CN111211182A - 一种波导型光电探测器及其制造方法 - Google Patents
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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：位于衬底表面的绝缘层；位于所述绝缘层表面的硅波导；位于所述绝缘层表面的硅光电倍增区，其连接于所述硅波导的末端；以及位于所述硅光电倍增区的至少部分表面的光电转换层，其中，所述光电转换层的材料为锗锡(GeSn)，所述硅波导传递的光通过消逝波耦合进入所述光电转换层，并在所述光电转换层中生成光电流，所述硅光电倍增区将所述光电流进行放大。根据本实施例，能够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，并且，该光电探测器由于具有使电流倍增的光点倍增区，因而具备大的光电流放大倍数和高的灵敏度。
Description
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
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
在现有技术中，基于GeSn的红外探测器存在一些不足，例如：对于光线垂直入射到吸收层的探测器而言，存在光探测器速率和量子效率间相互制约的问题；或者，光电探测器内部缺少增益机制，导致光电探测器的响应度较低。
本申请实施例提供一种波导型光电探测器及其制造方法，在衬底的绝缘层表面形成波导型光电探测器，该光电探测器由于具有波导结构，能够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，并且，该光电探测器由于具有使电流倍增的光点倍增区，因而具备大的光电流放大倍数和高的灵敏度。
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：位于衬底表面的绝缘层；位于所述绝缘层表面的硅波导；位于所述绝缘层表面的硅光电倍增区，其连接于所述硅波导的末端；以及位于所述硅光电倍增区的至少部分表面的光电转换层，其中，所述光电转换层的材料为锗锡(GeSn)，所述硅波导传递的光通过消逝波耦合进入所述光电转换层，并在所述光电转换层中生成光电流，所述硅光电倍增区将所述光电流进行放大。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述硅光电倍增区包括：在所述绝缘层表面横向设置的P型掺杂区、倍增区和N型掺杂区，其中，所述倍增区位于所述P 型掺杂区和所述N型掺杂区之间。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述倍增区的数量为2个以上，其中，所述P型掺杂区位于2个所述倍增区之间。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述光电转换层位于所述P型掺杂区表面。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述光电转换层包括吸收层和位于所述吸收层表面的接触层，其中，所述吸收层的材料为Ge(1-x)Snx，0<x<0.4，所述接触层的材料为P型掺杂的锗锡(GeSn)。
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：
在衬底的绝缘层表面形成硅波导和硅光电倍增区，所述硅光电倍增区连接于所述硅波导的末端；以及在所述硅光电倍增区的至少部分表面形成光电转换层，所述光电转换层的材料为锗锡(GeSn)，其中，所述硅波导传递的光通过消逝波耦合进入所述光电转换层，并在所述光电转换层中生成光电流，所述硅光电倍增区用于将所述光电流进行放大。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述硅光电倍增区包括：在所述绝缘层表面横向设置的P型掺杂区、倍增区和N型掺杂区，所述倍增区位于所述P型掺杂区和所述N型掺杂区之间，并且，所述P型掺杂区、所述倍增区和所述N型掺杂区的材料为硅。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，在所述硅光电倍增区的至少部分表面形成光电转换层包括：
采用选择性外延方法，在所述P型掺杂区表面形成所述光电转换层。
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：
在位于绝缘层表面的硅材料中形成P型掺杂区；
在包括所述P型掺杂区的硅材料表面沉积光电转换材料，并刻蚀所述光电转换材料，露出所述硅材料，其中，保留的所述光电转换材料形成光电转换层，所述光电转换层的材料为锗锡(GeSn)；
刻蚀露出的所述硅材料，形成硅波导和硅光电倍增区，所述硅光电倍增区连接于所述硅波导的末端；以及
在所述硅光电倍增区中形成N型掺杂区，所述P型掺杂区和所述N型掺杂区之间形成为倍增区。
本申请的有益效果在于：在衬底的绝缘层表面形成波导型光电探测器，该光电探测器由于具有波导结构，能够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，并且，该光电探测器由于具有使电流倍增的光点倍增区，因而具备大的光电流放大倍数和高的灵敏度。
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；
图5是本申请实施例3的波导型光电探测器的制造方法的一个示意图；
图6的(a)-图6的(d)是本申请实施例3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，将平行于衬底的绝缘层的主表面的方向称为“横向”，将垂直于衬底的绝缘层的主表面的方向称为“纵向”。
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表面的绝缘层12；位于绝缘层12表面的硅波导13(图2未示出)；位于绝缘层12表面的硅光电倍增区14，其连接于硅波导13的末端131(图2未示出)；位于硅光电倍增区14的至少部分表面的光电转换层15，其中，光电转换层15的材料中包含锗(Ge)，例如，锗锡(GeSn)。
在本实施例中，硅波导13传递的光通过消逝波耦合进入光电转换层15，并在光电转换层15中生成光电流，硅光电倍增区14例如可以形成雪崩倍增放大器，从而能够将光电流放大。
根据本实施例，与传统III-V族、II-VI族红外探测器相比，由于本实施例采用IV族的GeSn材料作为吸收层，因而能够与现有CMOS工艺兼容；此外，与垂直入射的探测器相比，本实施例的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；此外，本申请采用吸收电荷倍增分离雪崩光电探测器结构，与传统的光电探测器相比，有着大的光电流放大倍数和高的灵敏度。
在本实施例中，硅波导13和硅光电倍增区14的材料都是硅。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的顶层硅加工为硅波导13和硅光电倍增区14，将SOI的埋氧层作为绝缘层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绝缘层12，在绝缘层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硅波导13和硅光电倍增区14。
如图2所示，硅光电倍增区14可以包括：在绝缘层12表面横向设置的P型掺杂区141、倍增区142和N型掺杂区143。在本实施例中，倍增区142位于P型掺杂区 121和N型掺杂区143之间，并且，P型掺杂区141、倍增区142和N型掺杂区143 的材料为硅。其中，倍增区142可以是本征区，N型掺杂区143可以是重掺杂区。由此，硅光电倍增区14可以形成雪崩二极管。
如图2所示，倍增区142的数量可以为2个以上，其中，P型掺杂区141位于2 个倍增区142之间，2个倍增区142的外侧可以各形成有1个N掺杂区，由此，在P 型掺杂区141的两侧可以分别形成雪崩二极管，从而提高电流的放大能力。
如图2所示，光电转换层15可以位于P型掺杂区141的表面。该光电转换层15 可以包括：吸收层151和位于吸收层151表面的接触层152。其中，吸收层151的材料为Ge(1-x)Snx，0<x<0.4，该吸收层151例如可以是本征的Ge(1-x)Snx；接触层152的材料为P型掺杂的锗锡(GeSn)，例如，P型重掺杂的锗锡。
在本实施例中，接触层152的表面可以形成第一电极16，光电倍增区的N型掺杂区表面还可以形成第二电极17，第一电极16和第二电极17可以是相同的导体材料或不同的导体材料，例如，第一电极16和第二电极17都是铝(Al)。
在本实施例中，硅波导13和硅光电倍增区14连接为一体，光电转换层15位于硅光电倍增区14的表面，由此，进入硅波导13的光通过硅波导13传输到硅光电倍增区14，在硅光电倍增区14和光电转换层15的界面通过消逝波耦合进入光电转换层15，并在光电转换层15中产生光电流，光电流通过硅光电倍增区14被放大，并从第二电极17被导出。
根据本实施例，采用IV族的GeSn材料作为吸收层，因而能够与现有CMOS工艺兼容；此外，由于具有硅波导，该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；此外，本申请的硅光电倍增区能够对光电流进行放大，从而提高光电探测器的灵敏度。
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、在衬底的绝缘层表面形成硅波导和硅光电倍增区，所述硅光电倍增区连接于所述硅波导的末端；以及
步骤302、在所述硅光电倍增区的至少部分表面形成光电转换层，所述光电转换层的材料为锗锡(GeSn)。
在本实施例中，硅波导传递的光通过消逝波耦合进入该光电转换层，并在该光电转换层中生成光电流，该硅光电倍增区用于将该光电流进行放大。
在本实施例中，硅光电倍增区包括：在所述绝缘层表面横向设置的P型掺杂区、倍增区和N型掺杂区，其中，所述倍增区位于所述P型掺杂区和所述N型掺杂区之间，并且，所述P型掺杂区、所述倍增区和所述N型掺杂区的材料为硅。
在本实施例的步骤302中，采用选择性外延方法，在P型掺杂区表面形成该光电转换层。
在本实施例中，采用从下到上的制造顺序形成硅波导、硅光电倍增区以及光电转换层。
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：通过光刻及干法刻蚀在SOI衬底的顶层硅上制备硅波导，例如，硅波导宽度d1(如图1所示)为500nm，硅波导的端部宽度d2为10um。在该步骤中，还通过光刻定义N型掺杂区范围，采用离子注入及高温退火方法制备N型掺杂区制备，如图4的(a)所示。
步骤2：通过光刻定义P型掺杂区的范围，采用离子注入及高温退火方法制备P 型掺杂区，如图4的(b)所示。
步骤3：通过硬掩模定义的光电转换层的范围，采用选择性外延方法生长GeSn 作为吸收层，如图4的(c)所示；其中，硬掩模例如可以是二氧化硅，外延方法例如是化学气相沉积(CVD)。
步骤4：采用CVD方法，在吸收层表面选择性外延生长P型掺杂的锗锡作为P 型掺杂层；随后在P型掺杂层和N型掺杂区的表面淀积SiO2保护层，并通过光刻及刻蚀方法定义P型掺杂层与第一电极的接触区域，以及N型掺杂区与第二电极的接触区域；然后淀积金属Al，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，如图4的(d)所示。
根据本实施例，采用IV族的GeSn材料作为吸收层，因而能够与现有CMOS工艺兼容；此外，由于具有硅波导，该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；此外，本申请的硅光电倍增区能够对光电流进行放大，从而提高光电探测器的灵敏度。
实施例3
实施例3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5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5所示，在本实施例中，该制造方法可以包括：
步骤501、在位于绝缘层表面的硅材料中形成P型掺杂区；
步骤502、在包括所述P型掺杂区的硅材料表面沉积光电转换材料，并刻蚀所述光电转换材料，露出所述硅材料，其中，保留的所述光电转换材料形成光电转换层，所述光电转换层的材料为锗锡(GeSn)；
步骤503、刻蚀露出的所述硅材料，形成硅波导和硅光电倍增区，所述硅光电倍增区连接于所述硅波导的末端；以及
步骤504、在所述光电倍增区中形成N型掺杂区，所述P型掺杂区和所述N型掺杂区之间形成为倍增区。
在本实施例中，硅波导传递的光通过消逝波耦合进入所述光电转换层，并在所述光电转换层中生成光电流，所述硅光电倍增区用于将所述光电流进行放大。
在本实施例中，采用从上到下的制造顺序形成光电转换层以及硅波导、硅光电倍增区。
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6是该实例中各步骤对应的器件截面图，如图6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：通过光刻在SOI衬底的顶层硅上定义P型掺杂区的范围，采用离子注入及高温退火方法形成P型掺杂区；采用CVD方法，在顶层硅表面外延生长GeSn吸收层及GeSn P型掺杂层，参见图6的(a)。
步骤2：通过光刻及刻蚀制备GeSn吸收区台面，刻蚀至顶层硅层，参见图6的 (b)。
步骤3：采用光刻及刻蚀形成硅波导，波导宽度为500nm，波导端部的宽度为10um；通过光刻定义硅光电倍增区的N型掺杂区的范围，采用离子注入及高温退火方法制备N型掺杂区，参见图6的(c)。
步骤4：在吸收层表面的P型掺杂层和硅光电倍增区的N型掺杂区的表面淀积 SiO2保护层，并通过光刻及刻蚀方法定义P型掺杂层与第一电极的接触区域，以及N 型掺杂区与第二电极的接触区域；然后淀积金属Al，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，如图6的(d)所示。
根据本实施例，采用IV族的GeSn材料作为吸收层，因而能够与现有CMOS工艺兼容；此外，由于具有硅波导，该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；此外，本申请的硅光电倍增区能够对光电流进行放大，从而提高光电探测器的灵敏度。
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 (9)
1.一种波导型光电探测器，包括：
位于衬底表面的绝缘层；
位于所述绝缘层表面的硅波导；
位于所述绝缘层表面的硅光电倍增区，其连接于所述硅波导的末端；以及
位于所述硅光电倍增区的至少部分表面的光电转换层，
其中，所述光电转换层的材料为锗锡(GeSn)，
所述硅波导传递的光通过消逝波耦合进入所述光电转换层，并在所述光电转换层中生成光电流，
所述硅光电倍增区将所述光电流进行放大。
2.如权利要求1所述的波导型光电探测器，其中，
所述硅光电倍增区包括：在所述绝缘层表面横向设置的P型掺杂区、倍增区和N型掺杂区，
其中，所述倍增区位于所述P型掺杂区和所述N型掺杂区之间。
3.如权利要求2所述的波导型光电探测器，其中，
所述倍增区的数量为2个以上，其中，所述P型掺杂区位于2个所述倍增区之间。
4.如权利要求3所述的波导型光电探测器，其中，
所述光电转换层位于所述P型掺杂区表面。
5.如权利要求2所述的波导型光电探测器，其中，
所述光电转换层包括吸收层和位于所述吸收层表面的接触层，
其中，所述吸收层的材料为Ge(1-x)Snx，0<x<0.4，
所述接触层的材料为P型掺杂的锗锡(GeSn)。
6.一种波导型光电探测器的制造方法，包括：
在衬底的绝缘层表面形成硅波导和硅光电倍增区，所述硅光电倍增区连接于所述硅波导的末端；以及
在所述硅光电倍增区的至少部分表面形成光电转换层，所述光电转换层的材料为锗锡(GeSn)，
其中，所述硅波导传递的光通过消逝波耦合进入所述光电转换层，并在所述光电转换层中生成光电流，所述硅光电倍增区用于将所述光电流进行放大。
7.如权利要求6所述的波导型光电探测器，其中，
所述硅光电倍增区包括：在所述绝缘层表面横向设置的P型掺杂区、倍增区和N型掺杂区，
其中，所述倍增区位于所述P型掺杂区和所述N型掺杂区之间，
并且，所述P型掺杂区、所述倍增区和所述N型掺杂区的材料为硅。
8.如权利要求7所述的波导型光电探测器的制造方法，其中，在所述硅光电倍增区的至少部分表面形成光电转换层包括：
采用选择性外延方法，在所述P型掺杂区表面形成所述光电转换层。
9.一种波导型光电探测器的制造方法，包括：
在位于绝缘层表面的硅材料中形成P型掺杂区；
在包括所述P型掺杂区的硅材料表面沉积光电转换材料，并刻蚀所述光电转换材料，露出所述硅材料，其中，保留的所述光电转换材料形成光电转换层，所述光电转换层的材料为锗锡(GeSn)；
刻蚀露出的所述硅材料，形成硅波导和硅光电倍增区，所述硅光电倍增区连接于所述硅波导的末端；以及
在所述硅光电倍增区中形成N型掺杂区，所述P型掺杂区和所述N型掺杂区之间形成为倍增区，
其中，所述硅波导传递的光通过消逝波耦合进入所述光电转换层，并在所述光电转换层中生成光电流，所述硅光电倍增区用于将所述光电流进行放大。
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