CN114566557A - 雪崩光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种雪崩光电探测器及其制备方法。一种雪崩光电探测器，包括：SOI衬底，SOI衬底包括多层含Si层；掺杂层，设置在SOI衬底的上部，并包括：倍增区；n型掺杂区，设置在倍增区的横向一侧，n型掺杂区设有与倍增区具有相同厚度的阶梯部；p型掺杂区，设置在倍增区的远离n型掺杂区的外侧，与倍增区以及n型掺杂区形成横向n‑i‑p结；波导层，刻蚀在倍增区的纵向一端；窗口层，设置在掺杂层的上部，窗口层开设有第一窗口；光吸收层，经第一窗口设置在倍增区与n型掺杂区的台阶部上，从而在光吸收层内形成均匀的电场分布。
Description
技术领域
本发明的至少一种实施例涉及一种光电探测器，尤其是一种雪崩光电探测器及其制备方法。
背景技术
随着集成电路的不断发展，集成密度不断提高，现有电互连具有时延长、功耗高和信号串扰大等问题，无法满足日益增长的性能需求。硅基光电子具有与CMOS工艺兼容，借助成熟的微电子加工工艺平台可以实现大规模批量生产，具有低成本、高集成度、高可靠性的优势。
通过CMOS工艺可以实现硅基光电子和微电子的单片集成，发挥光电子在信息高速传输和微电子在信息高效处理的优势，充分实现微电子与光电子的融合。硅基雪崩光电探测器是硅基光互连的关键器件之一。硅基雪崩光电探测器的优势在于，硅是很好的倍增材料，其空穴电子离化率比是各种倍增材料中最小的，但是硅工作波长在1100nm以下，无法用于通讯波段。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种雪崩光电探测器及其制备方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
作为本发明的一个方面，本发明提供了一种雪崩光电探测器，包括：
SOI衬底，所述SOI衬底包括多层含Si层；
掺杂层，设置在所述SOI衬底的上部，并包括：
倍增区；
n型掺杂区，设置在所述倍增区的横向一侧，所述n型掺杂区设有与所述倍增区具有相同厚度的阶梯部；
p型掺杂区，设置在所述倍增区的远离所述n型掺杂区的外侧，与所述倍增区以及所述n型掺杂区形成横向n-i-p结；
波导层，刻蚀在所述倍增区的纵向一端；
窗口层，设置在所述掺杂层的上部，所述窗口层开设有第一窗口；以及
光吸收层，经所述第一窗口设置在所述倍增区与所述n型掺杂区的台阶部上，从而在所述光吸收层内形成均匀的电场分布。
根据本发明的实施例，所述波导层的横向长度小于所述光吸收层的横向长度。
根据本发明的实施例，还包括：
适用于保护所述光吸收层的绝缘层，包覆在所述窗口层与所述光吸收层的外部，所述绝缘层开设有至少两个第二窗口，其中，所述第二窗口经所述绝缘层顶部竖直延伸至所述窗口层底部；以及
至少两个电极，分别经所述第二窗口分别延伸至所述第一掺杂区和所述第二掺杂区顶部，以形成电连接。
根据本发明的实施例，所述倍增区的横向长度包括300nm～1000nm。
作为本发明的另一个方面，本发明提供了一种雪崩光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
制备SOI衬底，其中，所述SOI衬底的顶层包括顶硅层；
刻蚀部分所述顶硅层，以形成预掺杂层并在所述预掺杂层的纵向一端形成适用于光传输的波导层；
制备适用于形成横向n-i-p结结构的掺杂层，包括：
在所述预掺杂层的一侧制备n型掺杂区；
在所述预掺杂层的另一侧与所述n型掺杂区不接触的制备p型掺杂区；
所述n型掺杂区与所述p型掺杂区所夹区域形成倍增区；
在所述SOI衬底和所述掺杂层上制备窗口层；
刻蚀部分所述窗口层至暴露部分所述n型掺杂区和部分所述倍增区以形成槽体；
利用混合刻蚀法沿所述槽体的内壁纵向刻蚀以形成第一窗口，其中，部分所述n型掺杂区被构造成与部分倍增区等高的阶梯部；
在所述第一窗口内制备光吸收层。
根据本发明的实施例，所述波导层与所述倍增区纵向相连。
根据本发明的实施例，所述n型掺杂区和所述p型掺杂区的制备方法均包括：采用离子注入后，退火激活，其中，掺杂浓度包括1×1019/cm3～1×1020/cm3,掺杂深度小于150nm。
根据本发明的实施例，其中，所述混合刻蚀法包括先采用干法刻蚀，后采用湿法腐蚀。
根据本发明的实施例，所述光吸收层的材料包括锗硅合金、纯锗或锗锡合金，所述光吸收层的厚度为400-800nm。
根据本发明的实施例，还包括：
利用等离子体增强化学气相沉积法在所述光吸收层和所述窗口层上制备绝缘层，以包覆所述窗口层与所述光吸收层；
在所述绝缘层上开设至少两个第二窗口，其中，所述窗口竖直穿过所述窗口层延伸至所述n型掺杂区和所述p型掺杂区顶部；
在各所述第二窗口内制备电极，并分别与所述n型掺杂区和所述p型掺杂区形成欧姆接触。
根据本发明的上述实施例的雪崩光电探测器及其制备方法，通过设置n型掺杂区与倍增区以及p型掺杂区并形成横向n-i-p结，使得倍增区电场强度增强，从而达到硅雪崩倍增的信号放大效果；通过将光吸收层设置在n型掺杂区的台阶部上，使得光吸收层内获得均匀的电场分布。
附图说明
图1为本发明实施例中的雪崩光电探测器的截面示意图；
图2为本发明实施例中的光吸收层、掺杂层以及波导层相对位置的俯视图；
图3为本发明实施例中的雪崩光电探测器的制备流程图；
图4为本发明实施例中的SOI衬底的截面示意图；
图5为本发明实施例中在图4的基础上刻蚀预掺杂层和波导层的截面示意图和俯视图；
图6为本发明实施例中在图5的基础上制备掺杂层的截面示意图；
图7为本发明实施例中在图6的基础上制备窗口层的截面示意图；
图8为本发明实施例中在图7的基础上在窗口层刻蚀槽体的截面示意图；
图9为本发明实施例中在图8的基础上刻蚀第一窗口的截面示意图；
图10为本发明实施例中在图9的基础上在第一窗口内制备光吸收层的截面示意图；
图11为本发明实施例中在图10的基础上制备绝缘层的截面示意图；以及
图12为本发明实施例中在图11的基础上在绝缘层上开设电极窗口的截面示意图。
附图标记说明
100：SOI衬底；
110：顶硅层；
111：波导层；
112：倍增区；
120：二氧化硅填埋层；
130：底部硅材料层；
200：n型掺杂区；
300：p型掺杂区；
400：光吸收层；
500：窗口层；
510：第一窗口；
600：绝缘层；
610：第二窗口；以及
700：电极。
具体实施方式
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，对本发明作进一步的详细说明。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
锗材料在近红外波段具有较高的光吸收效率，而且完全兼容硅的CMOS工艺。常见的硅基雪崩光电探测器主要采用纵向SACM结构，需要进行两次外延，一次本征硅的外延，一次本征锗的外延。对于需要硅基片上集成的锗硅雪崩光电探测器，这种纵向结构增加工艺的复杂程度，降低了和片上其他结构的工艺兼容性。
横向结构的设计利用SOI本征硅的顶硅层作为波导耦合的横向锗硅雪崩光电探测器的波导和雪崩倍增层，不需要进行本征硅的外延。现有波导耦合的锗硅雪崩探测器设计的器件是在Ge上制备p型电极，需要对Ge材料进行离子注入和金属电极制备，而Ge的下方全是电荷掺杂区，这种结构由于电荷掺杂区过大，只能部分被耗尽，Ge中的电场分布会严重不均匀，从而导致Ge材料边缘雪崩、器件暗电流过大、带宽较低。
此外，由于Ge上有离子注入区和金属电极，也会导致其暗电流较大，光响应较低。
鉴于上述问题，本发明提供了一种雪崩光电探测器及其制备方法。
根据本发明的一个方面的总体上的发明构思，提供了一种雪崩光电探测器，包括：SOI衬底，所述SOI衬底包括多层含Si层；掺杂层，设置在所述SOI衬底的上部，并包括：倍增区；n型掺杂区，设置在所述倍增区的横向一侧，所述n型掺杂区设有与所述倍增区具有相同厚度的阶梯部；p型掺杂区，设置在所述倍增区的远离所述n型掺杂区的外侧，与所述倍增区以及所述n型掺杂区形成横向n-i-p结；波导层，刻蚀在所述倍增区的纵向一端；窗口层，设置在所述掺杂层的上部，所述窗口层开设有第一窗口；以及光吸收层，经所述第一窗口设置在所述倍增区与所述n型掺杂区的台阶部上，从而在所述光吸收层内形成均匀的电场分布。
根据本发明另一方面的总体上的发明构思，提供了一种雪崩光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
制备SOI衬底；
刻蚀部分所述顶硅层，以形成预掺杂层并在所述预掺杂层的纵向一端形成适用于光传输的波导层；
制备适用于形成横向n-i-p结结构的掺杂层，包括：
在所述预掺杂层的一侧制备n型掺杂区；
在所述预掺杂层的另一侧与所述n型掺杂区不接触的制备p型掺杂区；
所述n型掺杂区与所述p型掺杂区所夹区域形成倍增区；
在所述SOI衬底和所述掺杂层上制备窗口层；
刻蚀部分所述窗口层至暴露部分所述n型掺杂区和部分所述倍增区以形成槽体；
利用混合刻蚀法沿所述槽体的内壁纵向刻蚀以形成第一窗口，其中，部分所述n型掺杂区被构造成与部分倍增区等高的阶梯部；
在所述第一窗口内制备光吸收层。
图1为本发明实施例中的雪崩光电探测器的截面示意图；图2为本发明实施例中的光吸收层、掺杂层以及波导层相对位置的俯视图；图4为本发明实施例中的SOI衬底的截面示意图。
根据本发明的一个方面的实施例，结合图1-2和图4所示，提供了一种雪崩光电探测器，包括：SOI衬底100、波导层111、掺杂层、窗口层500以及光吸收层400。
具体而言，结合图1-2和图4所示，SOI衬底100包括多层含Si层。掺杂层设置在所述SOI衬底100的上部，并包括：n型掺杂区200、倍增区112以及p型掺杂区300，所述倍增区112是由所述SOI衬底100的顶层硅刻蚀形成。n型掺杂区200，设置在所述倍增区112的横向一侧，所述n型掺杂区200设有与所述倍增区112具有相同厚度的阶梯部，以为光吸收层的制备提供生长平台；p型掺杂区300，设置在所述倍增区112的远离所述n型掺杂区200的外侧，与所述倍增区112以及所述n型掺杂区200形成横向n-i-p结；波导层111刻蚀在所述倍增区112的纵向一端，适用于传输光。窗口层500设置在所述掺杂层的上部，所述窗口层500开设有第一窗口510，所述第一窗口510延伸至所述n型掺杂区200和所述倍增区112的阶梯部。光吸收层400经所述第一窗口510设置在所述顶硅层110与所述n型掺杂区200的台阶部上，从而在所述光吸收层400内形成均匀的电场分布。
根据本发明的上述实施例，通过设置n型掺杂区300与倍增区112以及p型掺杂区200并形成横向n-i-p结，使得倍增区112电场强度增强，从而达到硅雪崩倍增的信号放大效果；通过将光吸收层400设置在n型掺杂区200的台阶部上，使得光吸收层400内获得均匀的电场分布。
在本发明的一个实施例中，所述光吸收层400的纵向长度包括5-30μm，横向长度包括1-2μm。
在本发明的一个实施例中，如图2所示，所述波导层111的横向长度小于所述光吸收层400的横向长度，通过对波导层111的横向长度的限制，以提高光耦合效率。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，还包括适用于保护所述光吸收层400的绝缘层600，包覆在所述窗口层500与所述光吸收层400的外部，一方面可以使得窗口层500和光吸收层400与外界环境电性隔绝，另一方面可以阻挡粉尘的引入和外力造成的破坏。所述绝缘层600开设有至少两个第二窗口610，所述第二窗口610经所述绝缘层600顶部竖直延伸至所述窗口层500底部。以及至少两个电极700，分别经所述第二窗口610分别延伸至所述n型掺杂区200和所述p型掺杂区300顶部，以形成电连接。
在本发明的一个实施例中，所述n型掺杂区200和p型掺杂区300的掺杂浓度均大于5×1018/cm3，通过限定掺杂浓度，以实现良好的欧姆接触。
在本发明的一个实施例中，所述倍增区112的材料包括本征硅。
在本发明的一个实施例中，所述倍增区112的横向长度包括300nm～1000nm，例如，300nm、500nm、700nm、900nm、1000nm。倍增区112横向长度的大小可以根据倍增系数的需要进行选择，即倍增区112的横向长度越长，倍增系数越大。
图3为本发明实施例中的雪崩光电探测器的制备流程图。
根据本发明的另一个方面的实施例，如图3所示，提供了一种雪崩光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
如图4所示，制备SOI衬底100，所述SOI衬底100至少包括三层含Si层，由下至上依次为：硅材质的底部硅材料层130、二氧化硅材质的二氧化硅填埋层120以及仅含硅的顶硅层110。
图5为本发明实施例中在图4的基础上刻蚀预掺杂层和波导层的截面示意图和俯视图；
之后，结合图2和图5所示，采用光刻法和干法刻蚀所述顶硅层110，以形成预掺杂层并在所述预掺杂层的纵向一端形成适用于光传输的波导层111，得到的波导层111的横向宽度包括2-4μm，刻蚀深度220nm。
图6为本发明实施例中在图5的基础上制备掺杂层的截面示意图。
如图6所示，制备适用于形成横向n-i-p结结构的掺杂层，使得本器件无需电荷层，更不需要为电荷层进行离子注入，从而简化了器件制备工艺的整体步骤，降低了器件的制作难度，有利于降低成本及和其他硅器件的片上集成。包括：在所述预掺杂层的一侧制备n型掺杂区200；在所述预掺杂层的另一侧与所述n型掺杂区200不接触的制备p型掺杂区300；所述n型掺杂区200与所述p型掺杂区300所夹区域形成倍增区112；
所述n型掺杂区200以及p型掺杂区300的制备方法均包括离子注入或杂质扩散的方式，然后退火激活，其中，n型掺杂区200注入的离子包括：磷、砷离子，n型掺杂区200注入的离子包括：硼、镓离子。
图7为本发明实施例中在图6的基础上制备窗口层的截面示意图。
如图7所示，利用等离子体增强化学气相沉积法，在所述SOI衬底100和所述掺杂层上制备窗口层500。
图8为本发明实施例中在图7的基础上在窗口层刻蚀槽体的截面示意图；
图9为本发明实施例中在图8的基础上刻蚀第一窗口的截面示意图。结合图8-9所示，刻蚀部分所述窗口层500至暴露部分所述n型掺杂区200和部分所述倍增区112以形成槽体；利用混合刻蚀法(即先采用干法刻蚀，后采用湿法腐蚀)沿所述槽体的内壁纵向刻蚀以形成第一窗口510，使得部分所述n型掺杂区被构造成与部分倍增区112等高的阶梯部。该工艺步骤通过预先在所述窗口层500开设槽体，以控制所述第一窗口510的整体形状，进而直接简单有效的控制光吸收层400的形状，规避了以往额外的腐蚀工艺的使用；通过干法刻蚀与湿法刻蚀相配合的工艺设计，一方面可以有效的保证图形转移精度，另一方面也有效的避免了干法刻蚀引入的表面粗糙和缺陷。
在本发明的一个实施例中，刻蚀部分所述窗口层500的方法包括先进行光刻，再进行干法刻蚀或湿法腐蚀的方式。
图10为本发明实施例中在图9的基础上在第一窗口内制备光吸收层的截面示意图。如图10所示，在所述第一窗口510内通过选择外延直接制备光吸收层400，所述光吸收层400的形状仅由第一窗口510和外延工艺控制，不需要通过后期的其他工艺来改变其形状。光吸收层400位于波导层111后方，与n型掺杂区200以及倍增区112形成接触。由于光吸收层400内无需制备金属电极700，因此所述光吸收层400内不存在掺杂及p-n结的结构，从而避免了光吸收层400边缘雪崩、器件暗电流过大和带宽较低等情况，进而使得暗电流降低，光响应效率提高。
根据本发明的上述实施例，通过设置第一窗口510并制备光吸收层400，可控制光吸收层的形状和大小。
在本发明的一个实施例中，所述波导层111与所述倍增区112纵向相连。
在本发明的一个实施例中，所述n型掺杂区200和所述p型掺杂区300的掺杂浓度均包括1×1019/cm3～1×1020/cm3，掺杂深度小于150nm。
在本发明的一个实施例中，所述第一窗口510的横向长度100-180nm，例如，100nm、120nm、140nm、160nm、180nm。
在本发明的一个实施例中，所述光吸收层400的材料包括锗硅合金、纯锗或锗锡合金，所述光吸收层400的厚度为400-800nm。
图11为本发明实施例中在图10的基础上制备绝缘层的截面示意图。
如图11所示，利用等离子体增强化学气相沉积法在所述光吸收层400和所述窗口层500上制备厚度为300-1000nm的绝缘层600，以包覆所述窗口层500与所述光吸收层400，绝缘层600材料包括SiO2或Si3N4。
图12为本发明实施例中在图11的基础上在绝缘层上开设电极窗口的截面示意图。如图12所示，以光刻胶为掩膜，利用混合刻蚀在所述绝缘层600上开设至少两个第二窗口610，其中，所述窗口竖直穿过所述窗口层500延伸至所述n型掺杂区200和所述p型掺杂区300顶部。
之后，如图1所示，在各所述第二窗口610内制备电极700，并分别与所述n型掺杂区200和所述p型掺杂区300形成欧姆接触。
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。因此，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。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种雪崩光电探测器，包括：
SOI衬底(100)，所述SOI衬底(100)包括多层含Si层；
掺杂层，设置在所述SOI衬底(100)的上部，并包括：
倍增区(112)；
n型掺杂区(200)，设置在所述倍增区(112)的横向一侧，所述n型掺杂区(200)设有与所述倍增区(112)具有相同厚度的阶梯部；
p型掺杂区(300)，设置在所述倍增区(112)的远离所述n型掺杂区(200)的外侧，与所述倍增区(112)以及所述n型掺杂区(200)形成横向n-i-p结；
波导层(111)，刻蚀在所述倍增区(112)的纵向一端；
窗口层(500)，设置在所述掺杂层的上部，所述窗口层(500)开设有第一窗口(510)；以及
光吸收层(400)，经所述第一窗口(510)设置在所述倍增区(112)与所述n型掺杂区(200)的台阶部上，从而在所述光吸收层(400)内形成均匀的电场分布。
2.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，所述波导层(111)的横向长度小于所述光吸收层(400)的横向长度。
3.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，还包括：
适用于保护所述光吸收层(400)的绝缘层(600)，包覆在所述窗口层(500)与所述光吸收层(400)的外部，所述绝缘层(600)开设有至少两个第二窗口(610)，其中，所述第二窗口(610)经所述绝缘层(600)顶部竖直延伸至所述窗口层(500)底部；以及
至少两个电极(700)，分别经所述第二窗口(610)分别延伸至所述n型掺杂区(200)和所述p型掺杂区(300)顶部，以形成电连接。
4.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其中，所述倍增区(112)的横向长度包括300nm～1000nm。
5.一种根据权利要求1-4所述的雪崩光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
制备SOI衬底(100)，其中，所述SOI衬底(100)的顶层包括顶硅层(110)；
刻蚀部分所述顶硅层(110)，以形成预掺杂层并在所述预掺杂层的纵向一端形成适用于光传输的波导层(111)；
制备适用于形成横向n-i-p结结构的掺杂层，包括：
在所述预掺杂层的一侧制备n型掺杂区(200)；
在所述预掺杂层的另一侧与所述n型掺杂区(200)不接触的制备p型掺杂区(300)；
所述n型掺杂区(200)与所述p型掺杂区(300)所夹区域形成倍增区(112)；
在所述SOI衬底(100)和所述掺杂层上制备窗口层(500)；
刻蚀部分所述窗口层(500)至暴露部分所述n型掺杂区(200)和部分所述倍增区(112)以形成槽体；
利用混合刻蚀法沿所述槽体的内壁纵向刻蚀以形成第一窗口(510)，其中，部分所述n型掺杂区被构造成与部分倍增区(112)等高的阶梯部；
在所述第一窗口(510)内制备光吸收层(400)。
6.根据权利要求5所述的制备方法，所述波导层(111)与所述倍增区(112)纵向相连。
7.根据权利要求5所述的制备方法，所述n型掺杂区(200)和所述p型掺杂区(300)的制备方法均包括：采用离子注入后，退火激活，其中，掺杂浓度包括1×1019/cm3～1×1020/cm3,掺杂深度小于150nm。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其中，所述混合刻蚀法包括先采用干法刻蚀，后采用湿法腐蚀。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其中，所述光吸收层(400)的材料包括锗硅合金、纯锗或锗锡合金，所述光吸收层(400)的厚度为400-800nm。
10.根据权利要求5所述的制备方法，还包括：
利用等离子体增强化学气相沉积法在所述光吸收层(400)和所述窗口层(500)上制备绝缘层(600)，以包覆所述窗口层(500)与所述光吸收层(400)；
在所述绝缘层(600)上开设至少两个第二窗口(610)，其中，所述窗口竖直穿过所述窗口层(500)延伸至所述n型掺杂区(200)和所述p型掺杂区(300)顶部；
在各所述第二窗口(610)内制备电极，并分别与所述n型掺杂区(200)和所述p型掺杂区(300)形成欧姆接触。
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