CN113629159B - 硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器及其制作方法 - Google Patents
硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器及其制作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113629159B CN113629159B CN202110905573.9A CN202110905573A CN113629159B CN 113629159 B CN113629159 B CN 113629159B CN 202110905573 A CN202110905573 A CN 202110905573A CN 113629159 B CN113629159 B CN 113629159B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- type electrode
- ion implantation
- silicon
- electrode contact
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 95
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 90
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 88
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 29
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 20
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 84
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 claims abstract description 79
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 64
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims abstract description 22
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 44
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 33
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 14
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 9
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 8
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims description 6
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 4
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 3
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims description 3
- 229910001258 titanium gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 8
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 7
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 5
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 5
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 2
- 150000003376 silicon Chemical class 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000010748 Photoabsorption Effects 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
- H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
- H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/1804—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic Table
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
本发明提供一种硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器及制备方法，该探测器包括：SOI晶片；脊形单模传输波导；吸收层，具有缺陷能级，外延形成于单模传输波导上；波导与吸收层之间通过倏逝波进行光的耦合；倍增层，形成于吸收层中；P型电极接触层，形成于倍增层中；N型电极接触层，形成于吸收层的除倍增层以外的区域中；P型和N型电极，形成于P型和N型电极接触层上。本发明利用离子注入在吸收层硅上形成缺陷能级，可提高其在红外2‑3μm波段的吸收；利用倏逝波耦合方式，解决响应速度和量子效率之间的矛盾；利用缺陷硅及其垂直的雪崩探测器结构，提高器件的量子效率；易于与硅基CMOS器件集成，可促进硅探测器在红外波段的应用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器及其制作方法。
背景技术
随着信息产业的发展，全球基础通信数据量以惊人速率飞速上升。为了解决信息容量紧张问题，信息的载体-光波长开始向中红外波段拓展，目前已经出现中红外波段的激光器和探测器。另外随着数据信息的海量增加，对数据传输的速度、能耗等各方面提出了挑战，目前各国大多采用单片集成芯片来实现海量数据信息传输。硅基光电集成芯片集中了硅基微电子先进成熟的工艺技术、高密度集成、成本低以及光子极高的传输速率、高抗干扰性和低功耗的优势，不仅在现代通信技术中越来越占重要比重，而且在中红外波段，其在许多领域如工业/军事成像、光谱探测和环境监测、医学诊断分析等具有潜在的应用优势。
虽然硅基光电子学在中红外窗口的应用前景十分乐观，但其发展过程中存在的挑战也不容忽视。
目前首要的限制就是缺乏真正意义上的集成，大多数的集成系统都是基于分立元件的组装而不是一系列元件的“无缝”集成。另外，对于硅基探测器，因为其禁带宽度为1.12eV，只能吸收1100nm以下的光。
发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术中还至少存在以下几方面的问题，即工作于2-3μm波段的硅基光电探测器的响应度偏低；由于器件结构的限制，响应度和响应速率之间互相牵制，不能工作于高速系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供了一种硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器，以期至少部分地解决上述提及的技术问题之一。
本发明的一个方面提供了一种硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器，包括：
SOI晶片，包括硅衬底、氧化硅和顶层硅；
单模传输波导，呈脊形；其中，上述单模传输波导通过刻蚀上述顶层硅形成；
吸收层，外延形成于上述单模传输波导上；其中，上述吸收层具有缺陷能级；上述单模传输波导与上述吸收层之间通过倏逝波的方式进行光的耦合；
倍增层，形成于上述吸收层中；
P型电极接触层，形成于上述倍增层中；
N型电极接触层，形成于上述倍增层两侧的上述吸收层上，且上述N型电极接触层与上述倍增层不直接接触；
P型电极，形成于上述P型电极接触层上；
N型电极，形成于上述N型电极接触层上。
根据本发明的实施例，上述硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器还包括：绝缘膜，形成于上述单模传输波导两侧，以及形成于上述吸收层的裸露表面。
根据本发明的实施例，上述吸收层的厚度包括2μm～10μm，宽度包括3μm～5μm，长度包括10μm～12μm；
上述单模传输波导的宽度包括2μm～4μm；
上述吸收层的外延浓度包括本征值。
根据本发明的实施例，上述吸收层包括缺陷能级的N型区；
上述吸收层内通过离子注入的方式注入的离子包括Se、S、He、Si中的其中之一。
根据本发明的实施例，上述P型电极或所述N型电极的电极材料包括：Al或TiAu。
本发明的另一方面还提供了一种硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
刻蚀SOI晶片，形成单模传输波导，其中上述SOI晶片包括硅衬底、氧化硅和顶层硅；
清洗刻蚀后的上述SOI晶片，在上述单模传输波导上选择性外延生长外延层；
清洗带有上述外延层的SOI晶片，对上述外延层进行第一离子注入，形成具有缺陷能级的吸收层；
在上述吸收层上光刻形成N型电极接触层区域，对上述N型电极接触层区域进行第二离子注入，形成N型电极接触层；
在上述吸收层上进行第三离子注入，形成倍增层；
在上述吸收层上光刻形成P型电极接触层区域，对上述P型电极接触层区域进行第四离子注入，形成P型电极接触层；
清洗带有上述P型电极接触层的SOI晶片，在上述SOI晶片上形成绝缘膜，并对上述绝缘膜进行刻蚀直至裸露出待淀积金属的区域；
在上述待淀积金属的区域上淀积金属，使得在上述N型电极接触层上形成N型电极和在上述P型电极接触层上形成P型电极，完成探测器的制备。
根据本发明的实施例，上述第一离子注入的离子注入剂量包括5×1012cm-2～1×1013cm-2；
上述第一离子注入的离子注入能量包括200KeV～400KeV；
其中，上述第一离子注入的离子包括：Se、S、He、Si中的其中之一；
其中，在进行上述第一离子注入后，上述制备方法还包括：
进行第一退火，其中，上述第一退火温度包括1000℃～1050℃，第一退火时间包括4小时～8小时。
根据本发明的实施例，上述第二离子注入的离子注入剂量包括3×1014cm-2～6×1014cm-2；上述第二离子注入的离子注入能量包括40KeV～70KeV；
其中，上述第二离子注入的离子包括P或As；
其中，在进行上述第二离子注入后，上述制备方法还包括：
进行第二退火，其中，上述第二退火温度包括850℃～900℃，第二退火时间2小时～3小时。
根据本发明的实施例，上述第三离子注入的离子注入剂量包括5×1013cm-2～1×1014cm-2；上述第三离子注入的离子注入能量包括80KeV～120KeV；
其中，上述第三离子注入的离子包括B；
其中，在进行上述第三离子注入后，上述制备方法还包括：
进行第三退火，其中，上述第三退火温度包括1050℃～1100℃，第三退火时间包括12小时～16小时。
根据本发明的实施例，上述第四离子注入的离子注入剂量包括5×1014cm-2～2×1015cm-2；上述第四离子注入的离子注入能量包括40KeV～70KeV；
其中，上述第四离子注入的离子包括B；
其中，在进行上述第四离子注入后，上述制备方法还包括：
进行第四退火；其中，上述第四退火温度包括900℃～1000℃，第四退火时间包括1小时～1.5小时。
对于上述技术方案，相比于现有技术，至少具有以下有益效果的其中之一或其中的一部分。
(1)硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器，利用离子注入的方法，在吸收层上形成缺陷能级，用于提高器件在中红外波段的吸收；同时利用倏逝波耦合方式，光从单模传输波导耦合进入吸收层内；被吸收的光子在垂直结构APD的电场作用下产生光生载流子并雪崩倍增，这样在不增加有源区厚度的情况下可通过提高有源区的长度来提高效率，解决硅探测器响应速度(厚度越宽，载流子渡越时间越长，响应速率会降低)和量子效率之间的矛盾，实现兼顾高量子效率及高速的硅基中红外波段探测器，工艺简捷。
(2)SOI上的硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器，有利于与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)电子集成电路互联，实现中红外硅基集成光电芯片。
综上所述，本发明提供的硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器可以得到硅基集成的中红外波段高速收发芯片，可应用于未来中红外波段通信系统、自由空间通信、工业/军事成像、光谱探测和环境监测、医学诊断分析等多个领域。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了根据本发明实施例的一种硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器的立体结构的示意图；
图2示意性示出了图1中的硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器的剖面图；
图3示意性示出了根据本发明另一实施例的硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器的竖截面示意图；
图4示意性示出了图1中单模传输波导与吸收层位置关系的俯视示意图；
图5示意性示出了光在图1中的硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器中传播的示意图；
图6A示意性示出了根据本发明一实施例中形成带有图形化的光刻胶的SOI晶片示意图；
图6B示意性示出了根据本发明一实施例制作的单模传输波导的示意图；
图7示意性示出了根据本发明另一实施例的制备方法中在单模传输波导两侧形成绝缘膜的示意图；
图8示意性示出了根据本发明另一实施例的制备方法中形成外延层的示意图；
图9示意性示出了根据本发明另一实施例的制备方法中形成吸收层的示意图；
图10示意性示出了根据本发明另一实施例的制备方法中形成N型电极接触层的示意图；
图11示意性示出了根据本发明另一实施例的制备方法中形成倍增层的示意图；
图12示意性示出了根据本发明另一实施例的制备方法中形成P型电极接触层的示意图；以及
图13示意性示出了根据本发明另一实施例的制备方法中形成电极的示意图。
上述附图中，附图标记含义具体如下：
1.硅衬底；2.氧化硅；3.顶层硅；4.吸收层；5.倍增层；6.P型电极接触层；7.N型电极接触层；8.N型电极；9.P型电极；10、11、12、13、14.绝缘膜。
具体实施方式
相关技术中能工作在2-3μm波段的硅基探测器主要包括三种，即III-V硅基混合异质结探测器、石墨烯硅基探测器和基于缺陷的硅基探测器，其中基于缺陷引入红外吸收的硅基探测器在通信波段中表现出更好的集成能力，能实现中红外波段探测器真正意义上的硅基集成，制作过程与CMOS工艺兼容。
对于缺陷红外吸收增强的研究，最早始于Fan和Ramdas，他们在1959年报道了经离子辐照的硅能在禁带中形成深能级，这种深能级能对波长达4000nm的红外光产生光吸收和光电流。国内外在对引入缺陷的硅探测器进行了研究，总体来说虽然在1550nm以及2.5μm以下波段有了较强的吸收，但所采用的波导型pin结构的探测器响应度还是偏低。
本发明给出了一种缺陷介入的波导倏逝场耦合的Si雪崩光电探测器(APD)的结构设计方法，可以实现光波导传输与APD载流子输运的有效分离，通过水平波导结构的有效光传播，经倏逝波耦合被缺陷吸收层吸收，经倍增后，获得足够大的响应度及响应速率，以适应硅基光电集成的要求。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定，实施例中记载的各个特征可进行组合，形成多个可选方案。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明提供了一种硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器可以包括如下结构：
SOI晶片，包括硅衬底、氧化硅和顶层硅；
单模传输波导，呈脊形；其中，单模传输波导通过刻蚀顶层硅形成；
吸收层，外延形成于单模传输波导上；其中，吸收层具有缺陷能级；单模传输波导与吸收层之间通过倏逝波的方式进行光的耦合；
倍增层，形成于吸收层中；
P型电极接触层，形成于倍增层中；
N型电极接触层，形成于倍增层两侧的吸收层上，且N型电极接触层与倍增层不直接接触；
P型电极，形成于P型电极接触层上；
N型电极，形成于N型电极接触层上。
根据本发明的实施例，本发明提供的硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器采用了具有缺陷能级的吸收层，并且单模传输波导与吸收层之间通过倏逝波的方式进行光耦合的技术手段，能够使吸收中红外波的能力更强，量子效率更高，响应度更高，探测效率更高。
根据本发明的实施例，硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器还包括：绝缘膜，形成于单模传输波导两侧，以及形成于吸收层的裸露表面。
根据本发明的实施例，吸收层的厚度包括2μm～10μm，宽度包括3μm～5μm，长度包括10μm～12μm；
单模传输波导的宽度包括2μm～4μm；
吸收层的外延浓度包括本征值。根据本发明的实施例，水平的单模传输波导能够有效进行光的传播，其宽度可以包括2μm～4μm，例如可以是2μm、3μm、3.4μm、3.7μm。需要说明的是，传输波导的宽度过大可能会导致光在波导里的传输损耗增大，最终影响器件的量子效率；宽度太小也会影响探测器量子效率。
根据本发明的实施例，吸收层的厚度可以包括2μm～10μm，例如可以是2μm、4μm、7μm、10μm。需要说明的是，吸收层的厚度过大，会增加载流子渡越时间，降低探测器的响应速度；吸收层的厚度过小，会降低量子效率。
根据本发明的实施例，吸收层包括缺陷能级的N型区；
吸收层内通过离子注入的方式注入的离子可以包括Se、S、He、Si中的一种或多种。
根据本发明的实施例，吸收层通过引入缺陷能级能够增强2μm～3μm波段的中红外波的吸收能力，与CMOS工艺兼容，实现中红外波段探测器真正意义上的硅基集成。
根据本发明的实施例，单模传输波导与吸收层之间通过倏逝波进行光的耦合，即光从单模传输波导的输入端沿单模传输波导的水平方向传播，逐渐从单模传输波导耦合到探测器的吸收层中，而光生载流子的输运则沿与之相垂直的方向进行。
根据本发明的实施例，采用单模传输波导与吸收层之间通过倏逝波进行光的耦合，可以减少吸收层厚度以缩短载流子渡越时间，提高探测器的响应速度。
根据本发明的实施例，通过增加单模传输波导的长度和吸收层的长度，能够增加通过倏逝波进行光的耦合的长度，从而增加吸收长度，最终使量子效率得到提高。
根据本发明的实施例，光从单模传输波导耦合进入吸收层的传输方式，保证了器件在长度方向更均匀的吸收，避免了器件功率饱和，提高了器件的功率特性。
硅波导与缺陷吸收层之间通过倏逝波的方式进行光的耦合，硅波导可以为2μm～4μm，缺陷吸收层宽度可以为3μm～5μm。硅波导在远离吸收区的入光口处，其宽度可以渐变减小为500nm左右，以与CMOS工艺中其他硅基光电器件的硅单模波导兼容。
根据本发明的实施例，倍增层能够使光电流成倍激增，产生雪崩效应，能够有效提高探测器响应度。
根据本发明的实施例，N型电极接触层，形成于吸收层的除倍增层以外的区域中，N电极接触层不与倍增层直接接触，N电极接触层可以是一个，也可以是两个或者更多个。根据本发明的实施例，P型电极或N型电极的电极材料包括：Al或TiAu。
本发明还提供了一种硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器的制备方法可以包括如下步骤：
刻蚀SOI晶片，形成单模传输波导，其中上述SOI晶片包括硅衬底、氧化硅和顶层硅；
清洗刻蚀后的上述SOI晶片，在上述单模传输波导上选择性外延生长外延层；
清洗带有上述外延层的SOI晶片，对上述外延层进行第一离子注入，形成具有缺陷能级的吸收层；
在上述吸收层上光刻形成N型电极接触层区域，对上述N型电极接触层区域进行第二离子注入，形成N型电极接触层；
在上述吸收层上进行第三离子注入，形成倍增层；
在上述吸收层上光刻形成P型电极接触层区域，对上述P型电极接触层区域进行第四离子注入，形成P型电极接触层；
清洗带有P型电极接触层的SOI晶片，在SOI晶片上形成绝缘膜，并对绝缘膜进行刻蚀直至裸露出待淀积金属的区域；
在待淀积金属的区域淀积金属，使得在N型电极接触层上形成N型电极和在P型电极接触层上形成P型电极，完成探测器的制备。
根据本发明的实施例，采用离子注入工艺制备光电探测器，工艺简捷，易于集成。
根据本发明的实施例，单模传输波导由下至上依次包括硅衬底、氧化硅和顶层硅，其中，光刻顶层硅呈脊型；其中，脊型结构两侧的顶层硅可以光刻至SOI晶片中间的氧化硅，也可以保留部分顶层硅；
根据本发明的实施例，在单模传输波导上外延生长外延层之前，需要在单模传输波导两侧形成绝缘膜；该绝缘膜材料可以是二氧化硅。
根据本发明的实施例，第一离子注入的离子注入剂量包括5×1012cm-2～1×1013cm-2；
第一离子注入的离子注入能量包括200KeV～400KeV；
其中，第一离子注入的离子包括：Se、S、He、Si中的其中之一；
其中，在进行第一离子注入后，制备方法还包括：
进行第一退火，其中，第一退火温度包括1000℃～1050℃，第一退火时间包括4小时～8小时。
根据本发明的实施例，第二离子注入的离子注入剂量包括3×1014cm-2～6×1014cm-2；第二离子注入的离子注入能量包括40KeV～70KeV；
其中，第二离子注入的离子包括P或As；
其中，在进行第二离子注入后，制备方法还包括：
进行第二退火，其中，第二退火温度包括850℃～900℃，第二退火时间包括2小时～3小时。
根据本发明的实施例，第三离子注入的离子注入剂量包括5×1013cm-2～1×1014cm-2；第三离子注入的离子注入能量包括80KeV～i20KeV；
其中，第三离子注入的离子包括B；
其中，在进行第三离子注入后，制备方法还包括：
进行第三退火，其中，第三退火温度包括1050℃～1100℃，第三退火时间包括12小时～16小时。
根据本发明的实施例，第四离子注入的离子注入剂量包括5×1014cm-2～2×1015cm-2；第四离子注入的离子注入能量包括40KeV～70KeV；
其中，第四离子注入的离子包括B；
其中，在进行第四离子注入后，制备方法还包括：
进行第四退火；其中，上述第四退火温度包括900℃～1000℃，第四退火时间包括1小时～1.5小时。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
实施例1
图1示意性示出了根据本发明实施例的一种硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器的立体结构的示意图；图2示意性示出了图1中的硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器的剖面图；图3示意性示出了根据本发明另一实施例的硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器的竖截面示意图。
如图1、图2、图3所示，硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器自下而上依次为SOI晶片，绝缘膜10，吸收层4，倍增层5，P型电极接触层6，N型电极接触层7，N型电极8，P型电极9；其中，如图3所示的硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器还包括绝缘膜11。
如图2所示，SOI晶片包括硅衬底1、氧化硅2和顶层硅3；其中，脊形的顶层硅3作为单模传输波导；在单模传输波导的两侧形成有绝缘膜10。根据本发明的实施例，单模传输波导的宽度为2μm，绝缘膜的材料为二氧化硅。
如图4所示，吸收层4的形状为一中间为矩形两端为锥形的形状。根据本发明的实施例，吸收层的厚度为3μm，吸收层宽度为5μm，长度为10μm。
图4示意性示出了根据本发明实施例的一种单模传输波导与吸收层位置关系的俯视示意图。
如图4所示，吸收层4的宽度大于单模传输波导的宽度，吸收层4的长度小于单模传输波导的长度。
如图2所示，倍增层5形成于吸收层4中；N型电极接触层7形成于倍增层5两侧的吸收层4中，N型电极接触层7有两个，且与倍增层5不直接接触；P型电极接触层6，形成于倍增层5中；在N型电极接触层7上有N型电极8；在P型电极接触层6上有P型电极9。
图5示意性示出了光在图1中的硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器中传播的示意图。
如图5所示，入射光沿单模输出波导的水平方向传播，逐渐从单模传输波导耦合到吸收层4中，载流子则沿与之垂直的方向输运。
实施例2
根据本发明实施例的一种硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器的制备方法，可以包括以下步骤：
图6A示意性示出了根据本发明一实施例中形成带有图形化的光刻胶的SOI晶片示意图；
图6B示意性示出了根据本发明一实施例制作的单模传输波导的示意图；
如图6A和图6B所示，在如图6A所示的SOI晶片的顶层硅3上光刻形成图形化的光刻胶，然后通过腐蚀得到如图6B所示的呈脊型结构的单模传输波导。
图7示意性示出了根据本发明另一实施例的制备方法中在单模传输波导两侧形成绝缘膜的示意图；
图8示意性示出了根据本发明另一实施例的制备方法中形成外延层的示意图；
将图6B中的单模传输波导用有机溶剂清洗干净，在氧化硅2的除顶层硅3以外的裸露区域上形成如图7中所示的绝缘膜10，然后在单模传输波导和绝缘膜10上通过外延生长得到如图8中所示的外延层。
图9示意性示出了根据本发明另一实施例的制备方法中形成吸收层的示意图；
如图9所示，在外延层上进行第一离子注入，注入的第一离子为Se离子，注入能量200KeV，剂量为5×1012cm-2，之后进行第一退火，第一退火温度为1000℃，有助于加快恢复第一离子注入后产生的损伤；第一退火时间为8小时，有助于第一离子向内扩散，最后形成如图9中所示的具有缺陷能级的吸收层4。
图10示意性示出了根据本发明另一实施例的制备方法中形成N型电极接触层的示意图。
如图10所示，去掉图9中的光刻胶，并将图9中的晶片清洗干净，在器件上甩上光刻胶，刻蚀出N型电极接触层7，即在吸收层4的上表面靠近两侧边缘的地方分别留出的宽度约1μm的区域，并进行第二离子的注入，注入的第二离子为P离子，注入能量为70KeV，剂量为5×1014cm-2，之后进行第二退火，第二退火温度为850℃，第二退火时间为3小时，最后形成如图10中所示的N型电极接触层7。
图11示意性示出了根据本发明的制备方法中形成倍增层的示意图。
如图11所示，去掉图10中的光刻胶，并将图10中的晶片清洗干净，在图10中吸收层4的表面形成绝缘膜12，光刻刻蚀出倍增区的图形，之后进行第三离子注入，注入的第三离子为B离子，注入能量为120KeV，剂量为5×1013cm-2，之后进一步的进行第三退火，第三退火温度为1100℃，第三退火时间为12小时，最后形成如图11中所示的倍增层5。
图12示意性示出了根据本发明另一实施例的制备方法中形成P型电极接触层的示意图。
如图12所示，去掉图11中的光刻胶，并将图11中的晶片清洗干净，在图11中吸收层4的表面淀积绝缘膜13，光刻刻蚀出P型电极接触层6的图形，之后在图11所示的倍增层5上进行第四离子注入，注入的第四离子为B离子，注入能量为50KeV，剂量2×1015cm-2，之后进行第四退火，第四退火温度为900℃，第四退火时间为1小时，最后形成如图12中所示的P型电极接触层6。
图13示意性示出了根据本发明另一实施例的制备方法中形成电极的示意图。
如图13所示，去掉图12中的光刻胶，并将图12中的晶片清洗干净，在图12所示的晶片的表面上淀积形成绝缘膜14，并刻蚀出需要形成N型电极8和P型电极9的区域，之后淀积金属Al，形成如图13中所示的N型电极8和P型电极9。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器，其特征在于，包括：
SOI晶片，包括硅衬底、氧化硅和顶层硅；
单模传输波导，呈脊形；其中，所述单模传输波导通过刻蚀所述顶层硅形成；
吸收层，外延形成于所述单模传输波导上；其中，所述吸收层具有缺陷能级；所述单模传输波导与所述吸收层之间通过倏逝波的方式进行光的耦合；
倍增层，形成于所述吸收层中；
P型电极接触层，形成于所述倍增层中；
N型电极接触层，形成于所述倍增层两侧的所述吸收层上，且所述N型电极接触层与所述倍增层不直接接触；
P型电极，形成于所述P型电极接触层上；
N型电极，形成于所述N型电极接触层上。
2.根据权利要求1所述的硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器，其特征在于，所述硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器还包括：绝缘膜，形成于所述单模传输波导两侧，以及形成于所述吸收层的裸露表面。
3.根据权利要求1所述的硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器，其特征在于，所述吸收层的厚度包括2μm～10μm，宽度包括3μm～5μm，长度包括10μm～12μm；
所述单模传输波导的宽度包括2μm～4μm；
所述吸收层的外延浓度包括本征值。
4.根据权利要求1所述的硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器，其特征在于，
所述吸收层包括缺陷能级的N型区；
所述吸收层内通过离子注入的方式注入的离子包括Se、S、He、Si中的其中之一。
5.根据权利要求1所述的硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器，其特征在于，所述P型电极或所述N型电极的电极材料包括：Al或TiAu。
6.一种如权利要求1～5任一项所述的硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
刻蚀SOI晶片，形成单模传输波导，其中所述SOI晶片包括硅衬底、氧化硅和顶层硅；
清洗刻蚀后的所述SOI晶片，在所述单模传输波导上选择性外延生长外延层；
清洗带有所述外延层的SOI晶片，对所述外延层进行第一离子注入，形成具有缺陷能级的吸收层；
在所述吸收层上光刻形成N型电极接触层区域，对所述N型电极接触层区域进行第二离子注入，形成N型电极接触层；
在所述吸收层上进行第三离子注入，形成倍增层；
在所述吸收层上光刻形成P型电极接触层区域，对所述P型电极接触层区域进行第四离子注入，形成P型电极接触层；
清洗带有所述P型电极接触层的SOI晶片，在所述SOI晶片上形成绝缘膜，并对所述绝缘膜进行刻蚀直至裸露出待淀积金属的区域；
在所述待淀积金属的区域淀积金属，使得在所述N型电极接触层上形成N型电极和在所述P型电极接触层上形成P型电极，完成探测器的制备。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
所述第一离子注入的离子注入剂量包括5×1012cm-2～1×1013cm-2；
所述第一离子注入的离子注入能量包括200KeV～400KeV；
其中，所述第一离子注入的离子包括：Se、S、He、Si中的其中之一；
其中，在进行所述第一离子注入后，所述制备方法还包括：
进行第一退火，其中，所述第一退火温度包括1000℃～1050℃，第一退火时间包括4小时～8小时。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
所述第二离子注入的离子注入剂量包括3×1014cm-2～6×1014cm-2；所述第二离子注入的离子注入能量包括40KeV～70KeV；
其中，所述第二离子注入的离子包括P或As；
其中，在进行所述第二离子注入后，所述制备方法还包括：
进行第二退火，其中，所述第二退火温度包括850℃～900℃，第二退火时间2小时～3小时。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
所述第三离子注入的离子注入剂量包括5×1013cm-2～1×1014cm-2；所述第三离子注入的离子注入能量包括80KeV～120KeV；
其中，所述第三离子注入的离子包括B；
其中，在进行所述第三离子注入后，所述制备方法还包括：
进行第三退火，其中，所述第三退火温度包括1050℃～1100℃，第三退火时间包括12小时～16小时。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
所述第四离子注入的离子注入剂量包括5×1014cm-2～2×1015cm-2；所述第四离子注入的离子注入能量包括40KeV～70KeV；
其中，所述第四离子注入的离子包括B；
其中，在进行所述第四离子注入后，所述制备方法还包括：
进行第四退火；其中，所述第四退火温度包括900℃～1000℃，第四退火时间包括1小时～1.5小时。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110905573.9A CN113629159B (zh) | 2021-08-06 | 2021-08-06 | 硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器及其制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110905573.9A CN113629159B (zh) | 2021-08-06 | 2021-08-06 | 硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器及其制作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113629159A CN113629159A (zh) | 2021-11-09 |
| CN113629159B true CN113629159B (zh) | 2022-11-22 |
Family
ID=78383421
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110905573.9A Active CN113629159B (zh) | 2021-08-06 | 2021-08-06 | 硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器及其制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113629159B (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1858916A (zh) * | 2005-05-03 | 2006-11-08 | 英特尔公司 | 具有分离的吸收和倍增区的基于半导体波导的雪崩光电检测器 |
| CN104681634A (zh) * | 2015-01-22 | 2015-06-03 | 北京工业大学 | 一种波导耦合型吸收倍增分离雪崩二极管 |
| JP2016092048A (ja) * | 2014-10-30 | 2016-05-23 | 日本電信電話株式会社 | 受光素子 |
| CN105789366A (zh) * | 2016-03-16 | 2016-07-20 | 中国科学院半导体研究所 | 一种硅基混合集成雪崩光电探测器 |
| CN111129201A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-05-08 | 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 | 一种光电探测器 |
| CN111211182A (zh) * | 2018-11-19 | 2020-05-29 | 上海新微技术研发中心有限公司 | 一种波导型光电探测器及其制造方法 |
| CN111834486A (zh) * | 2019-03-28 | 2020-10-27 | 上海新微技术研发中心有限公司 | 波导型GePb红外光电探测器及其制造方法 |
| CN112993065A (zh) * | 2021-03-30 | 2021-06-18 | 华中科技大学 | 一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20190019903A1 (en) * | 2017-07-15 | 2019-01-17 | Jinlin Ye | SILICON WAVEGUIDE INTEGRATED WITH SILICON-GERMANIUM (Si-Ge) AVALANCHE PHOTODIODE DETECTOR |
-
2021
- 2021-08-06 CN CN202110905573.9A patent/CN113629159B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1858916A (zh) * | 2005-05-03 | 2006-11-08 | 英特尔公司 | 具有分离的吸收和倍增区的基于半导体波导的雪崩光电检测器 |
| JP2016092048A (ja) * | 2014-10-30 | 2016-05-23 | 日本電信電話株式会社 | 受光素子 |
| CN104681634A (zh) * | 2015-01-22 | 2015-06-03 | 北京工业大学 | 一种波导耦合型吸收倍增分离雪崩二极管 |
| CN105789366A (zh) * | 2016-03-16 | 2016-07-20 | 中国科学院半导体研究所 | 一种硅基混合集成雪崩光电探测器 |
| CN111211182A (zh) * | 2018-11-19 | 2020-05-29 | 上海新微技术研发中心有限公司 | 一种波导型光电探测器及其制造方法 |
| CN111834486A (zh) * | 2019-03-28 | 2020-10-27 | 上海新微技术研发中心有限公司 | 波导型GePb红外光电探测器及其制造方法 |
| CN111129201A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-05-08 | 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 | 一种光电探测器 |
| CN112993065A (zh) * | 2021-03-30 | 2021-06-18 | 华中科技大学 | 一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 硅基波导共振增强型光电探测器的设计与模拟;陈荔群等;《半导体学报》;20060808;第27卷(第08期);1476-1479 * |
| 近红外波段Ge光电探测器的研究进展;柯星星等;《半导体技术》;20150403;第40卷(第04期);241-249 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113629159A (zh) | 2021-11-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10580923B2 (en) | Optical semiconductor device and optical transceiver | |
| CN104303315B (zh) | 包括能独立控制的吸收区电场和倍增区电场的器件 | |
| JP5232981B2 (ja) | ＳｉＧｅフォトダイオード | |
| CN102201483B (zh) | 硅纳米线光栅谐振增强型光电探测器及其制作方法 | |
| CN113035982B (zh) | 全硅掺杂多结电场增强型锗光波导探测器 | |
| WO2017148098A1 (zh) | 光波导探测器与光模块 | |
| CN110212053B (zh) | 一种硅基叉指型光电探测器 | |
| CN109461787A (zh) | 光栅垂直耦合型插指光电探测器 | |
| CN112993065A (zh) | 一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器 | |
| US20190019903A1 (en) | SILICON WAVEGUIDE INTEGRATED WITH SILICON-GERMANIUM (Si-Ge) AVALANCHE PHOTODIODE DETECTOR | |
| CA2985057A1 (en) | Light-receiving element and optical integrated circuit | |
| CN112018211B (zh) | 一种雪崩光电探测器及其制备方法 | |
| CN102023455A (zh) | 基于n-InP的单片集成的光逻辑门及其制作方法 | |
| CN111640813A (zh) | 一种宽光谱高吸收太阳能电池 | |
| CN101393945A (zh) | 全硅波导型光电转换器及其制造方法 | |
| CN113629159B (zh) | 硅红外增强倏逝波耦合雪崩光电探测器及其制作方法 | |
| CN115224138B (zh) | 一种水平拉通型锗硅雪崩光电探测器 | |
| CN114335207A (zh) | 一种基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器 | |
| JP7443672B2 (ja) | 光半導体素子及び光伝送装置 | |
| JPH04263475A (ja) | 半導体受光素子及びその製造方法 | |
| CN114613872B (zh) | 一种全光谱探测场效应晶体管及制备方法 | |
| CN220829969U (zh) | 一种可见光及近红外片上传感结构 | |
| CN115101612B (zh) | 一种硅基双重多量子阱的高速pin探测器 | |
| CN108987530B (zh) | 光电探测器的制作方法 | |
| Yi et al. | High performance waveguide integrated vertical silicon-based germanium avalanche photodetectors |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |