CN114400266B - 一种集成有双吸收区的光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成芯片领域，公开了一种集成有双吸收区的光电探测器及其制备方法，形成于基底上水平方向依次设置的第一吸收有源区、第一光传输波导区、第二光传输波导区和第二吸收有源区；第一吸收有源区中，第一P+掺杂区与第一N+掺杂区之间通过所述第一本征I区电性连接；第二吸收有源区中，第二P+掺杂区与第二N+掺杂区之间通过第二本征I区电性连接；其中，第一N+掺杂区与第二N+掺杂区电性连接；第一P++掺杂区上设置有第一金属电极，第二P++掺杂区上设置有第二金属电极。本光电探测器具有两个不同的光吸收区，能够探测出高功率和多波段的光信号，响应度较高，光‑电响应带宽较大。
Description
技术领域
本发明涉及集成芯片领域，特别涉及一种集成有双吸收区的光电探测器及其制备方法。
背景技术
光-电探测器一般被用于探测光或其他电磁能量。目前探测器在有线或无线通信、传感、监控、国家安全领域等方面具有重要实际应用。具体在光-电子集成芯片中，光-电探测器是接收端核心芯片之一，它将高速光数据转换成电信号。光-电探测器一般来说是利用材料具有热电效应、光电效应、电吸收效应，来探测光的强度大小。在光通信波段，目前基于的主要材料体系有III-V族材料、锗（Ge）、硅（Si）。虽然基于这些材料体系的探测器取得具有良好的性能并且实现商用化，还是有诸多不足之处，例如，光学响应波长单一，器件尺寸较大，制备工艺复杂，成本较高等。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种集成有双吸收区的光电探测器及其制备方法，该光电探测器具有2个不同的光吸收区，能够探测出高功率和多波段的光信号，响应度较高，光-电响应带宽较大。
技术方案：本发明提供了一种集成有双吸收区的光电探测器及其制备方法，包括：基底，形成于所述基底上且按照水平方向依次设置的第一吸收有源区、第一光传输波导区、第二光传输波导区和第二吸收有源区；所述第一吸收有源区包括第一P++掺杂区、第一P+掺杂区、不掺杂的第一本征I区和第一N+掺杂区；所述第一P+掺杂区与所述第一N+掺杂区之间通过所述第一本征I区电性连接；第二吸收有源区包括第二P++掺杂区、第二P+掺杂区、不掺杂的第二本征I区和第二N+掺杂区；所述第二P+掺杂区与所述第二N+掺杂区之间通过所述第二本征I区电性连接；其中，所述第一N+掺杂区与所述第二N+掺杂区电性连接；所述第一P++掺杂区上设置有第一金属电极，所述第二P++掺杂区上设置有第二金属电极。
进一步地，所述第一光传输波导区和所述第二光传输波导区的起始端通过一个光分束器连接，末端通过一个弯曲波导连接。弯曲波导实现光的传输方向的改变，具有较低弯曲损耗，类似实现车子180°转弯。
进一步地，部分所述第一P+掺杂区、所述第一本征I区以及部分所述第一N+掺杂区形成第一光吸收区；部分所述第二P+掺杂区、所述第二本征I区以及部分所述第二N+掺杂区形成第二光吸收区；所述第一光吸收区、所述第一光传输波导区、所述第二光传输波导区以及所述第二光吸收区横向依次设置。
优选地，所述第一光传输波导区与所述第一吸收区的间距d1为100nm~600nm；和/或，所述第二光传输波导区与所述第二吸收区的间距d2为100nm~600nm。第一光传输波导区与第一光吸收区之间的间距以及第二光传输波导区与第二光吸收区之间的间距会影响探测器的探测效率和光功率探测范围，间距过大导致光耦合进入吸收区能量较少，降低探测效率，过小会导致高功率入射下，光吸收区容易发生饱和现象，导致探测光功率范围表变小，将二者的间距控制在大于1.2微米有助于实现高效率和高光功率探测。
优选地，所述第一光传输波导区与所述第二光传输波导区的宽度不同。将第一光传输波导区与第二光传输波导区的宽度设计为不同，是因为·第一光传输波导区和第二光传输波导区内传输的光的波长不同，所以需要对应的宽度，以实现较低的光传输损耗和较高耦合效率。
优选地，所述第一光传输波导区的宽度为300~800nm，所述第二光传输波导区的宽度为400~1000nm。
优选地，所述第一本征I区的宽度为50~400nm；和/或，所述第二本征I区的宽度为50~400nm。第一本征I区和第二本征I区的宽度会影响探测器的3dB带宽和探测量子效率，宽度过宽导致3dB带宽下降，过窄会导致探测的量子效率下降，将二者的宽度控制在50~400nm能够获得合适的3dB带宽和探测量子效率。优选50nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第一光传输波导区的材料为氮化硅、氮化铝或铌酸锂；和/或，所述第二光传输波导区的材料为氮化硅、氮化铝或铌酸锂；优选地，所述第一本征I区为硅材料；优选地，所述第二本征I区为锗材料。
优选地，所述第一P++掺杂区和所述第二P++掺杂区的掺杂浓度范围为1×1020/cm3~8×1020/cm3；和/或，所述第一P+掺杂区、所述第二P+掺杂区、所述第一N+掺杂区、所述第二N+掺杂区的掺杂浓度范围均为1×1018/cm3~6×1018/cm3。
本发明还提供了一种集成有双吸收区的光电探测器的制备方法，所述制备方法如下：1）在衬底上沉积绝缘层形成基底，并在所述基底的绝缘层上沉积有源区薄膜； 2）对所述有源区薄膜进行曝光、刻蚀后，依次进行P++掺杂和P+掺杂，形成第一P++掺杂区、第二P++掺杂区、第一P+掺杂区和第二P+掺杂区；3）在所述第一P+掺杂区沉积第一本征I区，在所述第二P+掺杂区沉积第二本征I区； 4）沉积绝缘层并平坦化处理，曝光开窗口，沉积制备第一光传输波导区和第二光传输波导区；5）沉积绝缘层并平坦化处理，曝光开窗口，沉积制备N+掺杂区薄膜；6）对第一本征I区和第二本征I区上方的所述N+掺杂区薄膜进行N+型掺杂，分别形成第一N+掺杂区和第二N+掺杂区；7）在所述第一P++掺杂区上沉积形成第一金属电极；在所述第二P++掺杂区上沉积形成第二金属电极。
有益效果：本发明中的集成有双吸收区的光电探测器中，光经过光传输波导区，分别耦合至第一光吸收区和第二光吸收区，得益于第一、第二光吸收区中不同吸收波段的配置，能够探测宽谱光信号；由于第一、第二光吸收区的有源区结构是PNNP，且在两个P之间通过第一金属电极和第二金属电极加载偏置电压，实现光生载流子抽取，产生电信号。
本光电探测器可以通过偏置电压的正负，让第一、第二光吸收区分别独立工作（工作原理详见摘要附图），实现可集成化。工作原理如下：
本光电探测器是2个PIN和NIP通过N连接一起串联而成的结构；当在2个P之间施加电压时，2个PN结必将是一个工作在正偏，一个工作在反偏（PN结基本原理）；探测器要工作在反偏状态下才能抽取光生载流子实现信号检测；举例来说，当入射光波长为λ1时，耦合至第一光吸收区，需要第一个PIN结工作在反偏，那么第二个PIN结就会工作正偏（不能实现探测）；当入射光波长为λ2时，耦合至第二光吸收区，需要第二个PIN结工作在反偏（可通过调节电压VB实现），那么第一个PIN结就会工作正偏（不能实现探测）；而要分别实现第一、第二PIN结反偏工作，只需要调节加载在2个P型之间的电压差即可。
附图说明
图1为本发明中集成有双吸收区的光电探测器的结构示意图；
图2为集成有双吸收区的光电探测器中光的传导方式示意图；
图3为集成有双吸收区的光电探测器的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
本实施方式提供了一种集成有双吸收区的光电探测器，包括：基底1，形成于基底1上且按照水平方向依次设置的第一吸收有源区、第一光传输波导区2、第二光传输波导区3和第二吸收有源区；
上述基底1是在硅衬底101上沉积二氧化硅102形成的硅上绝缘体SOI；
上述第一吸收有源区包括第一P++掺杂区4、第一P+掺杂区5、不掺杂的宽度为50~400nm的第一本征I区6和第一N+掺杂区7；第一P+掺杂区5与第一N+掺杂区7之间通过第一本征I区6电性连接；部分第一P+掺杂区5、第一本征I区6以及部分第一N+掺杂区7形成第一光吸收区。第一光传输波导区2与第一吸收区的间距d1为100nm~600。
上述第二吸收有源区包括第二P++掺杂区8、第二P+掺杂区9、不掺杂的宽度为50~400nm的第二本征I区10和第二N+掺杂区11；第二P+掺杂区9与第二N+掺杂区11之间通过第二本征I区10电性连接；部分第二P+掺杂区9（10）、第二本征I区10（11）以及部分第二N+掺杂区11（12）形成第二光吸收区；第二光传输波导区3与第二吸收区的间距d2为100nm~600。
上述第一P++掺杂区4和第二P++掺杂区8的掺杂浓度范围为1×1020/cm3~8×1020/cm3；第一P+掺杂区5、第二P+掺杂区9、第一N+掺杂区7、第二N+掺杂区11的掺杂浓度范围均为1×1018/cm3~6×1018/cm3。第一本征I区6为硅材料，宽度w3为50~400nm。第二本征I区10为锗材料，宽度w4为50~400nm。
上述第一N+掺杂区7与所述第二N+掺杂区11电性连接；第一光吸收区、第一光传输波导区2、第二光传输波导区3以及第二光吸收区横向依次设置。第一P++掺杂区4上设置有第一金属电极12，第二P++掺杂区8上设置有第二金属电极13。
上述第一光传输波导区2和第二光传输波导区3的起始端通过一个光分束器14连接，末端通过一个弯曲波导45连接。第一光传输波导区2的宽度w1为300~800nm，第二光传输波导区3的宽度w2为400~1000nm。第一光传输波导区2和第二光传输波导区3均为氮化硅材料。
上述集成有双吸收区的光电探测器的工作原理如图2所示：
本光电探测器是2个PIN和NIP通过N连接一起串联而成；当在2个P之间施加电压时，2个PN结必将是一个工作在正偏，一个工作在反偏（PN结基本原理）；探测器要工作在反偏状态下才能抽取光生载流子实现信号检测；举例来说，当入射光波长为λ1时，耦合至第一光吸收区，需要第一个PIN结工作在反偏，那么第二个PIN结就会工作正偏（不能实现探测）；当入射光波长为λ2时，耦合至第二光吸收区，需要第二个PIN结工作在反偏，那么第一个PIN结就会工作正偏（不能实现探测）；而要分别实现第一、第二PIN结反偏工作，只需要调节加载在2个P型之间的电压差即可。
上述集成有双吸收区的光电探测器的制备方法如下：
（1）在硅上绝缘体（SOI）基底1上，利用等离子体增强化学汽相沉积（PECVD）法制备厚度为220nm的硅薄膜，即有源区薄膜；
（2）对硅薄膜进行曝光、刻蚀后，依次进行P++掺杂和P+掺杂，形成第一P++掺杂区4、第二P++掺杂区8、第一P+掺杂区5和第二P+掺杂区9；
（3）在第一P+掺杂区5利用等离子体增强化学汽相沉积（PECVD）法制备高质量硅薄膜，即第一本征I区6，在第二P+掺杂区9沉积锗薄膜，即第二本征I区10；
（4）沉积二氧化硅材料层并平坦化处理，曝光开窗口，利用低压化学气相沉积（LPCVD）法沉积氮化硅薄膜，制备出第一光传输波导区2和第二光传输波导区3；
5）沉积二氧化硅材料层并平坦化处理，曝光开窗口，利用PECVD法沉积高质量硅薄膜即N+掺杂区薄膜，并做平坦化处理；
6）对硅薄膜的第一本征I区6和锗薄膜的第二本征I区10上方的N+掺杂区薄膜进行N+型掺杂，分别形成第一N+掺杂区7和第二N+掺杂区11；
7）在第一P++掺杂区4上沉积形成第一金属电极12；在第二P++掺杂区8上沉积形成第二金属电极13。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种集成有双吸收区的光电探测器，其特征在于，包括：
基底（1），形成于所述基底（1）上且按照水平方向依次设置的第一吸收有源区、第一光传输波导区（2）、第二光传输波导区（3）和第二吸收有源区；
所述第一吸收有源区包括第一P++掺杂区（4）、第一P+掺杂区（5）、不掺杂的第一本征I区（6）和第一N+掺杂区（7）；所述第一P+掺杂区（5）与所述第一N+掺杂区（7）之间通过所述第一本征I区（6）电性连接；
第二吸收有源区包括第二P++掺杂区（8）、第二P+掺杂区（9）、不掺杂的第二本征I区（10）和第二N+掺杂区（11）；所述第二P+掺杂区（9）与所述第二N+掺杂区（11）之间通过所述第二本征I区（10）电性连接；
其中，所述第一N+掺杂区（7）与所述第二N+掺杂区（11）电性连接；所述第一P++掺杂区（4）上设置有第一金属电极（12），所述第二P++掺杂区（8）上设置有第二金属电极（13）。
2.根据权利要求1所述的一种集成有双吸收区的光电探测器，其特征在于，所述第一光传输波导区（2）和所述第二光传输波导区（3）的起始端通过一个光分束器（14）连接，末端通过一个弯曲波导（15）连接。
3.根据权利要求1所述的一种集成有双吸收区的光电探测器，其特征在于，部分所述第一P+掺杂区（5）、所述第一本征I区（6）以及部分所述第一N+掺杂区（7）形成第一光吸收区；部分所述第二P+掺杂区（9）、所述第二本征I区（10）以及部分所述第二N+掺杂区（11）形成第二光吸收区；
所述第一光吸收区、所述第一光传输波导区（2）、所述第二光传输波导区（3）以及所述第二光吸收区横向依次设置。
4.根据权利要求3所述的一种集成有双吸收区的光电探测器，其特征在于，所述第一光传输波导区（2）与所述第一吸收区的间距d1为100nm~600nm；
和/或，所述第二光传输波导区（3）与所述第二吸收区的间距d2为100nm~600nm。
5.根据权利要求1所述的一种集成有双吸收区的光电探测器，其特征在于，所述第一光传输波导区（2）与所述第二光传输波导（3）区的宽度不同。
6.根据权利要求5所述的一种集成有双吸收区的光电探测器，其特征在于，所述第一光传输波导区（2）的宽度w1为300~800nm，所述第二光传输波导区（3）的宽度w2为400~1000nm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的一种集成有双吸收区的光电探测器，其特征在于，所述第一本征I区（6）的宽度w3为50~400nm；
和/或，所述第二本征I区（10）的宽度w4为50~400nm。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的一种集成有双吸收区的光电探测器，其特征在于，所述第一光传输波导区（2）的材料为氮化硅、氮化铝或铌酸锂；
和/或，所述第二光传输波导区（3）的材料为氮化硅、氮化铝或铌酸锂；
所述第一本征I区（6）为硅材料；
所述第二本征I区（10）为锗材料。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的一种集成有双吸收区的光电探测器，其特征在于，
所述第一P++掺杂区（4）和所述第二P++掺杂区（8）的掺杂浓度范围为1×1020/cm3~8×1020/cm3；
和/或，所述第一P+掺杂区（5）、所述第二P+掺杂区（9）、所述第一N+掺杂区（7）、所述第二N+掺杂区（11）的掺杂浓度范围均为1×1018/cm3~6×1018/cm3。
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