远小于波长尺度范围内有效地限制光场、调控光束的振幅、相位、偏振等特性，具有强大的光场操控能力。介质超表面利用米氏谐振，能够通过调节介质超表面的结构参数，针对特定波长的入射光产生共振。
如图2(b)所示，该垂直入射型光电探测器的工作过程如下：
信号光面入射到该探测器，由介质超表面微结构对入射光进行了调控，使得特定波长的入射光产生共振，光场被限制在该探测器的有源层，光限制区的光可以通过倏逝耦合到光吸收区，更多的光在光吸收区被吸收，从而产生了光生载流子。在PN结的作用下分离形成信号电流。
优选地，通过同时调控所述微纳图形阵列中微纳图形的尺寸、周期和深度，改变微纳图形的光谐振增强波段，将特定波段的光局域限制在探测器有源层吸收区和吸收区上下的光限制层，从而实现探测器在特定波长增强光吸收的能力，增加光响应度性能。介质超表面微结构的尺寸、周期、深度根据光电探测器所选用的衬底、有源层的材料和厚度、钝化层材料的折射率和光电探测器所需的光吸收谱范围而设计，本发明实施例不做唯一性限定。
本实施例针对C波段(1530nm至1565nm)设计响应度增强，选用顶层硅厚度为220nm的SOI，下掺杂层硅5厚度为100nm，下掺杂层锗4厚度为100nm，本征层锗3厚度为300nm，上掺杂层锗2厚度为100nm，上掺杂层硅1厚度为25nm。介质超表面微结构图形为圆形，周期在500nm至600nm间，圆形半径在100nm至200nm间，圆形刻蚀深度在100nm至400nm间。
优选地，所述微纳图形的谐振增强波段在光电探测器有源层的光吸收谱范围内，从而增强光电探测器所探测波长的光吸收，实现高响应度的性能。
优选地，所述谐振光场能量主要分布在探测器有源层吸收区和吸收区上下的光限制区，从而光生载流子才能有效分离形成光电流。吸收区材料为锗。
优选地，所述有源层包括：N型掺杂层、非掺杂本征层和P型掺杂层。上掺杂层1和2为同一种掺杂，下掺杂层4和5为同一种掺杂，上掺杂层和下掺杂层的掺杂类型相反即可。SOI、第一下掺杂层、第二下掺杂层、第一上掺杂层和第二上掺杂层共同构成光限制区，非掺杂本征层为光吸收区。
优选地，所述钝化层为绝缘介质材料，对探测器探测波段透明并起增加透射率作用，另外的主要作用还在于保护器件、钝化器件侧壁减少暗电流和防止器件正负极短路。其折射率低于有源层的折射率，钝化层可以为二氧化硅，氮化硅，氮氧化硅等，本发明实施例不做唯一性限定。
优选地，所述有源层的折射率高于所述衬底和钝化层的折射率，有利于光场限制在探测器有源层。衬底为SOI，有源层为硅锗，因此衬底的折射率必然低于有源层。
优选地，微纳图形阵列可以是任意形式，甚至是准周期性结构，可以为四方晶格、六方晶格或者准晶格等，本发明实施例不做唯一性限定。
优选地，微纳图形可以是任意谐振结构，其形貌可以纳米孔、纳米柱、纳米小球、纳米环或纳米棒中的一种或者几种混合组成，本发明实施例不做唯一性限定。
本发明还提供了一种上述硅基锗探测器的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1.清洗衬底后，衬底上外延生长有源层；
S2.在所述有源层上面旋涂得到光刻胶层；
S3.在所述光刻胶层上形成介质超表面微结构图形，并将所述介质超表面微结构图形转移到所述有源层，形成介质超表面微结构；
S4.制作介质超表面微结构后，在其上沉积钝化层，最后使用光刻、金属沉积、刻蚀等工艺制作成垂直入射型结构的探测器。
如图3(a)所示，选用有较大折射率差的SOI作为衬底，有利于光场限制在探测器有源层，可以通过MBE在SOI基底上依次外延生长下掺杂层硅5、下掺杂层锗4、本征层锗3、上掺杂层锗2、上掺杂层硅1。下掺杂层硅5和下掺杂层锗4作为生长缓冲层，为生长高质量本征层锗3提供衬底；上掺杂层硅1覆盖在上掺杂锗2上，钝化上掺杂锗2的表面，有利于减少器件暗电流。有源层中吸收区锗的折射率大于硅与SOI埋氧层的折射率。
如图3(b)所示，可以通过ICP或者RIE等刻蚀技术硅基锗探测器有源层上制作介质超表面微结构9。通过特定的介质超表面微结构的设计，将入射光的光场分布集中在本征层锗3内，有利于更多的光在本征吸收区被吸收转化为光生载流子。
如图3(c)所示，通过ICP或者RIE等刻蚀技术制作一阶台面结构，刻蚀区域需要刻蚀到下掺杂层5或4。一阶台面结构为探测器有源区。
如图3(d)所示，通过ICP或者RIE等刻蚀技术制作二阶台面结构，刻蚀区域需要刻蚀到SOI衬底的二氧化硅埋氧层7。二阶台面结构将每个探测器单元分离开，使每个单元器件独立工作，不受其他器件影响。
如图3(e)所示，通过电子束蒸发或者磁控溅射等金属镀膜技术沉积欧姆接触金属电极10。
如图3(f)所示，通过PECVD沉积二氧化硅钝化层，保护器件有源结构；防止器件正负极短路；同时钝化有源区侧壁，有利于减少器件暗电流。钝化层二氧化硅的折射率远低于硅基锗探测器有源层的折率，几乎不会影响入射光在有源层的光场分布。
如图3(g)所示，通过ICP或者RIE等刻蚀技术在欧姆接触金属电极10上刻蚀出窗口。
如图3(h)所示，通过电子束蒸发或者磁控溅射等金属镀膜技术沉积金属电极引线12。
以上所有的图形制作，可以通过EBL曝光完成。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于介质超表面的垂直入射型硅基锗光电探测器，其特征在于，所述硅基锗光电探测器包括：
衬底，所述衬底的材料为SOI；
位于所述衬底上的有源层，所述有源层的材料为锗和硅，所述有源层的上表面有介质超表面微结构，所述介质超表面微结构为亚波长周期性结构。
2.如权利要求1所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述有源层包括：第一下掺杂层、第二下掺杂层、非掺杂本征层、第一上掺杂层、第二上掺杂层，其中，第一下掺杂层和第二下掺杂层为同类型掺杂，第一上掺杂层和第二上掺杂层为同类型掺杂，且与下掺杂层类型相反。
3.如权利要求2所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，第一下掺杂层和第二上掺杂层的材料为锗，第二下掺杂层、非掺杂层和第一上掺杂层的材料为硅。
4.如权利要求1所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述介质超表面微结构由多个相同的微纳图形周期排布构成。
5.如权利要求4所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，同时调控所述介质超表面微结构中微纳图形的尺寸、周期和深度，改变微纳图形的光谐振增强波段，将该波段的光限制在探测器有源层吸收区和吸收区上下的光限制层。
6.如权利要求4或5所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述微纳图形的谐振增强波段在光电探测器有源层的光吸收谱范围内。
7.如权利要求4或5所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述排布的方式为四方晶格、六方晶格或者准晶格。
8.如权利要求4或5所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述微纳图形为纳米孔、纳米柱、纳米小球、纳米环或纳米棒中的至少一种。
9.如权利要求1所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述探测器还包括：
位于有源层上的钝化层，所述钝化层的折射率低于有源层，其材料为绝缘介质，且对硅基锗光电探测器探测波段透明。
10.如权利要求9所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述钝化层为二氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅等。
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