CN112534590A - 光电探测器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种硅基光电探测器及其制造方法。所述光电探测器包括：硅衬底(201)；掩埋氧化物层(202)，所述掩埋氧化物层在所述硅衬底上方；以及波导(203)，所述波导在所述掩埋氧化物层上方。所述波导(203)包括含硅Si区和含锗锡GeSn区(209)，这两者都位于所述波导(203)的第一掺杂区(206)与第二掺杂区(207)之间，从而形成PIN二极管。所述第一掺杂区(206)和所述第二掺杂区(207)分别连接到第一电极(210a)和第二电极(210b)，使得所述波导(203)能够作为光电探测器进行操作。

Description

光电探测器及其制造方法
发明领域
本发明涉及一种硅基光电探测器，以及一种制造硅基光电探测器的方法。
背景技术
光电探测器在光子平台和网络的环境中无处不在。常规地，已经使用锗基硅光电探测器来作为光电探测器内的光吸收材料。然而，锗基探测器只能至多在约1.55μm的带隙波长下进行工作。然而，在超过1.55μm的波长下的硅光子应用越来越多。
此外，将光电探测器或光电二极管集成在光子电路内是方便的(这与将它们结合到该电路的一部分相反)。结合的光电二极管会引起耦合损耗，并且结合就制造而言(以及还有就该工艺的成品率而言)具有一定成本。另外，结合光电二极管对可在光子集成电路中使用的器件数量和可放置这些器件的位置施加了限制。相比之下，集成的光电探测器基本上不会引起耦合损耗，并且具有高响应度。
图1示出了使用PIN结的常规的硅光电探测器。p掺杂区和n掺杂区顺着波导脊的侧壁向上延伸，并且本征区位于所述p掺杂区与所述n掺杂区之间。由光电探测器捕获穿过结的光，并且提供信号。
发明内容
因此，在第一方面中，本发明的实施方案提供了一种硅基光电探测器，包括：
硅衬底；
掩埋氧化物层，所述掩埋氧化物层在所述硅衬底上方；以及
波导，所述波导在所述掩埋氧化物层上方；
其中所述波导包括含硅Si区和含锗锡GeSn区，这两者都位于所述波导的第一掺杂区与第二掺杂区之间，从而形成PIN二极管；
并且其中所述第一掺杂区和所述第二掺杂区分别连接到第一电极和第二电极，使得所述波导能够作为光电探测器进行操作。
这种光电探测器可集成在硅光子平台中，例如集成在光子集成电路(PIC)中，并且具有超过1.55μm的可检测波长。例如，GeSn作为材料具有在约2μm与约3μm之间的带隙波长。
所述硅基光电探测器可具有以下任选的特征中的任一者，或在它们兼容的程度上来说可具有以下任选的特征的任何组合。
所述波导可为位于第一平板部分与第二平板部分之间的肋形或脊形波导。所述第一掺杂区和所述第二掺杂区可位于所述肋形波导的相应侧壁内。所述第一掺杂区和所述第二掺杂区可分别延伸到所述第一平板部分和所述第二平板部分中。所述第一电极和所述第二电极可分别在所述第一掺杂区和所述第二掺杂区的在相应的平板部分内的部分中接触所述第一掺杂区和所述第二掺杂区。
所述光电探测器可具有至少1.3μm的操作波长。所述光电探测器可具有至少1.55μm的操作波长。所述光电探测器可具有不超过3.5μm的操作波长。
所述含锗锡区可由Ge93Sn7形成。
所述含锗锡区可由Ge90Sn10形成。
所述含锗锡区的在垂直于所述波导的导向方向且平行于所述衬底的表面的方向上测量的宽度可为所述波导区的在同一方向上测量的宽度的至少40%且不超过60%。
所述含锗锡区可在所述波导中定位在远离所述掩埋氧化物层的点处。
所述波导可具有从所述掩埋氧化物层的与所述波导相邻的表面到所述波导的最远离所述掩埋氧化物层的表面测量的至少2.5μm且不超过3.5μm的高度。
所述波导可具有从所述波导与所述掩埋氧化物层等距的第一侧和第二侧测量的至少1.5μm且不超过2.5μm的宽度。
所述第一平板部分和所述第二平板部分可具有从所述掩埋氧化物层的最上表面到所述相应的平板部分的最远离所述掩埋氧化物层的表面测量的至少0.2μm且不超过0.6μm的高度。
所述含锗锡区可由基本上纯的锗锡形成。
所述含锗锡区可不包含硅。
在第二方面中，本发明的实施方案提供了一种制造硅基光电探测器的方法，包括以下步骤：
提供硅基衬底、在所述硅衬底上方的掩埋氧化物层以及在所述掩埋氧化物层上方的波导；
用第一种类的掺杂剂掺杂第一区以形成第一掺杂区；
用第二种类的掺杂剂掺杂第二区以形成第二掺杂区；
在所述第一掺杂区与所述第二掺杂区之间蚀刻所述波导的至少一部分，以在其中提供空腔；以及
将锗锡沉积到所述空腔中，以提供与所述波导的含硅区相邻的所述波导的含锗锡区。
所述方法可具有以下任选的特征中的任一者，或在它们兼容的程度上来说可具有以下任选的特征的任何组合。
沉积所述锗锡可通过选择性外延生长来执行。
所述方法还可包括以下步骤：通过在器件的最上表面上方沉积钝化层来使所述器件钝化。
所述方法可包括以下步骤：将第一电极和第二电极沉积成分别与所述第一掺杂区和所述第二掺杂区接触。
附图说明
现将参考附图通过示例来描述本发明的实施方案，在附图中：
图1示出了常规的光电探测器的横截面图；
图2A至图2E示出了本发明的实施方案的各种制造步骤；并且
图3示出了根据本发明的实施方案的光电探测器的横截面图。
具体实施方式
现将参考附图论述本发明的各方面和实施方案。其他方面和实施方案对于本领域技术人员而言将是显而易见的。本文中提及的所有文件都以引用的方式并入本文。
图2A至图2E示出了本发明的实施方案的各种制造步骤。在图2A中所示的初始步骤中，提供硅衬底201，在硅衬底上方具有掩埋氧化物层202，并且在掩埋氧化物层上方具有波导203。波导203将光在一个方向上导入或导出图2A的平面。然后，在相应的平板部分204a和204b中提供第一掺杂区206和第二掺杂区207。平板区和波导区形成于器件中或制造器件所用的SOI晶片的绝缘体上硅层中。该结构的上表面被钝化层(passivation layer)或钝化处理层(passivating layer)208覆盖，该钝化层可为二氧化硅。除了不包括电极之外，该结构可与图1中所示的结构基本上相同。该步骤可为前道工序(FEOL)处理步骤。
接下来，执行蚀刻以去除波导的一部分。该步骤的结果在图2B中示出，其中在波导207的上部部分中可看到空腔205。在该实例中，空腔的形状为梯形。在蚀刻之后，使用选择性外延工艺来在空腔内生长锗锡(GeSn)区209。这在图2C中示出。在已经执行外延生长工艺之后，进行钝化工艺，以便在器件的整个上表面上提供连续的钝化处理或钝化层208。这在图2D中示出。
最后，如图2E所示，提供分别接触第一掺杂区206和第二掺杂区207的第一电极210a和第二电极210b。可在以下两个子步骤中执行该步骤：穿过钝化层208蚀刻通孔的第一步骤，这暴露出第一掺杂区和第二掺杂区的最上表面。随后，使用金属化工艺来将电触点提供到掺杂区的这些暴露表面，并且提供用于连接到外部连接器的电极焊盘。图2C至图2E中所示的步骤可为后道工序(BEOL)处理步骤。
步骤2A至2E产生如图3所示的根据本发明的实施方案的器件300。衬底201由硅形成，并且掩埋氧化物层202由二氧化硅(SiO2)形成。波导203、平板部分204a、204b以及掺杂区206和207都由硅形成。含锗锡区209由锗锡形成，具有相对低含量的锡。例如，含锗锡区可具有组成Ge90Sn10或Ge93Sn7。
含锗锡区209具有约1μm的最大宽度(在垂直于波导的导向方向且垂直于从衬底201延伸到波导203的高度方向的方向上测量的)。含锗锡区具有垂直于宽度测量的约1.2μm的高度。主要由硅形成的波导203本身具有约2μm的宽度和从掩埋氧化物层的最上表面到波导的最上表面测量的约3μm的高度。平板区204a和204b具有从掩埋氧化物层的最上表面到一个或多个平板区的最上表面测量的约0.4μm的高度。电极由铝形成。
尽管已经结合上文描述的示例性实施方案描述了本发明，但当给出本公开时，许多等同修改和变化对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，上文阐述的本发明的示例性实施方案被认为是说明性的而非限制性的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下可对所描述的实施方案作出各种改变。
以上引用的所有参考文献都以引用的方式并入本文。

Claims (21)

1.一种硅基光电探测器，包括：
硅衬底；
掩埋氧化物层，所述掩埋氧化物层在所述硅衬底上方；以及
波导，所述波导在所述掩埋氧化物层上方；
其中所述波导包括含硅Si区和含锗锡GeSn区，这两者都位于所述波导的第一掺杂区与第二掺杂区之间，从而形成PIN二极管；
并且其中所述第一掺杂区和所述第二掺杂区分别连接到第一电极和第二电极，使得所述波导能够作为光电探测器进行操作。
2.如权利要求1所述的硅基光电探测器，其中所述波导是位于第一平板部分与第二平板部分之间的肋形波导。
3.如权利要求2所述的硅基光电探测器，其中所述第一掺杂区和所述第二掺杂区位于所述肋形波导的相应侧壁内。
4.如权利要求3所述的硅基光电探测器，其中所述第一掺杂区和所述第二掺杂区分别延伸到所述第一平板部分和所述第二平板部分中。
5.如权利要求4所述的硅基光电探测器，其中所述第一电极和所述第二电极分别在所述第一掺杂区和所述第二掺杂区的在相应的平板部分内的部分中接触所述第一掺杂区和所述第二掺杂区。
6.如任一前述权利要求所述的硅基光电探测器，所述硅基光电探测器具有至少1.3μm的操作波长。
7.如任一前述权利要求所述的硅基光电探测器，所述硅基光电探测器具有至少1.55μm的操作波长。
8.如任一前述权利要求所述的硅基光电探测器，所述硅基光电探测器具有不超过3.5μm的操作波长。
9.如任一前述权利要求所述的硅基光电探测器，其中所述含锗锡区由Ge93Sn7形成。
10.如权利要求1至8中任一项所述的硅基光电探测器，其中所述含锗锡区由Ge90Sn10形成。
11.如任一前述权利要求所述的硅基光电探测器，其中所述含锗锡区的在垂直于所述波导的导向方向且平行于所述衬底的表面的方向上测量的宽度为所述波导区的在同一方向上测量的宽度的至少40%且不超过60%。
12.如任一前述权利要求所述的硅基光电探测器，其中所述含锗锡区在所述波导中定位在远离所述掩埋氧化物层的点处。
13.如任一前述权利要求所述的硅基光电探测器，其中所述波导具有从所述掩埋氧化物层的与所述波导相邻的表面到所述波导的最远离所述掩埋氧化物层的表面测量的至少2.5μm且不超过3.5μm的高度。
14.如任一前述权利要求所述的硅基光电探测器，其中所述波导具有从所述波导与所述掩埋氧化物层等距的第一侧和第二侧测量的至少1.5μm且不超过2.5μm的宽度。
15.如权利要求2至14中任一项所述的硅基光电探测器，其中所述第一平板部分和所述第二平板部分具有从所述掩埋氧化物层的最上表面到所述相应的平板部分的最远离所述掩埋氧化物层的表面测量的至少0.2μm且不超过0.6μm的高度。
16.如任一前述权利要求所述的硅基光电探测器，其中所述含锗锡区由基本上纯的锗锡形成。
17.如任一前述权利要求所述的硅基光电探测器，其中所述含锗锡区不包含任何硅。
18.一种制造硅基光电探测器的方法，包括以下步骤：
提供硅衬底、在所述硅衬底上方的掩埋氧化物层以及在所述掩埋氧化物层上方的波导；
用第一种类的掺杂剂掺杂第一区以形成第一掺杂区；
用第二种类的掺杂剂掺杂第二区以形成第二掺杂区；
在所述第一掺杂区与所述第二掺杂区之间蚀刻所述波导的至少一部分，以在其中提供空腔；以及
将锗锡沉积到所述空腔中，以提供与所述波导的含硅区相邻的所述波导的含锗锡区。
19.如权利要求18所述的方法，其中沉积所述锗锡通过选择性外延生长来执行。
20.如权利要求18或权利要求19所述的方法，所述方法还包括以下步骤：通过在器件的最上表面上方沉积钝化处理层来使所述器件钝化。
21.如权利要求18至20中任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：将第一电极和第二电极沉积成分别与所述第一掺杂区和所述第二掺杂区接触。
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