CN111834473A - 一种基于lnoi光子平台的硅光探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LNOI光子平台的硅光探测器及其制备方法，包括设于绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜、单晶硅层和电极，所述绝缘体衬底包括支撑衬底层和光绝缘层，所述支撑衬底层设于所述光绝缘层的一侧，所述铌酸锂薄膜设于所述光绝缘层的另一侧，所述铌酸锂薄膜的另一侧设有所述单晶硅层，在所述单晶硅层上设有所述电极。相对于现有技术，本发明提出的基于LNOI光子平台的硅光探测器及其制备方法，由于硅为单晶硅，材料中的缺陷极少，大大提高了光生载流子的收集效率，所制备的器件具有高响应率，低电容，低暗电流和高灵敏度的优点，同时离子束剥离制备的单晶硅层厚度均匀性极好，器件性能稳定，具有极大应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料技术领域，尤其涉及一种基于LNOI光子平台的硅光探测器及其制备方法。
背景技术
在单个芯片上集成各种光子组件(包括光源和探测器)是实现密集光子集成电路(Photonic Integrated Circuit，PIC)的关键途径。这些不仅对于数据和电信领域的传统应用，而且对于在成像，计量学，生物传感，纳米医学和量子光学中的应用，同时这些应用通常需要在可见波长范围内进行操作。
而近数十年来，铌酸锂(LiNbO3，LN)由于其较大的二阶电光系数(χ2)和出色的宽带光学透明度(400nm–4000nm)被认为是最佳的光学材料。最近，绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜(LithiumNiobate on Insulator，LNOI)已经实现商业化，结合纳米制造技术的进展，已经实现了电信领域的超低损耗波导和高性能电光器件的实现，将光探测器(以及最终的激光源)与LNOI光子平台集成是一个重要的步骤，这可以使得使用LNOI作为新型光子集成电路平台实现复杂的功能。当前，已经有人探索了将探测器与铌酸锂集成在一起的可能，有使用传统的基于单晶体材料的，使用离子扩散技术制备的光学模场尺寸较大的LN波导，这导致了较大的探测器面积，从而限制了光电探测器的响应时间。
此外还有2019年哈佛大学课题组制备的基于LNOI衬底上沉积非晶硅来实现上述光电探测器的制备，但由于作为吸收光子的材料层——非晶硅的缺陷较多，使得所得到的器件有较大的暗电流，响应率等关键性能有所欠缺。
有鉴于此，有必要提供一种基于LNOI光子平台的硅光探测器及其制备方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于LNOI光子平台的硅光探测器及其制备方法，由于硅为单晶硅，材料中的缺陷极少，大大提高了光生载流子的收集效率，所制备的器件具有高响应率，低电容，低暗电流和高灵敏度的优点，同时离子束剥离制备的单晶硅层厚度均匀性极好，器件性能稳定，具有极大应用前景。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于LNOI光子平台的硅光探测器，包括设于绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜、单晶硅层和电极，所述绝缘体衬底包括支撑衬底层和光绝缘层，所述支撑衬底层设于所述光绝缘层的一侧，所述铌酸锂薄膜设于所述光绝缘层的另一侧，所述铌酸锂薄膜的另一侧设有所述单晶硅层，在所述单晶硅层上设有所述电极。
可选的，所述光绝缘层的厚度大于或等于2um。
可选的，所述单晶硅层的厚度大于或等于100nm。
可选的，所述单晶硅层的表面粗糙度小于1nm。
另一方面，本发明还提供一种基于LNOI光子平台的硅光探测器的制备方法，所述方法用于制备上述的一种基于LNOI光子平台的硅光探测器，所述方法包括：
提供一设于绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜和具有注入面的单晶硅晶片；
对所述单晶硅晶片的所述注入面进行离子注入，使得注入离子到达预设深度并在预设深度处形成损伤层，得到具有损伤层且在损伤层上方形成单晶硅层的单晶硅晶片；
将所述单晶硅晶片的所述注入面与所述设于绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜的一侧进行键合，得到第一晶圆；
将所述第一晶圆进行退火处理，以使得所述第一晶圆沿着所述损伤层剥离，得到具有单晶硅薄膜和以设于绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜作为衬底的第二晶圆；
对所述第二晶圆进行刻蚀处理和金属沉积工艺处理，得到基于LNOI光子平台的硅光探测器。
可选的，所述对所述单晶硅晶片的所述注入面进行离子注入中，具体地，所述离子注入的能量范围为1keV～2000keV，所述离子注入的剂量的范围为1×1016cm-2～1.5×1017cm-2。
可选的，所述将所述第一晶圆进行退火处理，以使得所述第一晶圆沿着所述损伤层剥离，得到具有单晶硅薄膜和以设于绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜作为衬底的第二晶圆之后还包括：
对所述第二晶圆进行后处理，所述后处理包括后退火处理或表面处理中的一种或两种。
可选的，所述后退火处理的温度范围为300℃～700℃，所述后退火处理的时长范围为1h～12h，所述后退火处理具体采用的气氛环境为：氮气、氧气、富Li气氛、真空或氩气。
可选的，所述刻蚀处理包括干法刻蚀或湿法刻蚀。
可选的，所述金属沉积工艺处理包括电子束蒸发和磁控溅射镀膜。
实施本发明，具有如下有益效果：
1、本发明提出了一种基于LNOI光子平台的硅光探测器及其制备方法，由于硅为单晶硅，材料中的缺陷极少，大大提高了光生载流子的收集效率；
2、本发明是基于MSM(金属-半导体-金属)结的光电探测器，由于不需要掺杂剂的注入，相比于其他基于PN或PIN结的光电探测器较容易实现，且具有很高的操作速度；
3、由于采用MSM结构，所制备的器件具有高响应率，低电容，低暗电流和高灵敏度的优点，同时离子束剥离制备的单晶硅层厚度均匀性极好，器件性能稳定，具有极大应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它附图。
图1是本发明实施例提供的离子注入过程及具有损伤层的单晶硅晶片的示意图。
图2是本发明实施例提供的第一晶圆的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的第二晶圆的结构示意图。
图4是本发明实施例提供的基于LNOI光子平台的硅光探测器的结构示意图。
图5是本发明实施例提供的基于LNOI光子平台的硅光探测器的制备方法的步骤流程图。
图6是本发明实施例提供的单晶硅层厚度与金属电极层吸收能量占比以及单晶硅层厚度与TE膜吸收长度的关系示意图。
图7是本发明实施例提供的基于LNOI光子学平台上的硅光探测器横截面的光场分布图。
其中，图中附图标记对应为：
1-铌酸锂薄膜，2-单晶硅层，3-电极，4-光绝缘层，5-支撑衬底层，6-损伤层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述。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作出创造性劳动的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。
本发明的目的在于提供一种基于LNOI光子平台的硅光探测器及其制备方法，由于硅为单晶硅，材料中的缺陷极少，大大提高了光生载流子的收集效率，所制备的器件具有高响应率，低电容，低暗电流和高灵敏度的优点，同时离子束剥离制备的单晶硅层厚度均匀性极好，器件性能稳定，具有极大应用前景。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
本发明提供了一种基于LNOI光子平台的硅光探测器，参阅图4，包括设于绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜1、单晶硅层2和电极3，绝缘体衬底包括支撑衬底层5和光绝缘层4，支撑衬底层5设于光绝缘层4的一侧，铌酸锂薄膜1设于光绝缘层4的另一侧，铌酸锂薄膜1的另一侧设有单晶硅层2，在单晶硅层2上设有电极3。本发明提出的基于LNOI光子平台的硅光探测器，由于硅为单晶硅，材料中的缺陷极少，大大提高了光生载流子的收集效率，且本发明是基于MSM(金属-半导体-金属)结的光电探测器，由于不需要掺杂剂的注入，相比于其他基于PN或PIN结的光电探测器较容易实现。
进一步地，光绝缘层4的厚度大于或等于2um。过薄的光绝缘层厚度会影响光在铌酸锂层的传播，即部分光可能会泄露至衬底(硅)中。本实施例中，光绝缘层的厚度为2um，在其他实施例中，光绝缘层的厚度可以为其他大于或等于2um的厚度。
进一步地，单晶硅层2的厚度大于或等于100nm。单晶硅层的厚度很大程度上决定了器件的性能。非常厚的单晶硅层可确保有效吸收所有在波导中传播的光能量，但会造成载流子的复合，难以有效收集并传输光电子，另一方面，如果使用非常薄的单晶硅层，则光场可能会与金属电极显着重叠，从而可能导致不希望的欧姆损耗。单晶硅层的厚度需要考虑光探测器的效率，即太薄的硅难以尽可能地吸收自铌酸锂薄膜层传导的光信号，无法实现光生载流子，从而产生电信号。本实施例中，单晶硅层的厚度为100nm，在其他实施例中，单晶硅层的厚度可以为其他大于或等于100nm的厚度。
进一步地，单晶硅层2的表面粗糙度小于1nm。
另一方面，参阅图1-图5，本发明提供了一种基于LNOI光子平台的硅光探测器的制备方法，所述方法用于制备上述的一种基于LNOI光子平台的硅光探测器，所述方法包括：
S1.提供一设于绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜和具有注入面的单晶硅晶片；
S3.对所述单晶硅晶片的所述注入面进行离子注入，使得注入离子到达预设深度并在预设深度处形成损伤层，得到具有损伤层且在损伤层上方形成单晶硅层的单晶硅晶片；
S5.将所述单晶硅晶片的所述注入面与所述设于绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜的一侧进行键合，得到第一晶圆；
S7.将所述第一晶圆进行退火处理，以使得所述第一晶圆沿着所述损伤层剥离，得到具有单晶硅薄膜和以设于绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜作为衬底的第二晶圆；
S9.对所述第二晶圆进行刻蚀处理和金属沉积工艺处理，得到基于LNOI光子平台的硅光探测器。
通过离子注入与键合技术，将绝缘体上铌酸锂薄膜与进行了离子注入的单晶硅衬底键合，通过加热等方式促使进行了离子注入的硅在损伤层处，得到顶层薄膜硅-绝缘体上铌酸锂薄膜衬底。基于上述衬底，利用传统刻蚀、金属沉积工艺及图案化等后处理工艺，得到金属电极，最终得到基于LNOI光子平台的硅光探测器。其中，离子注入的预设深度与所需制备的单晶硅层厚度相关，具体的，离子注入的预设深度等于所需制备的单晶硅层厚度。
单晶硅层的厚度很大程度上决定了器件的性能。非常厚的单晶硅层可确保有效吸收所有在波导中传播的光能量，但会造成载流子的复合，难以有效收集并传输光电子，另一方面，如果使用非常薄的单晶硅层，则光场可能会与金属电极显着重叠，从而可能导致不希望的欧姆损耗。单晶硅层的厚度需要考虑光探测器的效率，即太薄的硅难以尽可能地吸收自铌酸锂薄膜层传导的光信号，无法实现光生载流子，从而产生电信号。
进一步地，对单晶硅晶片的注入面进行离子注入中，离子注入的能量范围为1keV～2000keV，离子注入的剂量范围为1×1016cm-2～1.5×1017cm-2。由于不需要掺杂剂的注入，相比于其他基于PN或PIN结的光电探测器较容易实现。本实施例中利用离子束剥离制备该厚度的硅使用的注入条件为室温下注入能量为10KeV、剂量为4e16的H离子，在其他实施例中，可采用其他满足条件的进行离子注入，如在注入的能量的范围为1keV～2000keV、注入的剂量范围为1×1016cm-2～1.5×1017cm-2之内进行离子注入。
进一步地，所述将所述第一晶圆进行退火处理，以使得所述第一晶圆沿着所述损伤层剥离，得到具有单晶硅薄膜和以设于绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜作为衬底的第二晶圆之后还包括：对所述第二晶圆进行后处理，所述后处理包括后退火处理或表面处理中的一种或两种。在得到上述第二晶圆即顶层硅薄膜-绝缘体上铌酸锂薄膜衬底后，需要对铌酸锂薄膜和支撑衬底进行后处理。表面处理包括表面粗糙度处理，进行表面粗糙度处理的方法为晶圆级绝缘体上硅的化学机械抛光，完成后其表面粗糙度低于1nm。离子束剥离制备的单晶硅层厚度均匀性极好，器件性能稳定，具有极大应用前景。
进一步地，后退火处理的温度范围为300℃～700℃，后退火处理的时长范围为1h～12h，后退火处理具体采用的气氛环境为：氮气、氧气、富Li气氛、真空或氩气。本实施例中，采用的后退火温度为550℃，后退火的时长约为6h，后退火的气氛环境为氮气，实现单晶Si薄膜的制备。在其他实施例中可采用其他的后退火温度、时长，也可在其他气氛环境下进行后退火处理。
进一步地，刻蚀处理包括干法刻蚀或湿法刻蚀。金属沉积工艺处理包括电子束蒸发和磁控溅射镀膜。通过将第二晶圆进行刻蚀处理和金属沉积工艺处理后，进行图案化处理得到金属电极。本实施例中，采用干法刻蚀进行刻蚀处理，通过采用磁控溅射镀膜进行金属沉积工艺处理，在其他实施例中可采用其他的刻蚀方法及其他的金属沉积工艺进行处理。
图6为单晶硅层厚度与金属电极层吸收能量占比以及单晶硅层厚度与TE膜吸收长度的关系示意图。其中，图中的单晶硅硅层厚度为100nm，光绝缘层厚度为2um，铌酸锂层的厚度为300nm。从图中可以看出，当硅的厚度大于或等于100nm时，金属层吸收的能量较少，单晶硅层所吸收的能量占绝大部分，且所需的吸收长度较短。因此，单晶硅的厚度应大于或等于100nm。单晶硅层的厚度需要考虑光探测器的效率，即太薄的硅难以尽可能地吸收自铌酸锂薄膜层传导的光信号，无法实现光生载流子，从而产生电信号。
图7为通过采用本发明提出的基于LNOI光子学平台上的硅光探测器进行仿真，得到的该硅光探测器的横截面上的光场分布图，其中，硅光探测器的单晶硅层厚度与光绝缘层厚度等参数均采用本实施例中所采用的参数。图7中，光场分布中最大光强的颜色为深红色，最小光强的颜色为深蓝色，光强最小值到最大值的颜色变化由深蓝色向深红色过渡，图中的铌酸锂薄膜层截面处的颜色为深蓝色，单晶硅层截面处的颜色为红色，即单晶硅层的光强相对较高，铌酸锂薄膜层的光强相对较低，同时，由铌酸锂薄膜层至单晶硅层之间的区域颜色变化由蓝色向红色过渡。由于硅的折射率大于铌酸锂，可以看到，原本在铌酸锂层传播的光信号可以快速转移至硅层并被逐渐吸收，产生光生载流子，载流子在电极电压驱动下快速漂移至电极产生电信号，最终完成光电信号的转换，实现基于LNOI光子平台的硅光电子探测。
实施例2：
本实施例与实施例1的不同之处在于，单晶硅层与光绝缘层的厚度不同。一种基于LNOI光子平台的硅光探测器，包括设于绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜1、单晶硅层2和电极3，绝缘体衬底包括支撑衬底层5和光绝缘层4，支撑衬底层5设于光绝缘层4的一侧，铌酸锂薄膜1设于光绝缘层4的另一侧，铌酸锂薄膜1的另一侧设有单晶硅层2，在单晶硅层2上设有电极3。本发明提出的基于LNOI光子平台的硅光探测器，由于硅为单晶硅，材料中的缺陷极少，大大提高了光生载流子的收集效率，且本发明是基于MSM(金属-半导体-金属)结的光电探测器，由于不需要掺杂剂的注入，相比于其他基于PN或PIN结的光电探测器较容易实现。
光绝缘层4的厚度大于或等于2um。过薄的光绝缘层厚度会影响光在铌酸锂层的传播，即部分光可能会泄露至衬底(硅)中。本实施例中，光绝缘层的厚度为2um，在其他实施例中，光绝缘层的厚度可以为其他大于或等于2um的厚度。
进一步地，单晶硅层2的厚度大于或等于100nm。单晶硅层的厚度很大程度上决定了器件的性能。非常厚的单晶硅层可确保有效吸收所有在波导中传播的光能量，但会造成载流子的复合，难以有效收集并传输光电子，另一方面，如果使用非常薄的单晶硅层，则光场可能会与金属电极显着重叠，从而可能导致不希望的欧姆损耗。单晶硅层的厚度需要考虑光探测器的效率，即太薄的硅难以尽可能地吸收自铌酸锂薄膜层传导的光信号，无法实现光生载流子，从而产生电信号。本实施例中，单晶硅层的厚度为120nm，在其他实施例中，单晶硅层的厚度可以为其他大于或等于100nm的厚度。
本发明的工作原理为：
利用制备得到的基于LNOI光子平台的硅光探测器，在铌酸锂薄膜层中完成光信号的调制的功能，在单晶硅层中吸收光信号，产生的可见光波段和光生载流子在外加电压的驱动下产生电信号，完成光电信号的转换，实现基于LNOI光子平台的硅光电子探测。本发明提出的基于LNOI光子平台的硅光探测器，由于硅为单晶硅，材料中的缺陷极少，大大提高了光生载流子的收集效率。
本发明的制备方法的原理为，通过离子注入与键合技术，将绝缘体上铌酸锂薄膜与进行了离子注入的单晶硅衬底键合，通过加热等方式促使进行了离子注入的硅在损伤层处，得到顶层薄膜硅-绝缘体上铌酸锂薄膜衬底。基于上述衬底，利用传统刻蚀、金属沉积工艺及图案化等后处理工艺，得到金属电极，最终得到基于LNOI光子平台的硅光探测器。本发明是基于MSM(金属-半导体-金属)结的光电探测器，所制备的器件具有高响应率，低电容，低暗电流和高灵敏度的优点；由于不需要掺杂剂的注入，相比于其他基于PN或PIN结的光电探测器较容易实现；同时离子束剥离制备的单晶硅层厚度均匀性极好，器件性能稳定，具有极大应用前景。
本发明的上述实施例，具有如下有益效果：
1、本发明提出了一种基于LNOI光子平台的硅光探测器及其制备方法，由于本硅光探测器中的硅层采用的是单晶硅，单晶硅作为吸收光子的材料层，材料中的缺陷极少，大大提高了光生载流子的收集效率，降低了暗电流，提高了响应率；
2、本发明是基于MSM(金属-半导体-金属)结的光电探测器，由于不需要掺杂剂的注入，相比于其他基于PN或PIN结的光电探测器较容易实现，且具有很高的操作速度；
3、由于采用MSM结构，所制备的器件具有高响应率，低电容，低暗电流和高灵敏度的优点，同时离子束剥离制备的单晶硅层厚度均匀性极好，器件性能稳定，具有极大应用前景。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种基于LNOI光子平台的硅光探测器，其特征在于，包括设于绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜(1)、单晶硅层(2)和电极(3)，所述绝缘体衬底包括支撑衬底层(5)和光绝缘层(4)，所述支撑衬底层(5)设于所述光绝缘层(4)的一侧，所述铌酸锂薄膜(1)设于所述光绝缘层(4)的另一侧，所述铌酸锂薄膜(1)的另一侧设有所述单晶硅层(2)，在所述单晶硅层(2)上设有所述电极(3)。
2.根据权利要求1所述的一种基于LNOI光子平台的硅光探测器，其特征在于，所述光绝缘层(4)的厚度大于或等于2um。
3.根据权利要求1所述的一种基于LNOI光子平台的硅光探测器，其特征在于，所述单晶硅层(2)的厚度大于或等于100nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于LNOI光子平台的硅光探测器，其特征在于，所述单晶硅层(2)的表面粗糙度小于1nm。
5.一种基于LNOI光子平台的硅光探测器的制备方法，所述方法用于制备如权利要求1-4任一项所述的一种基于LNOI光子平台的硅光探测器，其特征在于，所述方法包括：
提供一设于绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜和具有注入面的单晶硅晶片；
对所述单晶硅晶片的所述注入面进行离子注入，使得注入离子到达预设深度并在预设深度处形成损伤层，得到具有损伤层且在损伤层上方形成单晶硅层的单晶硅晶片；
将所述单晶硅晶片的所述注入面与所述设于绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜的一侧进行键合，得到第一晶圆；
将所述第一晶圆进行退火处理，以使得所述第一晶圆沿着所述损伤层剥离，得到具有单晶硅薄膜和以设于绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜作为衬底的第二晶圆；
对所述第二晶圆进行刻蚀处理和金属沉积工艺处理，得到基于LNOI光子平台的硅光探测器。
6.根据权利要求5所述的一种基于LNOI光子平台的硅光探测器的制备方法，其特征在于，所述对所述单晶硅晶片的所述注入面进行离子注入中，具体地，所述离子注入的能量的范围为1keV～2000keV，所述离子注入的剂量的范围为1×1016cm-2～1.5×1017cm-2。
7.根据权利要求5所述的一种基于LNOI光子平台的硅光探测器的制备方法，其特征在于，所述将所述第一晶圆进行退火处理，以使得所述第一晶圆沿着所述损伤层剥离，得到具有单晶硅薄膜和以设于绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜作为衬底的第二晶圆之后还包括：
对所述第二晶圆进行后处理，所述后处理包括后退火处理或表面处理中的一种或两种。
8.根据权利要求7所述的一种基于LNOI光子平台的硅光探测器的制备方法，其特征在于，所述后退火处理的温度范围为300℃～700℃，所述后退火处理的时长范围为1h～12h，所述后退火处理具体采用的气氛环境为：氮气、氧气、富Li气氛、真空或氩气。
9.根据权利要求5所述的一种基于LNOI光子平台的硅光探测器的制备方法，其特征在于，所述刻蚀处理包括干法刻蚀或湿法刻蚀。
10.根据权利要求5所述的一种基于LNOI光子平台的硅光探测器的制备方法，其特征在于，所述金属沉积工艺处理包括电子束蒸发和磁控溅射镀膜。
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