CN112201723A - 一种波导型光电探测器及其制备方法 - 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备方法。该波导型光电探测器包括：形成于绝缘体上的硅衬底的顶层硅中的第一掺杂硅区；形成于第一掺杂硅区表面的本征硅层；形成于本征硅层表面的第二掺杂硅层，第二掺杂硅层为N型掺杂；形成于第二掺杂硅层表面的本征材料层；形成于本征材料层表面的第三掺杂层；形成于绝缘体上的硅衬底的顶层硅中的第四掺杂硅区；以及光波导，其形成于绝缘体上的硅衬底的埋氧层表面。本申请通过将两个探测波长范围不同的光电探测器背对背串联，实现对不同波段的光的探测，由此，该波导型光电探测器能够实现器件的光谱响应带宽的可调节；此外，能够克服垂直入射型光电探测器的带宽和响应度之间的相互制约关系，同时也便于与其它器件集成。

Description

一种波导型光电探测器及其制备方法
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
光电探测器是半导体光电子器件领域的关键器件之一，近年来被广泛应用于光通信、光学传感、光学成像、自动驾驶等领域。尤其在光学传感、远距离成像等应用领域中，不仅要求光电探测器具有高的响应度、高的速率，而且要求器件具有宽的光谱范围。
由于光电探测器的光谱响应范围是受探测器材料的禁带宽度以及光生载流子的寿命限制的，因此目前常用的半导体光电探测器仅能工作在一定的波长范围内，如近红外波段，可见光波段等。在硅基光电子集成技术领域，人们通常选择锗(Ge)作为探测材料，来实现1550nm波段的光的探测。
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
近年来，国内外很多研究小组和单位都报道了高性能的硅基锗光电探测器，但是，本申请的发明人发现，目前被报道的这些光电探测器仅能覆盖近红外波段，目前，很难找到一种光电探测器，其工作波段能够同时覆盖可见光到近红外波段。
本申请实施例提供一种波导型光电探测器及其制备方法，该波导型光电探测器通过将两个探测波长范围不同的光电探测器背对背串联，实现对不同波段的光的探测，例如，可以实现对可见光到近红外光波段的探测，由此，该波导型光电探测器能够实现器件的光谱响应带宽的可调节；此外，由于设置有波导，并且探测器本身也具有光波导的结构，因而本实施例能够克服垂直入射型光电探测器的带宽和响应度之间的相互制约关系，同时也便于与硅基调制器等有源、无源器件实现片上集成。
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：
形成于绝缘体上的硅(SOI)衬底的顶层硅中的第一掺杂硅区，所述第一掺杂硅区为P型掺杂；
形成于所述第一掺杂硅区表面的本征硅层；
形成于所述本征硅层表面的第二掺杂硅层，所述第二掺杂硅层为N型掺杂；
形成于所述第二掺杂硅层表面的本征材料层；
形成于所述本征材料层表面的第三掺杂层，所述第三掺杂层为P型掺杂，其中，所述本征材料层和所述第三掺杂层的材料相同，并且，所述本征材料层和所述第三掺杂层的材料不同于硅；
形成于所述绝缘体上的硅衬底的顶层硅中的第四掺杂硅区，所述第四掺杂硅区为P型掺杂，所述第四掺杂硅区的掺杂浓度高于所述第一掺杂硅区的掺杂浓度，所述第四掺杂区位于所述第一掺杂硅区的横向的第一方向的至少一侧，并与所述第一掺杂硅区连接；以及
光波导，其形成于所述绝缘体上的硅衬底的埋氧层表面，所述光波导在横向上的与所述第一方向垂直的第二方向上延伸，并且，所述光波导的第二方向上的端面与所述第一掺杂硅区连接。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述第四掺杂硅区的数量为2，分别位于所述第一掺杂硅区在所述第一方向的两侧。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述光波导的材料的折射率高于所述埋氧层的材料的折射率，并且，所述光波导的材料对于所述波导型光电探测器所能响应的波长范围的光的吸收系数低于预定值，该预定值例如是10m-1。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述光波导的材料为氮化硅(Si3N4)。
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：
第一电极，其形成于所述第三掺杂层表面；以及
第二电极，其形成于所述第四掺杂硅区表面。
根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述本征材料层和所述第三掺杂层的材料为包含锗(Ge)的材料。
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：
偏置电源，其连接于所述第一电极和所述第二电极之间，其中，所述偏置电源能够切换施加给所述第一电极和所述第二电极之间偏压的极性。
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备方法，包括：
刻蚀绝缘体上的硅衬底的顶层硅的一部分，以露出埋氧层；
在所述埋氧层表面沉积光波导材料，刻蚀所述光波导材料以形成光波导，所述光波导在横向沿着与第一方向垂直的第二方向延伸；
在所述绝缘体上的硅衬底的顶层硅中形成第一掺杂硅区，所述第一掺杂硅区为P型掺杂，并且，所述第一掺杂硅区与所述光波导的第二方向上的端面连接；
在所述第一掺杂硅区表面形成叠层，所述叠层自下而上依次包括本征硅层、第二掺杂硅层、本征材料层和第三掺杂层，其中，所述第二掺杂硅层为N型掺杂，所述第三掺杂层为P型掺杂，所述本征材料层和所述第三掺杂层的材料相同，并且，所述本征材料层和所述第三掺杂层的材料不同于硅；以及
在所述绝缘体上的硅衬底的顶层硅中形成第四掺杂硅区，所述第四掺杂硅区为P型掺杂，所述第四掺杂硅区的掺杂浓度高于所述第一掺杂硅区的掺杂浓度，所述第四掺杂硅区位于所述第一掺杂硅区的横向的第一方向的至少一侧，并与所述第一掺杂硅区连接。
本申请的有益效果在于：波导型光电探测器通过将两个探测波长范围不同的光电探测器背对背串联，实现对不同波段的光的探测，例如，可以实现对可见光到近红外光波段的探测，由此，该波导型光电探测器能够实现器件的光谱响应带宽的可调节；此外，由于设置有波导，并且探测器本身也具有光波导的结构，因而本实施例能够克服垂直入射型光电探测器的带宽和响应度之间的相互制约关系，同时也便于与硅基调制器等有源、无源器件实现片上集成。
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三维结构示意图；
图2是本申请实施例1的波导型光电探测器的一个截面示意图；
图3是本申请实施中，第一光电探测二极管和第二光电探测二极管的一个等效电路示意图；
图4是本实施例的波导型光电探测器的制备方法的一个示意图。
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，将平行于衬底的表面的方向称为“横向”，将垂直于衬底的表面的方向称为“纵向”，其中，各部件的“厚度”是指该部件在“纵向”的尺寸，在“纵向”上，从衬底的埋氧层指向顶层硅的方向称为“上”方向，与“上”方向相反的为“下”方向。
实施例1
本申请实施例提供一种波导型光电探测器。
图1是本申请实施例1的波导型光电探测器的一个三维结构示意图，图2是本申请实施例1的波导型光电探测器的一个截面示意图。
如图所示，波导型光电探测器1包括：
形成于绝缘体上的硅(SOI)衬底100的顶层硅101中的第一掺杂硅区11，该第一掺杂硅区11为P型掺杂；
形成于第一掺杂硅区11表面的本征硅层12；
形成于本征硅层12表面的第二掺杂硅层13，第二掺杂硅层13为N型掺杂；
形成于第二掺杂硅层13表面的本征材料层14；
形成于本征材料层14表面的第三掺杂层15，第三掺杂层15为P型掺杂，其中，本征材料层14和第三掺杂层15的材料相同，并且，本征材料层14和第三掺杂层15的材料不同于硅；
形成于绝缘体上的硅衬底100的顶层硅101中的第四掺杂硅区16，第四掺杂硅区16为P型掺杂，第四掺杂硅区16的掺杂浓度高于第一掺杂硅区11的掺杂浓度，并且，第四掺杂硅区16位于第一掺杂硅区11的横向的第一方向的至少一侧，并与第一掺杂硅区11连接；以及
光波导17(图1示出，图2未示出)，其形成于绝缘体上的硅衬底100的埋氧层102表面，光波导17在横向上的与第一方向L1垂直的第二方向L2上延伸，并且，光波导17的第二方向L2上的端面与第一掺杂硅区11连接。
在本实施中，第四掺杂硅区16、第一掺杂硅区11、本征硅层12以及第二掺杂硅层13可以形成第一光电探测二极管，第二掺杂硅层13、本征材料层14以及第三掺杂层15可以形成第二光电探测二极管，该第一光电探测二极管和该第二光电探测二极管形成背对背串联的结构。由于本征材料层14以及第三掺杂层15的材料不同于硅，因此，第一光电探测二极管和该第二光电探测二极管实现对不同波段的光的探测。
图3是本申请实施中，第一光电探测二极管和第二光电探测二极管的一个等效电路示意图。如图3所示，第一光电探测二极管31和第二光电探测二极管32的阴极电连接，例如，第一光电探测二极管31和第二光电探测二极管32可以共用同一个阴极，该阴极例如可以是图2中的第二掺杂硅层13。
如图3所示，第一光电探测二极管31的阳极和第二光电探测二极管32的阳极可以分别连接到偏置电源33，偏置电源33可以对第一光电探测二极管31的阳极和第二光电探测二极管32的阳极之间施加偏置电压，例如，偏置电源33可以对第二光电探测二极管32的阳极和第一光电探测二极管31的阳极之间施加偏置电压Vbias。
在本实施中，通过调节偏置电压Vbias的极性，可以实现不同波段的探测，例如，当本征材料层14以及第三掺杂层15的材料是锗(Ge)时，波导型光电探测器1可以实现从可见光到近红外光波段的探测。
例如：当偏置电源33施加给第二光电探测二极管32的阳极的偏置电压Vbias＞0V时，第一光电探测二极管31处于反偏状态下，能够正常工作，回路电流受第一光电探测二极管31的反偏电流限制，因而波导型光电探测器1能够对400nm～1100nm波段的光实现探测；当偏置电源33施加给第二光电探测二极管32的阳极的偏置电压Vbias＜0V时，第二光电探测二极管32处于反偏状态下，能够正常工作，回路电流受第二光电探测二极管32的反偏电流限制，因而波导型光电探测器1能够对1000nm-1600nm波段的光实现探测。
根据本申请实施例，波导型光电探测器通过将两个探测波长范围不同的光电探测二极管背对背串联，实现对不同波段的光的探测，例如，可以实现对可见光到近红外光波段的探测，由此，该波导型光电探测器能够实现器件的光谱响应带宽的可调节。
此外，在本实施例中，波导型光电探测器1的结构被设计成波导集成型，即，既具有光波导17，并且，第一光电探测二极管31和第二光电探测二极管32构成的探测器本体也形成为波导的结构)。在这种波导集成型的结构中，光的传播和吸收是沿着光波导17以及探测器本体延伸的方向(即，第二方向L2)，而载流子的输运方向与探测器本体延伸的方向垂直(即，载流子的输运方向沿第一方向L1)，因此，在保持吸收区厚度不变的前提下，可以通过增大吸收长度(即，第一掺杂硅区11沿第二方向L2的长度)来提高波导型光电探测器1的响应度，克服了垂直入射型光电探测器的带宽和响应度之间的相互制约关系，同时也便于与硅基调制器等有源、无源器件实现片上集成。
在本实施中，本征材料层14和第三掺杂层15的材料为包含锗(Ge)的材料，例如，本征材料层14和第三掺杂层15的材料可以是锗，或锗锡(GexSn(1-x))，其中，0≤x≤1。此外，本实施例可以不限于此，本征材料层14和第三掺杂层15的材料也可以是其它的不同于硅的材料。
在本实施例中，如图1和图2所示，第四掺杂硅区16的数量为2，分别位于第一掺杂硅区11在第一方向L1的两侧。
在本实施例中，光波导17的材料的折射率可以高于埋氧层102的材料的折射率，由此，能减少光从光波导17泄露到埋氧102中。此外，光波导17的材料还需要对波导型光电探测器1所能响应的波长范围内的光的吸收系数低于预定值，该预定值例如是10m-1，由此能提高光波导17对光的传输效率。例如，光波导17的材料为氮化硅(Si3N4)。
在本实施例中，如图1和图2所示，波导型光电探测器1还包括：第一电极18和第二电极19。其中，第一电极18可以形成于第三掺杂层15的表面；第二电极19可以形成于第四掺杂硅区16的表面。通过第一电极18和第二电极19，能够对第一光电探测二极管31(图3所示)的阳极和第二光电探测二极管32(图3所示)的阳极施加偏置电压。
在本实施例中，如图3所示，波导型光电探测器1还可以包括：偏置电源33。偏置电源33可以连接于第一电极18和第二电极19之间，其中，偏置电源33能够切换施加给第一电极18和第二电极19之间的偏置电压Vbias的极性。
根据本实施例，通过本实施例所提供的波导型光电探测器1就能够实现从可见光到近红外光波段的探测，并且可以实现光谱响应带宽的可调节；此外，采用波导集成型的结构设计可以在硅衬底上与其他功能器件实现片上集成，并且可以通过大规模生产来降低器件的成本。
实施例2
实施例2提供一种波导型光电探测器的制备方法，用于制造实施例1所述的波导型光电探测器。
图4是本实施例的波导型光电探测器的制备方法的一个示意图。如图4所示，在本实施例中，该制备方法可以包括：
步骤401、刻蚀绝缘体上的硅衬底100的顶层硅101的一部分，以露出埋氧层102；
步骤402、在埋氧层102表面沉积光波导材料，刻蚀该光波导材料以形成光波导17，该光波导17在横向上沿着与第一方向L1垂直的第二方向L2延伸；
步骤403、在绝缘体上的硅衬底100的顶层硅101中形成第一掺杂硅区11，第一掺杂硅区11为P型掺杂，并且，第一掺杂硅区11与光波导17的第二方向L2上的端面连接；
步骤404、在第一掺杂硅区11的表面形成叠层，该叠层自下而上依次包括本征硅层12、第二掺杂硅层13、本征材料层14和第三掺杂层15，其中，第二掺杂硅层13为N型掺杂，第三掺杂层为P型掺杂，本征材料层14和第三掺杂层15的材料相同，并且，本征材料层14和第三掺杂层15的材料不同于硅；以及
步骤405、在绝缘体上的硅衬底100的顶层硅101中形成第四掺杂硅区，第四掺杂硅区16为P型掺杂，第四掺杂硅区16的掺杂浓度高于第一掺杂硅区11的掺杂浓度，第四掺杂硅区16位于第一掺杂硅区11的横向的第一方向L1的至少一侧，并与第一掺杂硅区11连接。
在本实施例的步骤402中，该光波导材料可以是折射率高于埋氧层的折射率的材料，例如，该光波导材料是氮化硅(Si3N4)。
在本实施例的步骤404中，在第一掺杂硅区11的表面形成叠层的方法例如可以包括：
步骤4041、在第一掺杂硅区11的表面外延具有第一厚度的硅材料，并对该硅材料的顶部第二厚度的区域进行N型掺杂，其中，被N型掺杂的第二厚度的硅材料为第二掺杂硅层13，其下方的未被N型掺杂的厚度的硅材料为本征硅层12；
步骤4042、在步骤4041外延的硅材料的表面外延第三厚度的外延材料，并对该外延材料的顶部第四厚度的区域进行P型掺杂，该P型掺杂例如可以是P型重掺杂，其中，被P型掺杂的第四厚度的外延材料为第三掺杂层15，其下方的未被P型掺杂的厚度的外延材料为本征层14，该外延材料不同于硅材料，例如该外延材料是锗(Ge)材料。
在本实施例中，步骤405可以在步骤404之前，也可以在步骤405之后，本实施例对步骤405和步骤404之间的先后顺序并不做限制。
在本实施例中，该制备方法还可以包括：
步骤406、在第三掺杂层15表面形成第一电极18，以及在第四掺杂硅区16表面形成第二电极19，然后形成钝化层以保护波导型光电探测器1，并在该钝化层中形成开口以露出第一电极18和第二电极19的一部分，用于电连接。
关于各步骤中所得到的波导型光电探测器1的相应部件的形状和掺杂浓度等的说明，可以参考实施例1中对于波导型光电探测器1的说明。
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。
在该实例中，波导型光电探测器的制造方法包括如下步骤：
1.对SOI衬底100的顶层硅101进行局部刻蚀，露出埋氧层102；
2.淀积一层Si3N4，并刻蚀形成Si3N4光波导17；
3.对未刻蚀的探测器区域的顶层硅101(即，对应于第一掺杂硅区11和第四掺杂硅区16的顶层硅)进行P型掺杂，再对局部的硅(即，对应于第四掺杂硅区16的顶层硅)进行P++型重掺杂；
4.在第一掺杂硅区11表面外延第一厚度的硅材料，并对硅材料的顶部进行N型掺杂，以形成第二掺杂硅层13和本征硅层12；
5.在第二掺杂硅层13表面外延第三厚度的锗材料，并对锗材料的顶部进行P++型重掺杂，以形成第三掺杂层15和本征材料层14；
6.对SOI衬底100以及其上形成的结构进行快速热退火，以激活N型掺杂和P型掺杂的掺杂剂；
7.在相应位置制作金属电极，例如，在第三掺杂层15表面形成金属的第一电极18，以及在第四掺杂硅区16表面形成金属的第二电极19；
8.淀积一层钝化层对器件表面进行钝化，该钝化层例如是二氧化硅层；
9.在第一电极18和第二电极19表面的钝化层中开孔，露出第一电极18和第二电极19的一部分。
根据本实施例，波导型光电探测器1能够实现从可见光到近红外光波段的探测，并且可以实现光谱响应带宽的可调节；此外，采用波导集成型的结构设计可以在硅衬底上与其他功能器件实现片上集成，并且可以通过大规模生产来降低器件的成本。
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 (10)

1.波导型光电探测器，包括：
形成于绝缘体上的硅(SOI)衬底的顶层硅中的第一掺杂硅区，所述第一掺杂硅区为P型掺杂；
形成于所述第一掺杂硅区表面的本征硅层；
形成于所述本征硅层表面的第二掺杂硅层，所述第二掺杂硅层为N型掺杂；
形成于所述第二掺杂硅层表面的本征材料层；
形成于所述本征材料层表面的第三掺杂层，所述第三掺杂层为P型掺杂，其中，所述本征材料层和所述第三掺杂层的材料相同，并且，所述本征材料层和所述第三掺杂层的材料不同于硅；
形成于所述绝缘体上的硅衬底的顶层硅中的第四掺杂硅区，所述第四掺杂硅区为P型掺杂，所述第四掺杂硅区的掺杂浓度高于所述第一掺杂硅区的掺杂浓度，所述第四掺杂区位于所述第一掺杂硅区的横向的第一方向的至少一侧，并与所述第一掺杂硅区连接；以及
光波导，其形成于所述绝缘体上的硅衬底的埋氧层表面，所述光波导在横向上的与所述第一方向垂直的第二方向上延伸，并且，所述光波导的第二方向上的端面与所述第一掺杂硅区连接。
2.如权利要求1所述的波导型光电探测器，其中，
所述第四掺杂硅区的数量为2，分别位于所述第一掺杂硅区在所述第一方向的两侧。
3.如权利要求1所述的波导型光电探测器，其中，
所述光波导的材料的折射率高于所述埋氧层的材料的折射率，并且，所述光波导的材料对于所述波导型光电探测器所能响应的波长范围的光的吸收系数低于预定值。
4.如权利要求3所述的波导型光电探测器，其中，
所述光波导的材料为氮化硅(Si3N4)。
5.如权利要求1所述的波导型光电探测器，其中，所述波导型光电探测器还包括：
第一电极，其形成于所述第三掺杂层表面；以及
第二电极，其形成于所述第四掺杂硅区表面。
6.如权利要求1所述的波导型光电探测器，其中，
所述本征材料层和所述第三掺杂层的材料为包含锗(Ge)的材料。
7.如权利要求1所述的波导型光电探测器，其中，所述波导型光电探测器还包括：
偏置电源，其连接于所述第一电极和所述第二电极之间，
其中，所述偏置电源能够切换施加给所述第一电极和所述第二电极之间偏压的极性。
8.波导型光电探测器的制备方法，包括：
刻蚀绝缘体上的硅衬底的顶层硅的一部分，以露出埋氧层；
在所述埋氧层表面沉积光波导材料，刻蚀所述光波导材料以形成光波导，所述光波导在横向沿着与第一方向垂直的第二方向延伸；
在所述绝缘体上的硅衬底的顶层硅中形成第一掺杂硅区，所述第一掺杂硅区为P型掺杂，并且，所述第一掺杂硅区与所述光波导的第二方向上的端面连接；
在所述第一掺杂硅区表面形成叠层，所述叠层自下而上依次包括本征硅层、第二掺杂硅层、本征材料层和第三掺杂层，其中，所述第二掺杂硅层为N型掺杂，所述第三掺杂层为P型掺杂，所述本征材料层和所述第三掺杂层的材料相同，并且，所述本征材料层和所述第三掺杂层的材料不同于硅；以及
在所述绝缘体上的硅衬底的顶层硅中形成第四掺杂硅区，所述第四掺杂硅区为P型掺杂，所述第四掺杂硅区的掺杂浓度高于所述第一掺杂硅区的掺杂浓度，所述第四掺杂硅区位于所述第一掺杂硅区的横向的第一方向的至少一侧，并与所述第一掺杂硅区连接。
9.如权利要求8所述的波导型光电探测器的制备方法，其中，
所述本征材料层和所述第三掺杂层的材料为包含锗(Ge)的材料。
10.如权利要求8所述的波导型光电探测器的制备方法，其中，
所述光波导的材料的折射率高于所述埋氧层的材料的折射率。
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