CN111211181B - 一种波导型光电探测器及其制造方法 - Google Patents

一种波导型光电探测器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种波导型光电探测器及其制造方法，该波导型光电探测器包括：位于衬底表面的第一绝缘层；位于所述第一绝缘层表面的下接触层；位于所述下接触层表面的光电转换层，所述光电转换层的材料包含锗(Ge)；位于所述光电转换层表面的上接触层；以及形成于所述第一绝缘层上方的氮化硅波导，所述氮化硅波导在平行于所述衬底表面的横向上延伸，并且，在所述横向上，所述氮化硅波导的一个端部与所述光电转换层连接，所述氮化硅波导传递的光入射到所述光电转换层，并在所述光电转换层中生成光电流。根据本实施例，由SiN形成波导，因此，能提高光的传输效率；并且，SiN波导与光电转换层端面耦合，能提高光探测效率。

Description

一种波导型光电探测器及其制造方法
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种波导型光电探测器及其制造方法。
背景技术
硅(Si)基光电探测器尤其是硅基锗光电探测器，因其与CMOS工艺兼容，且便于集成，在光通信、光互联和光传感等领域有着广泛的引用。根据光进入的方向，探测器可以分为垂直入射型探测器和波导型探测器。相较于垂直入射型探测器，波导型探测器能避免光探测器速率和量子效率间相互制约的问题，且可以与波导光路集成，更容易实现高速高响应度，是实现高速光通信和光互联芯片的核心器件之一。
相较于传统的III-V族和II-V族红外光电探测器，IV族的锗(Ge)探测器，因其制备工艺与Si基CMOS工艺兼容，具有体积小、易集成、低成本、高性能等潜在优势，在光通讯及光传感领域受到了广泛的应用。然而，Ge材料在波长大于1.55um时，吸收系数急剧下降，这使得Ge探测器无法满足短波红外乃至中红外的应用。GeSn作为一种新型IV族材料，因其能带带隙随着Sn组分增加而减小，在短波红外到中红外有着大的吸收系数，是制备红外探测器的理想材料。近年来，GeSn红外探测器受到了广泛的研究。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
本申请的发明人发现：目前的波导型Ge探测器多采用Si材料作为光波导，进而光通过消逝波耦合方式进入Ge光电转换层，受限于消逝波耦合效率，为了实现高的响应度，探测器长度需要大于10微米，这使得探测器的电容和暗电流难以进一步优化；为了提高光吸收效率，基于Si波导与Ge光电转换层端面耦合的波导探测器被提出，然而，通过选择性外延工艺实现高质量Si/Ge界面极其困难；此外，Si波导对红外波段的传输损耗较高。
本申请实施例提供一种波导型光电探测器及其制造方法，由SiN形成波导，并且波导与光电转换层端面耦合。由于SiN波导在近红外乃至中红外波段具有极低的传输损耗，并能实现与光纤或硅波导的低损耗耦合，因此，能提高光的传输效率；并且，SiN波导与Ge光电转换层之间能形成高质量的SiN/Ge界面，从而提高光探测效率。
根据本申请实施例的一个方面，提供一种波导型光电探测器，包括：位于衬底表面的第一绝缘层；位于所述第一绝缘层表面的下接触层；位于所述下接触层表面的光电转换层，所述光电转换层的材料包含锗(Ge)；位于所述光电转换层表面的上接触层；以及形成于所述第一绝缘层上方的氮化硅波导，所述氮化硅波导在平行于所述衬底表面的横向上延伸，并且，在所述横向上，所述氮化硅波导的一个端部与所述光电转换层连接，所述氮化硅波导传递的光入射到所述光电转换层，并在所述光电转换层中生成光电流。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述波导型光电探测器还包括：
形成于所述第一绝缘层表面，且在横向上围绕所述下接触层的第二绝缘层，其中，所述氮化硅波导形成于所述第二绝缘层表面。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述第二绝缘层的厚度与所述下接触层的厚度之差为所述下接触层的厚度的-10％～10％。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述氮化硅波导的厚度与所述光电转换层的厚度之差为所述光电转换层的厚度的-10％～10％。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述光电转换层的横向尺寸小于所述下接触层的横向尺寸。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述下接触层是包含硅和/或锗的掺杂层，所述光电转换层是锗(Ge)的非掺杂层或锗锡(GeSn)的非掺杂层，所述上接触层是锗(Ge)的掺杂层或锗锡(GeSn)的掺杂层。
根据本申请实施例的另一个方面，提供一种波导型光电探测器的制造方法，包括：
在衬底表面的第一绝缘层表面形成下接触材料层；
在所述下接触材料层表面形成光电转换层，并在所述光电转换层表面形成上接触层，所述光电转换层的材料包含锗(Ge)；
刻蚀所述下接触材料层，以形成下接触层；
在所述第一绝缘层表面形成围绕所述下接触层的第二绝缘层；以及
在所述第二绝缘层表面形成氮化硅波导，所述氮化硅波导在平行于所述衬底表面的横向上延伸，并且，在所述横向上，所述氮化硅波导的一个端部与所述光电转换层连接，其中，所述氮化硅波导传递的光入射到所述光电转换层，并在所述光电转换层中生成光电流。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，形成光电转换层和上接触层的步骤包括：
在所述下接触材料层表面形成光电转换材料层和上接触材料层的叠层；以及
刻蚀所述上接触材料层和所述光电转换材料层，形成所述光电转换层和所述上接触层。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，形成氮化硅波导的步骤包括：
在所述第二绝缘层表面沉积氮化硅材料层；以及
刻蚀所述氮化硅材料层，形成所述氮化硅波导。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述氮化硅材料层的厚度与所述光电转换层的厚度之差为所述光电转换层的厚度的-10％～10％。
本申请的有益效果在于：由SiN形成波导，因此，能提高光的传输效率；并且，SiN波导与光电转换层端面耦合，能提高光探测效率。
参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1是本申请实施例1的波导型光电探测器的一个立体示意图；
图2是图1的A-A’方向观察的一个截面示意图；
图3是本申请实施例2的波导型光电探测器的制造方法的一个示意图；
图4的(a)-图4的(d)是本申请实施例2中各步骤对应的器件截面图。
具体实施方式
参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。
在本申请各实施例的说明中，为描述方便，将平行于衬底的第一绝缘层的主表面的方向称为“横向”，将垂直于衬底的第一绝缘层的主表面的方向称为“纵向”，其中，各部件的“厚度”是指该部件在“纵向”的尺寸。
实施例1
本申请实施例提供一种波导型光电探测器。
图1是本实施例的波导型光电探测器的一个立体示意图，图2是图1的A-A’方向观察的一个截面示意图。
如图1和图2所示，该波导型光电探测器1包括：
位于衬底11表面的第一绝缘层12；位于第一绝缘层12表面的下接触层13；位于下接触层13表面的光电转换层14，光电转换层14的材料包含锗(Ge)；位于光电转换层14表面的上接触层15；形成于第一绝缘层12上方的氮化硅波导16，氮化硅(SiN)波导16在平行于衬底11表面的横向上延伸，并且，在该横向上，氮化硅波导的16一个端部161与光电转换层14连接。
在本实施例中，氮化硅波导16传递的光通过该端部161入射到光电转换层14，并在光电转换层14中生成光电流。
根据本实施例，由SiN形成波导，并且波导与光电转换层端面耦合。由于SiN波导在近红外乃至中红外波段具有极低的传输损耗，并能实现与光纤或硅波导的低损耗耦合，因此，能提高光的传输效率；并且，SiN波导与Ge光电转换层之间能形成高质量的SiN/Ge界面，从而提高光探测效率。
在本实施例中，下接触层13可以是包含硅和/或锗的掺杂层，例如，为重掺杂的P型层或重掺杂的N型层。
在本实施例中，第一绝缘层12例如可以是氧化硅，衬底11例如可以是硅。
在本实施例中，可以对绝缘体上的硅(SOI)进行加工，将SOI的顶层硅加工为下接触层13，将SOI的埋氧层作为第一绝缘层12，并将SOI的衬底硅作为衬底11。此外，本实施例也可以不限于此，例如，可以将体硅作为衬底11，在体硅表面形成绝缘层作为第一绝缘层12，在第一绝缘层12表面通过沉积或键合等方法形成硅材料层，对该硅材料层进行加工以形成下接触层13。
如图1和图2所示，该波导型光电探测器1还可以包括：形成于第一绝缘层12表面，且在横向上围绕下接触层13的第二绝缘层17。其中，氮化硅波导16形成于第二绝缘层17表面。
在本实施例中，第二绝缘层17的厚度与下接触层13的厚度之差为下接触层13的厚度的-10％～10％，由此，在第二绝缘层17的表面设置氮化硅波导16时，能够使氮化硅波导16的下表面与下接触层13的下表面齐平。
在本实施例中，氮化硅波导16的厚度与光电转换层14的厚度之差为光电转换层14的厚度的-10％～10％，由此，便于氮化硅波导16传输的光通过端面161耦合进入光电转换层14，提高了光的耦合效率。此外，氮化硅波导16该端部161的横向位置可以与光电转换层14的横向的中心位置对齐，由此，进一步提高光的耦合效率。
在本实施例中，光电转换层14的横向尺寸小于下接触层13的横向尺寸，由此，下接触层13有部分不被光电转换14遮挡，该不被遮挡的部分的表面可以设置与下接触层13接触的电极。
例如，如图1和图2所示，第一电极18可以位于光电转换层14两侧，并且，第一电极18可以被设置在下接触层13的表面，并与下接触层13接触；第二电极19可以与上接触层15接触。
此外，如图2所示，第二绝缘层17还可以覆盖上接触层15的一部分，以及光电转换层14和上接触层15的侧壁。
在本实施例中，光电转换层14可以是锗(Ge)的非掺杂层或锗锡(GeSn)的非掺杂层，即，光电转换层14可以是锗(Ge)的本征层或锗锡(GeSn)的本征层。对于光电转换层14，通过在Ge中掺入Sn，能够增大光电转换层14的吸收效率并拓宽光电转换层14的探测范围，例如，S内的组分可以是0～40％。
在本实施例中，上接触层15可以是锗(Ge)的掺杂层或锗锡(GeSn)的掺杂层。上接触层15的掺杂类型与下接触层13的掺杂类型相反。例如，上接触层15为P型重掺杂，下接触层13为N型重掺杂；或者，上接触层15为N型重掺杂，下接触层13为P型重掺杂。
第一绝缘层和第二绝缘层例如都是氧化硅。
在本实施例中，光可以通过光纤-SiN波导耦合器进入SiN波导16或者通过Si波导-SiN波导耦合器进入SiN波导16，并通过SiN波导16的端部直接耦合进入光电转换层14。本实施例的氮化硅波导集成的光电探测器可以与波导光路集成，更易实现通信波段低暗电流，低电容和高响应度光电探测器制备。
本实施例的波导型光电探测器具有如下优点：第一，与传统的垂直入射锗探测器相比，基于波导结构的光电探测器能避免光探测器速率和量子效率间相互制约的问题，且容易与其他无源光器件集成；第二，与消逝波耦合型波导探测器相比，本实施例的基于端面耦合的波导型探测器具有更高的吸收效率；第三，SiN波导在近红外乃至中红外波段具有极低的传输损耗，并能实现与光纤或硅波导的低损耗耦合；第四，SiN波导端面与光电转换层端面形成质量良好的界面，提高了光的耦合效率。
实施例2
实施例2提供一种波导型光电探测器的制造方法，用于制造实施例1所述的波导型光电探测器。
图3是本实施例的波导型光电探测器的制造方法的一个示意图，如图3所示，在本实施例中，该制造方法可以包括：
步骤301、在衬底11表面的第一绝缘层12表面形成下接触材料层13a；
步骤302、在下接触材料层13a表面形成光电转换层14，并在光电转换层14表面形成上接触层15，其中，光电转换层14的材料包含锗(Ge)；
步骤303、刻蚀下接触材料层13a，以形成下接触层13；
步骤304、在第一绝缘层12表面形成围绕所述下接触层13的第二绝缘层17；
步骤305、在第二绝缘层17表面形成氮化硅波导16，氮化硅波导16在平行于衬底表面的横向上延伸，并且，在该横向上，氮化硅波导16的一个端部161与光电转换层14连接。
在本实施例中，氮化硅波导16传递的光入射到光电转换层14，并在光电转换层14中生成光电流。
在本实施例中，步骤302可以包括：
步骤3021、在下接触材料层13a表面形成光电转换材料层14a和上接触材料层15a的叠层，其中，光电转换材料层14a是非掺杂的材料层，上接触材料层15a是掺杂的材料层；以及
步骤3022、刻蚀上接触材料层15a和光电转换材料层14a，形成光电转换层14和上接触层15，其中，上接触层15和光电转换层14形成台面。
在本实施例中，步骤305的形成氮化硅波导的步骤可以包括：
步骤3051、在第二绝缘层17表面沉积氮化硅材料层16a；
步骤3052、刻蚀氮化硅材料层16a，形成氮化硅波导。
在本实施例的上述步骤3051中，氮化硅材料层16a的厚度与光电转换层14的厚度之差为光电转换层14的厚度的-10％～10％。
下面，结合一个具体的实例来说明本申请的波导型光电探测器的制造方法。
图4是该实例中各步骤对应的器件截面图，如图4所示，在该实例中，波导型光电探测器的制造方法包括如下步骤：
步骤1：对衬底11表面的第一绝缘层12的硅材料层进行离子注入及高温退火，使硅材料层成为下接触材料层13a，例如，下接触材料层13a是P型重掺杂；然后，在下接触材料层13a的表面外延生长锗(Ge)或锗锡(GeSn)材料层，并对该锗(Ge)或锗锡(GeSn)材料层的上部进行离子注入及高温退火，以将该锗(Ge)或锗锡(GeSn)材料层的上部制备成N型重掺杂层，由此，该锗(Ge)或锗锡(GeSn)材料层的下部(即，本征的部分)成为光电转换材料层14a，该锗(Ge)或锗锡(GeSn)材料层的上部(即，重掺杂的部分)成为上接触材料层15a。参见图4的(a)。
步骤2：对上接触材料层15a和光电转换材料层14a进行光刻和干法刻蚀，形成光电转换层14和上接触层15，其中，上接触层15和光电转换层14形成台面；并且，对露出的下接触材料层13a进行光刻及干法刻蚀，以形成下接触层13。参见图4的(b)。
步骤3：淀积SiO2作为第二绝缘层17；在第二绝缘层17表面淀积氮化硅材料层16a，其厚度与光电转换层14厚度相当；然后，对氮化硅材料层16a进行光刻并刻蚀从而制备SiN波导16，SiN波导16直接与Ge光电转换层14连接。参见图4的(c)。
步骤4：对第二绝缘层17进行光刻及刻蚀，以定义金属接触区域，然后淀积金属电极，并通过光刻和刻蚀形成第一电极和第二电极，从而完成器件制备参见图4的(d)。
根据本实施例，由SiN形成波导，并且波导与光电转换层端面耦合。由于SiN波导在近红外乃至中红外波段具有极低的传输损耗，并能实现与光纤或硅波导的低损耗耦合，因此，能提高光的传输效率；并且，SiN波导与Ge光电转换层之间能形成高质量的SiN/Ge界面，从而提高光探测效率。
以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。

Claims (5)

1.一种波导型光电探测器，包括：
位于衬底表面的第一绝缘层；
位于所述第一绝缘层表面的下接触层；
位于所述下接触层表面的光电转换层，所述光电转换层的材料包含锗(Ge)；
位于所述光电转换层表面的上接触层；
形成于所述第一绝缘层表面，且在横向上围绕所述下接触层的第二绝缘层；以及
形成于所述第二绝缘层表面的氮化硅波导，所述氮化硅波导在平行于所述衬底表面的横向上延伸，并且，在所述横向上，所述氮化硅波导的一个端部与所述光电转换层连接，
所述氮化硅波导传递的光入射到所述光电转换层，并在所述光电转换层中生成光电流，
所述第二绝缘层的厚度与所述下接触层的厚度之差为所述下接触层的厚度的-10％～10％，
所述氮化硅波导的厚度与所述光电转换层的厚度之差为所述光电转换层的厚度的-10％～10％。
2.如权利要求1所述的波导型光电探测器，
所述光电转换层的横向尺寸小于所述下接触层的横向尺寸。
3.如权利要求1所述的波导型光电探测器，
所述下接触层是包含硅和/或锗的掺杂层，
所述光电转换层是锗(Ge)的非掺杂层或锗锡(GeSn)的非掺杂层，
所述上接触层是锗(Ge)的掺杂层或锗锡(GeSn)的掺杂层。
4.一种波导型光电探测器的制造方法，包括：
在衬底表面的第一绝缘层表面形成下接触材料层；
在所述下接触材料层表面形成光电转换层，并在所述光电转换层表面形成上接触层，所述光电转换层的材料包含锗(Ge)；
刻蚀所述下接触材料层，以形成下接触层；
在所述第一绝缘层表面形成围绕所述下接触层的第二绝缘层；以及
在所述第二绝缘层表面形成氮化硅波导，所述氮化硅波导在平行于所述衬底表面的横向上延伸，并且，在所述横向上，所述氮化硅波导的一个端部与所述光电转换层连接，
其中，所述氮化硅波导传递的光入射到所述光电转换层，并在所述光电转换层中生成光电流，
其中，形成氮化硅波导的步骤包括：
在所述第二绝缘层表面沉积氮化硅材料层；以及
刻蚀所述氮化硅材料层，形成所述氮化硅波导，
所述第二绝缘层的厚度与所述下接触材料层的厚度之差为所述下接触材料层的厚度的-10％～10％，
所述氮化硅材料层的厚度与所述光电转换层的厚度之差为所述光电转换层的厚度的-10％～10％。
5.如权利要求4所述的波导型光电探测器的制造方法，其中，形成光电转换层和上接触层的步骤包括：
在所述下接触材料层表面形成光电转换材料层和上接触材料层的叠层；以及
刻蚀所述上接触材料层和所述光电转换材料层，形成所述光电转换层和所述上接触层。
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