CN113964213B - GeSn波导型单行载流子光探测器结构及其制备方法 - Google Patents
GeSn波导型单行载流子光探测器结构及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113964213B CN113964213B CN202111118652.1A CN202111118652A CN113964213B CN 113964213 B CN113964213 B CN 113964213B CN 202111118652 A CN202111118652 A CN 202111118652A CN 113964213 B CN113964213 B CN 113964213B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- type
- gesn
- thickness
- intrinsic
- 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
- 229910005898 GeSn Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 67
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 63
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 117
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 56
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 56
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 56
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 37
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 35
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 35
- 239000012792 core layer Substances 0.000 claims description 27
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 17
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 15
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 claims description 12
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 10
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 9
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 8
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 6
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 claims description 6
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 3
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000002513 implantation Methods 0.000 claims description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 2
- -1 phosphorus ions Chemical class 0.000 claims description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 12
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 8
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 8
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 6
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 15
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- SHXWCVYOXRDMCX-UHFFFAOYSA-N 3,4-methylenedioxymethamphetamine Chemical compound CNC(C)CC1=CC=C2OCOC2=C1 SHXWCVYOXRDMCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000110847 Kochia Species 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000003902 lesion Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
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
- H01L31/105—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type
-
- 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
- H01L31/02—Details
- H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
- H01L31/02327—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors
-
- 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
- H01L31/0256—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 the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/028—Inorganic materials including, apart from doping material or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
-
- 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
- H01L31/035281—Shape of the body
-
- 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
- H01L31/105—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type
- H01L31/1055—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type the devices comprising amorphous materials of Group IV of the Periodic Table
-
- 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)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
本发明提供的一种GeSn波导型单行载流子光探测器结构及其制备方法，将GeSn材料、单行载流子光电探测器和Ge基波导型光电探测器结合在一起，适合单片光电集成，可以满足高光响应度、高响应速度与波段的器件性能要求。且本发明的光探测器工艺简单，通过楔形结构用于提高光波导与探测器之间的光耦合效率，以及锥形结构减小光探测器入射波导的光反射。因此本发明的光电探测器可以提高效率、光响应度以及响应速度。本发明所设计的GeSn波导型光探测器在1.55μm处的光响应度为1.25A/w，3dB带宽最大为160GHz。相比现有技术，本发明光探测器的光响应度和响应带宽方面均有很大的提升。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子技术领域，具体涉及一种GeSn波导型单行载流子光探测器结构及其制备方法。
背景技术
光电探测器在军事与国民生活中的各个领域上有广泛应用。在军用方面，鉴于当代军事作战对精确情报的高要求，高性能的光电探测器在这个领域发挥了重要作用，例如激光雷达和红外预警探测器的接收装置就是光电探测器。在民用方面，光电探测器在天气预报、火灾预警、生物医疗等领域起到了重要作用。红外光电探测器通过检测存在于闪电光线中的红外线成分可以定向地监测并预报天气；而根据日盲波段辐射不存在于地面上的原理，光电探测器就可以特别灵敏地探测到户外的火源并加以锁定；同时，光电探测器在多种生物医学检测中也发挥着重要作用，它可以完成对病变器官、组织、细胞乃至分子程度上的检测。
光电探测器也是光子集成和光纤通信中的重要元件。目前，光纤通信中通信波段商用探测器广泛使用Ⅲ-Ⅴ族材料，其热学机械性能差，价格昂贵，且与Si-CMOS工艺兼容性差。而与CMOS工艺兼容的Ⅳ族Ge材料在近红外波段有良好的吸收特性(吸收截止波长超过1.6μm)，且价格较为低廉。5G时代的到来对光纤通信提出了更高速、更耐热、更便宜的新要求，这也就意味着对光接收机有着越来越高的性能要求。制备在近红外波段高光响应度、高速率、宽波段和低噪声的探测器也就十分重要。Ⅲ-Ⅴ族近红外光探测器已商业化量产应用，与之相比，尽管硅基Ge系近红外探测器与硅CMOS兼容，但其研究与应用还存在着诸多问题，如材料质量差、光响应度低、带宽不够高等。因此，如何提高硅基Ge系光探测器的各种性能是目前热点研究的方向之一。
在现有技术中：2012年，Laurent Vivien等人在波导末段选择性生长波导型横向pin探测器，3dB带宽高达120Ghz，在入射光为1550nm时光响应度达0.8A/W。在2014年，PengYH等人在有Ge缓冲层的硅晶片上制备出GeSn波导型光电探测出年分析表明由于GeSn合金具有更小的禁带宽度，相比于Ge探测器，GeSn探测器具有更高的光响应度，而对于相同长度的GeSn探测器，Sn组分增加可以调高器件的量子效率。在2014年，Yu-Hsiang Peng等人设计制作GeSn-pin波导型光电探测器，与同等Ge材料探测器相比光谱响应发生了红移。在2014年，Molly Piels等人提出了一种用于大功率高速应用的Si/Ge波导耦合单行载流子光电二极管；用单行载流子结构代替pin结构，减小了空间电荷屏蔽效应，使得探测器具有40Ghz带宽。在2016年，欧洲微电子研究中心的Hongtao Chen等人基于SOI衬底上设计并制备出160nm厚的超薄Ge波导型探测器，其在-1V偏压下，3dB带宽为67GHz,光响应度为0.74A/W。2018年中国科学院的刘道群等人在结构设计上采用了聚焦耦合光栅及楔形耦合增强结构，在材料生长方面采用了选择性外延生长法制造的波导光电探测器在波长1150nm处的最高光响应度为0.43A/W，3dB带宽高达48Ghz。
在现有技术中，目前大多数的光电探测器都采用Ⅲ-Ⅴ族材料其制作工艺与Si工艺不兼容，不利于集成在一块芯片上，且成本较高。这些器件的暗电流较大，器件的响应带宽不够高，光响应度都较低，因此制备出的光电探测器的性能不高。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种GeSn波导型单行载流子光探测器结构及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供的一种GeSn波导型单行载流子光探测器结构，包括：
自下而上设置的P型<100>晶向的SOI晶圆衬底、多晶硅层、n型硅、本征Si层、本征Ge作为的缓冲层、P型GeSn合金层以及位于P型GeSn合金层的中心位置，以及所述P型GeSn合金层两侧位于n型硅的中心位置的铝电极；
其中，所述P型<100>晶向的SOI晶圆衬底包括厚度为2μm的埋氧层以及厚度为220nm的顶层硅，所述顶层硅的刻蚀区域刻蚀形成锥形结构以及与所述锥形结构相对接的单模光波导的芯层，在所述锥形结构之上的多晶硅层的刻蚀区域形成楔形结构，所述锥形结构与楔形结构相同侧的边沿在垂直方向重叠，所述楔形结构位于所述锥形结构的中心，所述n型硅位于顶层硅内远离单模光波导的芯层一侧的预定区域，所述本征Si层位于所述n型硅之上，所述缓冲层位于所述本征Si层之上，所述P型GeSn合金层位于所述缓冲层之上；
所述刻蚀区域的深度为220nm，所述锥形结构长度为50μm，所述单模光波导的芯层的宽为500nm，长为20μm，所述锥形结构以及芯层的刻蚀深度为220um，所述预定区域的深度为0.1μm，所述n型硅的深度为0.1μm，所述本征Si层的厚度为0.1μm，所述缓冲层的厚度为50nm，所述P型GeSn合金层的厚度为0.1μm，所述楔形结构的厚度为150nm，所述预定区域与刻蚀区域相触。
第二方面，本发明提供的一种GeSn波导型单行载流子光探测器结构的制备方法包括：
步骤1：选择P型<100>晶向的SOI晶圆衬底；
其中，SOI晶圆的埋氧层厚度为2μm，顶层硅厚度为220nm；
步骤2：在SOI晶圆衬底上采用热氧化法生长一层薄SiO2层作为干法刻蚀多晶硅的刻蚀阻挡层；
步骤3：在所述刻蚀阻挡层上淀积厚度为150nm的多晶硅形成多晶硅层，并在多晶硅层刻蚀出厚度150nm的楔形结构；
步骤4：从顶层硅向下刻蚀220nm，刻蚀出长度为50μm的锥形结构以及宽为500nm，长为20μm的单模光波导的芯层；
其中，锥形结构与楔形结构相同侧的边沿在垂直方向重叠，所述楔形结构位于所述锥形结构的中心；
步骤5：在顶层硅上远离单模光波导的芯层的一侧选择预定区域，在该预定区域进行磷离子注入，形成深度为0.1μm的n型硅；
步骤6：在所述n型硅上用低温MBE技术生长厚度为0.1μm的本征Si层；
步骤7：在所述本征Si上用低温MBE技术生长厚度为50nm的本征Ge作为缓冲层；
步骤8：在所述缓冲层上用低温MBE技术生长厚度为0.1μm的P型GeSn合金层；
步骤9：在所述P型GeSn合金层的中心位置，以及所述P型GeSn合金层两侧位于n型硅的中心位置沉积铝电极，获得GeSn波导型单行载流子光探测器。
可选的，所述磷离子的注入浓度为1019cm-3，生长所述本征Si层的生长温度为200℃，生长所述缓冲层的生长温度为200℃。
可选的，生长P型GeSn合金层的掺杂浓度为1019cm-3，Sn组分为10％，生长温度为85℃。
本发明提供的一种GeSn波导型单行载流子光探测器结构及其制备方法，将GeSn材料、单行载流子光电探测器和Ge基波导型光电探测器结合在一起，适合单片光电集成，可以满足高光响应度、高响应速度与波段的器件性能要求。且本发明的光探测器工艺简单，通过楔形结构用于提高光波导与探测器之间的光耦合效率，以及锥形结构减小光探测器入射波导的光反射。因此本发明的光电探测器可以提高效率、光响应度以及响应速度。本发明所设计的GeSn波导型光探测器在1.55μm处的光响应度为1.25A/w，3dB带宽最大为160GHz。相比现有技术，本发明光探测器的光响应度和响应带宽方面均有很大的提升。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种GeSn波导型单行载流子光探测器结构的三维立体示意图；
图2为本发明实施例提供的光探测器结构的结构俯视图；
图3为本发明实施例提供的探测器结构的结构侧视图；
图4是本发明实施例提供的一种GeSn波导型单行载流子光探测器结构的制备方法的流程示意图；
图5是本发明实施例提供的刻蚀楔形结构所形成结构的示意图；
图6是本发明实施例提供的刻蚀锥形结构以及单模光波导的芯层后所形成结构的示意图；
图7是本发明实施例提供的在顶层硅特定区域进行磷离子注入形成n型硅后的示意图；
图8是本发明实施例提供的生长本征Si层形成结构的示意图；
图9是本发明实施例提供的生长缓冲层形成结构的示意图；
图10是本发明实施例提供的生长P型GeSn合金层形成结构的示意图；
图11是本发明实施例提供的沉积铝电极形成光探测结构的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本发明提供的一种GeSn波导型单行载流子光探测器结构，包括：
自下而上设置的P型<100>晶向的SOI晶圆衬底、多晶硅层、n型硅、本征Si层、本征Ge作为的缓冲层、P型GeSn合金层、位于P型GeSn合金层的中心位置，以及P型GeSn合金层两侧位于n型硅的中心位置的铝电极；
其中，P型<100>晶向的SOI晶圆衬底包括厚度为2μm的埋氧层以及厚度为220nm的顶层硅，顶层硅的刻蚀区域刻蚀形成锥形结构以及与锥形结构相对接的单模光波导的芯层，在锥形结构之上的多晶硅层的刻蚀区域形成楔形结构，锥形结构与楔形结构相同侧的边沿在垂直方向重叠，楔形结构位于锥形结构的中心，n型硅位于顶层硅内远离单模光波导的芯层一侧的预定区域，本征Si层位于n型硅之上，缓冲层位于本征Si层之上，P型GeSn合金层位于缓冲层之上；
刻蚀区域的深度为220nm，锥形结构长度为50μm，单模光波导的芯层的宽为500nm，长为20μm，锥形结构以及芯层的刻蚀深度为220um，预定区域的深度为0.1μm，n型硅的深度为0.1μm，本征Si层的厚度为0.1μm，缓冲层的厚度为50nm，P型GeSn合金层的厚度为0.1μm，楔形结构的厚度为150nm，预定区域与刻蚀区域相触。
参考图1，图1为本发明的光探测器结构的三维立体示意图。本发明的光探测器结构为倏折波耦合型。在图1中，光探测器结构可以分为左右部分，左侧部分为刻蚀区域，在刻蚀区域刻蚀形成为锥形结构以及与锥形结构相对接的单模光波导的芯层，而楔形结构位于锥形结构之上。右侧部分自下而上，依次为n型硅、本征Si层、本征Ge作为的缓冲层、P型GeSn合金层、位于P型GeSn合金层的中心位置，以及P型GeSn合金层两侧位于n型硅的中心位置的铝电极。
参考图2以及图3，图2为光探测器结构的结构俯视图。图3为探测器结构的结构侧视图。从结构俯视图和侧视图可以明显看到锥形结构长度为50μm，单模光波导的芯层的宽为500nm，长为20μm，锥形结构以及芯层的刻蚀深度为220um，预定区域的深度为0.1μm，n型硅的深度为0.1μm，本征Si层的厚度为0.1μm，缓冲层的厚度为50nm，P型GeSn合金层的厚度为0.1μm，楔形结构的厚度为150nm，预定区域与刻蚀区域相触。
本发明提供的一种GeSn波导型单行载流子光探测器结构，将GeSn材料、单行载流子光电探测器和Ge基波导型光电探测器结合在一起，适合单片光电集成，可以满足高光响应度、高响应速度与波段的器件性能要求。且本发明的光探测器工艺简单，通过楔形结构用于提高光波导与探测器之间的光耦合效率，以及锥形结构减小光探测器入射波导的光反射。因此本发明的光电探测器可以提高效率、光响应度以及响应速度。本发明所设计的GeSn波导型光探测器在1.55μm处的光响应度为1.25A/w，3dB带宽最大为160GHz。相比现有技术，本发明光探测器的光响应度和响应带宽方面均有很大的提升。
如图4所示，本发明提供的一种GeSn波导型单行载流子光探测器结构的制备方法包括：
步骤1：选择P型<100>晶向的SOI晶圆衬底；
其中，SOI晶圆的埋氧层厚度为2μm，顶层硅厚度为220nm；
步骤2：在SOI晶圆衬底上采用热氧化法生长一层薄SiO2层作为干法刻蚀多晶硅的刻蚀阻挡层；
步骤3：在刻蚀阻挡层上淀积厚度为150nm的多晶硅形成多晶硅层，并在多晶硅层刻蚀出厚度150nm的楔形结构；
本发明附图用x-y方向的俯视图，沿x-z方向的剖面图表示。如图5所示，图5为刻蚀楔形结构所形成结构的示意图，图5中左图为刻蚀楔形结构的俯视图，右图为刻蚀楔形结构后形成结构的侧视图。值得说明的是刻蚀厚度为150nm的楔形结构用于提高光波导与探测器之间的光耦合效率。
步骤4：从顶层硅向下刻蚀220nm，刻蚀出长度为50μm的锥形结构以及宽为500nm，长为20μm的单模光波导的芯层；
其中，锥形结构与楔形结构相同侧的边沿在垂直方向重叠，楔形结构位于锥形结构的中心；
如图6所示，图6为刻蚀锥形结构以及单模光波导的芯层后所形成结构的示意图，图6中左图为所形成结构的俯视图，右图为所形成结构的侧视图。值得说明的是锥形结构用于减小光探测器入射波导的光反射。
步骤5：在顶层硅上远离单模光波导的芯层的一侧选择预定区域，在该预定区域进行磷离子注入，形成深度为0.1μm的n型硅；
如图7所示，图7为在顶层硅特定区域进行磷离子注入形成n型硅后的示意图，图7中左图为形成n型硅后的俯视图，右图为形成n型硅后的侧视图。
步骤6：在n型硅上用低温MBE技术生长厚度为0.1μm的本征Si层；
如图8所示，图8为生长本征Si层形成结构的示意图，图8中左图为生长本征Si层形成结构的俯视图，右图为生长本征Si层形成结构的侧视图。
步骤7：在本征Si上用低温MBE技术生长厚度为50nm的本征Ge作为缓冲层；
如图9所示，图9为生长缓冲层形成结构的示意图，图9中左图为生长缓冲层形成结构的俯视图，右图为生长缓冲层形成结构的侧视图。
步骤8：在缓冲层上用低温MBE技术生长厚度为0.1μm的P型GeSn合金层；
如图10所示，图10为生长P型GeSn合金层形成结构的示意图，图10中左图为生长P型GeSn合金层形成结构的俯视图，右图为生长P型GeSn合金层形成结构的侧视图。
步骤9：在P型GeSn合金层的中心位置，以及P型GeSn合金层两侧位于n型硅的中心位置沉积铝电极，获得GeSn波导型单行载流子光探测器。
如图11所示，图11为沉积铝电极形成光探测结构的示意图，图11中左图为沉积铝电极形成光探测器结构的俯视图，右图为沉积铝电极形成光探测器结构的侧视图。
其中，磷离子的注入浓度为1019cm-3，生长本征Si层的生长温度为200℃，生长缓冲层的生长温度为200℃。生长P型GeSn合金层的掺杂浓度为1019cm-3，Sn组分为10％，生长温度为85℃。
本发明提供的一种GeSn波导型单行载流子光探测器结构的制备方法，将GeSn材料、单行载流子光电探测器和Ge基波导型光电探测器结合在一起，适合单片光电集成，可以满足高光响应度、高响应速度与波段的器件性能要求。且本发明的光探测器工艺简单，通过楔形结构用于提高光波导与探测器之间的光耦合效率，以及锥形结构减小光探测器入射波导的光反射。因此本发明的光电探测器可以提高效率、光响应度以及响应速度。本发明所设计的GeSn波导型光探测器在1.55μm处的光响应度为1.25A/w，3dB带宽最大为160GHz。相比现有技术，本发明光探测器的光响应度和响应带宽方面均有很大的提升。
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装置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。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种GeSn波导型单行载流子光探测器结构，其特征在于，所述GeSn波导型单行载流子光探测器结构分为左右部分，左侧部分为刻蚀区域；右侧部分自下而上，依次为n型硅、本征Si层、本征Ge作为的缓冲层、P型GeSn合金层、位于P型GeSn合金层的中心位置的铝电极，以及设置在所述n型硅两侧区域的中心位置的铝电极；左侧部分和右侧部分均设置在P型<100>晶向的SOI晶圆衬底上；
其中，所述P型<100>晶向的SOI晶圆衬底包括厚度为2μm的埋氧层以及厚度为220nm的顶层硅，顶层硅上的所述刻蚀区域刻蚀形成锥形结构以及与所述锥形结构相对接的单模光波导的芯层，在所述锥形结构之上的多晶硅层的刻蚀区域形成楔形结构，所述锥形结构与楔形结构相同侧的边沿在垂直方向重叠，所述楔形结构位于所述锥形结构的中心，所述n型硅位于顶层硅内远离单模光波导的芯层一侧的预定区域，所述本征Si层位于所述n型硅之上，所述缓冲层位于所述本征Si层之上，所述P型GeSn合金层位于所述缓冲层之上；
所述锥形结构以及单模光波导的芯层在刻蚀区域的深度为220nm，所述锥形结构长度为50μm，所述单模光波导的芯层的宽为500nm，长为20μm，所述锥形结构以及芯层的刻蚀深度为220um，所述预定区域的深度为0.1μm，所述n型硅的深度为0.1μm，所述本征Si层的厚度为0.1μm，所述缓冲层的厚度为50nm，所述P型GeSn合金层的厚度为0.1μm，所述楔形结构的厚度为150nm，所述预定区域与刻蚀区域相触。
2.一种GeSn波导型单行载流子光探测器结构的制备方法，其特征在于，制备如权利要求1所述的GeSn波导型单行载流子光探测器结构，所述制备方法包括：
步骤1：选择P型<100>晶向的SOI晶圆衬底；
其中，SOI晶圆的埋氧层厚度为2μm，顶层硅厚度为220nm；
步骤2：在SOI晶圆衬底上采用热氧化法生长一层薄SiO2层作为干法刻蚀多晶硅的刻蚀阻挡层；
步骤3：在所述刻蚀阻挡层上淀积厚度为150nm的多晶硅形成多晶硅层，并在多晶硅层刻蚀出厚度150nm的楔形结构；
步骤4：从顶层硅向下刻蚀220nm，刻蚀出长度为50μm的锥形结构以及宽为500nm，长为20μm的单模光波导的芯层；
其中，锥形结构与楔形结构相同侧的边沿在垂直方向重叠，所述楔形结构位于所述锥形结构的中心；
步骤5：在顶层硅上远离单模光波导的芯层的一侧选择预定区域，在该预定区域进行磷离子注入，形成深度为0.1μm的n型硅；
步骤6：在所述n型硅上用低温MBE技术生长厚度为0.1μm的本征Si层；
步骤7：在所述本征Si层上用低温MBE技术生长厚度为50nm的本征Ge作为缓冲层；
步骤8：在所述缓冲层上用低温MBE技术生长厚度为0.1μm的P型GeSn合金层；
步骤9：在所述P型GeSn合金层的中心位置，以及所述P型GeSn合金层两侧位于n型硅的中心位置沉积铝电极，获得GeSn波导型单行载流子光探测器。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述磷离子的注入浓度为1019cm-3，生长所述本征Si层的生长温度为200℃，生长所述缓冲层的生长温度为200℃。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，生长P型GeSn合金层的掺杂浓度为1019cm-3，Sn组分为10％，生长温度为85℃。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111118652.1A CN113964213B (zh) | 2021-09-24 | 2021-09-24 | GeSn波导型单行载流子光探测器结构及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111118652.1A CN113964213B (zh) | 2021-09-24 | 2021-09-24 | GeSn波导型单行载流子光探测器结构及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113964213A CN113964213A (zh) | 2022-01-21 |
| CN113964213B true CN113964213B (zh) | 2023-10-03 |
Family
ID=79462002
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111118652.1A Active CN113964213B (zh) | 2021-09-24 | 2021-09-24 | GeSn波导型单行载流子光探测器结构及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113964213B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010033641A1 (en) * | 2008-09-16 | 2010-03-25 | Arizona Board of Regents, a body corporate acting for and on behalf of Arizona State University | Gesn infrared photodetectors |
| JP2014220267A (ja) * | 2013-05-01 | 2014-11-20 | 富士通株式会社 | 導波路型半導体受光装置及びその製造方法 |
| CN107871800A (zh) * | 2017-02-24 | 2018-04-03 | 乔丽萍 | n+‑GeSn/i‑GeSn/p+‑Ge结构光电探测器及其制备方法 |
| 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 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7020364B2 (en) * | 2003-03-31 | 2006-03-28 | Sioptical Inc. | Permanent light coupling arrangement and method for use with thin silicon optical waveguides |
| US7088890B2 (en) * | 2004-11-30 | 2006-08-08 | Intel Corporation | Dual “cheese wedge” silicon taper waveguide |
| US8290325B2 (en) * | 2008-06-30 | 2012-10-16 | Intel Corporation | Waveguide photodetector device and manufacturing method thereof |
| WO2019229532A1 (en) * | 2018-05-30 | 2019-12-05 | Rockley Photonics Limited | Waveguide type photodetector and method of manufacture thereof |
-
2021
- 2021-09-24 CN CN202111118652.1A patent/CN113964213B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010033641A1 (en) * | 2008-09-16 | 2010-03-25 | Arizona Board of Regents, a body corporate acting for and on behalf of Arizona State University | Gesn infrared photodetectors |
| JP2014220267A (ja) * | 2013-05-01 | 2014-11-20 | 富士通株式会社 | 導波路型半導体受光装置及びその製造方法 |
| CN107871800A (zh) * | 2017-02-24 | 2018-04-03 | 乔丽萍 | n+‑GeSn/i‑GeSn/p+‑Ge结构光电探测器及其制备方法 |
| 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 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Recent progress in GeSn growth and GeSn-based photonic devices;Jun Zheng等;《Journal of Semiconductors》;第39卷(第6期);1-6 * |
| Simulation study of device physics and design of GeOI TFET with PNN structure and buried layer for high performance;Bin Wang等;《Chin. Phys. B》;第29卷(第10期);1-6 * |
| 高性能波导集成型锗pin光电探测器的制备;刘道群;李志华;冯俊波;唐波;张鹏;王桂磊;;微纳电子技术(第05期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113964213A (zh) | 2022-01-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108010982B (zh) | 波导复合式耦合型单行载流子探测器 | |
| KR100244048B1 (ko) | 광반도체 장치 및 그의 제조방법 | |
| JP5232981B2 (ja) | ＳｉＧｅフォトダイオード | |
| US8872294B2 (en) | Method and apparatus for reducing signal loss in a photo detector | |
| WO2017148098A1 (zh) | 光波导探测器与光模块 | |
| JP2008526003A (ja) | ゲルマニウムオンシリコンの光検出器 | |
| CN110729373B (zh) | 基于Ge波导的GeSn红外光电探测器及其制造方法 | |
| CN210136887U (zh) | 一种波导型光电探测器 | |
| CN110896112B (zh) | 波导集成的GeSn光电探测器及其制造方法 | |
| CN112993065A (zh) | 一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器 | |
| CN111211182A (zh) | 一种波导型光电探测器及其制造方法 | |
| CN109273561A (zh) | 一种msm光电探测器的制备方法 | |
| CN210006746U (zh) | 波导型锗基光电探测器 | |
| CN112201723A (zh) | 一种波导型光电探测器及其制备方法 | |
| CN112382689B (zh) | 一种雪崩光电探测器及其制备方法 | |
| CN108039389B (zh) | 波导耦合型单行载流子探测器 | |
| CN113964213B (zh) | GeSn波导型单行载流子光探测器结构及其制备方法 | |
| CN112366235A (zh) | 波导型锗基光电探测器及其制备方法 | |
| CN105932077A (zh) | 硅红外检光器的结构及其制作方法 | |
| JPH04263475A (ja) | 半導体受光素子及びその製造方法 | |
| CN112201707B (zh) | 一种光栅结构的硅基全硅表面吸收探测器及其制备方法 | |
| CN113937173B (zh) | 光栅耦合型Ge系近红外波导探测器及其制备方法 | |
| CN114497265B (zh) | 一种雪崩光电探测器 | |
| US20240072183A1 (en) | Method for fabricating a photodiode structure and photodiode structure | |
| CN113793879B (zh) | 一种吸收增强型硅基光电探测器及其制备方法 |
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 |