CN112201707A - 一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器，包括：衬底层，所述衬底层是SOI；硅光波导层，形成于所述衬底层上；光栅层，形成与所述衬底层上，并与所述硅光波导层耦合连接；其中，所述光栅层包括本征区以及位于所述本征区两侧的P型区和N型区；电极，包括阳极和阴极；其中，所述阳极设置于所述N型区，所述阴极设置于所述P型区。本发明通过表面光栅结构较直波导结构增加了表面区域，从而有效增加了吸收面积，进而提高了响应度；光栅结构形成谐振腔，使光能量较好的限制在光栅结构内部，被多次吸收。

Description

一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及探测器领域，具体而言，涉及一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器。
背景技术
近年来，随着物联网的迅猛发展，光纤通信系统作为物联网的重要依托，其发展受到更多的重视。在长途骨干网领域，随着光传输技术的成熟和发展，世界范围内出现了干线传输网络的建设热潮，传输带宽、传输容量快速发展。
随着光纤通信系统的发展，光器件的发展也同样面临着机遇和挑战，如何开发出性能优良、价格低廉的光器件已经成为人们所面临的首要问题。硅基光电子器件具有易于集成、工艺成本低等优点，近些年来引起研究人员的广泛关注。硅(Si)材料作为微电子领域的传统材料，在加工工艺和制作成本上有着其他材料无可比拟的优势，硅基光电子集成技术应运而生。作为硅基光电集成技术中的重要的代表元件之一的光电探测器，它的作用就是把入射的光信号转化为电信号，以便后续的信号处理电路进行分析。硅基锗光电探测器经过十几年的发展，在结构上不断优化，性能进一步提高。
近年来，在学术界和工业界的持续创新努力下，各种高性能指标的波导集成的硅基锗光电探测器不断被提出，部分指标已经达到了商用三五族探测器的水平。
由于硅的吸收限为1100nm，对1550nm通信波段的光没有吸收，因此硅不能做吸收材料。考虑到材料的晶格匹配和吸收系数，目前硅基探测器普遍采用锗作为吸收材料。然而，由于传统的CMOS工艺没有锗生长设备，增加了工艺的复杂程度。而硅的表面由于悬挂键使硅存在表面能级，可以对1550nm的光进行吸收。所以科研工作者提出了表面态吸收的硅基探测器。然而表面态在硅波导中所占比例较小，所以导致响应度很小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器，以解决上述存在的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器，包括
衬底层；
硅光波导层，形成于所述衬底层上；
光栅层，形成于所述衬底层上，并与所述硅光波导层耦合连接；其中，所述光栅层包括本征区以及位于所述本征区两侧的P型区和N型区；
电极，包括阳极和阴极；其中，所述阳极设置于所述N型区，所述阴极设置于所述P型区。
进一步的，所述衬底层是SOI
进一步的，所述硅光波导层通过在硅光材料表面覆盖一层掩膜，再利用刻蚀液进行湿法刻蚀获得。
进一步的，所述硅光波导层的宽度是220nm。
进一步的，所述光栅层通过浅刻蚀刻蚀出光栅周期结构。
更进一步的，所述光栅周期结构的宽度范围是300nm-600nm。
更进一步的，所述光栅周期结构具有5-25个光栅。
进一步的，所述电极通过在覆盖层开窗沉积的方式获得，所述电极采用铝材料制成。
本发明还提供一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器的制备方法，包括如下步骤：
通过刻蚀，在SOI硅层刻蚀出硅光波导层；
通过浅刻蚀刻蚀出光栅层；其中，所述光栅层的宽度大于所述硅光波导层的宽度；
在所述光栅层两侧分别进行N掺杂和P掺杂，以在中间形成本征区，在两侧形成P型区和N型区，进而形成PIN结构；
将阳极设置于所述N型区，将阴极设置于所述P型区，并通过在所述阳极和阴极之间施加电压，使所述光栅层产生的光生载流子通过所述电压输运形成光电流。
本发明的有益技术效果：
本发明通过刻蚀在SOI硅层刻蚀出硅光波导层，通过浅刻蚀刻蚀出光栅周期结构，在光栅层两侧制备电极；光栅层宽度大于硅光波导层，以对散射到光栅层的光形成良好的吸收；光栅层两侧为P型区和N型区，中间为本征区，形成PIN结构；通过在电极施加电压，使光栅结构产生的光生载流子通过电极两端的电压输运形成光电流，光栅结构形成谐振腔，使光能量较好的限制在光栅结构内部，被多次吸收，表面光栅结构较直波导结构增加了表面区域，从而有效增加了吸收面积，进而提高了响应度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器结构示意图。
图2为本发明第二实施例提供的一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器的制备方法示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1所示，本发明第一实施例提供了一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器，包括：
衬底层10；
在本实施例中，所述衬底层10是SOI，SOI是一种新型结构硅材料，又称绝缘层上硅，通过在体硅中加入一层绝缘层，具有一些特殊性质；SOI具有速度高，功耗低，集成度高和成本低的优点。
硅光波导层11，形成于所述衬底层10上；
在本实施例中，可通过PECVD生长在在硅光材料表面覆盖一层掩膜，再利用刻蚀液对覆盖掩膜的衬底进行湿法刻蚀，获得硅光波导层11，所述硅光波导层11的宽度是220nm，220nm为1550nm光通信硅波导的标准宽度。
光栅层12，形成于所述衬底层10上，并与所述硅光波导层11耦合连接；其中，所述光栅层12包括本征区123以及位于所述本征区123两侧的P型区121和N型区122；
在本实施例中，所述光栅层12通过浅刻蚀刻蚀出光栅周期结构，具体为通过湿法刻蚀所述光栅周期结构，所述光栅周期结构的宽度范围是300nm-600nm，所述光栅周期结构可为5-25个光栅，光栅过窄会增加电极对光的吸收，过宽会影响器件带宽。
电极13，包括阳极131和阴极132；其中，所述阳极131设置于所述N型区121，所述阴极132设置于所述P型区122；
在本实施例中，所述电极13通过在覆盖层开窗沉积的方式获得，所述电极13可采用铝材料制成，当然需要说明的是，所述电极也可以是其他金属，这些方案均在本发明的保护范围。
本实施例通过刻蚀在SOI硅层刻蚀出硅光波导层11，通过浅刻蚀刻蚀出光栅层12，在光栅层12两侧制备电极13；光栅层13宽度大于硅光波导层11，以对散射到光栅层12的光形成良好的吸收；光栅层12两侧为P型区121和N型区122，中间为本征区123，形成PIN结构；将阳极131设置于所述N型区122，将阴极132设置于所述P型区121，并通过所述阳极131和阴极132之间施加电压，使光栅结构产生的光生载流子通过所述电压输运形成光电流，光栅结构形成谐振腔，使光能量较好的限制在光栅结构内部，被多次吸收，表面光栅结构较直波导结构增加了表面区域，从而有效增加了吸收面积，进而提高了响应度。
本发明第二实施例提供了一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器的制备方法，参考图2，包括：
S11:通过刻蚀，在SOI硅层刻蚀出硅光波导层11；
在本实施例中，SOI是一种新型结构硅材料，又称绝缘层上硅，通过在体硅中加入一层绝缘层，具有一些特殊性质；SOI具有速度高，功耗低，集成度高和成本低的优点。
在本实施例中，可通过PECVD生长在在硅光材料表面覆盖一层掩膜，再利用刻蚀液对覆盖掩膜的衬底进行湿法刻蚀，获得硅光波导层11，所述硅光波导层11的宽度是220nm，220nm为1550nm光通信硅波导的标准宽度。
S12:通过浅刻蚀刻蚀出光栅层12，所述光栅层12的宽度大于所述硅光波导层11的宽度。
在本实施例中，所述光栅层12通过浅刻蚀刻蚀出光栅周期结构，具体为通过湿法刻蚀所述光栅周期结构，所述光栅周期结构的宽度范围是300nm-600nm，所述光栅周期结构可为5-25个光栅。光栅过窄会增加电极对光的吸收，过宽会影响器件带宽。
S13:在所述光栅层12两侧别进行N掺杂和P掺杂，以在中间形成本征区123，在两侧形成P型区121和N型区122，进而形成PIN结构；
在本实施例中，所述电极13通过在覆盖层开窗沉积的方式获得，所述电极13可采用铝材料制得，当然需要说明的是，所述电极13也可以是其他金属，这些方案均在本发明的保护范围。
S14:将阳极131设置于所述N型区122，将阴极132设置于所述P型区121，并通过所述阳极131和阴极132之间施加电压，使所述光栅层12结构产生的光生载流子通过所述电压输运形成光电流。
本实施例通过刻蚀在SOI硅层刻蚀出硅光波导层11，通过浅刻蚀刻蚀出光栅层12，在光栅两侧制备电极13；光栅层12宽度大于硅光波导层11，以对散射到光栅层12的光形成良好的吸收；光栅层12两侧为P型区121和N型区122，中间为本征区123，形成PIN结构；将阳极131设置于所述N型区122，将阴极132设置于所述P型区121，并通过所述阳极131和阴极132之间施加电压，使光栅结构产生的光生载流子通过所述电压输运形成光电流，光栅结构形成谐振腔，使光能量较好的限制在光栅结构内部，被多次吸收，表面光栅结构较直波导结构增加了表面区域，从而有效增加了吸收面积，进而提高了响应度。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器，其特征在于，包括：
衬底层；
硅光波导层，形成于所述衬底层上；
光栅层，形成于所述衬底层上，并与所述硅光波导层耦合连接；其中，所述光栅层包括本征区以及位于所述本征区两侧的P型区和N型区；
电极，包括阳极和阴极；其中，所述阳极设置于所述N型区，所述阴极设置于所述P型区。
2.根据权利要求1所述的一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器，其特征在于，所述衬底层为SOI衬底。
3.根据权利要求1所述的一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器，其特征在于，所述硅光波导层通过在硅光材料表面覆盖一层掩膜，再利用刻蚀液进行湿法刻蚀获得。
4.根据权利要求1所述的一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器，其特征在于，所述硅光波导层的宽度是220nm。
5.根据权利要求1所述的一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器，其特征在于，所述光栅层通过浅刻蚀刻蚀出光栅周期结构。
6.根据权利要求5所述的一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器，其特征在于，所述光栅周期结构的宽度范围是300nm-600nm。
7.根据权利要求5所述的一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器，其特征在于，所述光栅周期结构具有5-25个光栅。
8.据权利要求1所述的一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器，其特征在于，所述电极通过在覆盖层开窗沉积的方式获得，所述电极采用铝材料制成。
9.一种如权利要求1-8任意一项所述的光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过刻蚀，在SOI硅层刻蚀出硅光波导层；
通过浅刻蚀刻蚀出光栅层；其中，所述光栅层的宽度大于所述硅光波导层的宽度；
在所述光栅层两侧分别进行N掺杂和P掺杂，以在中间形成本征区，在两侧形成P型区和N型区，进而形成PIN结构；
将阳极设置于所述N型区，将阴极设置于所述P型区，并通过在所述阳极和阴极之间施加电压，使所述光栅层产生的光生载流子通过所述电压输运形成光电流。
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