CN115621336A - 一种光电探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种光电探测器，包括：缓冲层，位于衬底的部分表面上；吸收层，位于缓冲层上；第一波导层，位于吸收层上；其中，缓冲层、吸收层及第一波导层形成光耦合区；下包层，位于衬底的未设置有缓冲层的表面上；第二波导层，位于下包层上；其中，下包层及第二波导层形成波导区和光转化区，波导区、光转化区及光耦合区沿着光传播方向依次分布且连接，且光转化区呈类梯形结构。本公开还提供了一种光电探测器的制备方法。

Description

一种光电探测器及其制备方法
技术领域
本公开涉及光电探测技术领域，具体涉及一种光电探测器及其制备方法。
背景技术
红外光电探测在通信、夜视、制导、生物医疗等领域有着广泛的应用，目前常用的红外探测器主要是III-V族和II-Ⅵ族材料，由于其存在与CMOS工艺不兼容的问题，增加了器件材料的成本、降低了器件的可靠性。
硅基光电探测器具有与CMOS工艺兼容，易于集成、成本低等优势，在光通信、光互联、光传感、光学成像、光能源等领域应用广泛。GeSn材料通过调节Sn的组分，可在中红外波段获得较大的吸收系数，是制备红外探测器的理想材料。根据光的入射方式，探测器分为垂直面入射型探测器和波导型探测器。相较于现有的垂直面入射型GeSn探测器，波导型GeSn探测器不受响应速度和响应度之间的制约，且易于与波导光路集成。但目前常规的基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器，波导位于探测器有源层(吸光层)下部，入射光通过波导的传输以倏逝波的形式向上耦合到探测器有源层。在材料外延过程中，为减小晶格失配，获得高质量硅基GeSn材料，在GeSn外延之前，在Si衬底上先外延Ge的过渡层(＞200nm)。由于Ge和GeSn材料折射率差别不大及Si/Ge界面较多的失配位错和晶格缺陷，将波导置于有源层的下部的传输方式对光的损耗较高。因此，入射光倏逝耦合到Ge缓冲层后很难进一步倏逝耦合到GeSn有源层中，影响了GeSn有源层对光的吸收效率、光生电流、响应度等探测器性能指标，严重限制了GeSn探测器的集成。
发明内容
为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种光电探测器及其制备方法，采用氮化硅波导，将入射光场的高度提高至与锗锡层相近的高度，光场经氮化硅波导以倏逝波形式从氮化硅层直接耦合到GeSn材料中，光场损耗低、耦合效率高，能够克服响应速度和响应度之间的制约关系，与常规的从下至上的锗硅倏逝波耦合的波导探测器相比，具有低损耗、低暗电流及高响应度等优点。
本公开的第一个方面提供了一种光电探测器，包括：缓冲层，位于衬底的部分表面上；吸收层，位于缓冲层上；第一波导层，位于吸收层上；其中，缓冲层、吸收层及第一波导层形成光耦合区；下包层，位于衬底的未设置有缓冲层的表面上；第二波导层，位于下包层上；其中，下包层及第二波导层形成波导区和光转化区，波导区、光转化区及光耦合区沿着光传播方向依次分布且连接，且光转化区呈类梯形结构。
进一步地，第二波导层的层厚大于第一波导层，其中，第二波导层与第一波导层接触处形成台阶结构，以提高倏逝波在所述光耦合区的耦合效率。
进一步地，光转化区与波导区的接触端宽度小于光转化区与光耦合区的接触端宽度，以使提高光子被所述吸收层吸收的效率。
进一步地，光电探测器还包括：P型掺杂层，其由缓冲层一侧部分上表面层与吸收层的一侧通过掺杂构成；N型掺杂层，其由缓冲层另一侧部分上表面层与吸收层的另一侧通过掺杂构成。
进一步地，吸收层由GeSn构成，所述缓冲层由Ge构成。
进一步地，吸收层的层厚为50～1500nm，其锡含量范围为0.01～0.3。
进一步地，该光电探测器还包括：上包层，位于所述第一波导层和所述第二波导层上。
进一步地，P型掺杂层与所述N型掺杂层的掺杂浓度为10181020cm-3。
进一步地，该光电探测器还包括：对电极，分别为第一电极及第二电极，其中，第一电极位于P型掺杂层的远离N型掺杂层的一侧，第二电极位于N型掺杂层的远离P型掺杂层的一侧。
本公开的第二个方面提供了一种光电探测器的制备方法，包括：在衬底的部分表面上依次生长缓冲层、吸收层及第一波导层，缓冲层、吸收层及第一波导层形成光耦合区；在衬底的未设置有缓冲层的表面上依次生长下包层及第二波导层，其中，下包层及第二波导层形成波导区和光转化区，波导区、光转化区及光耦合区沿着光传播方向依次分布且连接，且光转化区呈梯形结构。
本公开相比现有技术至少具备以下有益效果：
(1)、本公开提供的一种光电探测器，光经氮化硅波导层通过倏逝波耦合到GeSn吸收层，氮化硅波导层与GeSn之间有良好的界面，且氮化硅波导在红外波段有极低的传输损耗，因此，其耦合效率高，提高光探测的效率。
(2)、通过在第二波导层与第一波导层接触处形成台阶结构，台阶高度优选10～600nm，有效提高了倏逝波的耦合效率，进而可以减少GeSn吸收层的长度，减少了器件的暗电流。同时，还减小器件的寄生电容，从而提高了光电探测器的响应速度。
(3)、信号光直接从氮化硅波导进入锗锡吸收层，而不是通过锗缓冲层进而锗锡吸收层，可以减少入射光在锗缓冲层中由于位错、缺陷等因素造成的传输损耗，提高探测器光吸收效率。
(4)、通过横向生长PIN结构，电极制作在Ge缓冲层上，有效避免了光生载流子因锗/硅界面的位错、缺陷等因素造成复合损耗，进一步提高了探测器的光电转换效率。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器的立体图；
图2示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器的后视图；
图3示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器的光传播方向示意图；
图4示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器的倏逝波耦合光场分布图；
图5示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器的梯形结构末端光场分布图；
图6示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器的制备方法的流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。
本公开的实施例提供了一种光电探测器，包括：缓冲层，位于衬底的部分表面上；吸收层，位于缓冲层上；第一波导层，位于吸收层上；其中，缓冲层、吸收层及第一波导层形成光耦合区；下包层，位于衬底的未设置有缓冲层的表面上；第二波导层，位于下包层上；其中，下包层及第二波导层形成波导区和光转化区，波导区、光转化区及光耦合区沿着光传播方向依次分布且连接，且光转化区呈类梯形结构。
本公开的实施例提供的光电探测器，解决了在外延GeSn材料前，在Si衬底上外延Ge缓冲层。由于Si/Ge界面位错较多，用Si波导传输入射光，光的损耗大、倏逝波耦合效率低，不利于集成等问题。本公开采用氮化硅波导，将入射光场的高度提高至与锗锡层(吸收层)相近的高度，光场经氮化硅波导以倏逝波形式从氮化硅层直接耦合到GeSn材料中，光场损耗低、耦合效率高，能够克服响应速度和响应度之间的制约关系。与常规的从下至上的锗硅倏逝波耦合的波导探测器相比，本公开提供的光电探测器具有低损耗、低暗电流及高响应度等优点。
下面将结合本公开一具体的实施例中的光电探测器结构，对本公开的技术方案进行详细说明。应当理解，图1中示出的光电探测器中各部分的材料层、形状和结构仅是示例性的，以帮助本领域的技术人员理解本公开的技术方案，并非用以限制本公开的保护范围。
图1示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器的立体图。
如图1，本公开实施例的光电探测器，包括：
衬底，该衬底优选SOI衬底，主要包括：底硅层1、氧化硅层2及顶硅层3。本公开的实施例中，采用SOI衬底不仅可用于波导层的包层，获得良好的光学限制，还可以实现器件间的电学隔离。
缓冲层4，其位于SOI衬底上。缓冲层4由Ge构成或其他半导体材料构成，以使在SOI衬底上获得较好的吸收层5外延材料。
本公开的实施例中，Ge缓冲层4(即Ge buffer层)的层厚优选200nm～1500nm，为提高Ge buffer层4的晶体质量，需要低高温退火实现，将位错限制在Ge buffer的低温外延层内。
吸收层5，其位于缓冲层4上，吸收层5由GeSn构成或其他半导体材料构成，吸收层5也是有源层，用于载流子的收集。
本公开的实施例中，GeSn光吸收层5的层厚优选50nm～1500nm，其锡含量范围为0.01～0.3，其左右包层可以为氧化硅层或者空气。
具体地，GeSn材料具有带隙可调的特征，随着Sn的组分增加，可以减小GeSn材料带隙。由于Ge和Sn材料晶格失配较大，当Sn组分增加，GeSn单晶材料的生长难度增加。通过实验证明，在GeSn材料中，Sn组分在10％左右，材料厚度在200nm以上，会发生Sn的分凝。本公开的实施例中，高组分GeSn材料的生长可采用组分渐变的方式，外延高组分厚层GeSn材料层。
第一波导层6，其位于吸收层5上，第一波导层6由氮化硅(SiN)构成或其他半导体材料构成，用于光的传输作用。
本公开的实施例中，SiN波导层6采用光刻、刻蚀、等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)等进行沉积得到，晶片退火温度不超过350℃，光刻波导层可采用光刻胶正胶做掩膜进行刻蚀。具体地，选择合适的气体，如SF6或Ar等气体进行刻蚀，本公开的实施例中，采用ICP刻蚀GeSn层和氧化硅层。
下包层7，其位于SOI衬底的未设置有缓冲层4的表面上。下包层7由氧化硅构成，用于波导层的包层。
第二波导层8，其位于下包层7上表面。第二波导层8由氮化硅(SiN)构成，用于光的传输与转换。
上包层9，其位于第一波导层6和第二波导层8上表面。上包层9由氧化硅构成，用于波导层的包层及器件的钝化。
根据本公开的实施例，如图1所示，缓冲层4、吸收层5及第一波导层6形成光耦合区30，下包层7及第二波导层8形成波导区10和光转化区20，其中，波导区10、光转化区20及光耦合区30沿着光传播方向依次分布且连接，且光转化区20呈类梯形结构。从图1可以看出，波导区10与光耦合区30为长方体形；光转化区20呈类梯形结构，其与波导区10相连的接触端宽度小于与光耦合区30接触端宽度。具体地，光转化区20与波导区10相连的接触端宽度优选1μm-6μm，光转化区20与光耦合区30相连的接触端宽度优选2μm-12μm，第二波导层8的波导层高度优选0.4μm-2μm，光转化区20中的波导宽度设置为渐变式变宽设置，第一波导层、第二波导层的所用参数一致，以使在波导下方引入GeSn吸收层5前采用梯形使的波导展宽，以提高光子被锗锡层吸收的效率。
本公开的一些实施例中，如图1所示，第二波导层8的层厚大于第一波导层6，其中，第二波导层8与第一波导层6接触处形成台阶结构，该台阶结构的高度差优选10nm～600nm，即第二波导层8与第一波导层6的层厚差优选10nm～600nm，该台阶结构可以使得光更充分的倏逝到吸收层5中，用于提高倏逝波在光耦合区30的耦合效率，进而可以减少GeSn吸收层5的长度，可以减少器件暗电流，同时还可以减小器件的寄生电容，从而提高了器件的响应速度。
根据本公开的实施例，如图2所示，该光电探测器还包括：P型掺杂层12和N型掺杂层13，其中，P型掺杂层12由将缓冲层4一侧部分上表面层与吸收层5的一侧通过掺杂浓度为1018～1020cm-3的硼形成，N型掺杂层13由将缓冲层4另一侧部分上表面层与吸收层5的另一侧通过掺杂浓度为1018～1020cm-3的磷形成，主要可采用光刻、刻蚀及采用离子注入法制备而成，其中，对缓冲层4进行掺杂处理形成的P型或N型掺杂层的层厚小于缓冲层4的层厚。具体地，注入后在氮气保护下进行退火，激活注入离子，修复晶格损伤，同时避免了常规探测器入射光经过Ge buffer层时的暗电流增加，响应度降低的影响。
本公开的实施例中，该光电探测器还包括：对电极，分别为第一电极10及第二电极11，其中，第一电极10位于P型掺杂层12的远离N型掺杂层13的一侧，第二电极11位于N型掺杂层13的远离P型掺杂层12的一侧，第一电极10及第二电极11用于接入电激励。具体地，将第一电极10及第二电极11设置在吸收层5两侧，可提高载流子输运速度，是制作高速器件的良好选择。
图3示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器的光传播方向示意图。如图3所示，入射光依次从波导区10的氮化硅波导层8传输至光转化区20的波导层、光耦合区30的氮化硅波导层6后，光场向下倏逝到GeSn光吸收层5中，进而产生光电流，而传统的倏逝波耦合探测器入射光经光波导传输向上倏逝到有源层内。
本公开的一些实施例中，以光入射端波导(即波导区10)长度、宽度和高度分别为1μm、2μm和0.64μm，tapper端(即光转换区20)宽度由2μm渐变到3μm，tapper端总长度5μm，GeSn吸收层上面的氮化硅波导层长度为8μm、宽度为4μm，GeSn吸收层与波导层的单边阶梯高度为0.22μm为例，在假定GeSn吸收层对信号光无吸收的情况下，光场分布如图4所示。光从入射端第二波导层8入射，经光转换区20将波导展宽后，tapper末端光场仍为单模，如图5所示，光以倏逝波的形式倏逝到GeSn吸收层5中。从图4的光场分布可以看出，与传统的倏逝波耦合探测器入射光经光波导传输向上倏逝到有源层内相比，本公开所采用的探测器结构光场主要从上层氮化硅波导层直接倏逝耦合至锗锡光吸收层，耦合效率高。此外，信号光基本不经过锗缓冲层，避免了锗缓冲层中缺陷对光生载流子的非辐射复合作用过程。本公开信号光主要限制在锗锡光吸收层，光子与锗锡层的相互耦合明显增强，探测器的光电转换效率明显提高。
本公开的一些实施例中，可提供了Ge buffer层上生长不同GeSn材料层的方法，如：Sn组分小于6～15％，厚度在20nm-600nm之间，可以在Ge buffer层上直接生长薄膜材料；Sn组分在6％以上，可采用组分渐变生长方式。
图6示意性示出了根据本公开一实施例的光电探测器的制备方法的流程图，该方法步骤制备出的光电探测器的结构如图1所示。
如图6所示，该光电探测器的制备方法，包括：
S601，在衬底的部分表面上依次生长缓冲层、吸收层及第一波导层，缓冲层、吸收层及第一波导层形成光耦合区。
S602，在衬底的未设置有缓冲层的表面上依次生长下包层及第二波导层，其中，下包层及第二波导层形成波导区和光转化区，波导区、光转化区及光耦合区沿着光传播方向依次分布且连接，且光转化区呈梯形结构。
根据本公开的实施例，该方法还包括：S603，在第一波导层与第二波导层上表面生长上包层。
本公开的实施例中，该衬底为SOI衬底，主要包括底硅层、氧化硅层及顶硅层。
需说明的是，本公开的实施例中通过上述工艺制备过程制备出的光电探测器结构如图1和图2所示，其各具体的材料层、层厚、材料层构成的结构亦如图1和图2所示，此处不再详细赘述。
需说明的是，本公开的实施例中上述步骤中采用的工艺方法、材料仅为示例性的说明，例如上述半导体层可以使用常规的薄膜生长、刻蚀方法如MOCVD、MBE、ALD、PLD、RIE、ICP等也可能得到高质量的外延薄膜等等，电极金属材质为常规的金属材料层，本公开对此不做限定。
从以上的描述中，可以看出，本公开上述的实施例至少实现了以下技术效果：
1)、本公开提供的一种光电探测器，光经氮化硅波导层通过倏逝波耦合到GeSn吸收层，氮化硅波导层与GeSn之间有良好的界面，且氮化硅波导在红外波段有极低的传输损耗，因此，其耦合效率高，提高光探测的效率。
2)、通过在第二波导层与第一波导层接触处形成台阶结构，台阶高度优选10～600nm，有效提高了倏逝波的耦合效率，进而可以减少GeSn吸收层的长度，减少了器件的暗电流。同时，还减小器件的寄生电容，从而提高了光电探测器的响应速度。
3)、信号光直接从氮化硅波导进入锗锡吸收层，而不是通过锗缓冲层进而锗锡吸收层，可以减少入射光在锗缓冲层中由于位错、缺陷等因素造成的传输损耗，提高探测器光吸收效率。
4)、通过横向生长PIN结构，电极制作在Ge缓冲层上，有效避免了光生载流子因锗/硅界面的位错、缺陷等因素造成复合损耗，进一步提高了探测器的光电转换效率。
尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (10)

1.一种光电探测器，其特征在于，包括：
缓冲层，位于衬底的部分表面上；
吸收层，位于所述缓冲层上；
第一波导层，位于所述吸收层上；其中，所述缓冲层、所述吸收层及所述第一波导层形成光耦合区；
下包层，位于所述衬底的未设置有所述缓冲层的表面上；
第二波导层，位于所述下包层上；其中，所述下包层及所述第二波导层形成波导区和光转化区，所述波导区、所述光转化区及所述光耦合区沿着光传播方向依次分布且连接，且所述光转化区呈类梯形结构。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述第二波导层的层厚大于所述第一波导层，其中，所述第二波导层与所述第一波导层接触处形成台阶结构，以提高倏逝波在所述光耦合区的耦合效率。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光转化区与所述波导区的接触端宽度小于所述光转化区与所述光耦合区的接触端宽度，以使提高光子被所述吸收层吸收的效率。
4.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器还包括：
P型掺杂层，其由所述缓冲层一侧部分上表面层及所述吸收层的一侧通过掺杂构成；
N型掺杂层，其由所述缓冲层另一侧部分上表面层及所述吸收层的另一侧通过掺杂构成。
5.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述吸收层由GeSn构成，所述缓冲层由Ge构成。
6.根据权利要求5所述的光电探测器，其特征在于，所述吸收层的层厚为50～1500nm，其锡含量范围为0.01～0.3。
7.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器还包括：
上包层，位于所述第一波导层和所述第二波导层上。
8.根据权利要求4所述的光电探测器，其特征在于，所述P型掺杂层与所述N型掺杂层的掺杂浓度为1018～1020cm-3。
9.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器还包括：
对电极，分别为第一电极及第二电极，其中，所述第一电极位于所述P型掺杂层的远离所述N型掺杂层的一侧，所述第二电极位于所述N型掺杂层的远离所述P型掺杂层的一侧。
10.一种光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底的部分表面上依次生长缓冲层、吸收层及第一波导层，所述缓冲层、所述吸收层及所述第一波导层形成光耦合区；
在所述衬底的未设置有所述缓冲层的表面上依次生长下包层及第二波导层，其中，所述下包层及所述第二波导层形成波导区和光转化区，所述波导区、所述光转化区及所述光耦合区沿着光传播方向依次分布且连接，且所述光转化区呈梯形结构。
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