CN112331727A - 一种光电探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种光电探测器，包括：用于传输光信号的光波导结构，以及用于探测所述光波导结构中传输的所述光信号的光吸收层；其中，所述光波导结构包括主波导部和副波导部，所述光波导结构通过所述主波导部接收光信号并通过所述副波导部限制所述光信号的逸散；所述主波导部和所述副波导部沿第一方向间隔设置，所述光信号在所述主波导部和所述副波导部内沿第二方向传输，所述第一方向与所述第二方向垂直。

Description

一种光电探测器
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种光电探测器。
背景技术
光电探测器是光通信、光互连和光电集成技术中关键的光电器件之一，目前在军事和国民经济的各个领域都有广泛的用途，然而，现有的光电探测器存在模式有效折射率不易调控和响应度较低等缺点，因此有待进一步的改进。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例为解决背景技术中存在的至少一个问题而提供一种光电探测器。
为达到上述目的，本申请的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种光电探测器，包括：用于传输光信号的光波导结构，以及用于探测所述光波导结构中传输的所述光信号的光吸收层；其中，
所述光波导结构包括主波导部和副波导部，所述光波导结构通过所述主波导部接收光信号并通过所述副波导部限制所述光信号的逸散；所述主波导部和所述副波导部沿第一方向间隔设置，所述光信号在所述主波导部和所述副波导部内沿第二方向传输，所述第一方向与所述第二方向垂直。
上述方案中，所述副波导部包括第一副波导部和第二副波导部，所述第一副波导部和所述第二副波导部沿所述第一方向分布在所述主波导部的两侧。
上述方案中，在所述光波导结构的接收光信号的一端，所述主波导部的端面面积大于所述副波导部的端面面积。
上述方案中，所述光波导结构沿所述第一方向上的两侧之间的距离大于或等于所述光吸收层沿所述第一方向上的尺寸。
上述方案中，所述光波导结构和所述光吸收层沿第三方向间隔设置，所述第三方向与所述第二方向垂直。
上述方案中，所述光电探测器还包括：位于所述光波导结构和所述光吸收层之间的间隔层和过渡层；其中，
所述间隔层位于所述光波导结构上；
所述过渡层位于所述间隔层上，所述过渡层的材料为第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料；
所述光吸收层为在所述过渡层上外延生长的第二半导体材料层。
上述方案中，所述光吸收层为外延生长的第二半导体材料层；所述光电探测器还包括外延生长的第一半导体材料层，在所述第一半导体材料层内形成有P型掺杂区和N型掺杂区；沿所述第一方向，所述光吸收层位于所述第一半导体材料层的所述P型掺杂区和所述N型掺杂区之间。
上述方案中，所述光吸收层为外延生长的第二半导体材料层；所述光电探测器还包括外延生长的第一半导体材料层，在所述第一半导体材料层内形成有P型掺杂区、本征的倍增区和N型掺杂区；沿所述第一方向，所述光吸收层位于所述第一半导体材料层的所述P型掺杂区内。
上述方案中，所述光吸收层为外延生长的第二半导体材料层；所述光电探测器还包括外延生长的第一半导体材料层，所述第一半导体材料层包括覆盖在所述光吸收层上的部分。
上述方案中，所述第一半导体材料为硅；所述第二半导体材料为锗。
上述方案中，所述主波导部和所述副波导部均具有弯曲波导结构，所述弯曲波导结构的半径大于或等于10μm。
上述方案中，沿所述第二方向，所述主波导部的截面积减小，所述副波导部的截面积增大。
本发明实施例所提供了一种光电探测器，包括：用于传输光信号的光波导结构，以及用于探测所述光波导结构中传输的所述光信号的光吸收层；其中，所述光波导结构包括主波导部和副波导部，所述光波导结构通过所述主波导部接收光信号并通过所述副波导部限制所述光信号的逸散；所述主波导部和所述副波导部沿第一方向间隔设置，所述光信号在所述主波导部和所述副波导部内沿第二方向传输，所述第一方向与所述第二方向垂直。如此，本发明实施例所提供的光电探测器，不仅包括用于接收光信号的主波导部，还包括与所述主波导部间隔设置的副波导部，并且利用所述副波导部限制所述光信号的逸散，由此，所述主波导部和所述副波导部各自的结构尺寸以及所述主波导部和所述副波导部之间的间距均会对所述光电探测器的模式有效折射率产生影响，从而可以基于本申请实施例所提供的技术方案增加所述光电探测器的模式有效折射率的调控手段，有利于光信号从所述光波导结构缓慢耦合至所述光吸收层，提高探测器的响应度；不仅如此，本发明实施例所提供的光电探测器可以使得光场在所述光波导结构中传输时为基模，而不会激发高阶模式，同时保证了光能量在所述光波导结构内分布较为均匀，有利于操纵光吸收层内的光场分布。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例提供的光电探测器的结构剖视图；
图2a-2f分别为包括几种不同实施例提供的光波导结构的光电探测器的结构剖视图；
图3为几种不同实施例提供的光波导结构的模式有效折射率的仿真结果示意图；
图4为光电探测器的其他实施方式提供的结构剖视图；
图5a-5b为光电探测器中的光波导结构的不同实施方式的俯视图；
图6为本发明实施例提供的光电探测器的制备方法的流程示意图；
图7a-7h为本发明一实施例提供的光电探测器的制备过程中的器件结构剖视图；
图8a-8b为本发明另一实施例提供的光电探测器的制备过程中的器件结构剖视图。
附图标记说明：
11-埋氧层；12、112-顶硅层（第一半导体材料区）；13-覆盖层；131-间隔层；
20-光波导结构；21、121-主波导部；22-副波导部；221、1221-第一副波导部；222、1222-第二副波导部；223、1223-第三副波导部；
30、130、30’-光吸收层（第二半导体材料层）；31、31’-光吸收掺杂区；
40、40’-第一半导体材料层；41、41’-P++掺杂区；42、42’-P型掺杂区；43、43’-N型掺杂区；44、44’-N++掺杂区；45、45’-第一部分；46-本征的倍增区；
50-过渡层；
61、61’、161-第一金属电极；62、62’、162-第二金属电极；
70、70’-填充层；
180-第二电极接触层；181-第二电极接触区。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本申请公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本申请的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。
在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“与……相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“与……直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本申请教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本申请必然存在第一元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向（旋转90度或其它取向）并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本申请的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
为了彻底理解本申请，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本申请的技术方案。本申请的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本申请还可以具有其他实施方式。
硅光子是基于硅和硅基衬底材料（如SiGe/Si、SOI等），利用大规模集成电路工艺（或称CMOS工艺）进行光器件开发和集成的新一代技术，结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，是应对摩尔定律失效的颠覆性技术。这种结构得力于半导体晶圆制造的可扩展性，因而能够降低成本。光电探测器作为硅光子架构的核心器件之一，具有实现光信号到电信号转换的功能。但晶体硅材料的能带结构决定其在光通信波段直接探测效率很低，虽然III-V族半导体材料更适合用于光电探测器，但是III-V族半导体材料与硅工艺不兼容，无法与硅进行有效的单片集成；考虑到锗材料与CMOS工艺的兼容性，本领域提出了采用锗材料作为光吸收层材料而形成锗硅光电探测器的技术。
硅光子集成芯片中可采用兼容CMOS工艺的锗硅材料实现光电探测，它是利用硅材料作为光波导，锗材料吸收光子。
目前这种光电探测器存在以下不足：光信号由光波导结构基于倏逝波耦合至光吸收层的过程不易被操控，导致光波导结构的模式有效折射率不易被调控，同时耦合效率较低，影响器件的响应度。
基于此，提出了本发明实施例的以下技术方案。
本发明一实施例提供了一种光电探测器，其特征在于，包括：用于传输光信号的光波导结构，以及用于探测所述光波导结构中传输的所述光信号的光吸收层；其中，所述光波导结构包括主波导部和副波导部，所述光波导结构通过所述主波导部接收光信号并通过所述副波导部限制所述光信号的逸散；所述主波导部和所述副波导部沿第一方向间隔设置，所述光信号在所述主波导部和所述副波导部内沿第二方向传输，所述第一方向与所述第二方向垂直。
下面，请具体参见图1。如图所示，所述光电探测器包括：光波导结构20，以及光吸收层30。
应当理解，所述光电探测器可以包括衬底。这里，所述衬底可以为单质半导体材料衬底（例如为硅（Si）衬底、锗（Ge）衬底等）、复合半导体材料衬底（例如为锗硅（SiGe）衬底等），或绝缘体上硅（SOI）衬底、绝缘体上锗（GeOI）衬底等。本实施例以所述衬底为SOI衬底为例进行说明，所述SOI衬底包括底层衬底（图中未示出）、埋氧层和顶硅层；所述底层衬底可以为底层硅材料；所述埋氧层位于所述底层衬底上；所述埋氧层例如为二氧化硅层；所述顶硅层位于所述埋氧层上。
在一些实施例中，在所述顶硅层内形成了所述光波导结构20；所述光波导结构20用于传输光信号；所述光波导结构20包括主波导部21和副波导部22，所述光波导结构20通过所述主波导部21接收光信号并通过所述副波导部22限制所述光信号的逸散；所述主波导部21和所述副波导部22沿第一方向（请参考图1中X方向）间隔设置，所述光信号在所述主波导部21和所述副波导部22内沿第二方向（请参考图1中Y方向）传输，所述第一方向与所述第二方向垂直。这里，所述主波导部和所述副波导部各自的结构尺寸以及所述主波导部和所述副波导部之间的间距均会对所述光电探测器的模式有效折射率产生影响，从而可以基于本申请实施例所提供的技术方案增加所述光电探测器的模式有效折射率的调控手段，有利于光信号从所述光波导结构缓慢耦合至所述光吸收层，提高探测器的响应度。
可以理解地，在图1中，X方向和Y方向可以为平行于所述衬底的平面的两个方向，Z方向可以为垂直于所述衬底的平面的方向；X方向、Y方向和Z方向两两垂直。
在一些实施例中，所述第一方向和所述第二方向可以为平行于所述衬底的平面的两个方向（例如分别参考图1中X方向和Y方向）。在其他一些实施例中，所述第一方向可以为与所述第二方向相垂直的任意方向（例如为图1所示剖面内的任意方向）。
在所述埋氧层上沉积二氧化硅材料，形成覆盖层13。所述覆盖层13覆盖所述光波导结构20，即所述覆盖层13的上表面高于所述光波导结构20的上表面。
所述光电探测器还包括：用于探测所述光波导结构20中传输的所述光信号的光吸收层30；所述光波导结构20和所述光吸收层30沿第三方向（请参考图1中Z方向）间隔设置，所述第三方向与所述第二方向垂直。在一具体实施例中，所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向两两垂直。这里，所述第三方向可以为垂直于所述衬底的平面的方向。
为了探测所述光波导结构中传输的所述光信号，所述光吸收层与所述光波导结构相对设置，所述光吸收层位于所述光波导结构的瞬逝场位置。在一具体实施例中，所述主波导部与所述光吸收层正相对设置。所述主波导部与所述光吸收层沿所述第三方向上的投影的重合面积大于所述副波导部与所述光吸收层沿所述第三方向上的投影的重合面积；这里，所述副波导部与所述光吸收层沿所述第三方向上的投影的重合面积可以大于零，也可以等于零，即所述副波导部与所述光吸收层沿所述第三方向上的投影可以重合也可以不重合。
在一具体实施例中，所述副波导部22可以包括第一副波导部221和第二副波导部222，所述第一副波导部221和所述第二副波导部222沿所述第一方向分布在所述主波导部21的两侧。
这里，对应于所述副波导部包括第一副波导部和第二副波导部，所述第一副波导部与所述光吸收层沿所述第三方向上的投影的重合面积以及所述第二副波导部与所述光吸收层沿所述第三方向上的投影的重合面积均小于所述主波导部与所述光吸收层沿所述第三方向上的投影的重合面积。
这里，如图1所示，所述主波导部21与所述第一副波导部221之间的间距和所述主波导部21与所述第二副波导部222之间的间距可以相等，或者，如图2a所示，所述主波导部21与所述第一副波导部221之间的间距和所述主波导部21与所述第二副波导部222之间的间距可以不相等。
这里，所述副波导部22的个数为两个，即第一副波导部221和第二副波导部222；在其他的一些实施例中，所述副波导部22的个数可以为一个或三个，如图2b至2c示出了包括几种不同实施例提供的光波导结构的光电探测器的结构剖视图。在图2b所示的实施例中，所述副波导部22的个数可以为一个，即所述副波导部22包括第一副波导部221（这里仅以第一副波导部221为例加以说明）；所述第一副波导部221沿所述第一方向分布在所述主波导部21的任意一侧。在图2c所示的实施例中，所述副波导部22的个数可以为三个，即所述副波导部22包括第一副波导部221、第二副波导部222和第三副波导部223；所述第一副波导部221、所述第二副波导部222和所述第三副波导部223分别与所述主波导部21间隔设置，并且任一副波导部与所述主波导部21之间的设置方向（即所述第一方向）与所述光信号的传输方向（即所述第二方向）垂直。具体在图2c所示的实施例中，所述第一副波导部221和所述第二副波导部222沿X方向分布在所述主波导部21的两侧；所述第三副波导部223沿Z方向分布在所述主波导部21的远离所述光吸收层30的一侧。
在其他一些实施例中，如图2e和图2f所示，所述光波导结构沿所述第一方向设置在所述光吸收层130的一侧。在图2e所示的实施例中，所述副波导部包括第一副波导部1221和第二副波导部1222，所述第一副波导部1221和所述第二副波导部1222沿第一方向（请参考图中Z方向）分布在所述主波导部121的两侧；在图2f所示的实施例中，所述副波导部包括第三副波导部1223，所述第三副波导部1223沿第一方向（请参考图中X方向）设置在所述主波导部121的远离所述光吸收层130的一侧。应当理解，由于在图2e和图2f所示的实施例中，所述光波导结构和所述光吸收层依次排布的方向与前述实施例不同，具体地，所述光波导结构和所述光吸收层沿平行于衬底平面的方向（图中X方向）间隔排布，因此，所述第三方向在图2e和图2f所示的实施例中为平行衬底平面的方向；而所述第一方向仍然可以为与所述第二方向相垂直的任意方向，在图2e所示的实施例中例如为垂直衬底平面的方向，在图2f所示的实施例中例如与所述第三方向相同。
此外，在图2e和图2f所示的实施例中，所述光电探测器为垂直电极结构。在衬底的顶硅层112上设有第一金属电极161；在光吸收层130上外延生长有一层第二电极接触层180，在第二电极接触层180内进行掺杂，形成第二电极接触区181；在第二电极接触区181上设有第二金属电极162，由此形成垂直电极结构。
在一实施例中，在所述光波导结构20的接收光信号的一端，所述主波导部21的端面面积大于所述副波导部22的端面面积。具体地，对应于所述副波导部包括第一副波导部和第二副波导部，所述第一副波导部的端面面积和所述第二副波导部的端面面积均小于所述主波导部的端面面积。
这里，当所述副波导部22的个数为多个时，各个所述副波导部22的端面面积可以相等，也可以不相等。在图1所示的实施例中，所述第一副波导部221的端面面积等于所述第二副波导部222的端面面积；在图2d所示的实施例中，所述第一副波导部221的端面面积小于所述第二副波导部222的端面面积。在各个所述副波导部22的高度相等（例如均由SOI衬底的顶硅层刻蚀形成）的实施例中，各个所述副波导部22的端面面积相等具体为各个所述副波导部22的宽度相等；各个所述副波导部22的端面面积不相等具体为各个所述副波导部22的宽度不相等。
图3为几种不同实施例提供的光波导结构的模式有效折射率的仿真结果示意图。如图3所示，不同的主光波导部和副光波导部的端面面积，会产生不同的模式有效折射率，故可以通过对主光波导部和副光波导部的端面面积进行调节，进而调控光波导结构的模式有效折射率。如图中a所示，主波导部的宽度为400nm，第一副波导部和第二副波导部的宽度均为100nm，第一副波导部与所述主波导部之间的距离、第二副波导部与所述主波导部之间的距离均为100nm，通过仿真可以得到具有如此光波导结构的光电探测器的模式有效折射率为2.2612。如图中b所示，主波导部的宽度为400nm，第一副波导部和第二副波导部的宽度均为300nm，第一副波导部与所述主波导部之间的距离、第二副波导部与所述主波导部之间的距离均为100nm，通过仿真可以得到具有如此光波导结构的光电探测器的模式有效折射率为2.2886。如图中c所示，主波导部的宽度为550nm，第一副波导部和第二副波导部的宽度均为300nm，第一副波导部与所述主波导部之间的距离、第二副波导部与所述主波导部之间的距离均为100nm，通过仿真可以得到具有如此光波导结构的光电探测器的模式有效折射率为2.5242。如图中d所示，主波导部的宽度为550nm，第一副波导部和第二副波导部的宽度均为500nm，第一副波导部与所述主波导部之间的距离、第二副波导部与所述主波导部之间的距离均为100nm，通过仿真可以得到具有如此光波导结构的光电探测器的模式有效折射率为2.5482。
在一实施例中，所述光波导结构20沿所述第一方向上的两侧之间的距离大于或等于所述光吸收层30沿所述第一方向上的尺寸。
所述光电探测器还包括：位于所述光波导结构20和所述光吸收层30之间的间隔层131和过渡层50；其中，所述间隔层131位于所述光波导结构20上；所述过渡层50位于所述间隔层131上，所述过渡层50的材料为第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料；所述光吸收层30为在所述过渡层50上外延生长的第二半导体材料层。这里，通过形成过渡层50，可以有效地改善后续形成的光吸收层的生长质量。
所述间隔层131为所述覆盖层13位于所述光波导结构20上方的部分；所述间隔层的材料为二氧化硅，可以防止光吸收层内产生的光生载流子扩散到光波导结构。
在一些实施例中，如图1所示，所述光电探测器还包括外延生长的第一半导体材料层40，在所述第一半导体材料层40内形成有P型掺杂区42和N型掺杂区43；沿所述第一方向，所述光吸收层30位于所述第一半导体材料层40的所述P型掺杂区42和所述N型掺杂区43之间。
这里，所述P型掺杂区42可以为P+掺杂区；所述N型掺杂区43可以N+掺杂区。
在一具体实施例中，在所述第一半导体材料层40内还可以形成有P++掺杂区41和N++掺杂区44。所述光吸收层30位于所述第一半导体材料层40的所述P型掺杂区和所述N型掺杂区之间，具体包括：所述光吸收层30位于所述P+掺杂区和所述N+掺杂区之间。
所述光吸收层30还包括位于P型掺杂区42和N型掺杂区43内的光吸收掺杂区31。所述光吸收掺杂区31位于所述P型掺杂区42内的部分进行了P型掺杂；所述光吸收掺杂区31位于所述N型掺杂区43内的部分进行了N型掺杂。应当理解，所述光吸收层30除了包括所述光吸收掺杂区31外，还包括本征区，所述本征区为探测所述光波导结构中传输的光信号的核心区。
在图1所示的实施例中，所述光吸收层30沿所述X方向的尺寸为600nm~1200nm，沿所述Z方向的尺寸为300nm~600nm。在所述第一方向与所述X方向相同、所述第三方向与所述Z方向相同的实施例中，所述光吸收层30具体沿所述第一方向的尺寸为600nm~1200nm，沿所述第三方向的尺寸为300nm~600nm。
在其他一些实施例中，如图4所示，所述光电探测器还包括外延生长的第一半导体材料层40’，在所述第一半导体材料层40’内形成有P型掺杂区42’、本征的倍增区46和N型掺杂区43’；沿所述第一方向，所述光吸收层30’位于所述第一半导体材料层40’的所述P型掺杂区内。
这里，所述P型掺杂区42’可以为P+掺杂区；所述N型掺杂区43’可以N+掺杂区。
在一具体实施例中，在所述第一半导体材料层40’内还可以形成有P++掺杂区41’和N++掺杂区44’。所述光吸收层30’位于所述第一半导体材料层40’的所述P型掺杂区内，具体包括：所述光吸收层30’位于所述P+掺杂区内。
所述光吸收层30’还包括位于P型掺杂区42’内的光吸收掺杂区31’。所述光吸收掺杂区31’位于所述P型掺杂区42’内的部分进行了P型掺杂。
可以理解地，所述光电探测器可以为雪崩光电探测器。通过设置本征的倍增区，可以进一步增强雪崩倍增效应，改善探测效果。
在图4所示的实施例中，所述光吸收层30’沿所述X方向的尺寸为600nm~1000nm，沿所述Z方向的尺寸为200nm~400nm。在所述第一方向与所述X方向相同、所述第三方向与所述Z方向相同的实施例中，所述光吸收层30’具体沿所述第一方向的尺寸为600nm~1000nm，沿所述第三方向的尺寸为200nm~400nm。
在一实施例中，在所述P++掺杂区41上设有第一金属电极61；在所述N++掺杂区44上设有第二金属电极62。
所述第一半导体材料层40上形成有填充层70；所述第一金属电极61和所述第二金属电极62包括位于所述填充层70内的部分，并且所述第一金属电极61和所述第二金属电极62的上表面高于所述填充层70的上表面。
继续参考附图1，所述第一半导体材料层40还包括覆盖在所述光吸收层30上的部分（请参考图1中45，下称“第一部分”45）。换言之，所述光吸收层30的上表面低于所述第一半导体材料层40的上表面，具体包括：所述光吸收层30的顶端嵌于所述第一半导体材料层40内。
这里，所述第一部分45为本征层。
一方面，所述第一部分可以对所述光吸收层起到保护作用，提高器件的可靠性；另一方面，在掺杂工艺中所述第一部分可以作为辅助掩膜，降低对点误差和角度误差，提高掺杂区域尺寸的准确度，在一定程度上保护所述光吸收层不被掺杂。
在本发明实施例中，所述第一半导体材料为硅；所述第二半导体材料为锗。如此，所述光电探测器例如为锗硅光电探测器；所述光吸收层为锗吸收层；而所述光波导结构具体可以硅波导；所述过渡层的材料为锗硅。
在一些实施例中，如图5a所示，所述主波导部21和所述副波导部22均具有弯曲波导结构，所述弯曲波导结构的半径大于或等于10μm。所述主波导部21和所述副波导部22的弯曲变化趋势相同。将所述主波导部和所述副波导部设计成弯曲波导结构，能够增强光波导结构和光吸收层的作用长度，提高器件响应度和带宽。在实际应用中，所述弯曲波导结构可以为波浪线形结构；所述弯曲波导结构的延伸方向与所述光吸收层的长度方向一致。
在其他一些实施例中，如图5b所示，沿所述第二方向，即沿所述光信号的传输方向，所述主波导部21的截面积减小，所述副波导部22的截面积增大。
此外，所述主波导部和所述副波导部之间的间距可以为常量；为了满足不同的模式有效折射率调控需求，二者之间的间距也可以沿所述光信号的传输方向改变。
本发明实施例还提供了一种光电探测器的制备方法，具体请参见附图6，如图所示，所述方法包括以下步骤：
步骤601、提供衬底，所述衬底包括第一半导体材料区；
步骤602、在所述第一半导体材料区上执行刻蚀工艺，以形成用于传输光信号的光波导结构；所述光波导结构包括沿第一方向间隔设置的主波导部和副波导部，所述主波导部和所述副波导部沿第二方向延伸，所述第一方向与所述第二方向垂直；
步骤603、在所述光波导结构上形成用于探测所述光波导结构中传输的所述光信号的光吸收层。
下面结合具体实施例对本发明的光电探测器的制备方法再作进一步详细的说明。
图7a-7h为本发明实施例提供的光电探测器在制备过程中的器件结构剖面示意图。
首先，参考图7a，执行步骤601，提供衬底，所述衬底包括第一半导体材料区。所述衬底可以为单质半导体材料衬底（例如为硅（Si）衬底、锗（Ge）衬底等）、复合半导体材料衬底（例如为锗硅（SiGe）衬底等），或绝缘体上硅（SOI）衬底、绝缘体上锗（GeOI）衬底等。
本发明实施例以所述衬底为SOI衬底为例进行说明，所述第一半导体材料区为所述SOI衬底的顶硅层12所在的区域。所述SOI衬底还包括位于所述顶硅层12下的埋氧层11以及底层衬底（图中未示出）；所述底层衬底为可以底层硅材料；所述埋氧层11位于所述底层衬底上；所述埋氧层11例如为二氧化硅层。
接下来，参考图7b，执行步骤602，在所述第一半导体材料区12上执行刻蚀工艺，以形成用于传输光信号的光波导结构20；所述光波导结构包括沿第一方向（请参考图1中X方向）间隔设置的主波导部21和副波导部22，所述主波导部21和所述副波导部22沿第二方向（请参考图1中Y方向）延伸，所述第一方向与所述第二方向垂直。
需要说明的是，在本实施例中，所述第一方向和所述第二方向为平行于所述衬底的平面的两个方向（具体请分别参考图1中X方向和Y方向）。
所述在所述第一半导体材料区12上执行刻蚀工艺，具体包括：对所述顶硅层12执行刻蚀工艺，以形成所述光波导结构20。
所述刻蚀工艺包括光刻、电感等离子刻蚀等工艺。
在一实施例中，所述副波导部22包括第一副波导部221和第二副波导部222，所述第一副波导部221和所述第二副波导部222沿所述第一方向分布在所述主波导部21的两侧。
这里，如图1所示，所述主波导部21与所述第一副波导部221之间的间距和所述主波导部21与所述第二副波导部222之间的间距可以相等，或者，如图2a所示，所述主波导部21与所述第一副波导部221之间的间距和所述主波导部21与所述第二副波导部222之间的间距可以不相等。
这里，所述副波导部22的个数为两个，即第一副波导部221和第二副波导部222；在其他的一些实施例中，所述副波导部22的个数可以为一个。在图2b所示的实施例中，所述副波导部22的个数为一个，即所述副波导部22包括第一副波导部221（这里仅以第一副波导部221为例加以说明）；所述第一副波导部221沿所述第一方向分布在所述主波导部21的任意一侧。
在一实施例中，在所述光波导结构20的接收光信号的一端，所述主波导部21的端面面积大于所述副波导部22的端面面积。
这里，当所述副波导部22的个数为多个时，各个所述副波导部22的端面面积可以相等，也可以不相等。在图1所示的实施例中，所述第一副波导部221的端面面积等于所述第二副波导部222的端面面积；在图2d所示的实施例中，所述第一副波导部221的端面面积小于所述第二副波导部222的端面面积。由于在本实施例中，所述光波导结构20通过在所述第一半导体材料区12上执行刻蚀工艺而形成（例如通过在SOI衬底的顶硅层上刻蚀而形成），因此，形成的各个所述副波导部22的高度相等，如此，各个所述副波导部22的端面面积相等具体为各个所述副波导部22的宽度相等；各个所述副波导部22的端面面积不相等具体为各个所述副波导部22的宽度不相等。
在一些实施例中，如图5a所示，所述主波导部21和所述副波导部22均具有弯曲波导结构，所述弯曲波导结构的半径大于或等于10μm。所述主波导部21和所述副波导部22的弯曲变化趋势相同。将所述主波导部和所述副波导部设计成弯曲波导结构，能够增强光波导结构和光吸收层的作用长度，提高器件响应度和带宽。在实际应用中，所述弯曲波导结构可以为波浪线形结构；所述弯曲波导结构的延伸方向与所述光吸收层的长度方向一致。
在其他一些实施例中，如图5b所示，沿所述第二方向，即沿所述光信号的传输方向，所述主波导部21的截面积减小，所述副波导部22的截面积增大。
此外，所述主波导部和所述副波导部之间的间距可以为常量；为了满足不同的模式有效折射率调控需求，二者之间的间距也可以沿所述光信号的传输方向改变。
接下来，参考图7c和7d。
先参考图7c，在形成所述光波导结构20后，所述方法还包括：形成覆盖所述光波导结构20的覆盖层13；具体地，可在所述埋氧层11上沉积二氧化硅材料，形成覆盖层13；所述覆盖层13覆盖所述光波导结构20，即所述覆盖层13的上表面高于所述光波导结构20的上表面。
在实际工艺中，在形成所述覆盖层13后，还可以包括对所述覆盖层13的上表面进行平坦化的步骤，具体可以采用化学机械抛光（CMP）工艺进行，以使覆盖层13具有基本平坦的上表面。
所述覆盖层13位于所述光波导结构20上方的部分为间隔层131；所述间隔层可以防止光吸收层内产生的光生载流子扩散到光波导结构。
接着参考图7d，执行外延生长工艺，在所述覆盖层13上形成过渡层50，所述过渡层50的材料为第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料。
具体地，所述过渡层50位于所述间隔层131的上方，即所述过渡层50位于所述光波导结构20的上方。
这里，通过形成过渡层50，可以有效地改善后续形成的光吸收层的生长质量。
所述外延生长工艺具体可以为选择性外延生长工艺。
接下来，参考图7e，执行步骤603，在所述光波导结构20上形成用于探测所述光波导结构20中传输的所述光信号的光吸收层30。
所述形成光吸收层30，具体包括：在所述过渡层50上外延生长第二半导体材料，以形成所述光吸收层30。
具体地，所述光吸收层30位于所述光波导结构20的上方，即所述光波导结构与所述光吸收层相对设置；更具体地，所述光吸收层30位于所述主波导部21的正上方。所述主波导部21与所述光吸收层30沿所述第三方向上的投影的重合面积大于所述副波导部22与所述光吸收层30沿所述第三方向上的投影的重合面积；这里，所述副波导部22与所述光吸收层30沿所述第三方向上的投影的重合面积可以大于零，也可以等于零，即所述副波导部22与所述光吸收层30沿所述第三方向上的投影可以重合也可以不重合。
对应于所述副波导部22包括第一副波导部221和第二副波导部222，所述第一副波导部221与所述光吸收层30沿所述第三方向上的投影的重合面积以及所述第二副波导部222与所述光吸收层30沿所述第三方向上的投影的重合面积均小于所述主波导部21与所述光吸收层30沿所述第三方向上的投影的重合面积。
这里，外延生长第二半导体材料的工艺具体可以为选择性外延生长工艺。
在一实施例中，所述光波导结构20沿所述第一方向上的两侧之间的距离大于或等于所述光吸收层30沿所述第一方向上的尺寸。
接下来，在一些实施例中，在形成光吸收层30后，所述方法还包括：通过外延生长第一半导体材料以形成第一半导体材料层40，所述第一半导体材料层40至少覆盖所述光吸收层30沿所述第一方向上的两侧壁。
在其他一些实施例中，参考图7f，在形成光吸收层30后，所述方法还包括：通过外延生长第一半导体材料以形成第一半导体材料层40，所述第一半导体材料层40覆盖所述光吸收层30沿所述第一方向上的两侧壁以及所述光吸收层30的上表面。
所述外延生长第一半导体材料的工艺具体可以为选择性外延生长工艺。
在实际工艺中，在形成所述第一半导体材料层40后，还可以包括对所述第一半导体材料层40的上表面进行平坦化的步骤，具体可以采用CMP工艺进行，以使第一半导体材料层40具有基本平坦的上表面。
接着，参考图7g，执行掺杂工艺，在所述第一半导体材料层40内形成P型掺杂区42和N型掺杂区43；沿所述第一方向，所述光吸收层30位于所述P型掺杂区42和所述N型掺杂区43之间。
这里，所述P型掺杂区42可以为P+掺杂区；所述N型掺杂区43可以N+掺杂区。
在一具体实施例中，在所述第一半导体材料层40内还可以形成有P++掺杂区41和N++掺杂区44。所述光吸收层30位于所述P型掺杂区42和所述N型掺杂区43之间，具体包括：所述光吸收层30位于所述P+掺杂区和所述N+掺杂区之间。
所述第一半导体材料层40还包括覆盖在所述光吸收层30上的部分（请参考图7g中45，下称“第一部分”45）。换言之，所述光吸收层30的上表面低于所述第一半导体材料层40的上表面，具体包括：所述光吸收层30的顶端嵌于所述第一半导体材料层40内。
这里，所述第一部分45为本征层。
所述光吸收层30还包括位于P型掺杂区42和N型掺杂区43内的光吸收掺杂区31。所述光吸收掺杂区31位于所述P型掺杂区42内的部分进行了P型掺杂；所述光吸收掺杂区31位于所述N型掺杂区43内的部分进行了N型掺杂。
在图7g所示的实施例中，所述光吸收层30的宽度的取值范围为600nm~1200nm，厚度的取值范围为300nm~600nm。这里，所述光吸收层30的宽度具体指所述光吸收层30沿X方向的尺寸，并且由于在本实施例中，所述第一方向与所述X方向相同，因此，所述光吸收层30具体沿所述第一方向的尺寸为600nm~1200nm；所述光吸收层30的厚度具体指所述光吸收层30沿垂直衬底平面方向的尺寸，即沿Z方向的尺寸，并且由于在本实施例中，所述第三方向与所述Z方向相同，因此，所述光吸收层30具体沿所述第三方向的尺寸为300nm~600nm。
接下来，参考图7h，在所述第一半导体材料层40上，形成填充层70。
所述填充层70的材料可以包括二氧化硅。
在实际工艺中，可以通过沉积一定厚度的二氧化硅材料，并进行平坦化处理，以形成所述填充层70。
接着，所述方法还包括：形成垂直所述衬底平面方向（请参考图1中Z方向）而设置的第一金属电极61和第二金属电极62；所述第一金属电极61和所述第二金属电极62分别与所述P++掺杂区41和所述N++掺杂区44接触；
具体可以利用光刻与电感等离子刻蚀开窗口、磁控溅射沉积金属材料等工艺制作上述两个金属电极。
所述第一金属电极61和所述第二金属电极62的上表面应当高于所述填充层70的上表面。具体地，还包括利用光刻与刻蚀（如电感等离子刻蚀）等工艺在填充层70内形成暴露所述P++掺杂区41和所述N++掺杂区44的窗口；在所述窗口内填充电极材料（如磁控溅射沉积金属材料），以形成所述第一金属电极61和所述第二金属电极62。
图8a-8b为本发明另一实施例提供的光电探测器的制备过程中的器件结构剖视图。本实施例与前述实施例的区别之处在于，在利用图7a-7f所示的步骤制备所述光电探测器之后，执行图8a-8b所示的步骤。
如图8a所示，在执行完图7f所示的步骤后，执行掺杂工艺，在所述第一半导体材料层40’内形成P型掺杂区42’、本征的倍增区46和N型掺杂区43’；沿所述第一方向，所述光吸收层30’位于所述P型掺杂区42’内。具体地，沿所述第一方向，所述P型掺杂区42’包括位于所述光吸收层30’两侧的部分。
这里，所述P型掺杂区42’可以为P+掺杂区；所述N型掺杂区43’可以N+掺杂区。
在一具体实施例中，在所述第一半导体材料层40’内还可以形成有P++掺杂区41’和N++掺杂区44’。所述光吸收层30’位于所述第一半导体材料层40’的所述P型掺杂区42’内，具体包括：所述光吸收层30’位于所述P+掺杂区内。
所述第一半导体材料层40’还包括覆盖在所述光吸收层30’上的部分（请参考图8a中45’，下称“第一部分”45’）。换言之，所述光吸收层30’的上表面低于所述第一半导体材料层40’的上表面，具体包括：所述光吸收层30’的顶端嵌于所述第一半导体材料层40’内。
这里，所述第一部分45’为本征层。
所述光吸收层30’还包括位于P型掺杂区42’内的光吸收掺杂区31’。所述光吸收掺杂区31’位于所述P型掺杂区42’内的部分进行了P型掺杂。具体地，沿所述X方向，所述光吸收层30’的两侧均包括所述光吸收掺杂区31’。
在图8a所示的实施例中，所述光吸收层30’的宽度的取值范围为600nm~1000nm，厚度的取值范围为200nm~400nm。这里，所述光吸收层30’的宽度具体指所述光吸收层30’沿X方向的尺寸，并且由于在本实施例中，所述第一方向与所述X方向相同，因此，所述光吸收层30’具体沿所述第一方向的尺寸为600nm~1000nm；所述光吸收层30’的厚度具体指所述光吸收层30’沿垂直衬底平面方向的尺寸，即沿Z方向的尺寸，并且由于在本实施例中，所述第三方向与所述Z方向相同，因此，所述光吸收层30’具体沿所述第三方向的尺寸为200nm~400nm。
接下来，参考图8b，在所述第一半导体材料层40’上，形成填充层70’。
所述填充层70’的材料可以包括二氧化硅。
在实际工艺中，可以通过沉积一定厚度的二氧化硅材料，并进行平坦化处理，以形成所述填充层70’。
接着，所述方法还包括：形成垂直所述衬底平面方向而设置的第一金属电极61’和第二金属电极62’；所述第一金属电极61’和所述第二金属电极62’分别与所述P++掺杂区41’和所述N++掺杂区44’接触；
具体可以利用光刻与电感等离子刻蚀开窗口、磁控溅射沉积金属材料等工艺制作上述两个金属电极。
所述第一金属电极61’和所述第二金属电极62’的上表面应当高于所述填充层70’的上表面。具体地，还包括利用光刻与刻蚀（如电感等离子刻蚀）等工艺在填充层70’内形成暴露所述P++掺杂区41’和所述N++掺杂区44’的窗口；在所述窗口内填充电极材料（如磁控溅射沉积金属材料），以形成所述第一金属电极61’和所述第二金属电极62’。
如此，基本完成了所述光电探测器的制备。后续可能还会涉及到一些互连工艺，这里不再展开论述。
需要说明的是，本发明实施例提供的光电探测器与光电探测器的制备方法实施例属于同一构思；各实施例所记载的技术方案中各技术特征之间，在不冲突的情况下，可以任意组合，这里不再赘述。
以上所述，仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种光电探测器，其特征在于，包括：用于传输光信号的光波导结构，以及用于探测所述光波导结构中传输的所述光信号的光吸收层；其中，
所述光波导结构包括主波导部和副波导部，所述光波导结构通过所述主波导部接收光信号并通过所述副波导部限制所述光信号的逸散；所述主波导部和所述副波导部沿第一方向间隔设置，所述光信号在所述主波导部和所述副波导部内沿第二方向传输，所述第一方向与所述第二方向垂直；
所述副波导部包括第一副波导部和第二副波导部，所述第一副波导部和所述第二副波导部沿所述第一方向分布在所述主波导部的两侧。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，在所述光波导结构的接收光信号的一端，所述第一副波导部的端面面积和所述第二副波导部的端面面积均小于所述主波导部的端面面积。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光波导结构沿所述第一方向上的两侧之间的距离大于或等于所述光吸收层沿所述第一方向上的尺寸。
4.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光波导结构和所述光吸收层沿第三方向间隔设置，所述第三方向与所述第二方向垂直。
5.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，还包括：位于所述光波导结构和所述光吸收层之间的间隔层和过渡层；其中，
所述间隔层位于所述光波导结构上；
所述过渡层位于所述间隔层上，所述过渡层的材料为第一半导体材料和第二半导体材料的复合材料；
所述光吸收层为在所述过渡层上外延生长的第二半导体材料层。
6.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光吸收层为外延生长的第二半导体材料层；所述光电探测器还包括外延生长的第一半导体材料层，在所述第一半导体材料层内形成有P型掺杂区和N型掺杂区；沿所述第一方向，所述光吸收层位于所述第一半导体材料层的所述P型掺杂区和所述N型掺杂区之间。
7.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光吸收层为外延生长的第二半导体材料层；所述光电探测器还包括外延生长的第一半导体材料层，在所述第一半导体材料层内形成有P型掺杂区、本征的倍增区和N型掺杂区；沿所述第一方向，所述光吸收层位于所述第一半导体材料层的所述P型掺杂区内。
8.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光吸收层为外延生长的第二半导体材料层；所述光电探测器还包括外延生长的第一半导体材料层，所述第一半导体材料层包括覆盖在所述光吸收层上的部分。
9.根据权利要求5-8中任意一项所述的光电探测器，其特征在于，所述第一半导体材料为硅；所述第二半导体材料为锗。
10.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述主波导部和所述副波导部均具有弯曲波导结构，所述弯曲波导结构的半径大于或等于10μm。
11.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，沿所述第二方向，所述主波导部的截面积减小，所述副波导部的截面积增大。
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