CN117334777A - 集成有双吸收区的光电探测器的制备方法 - 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的制备方法，光电探测器包括自下而上设置的基底、第二吸收有源区、光传输波导区和第一吸收有源区；第一吸收有源区中横向依次设置第一P++掺杂区、第一P+掺杂区、第一本征I区、第一N+掺杂区以及第一N++掺杂区，第一P++掺杂区与第一金属电极电性连接；第二吸收有源区中横向依次设置第二P++掺杂区、第二P+掺杂区、第二本征I区、第二N+掺杂区以及第二N++掺杂区，第二P++掺杂区与第二金属电极电性连接；第一与第二N++掺杂区通过金属通孔电性连接。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，响应度高，光‑电响应带宽大。
Description
分案说明
本发明为申请日为2021年12月30日，申请号为：2021116477561，发明名称为“集成有双吸收区的光电探测器及其制备方法”的分案申请。
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的制备方法。
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的制备方法，该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。
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，包括自下而上依次设置的基底、第二吸收有源区、光传输波导区和第一吸收有源区；所述第一吸收有源区包括横向依次设置的第一P++掺杂区、第一P+掺杂区、不掺杂的第一本征I区、第一N+掺杂区以及第一N++掺杂区，所述第一P++掺杂区与第一金属电极电性连接；所述第二吸收有源区包括横向依次设置的第二P++掺杂区、第二P+掺杂区、不掺杂的第二本征I区、第二N+掺杂区以及第二N++掺杂区，所述第二P++掺杂区与第二金属电极电性连接；所述第一N++掺杂区与所述第二N++掺杂区通过二者之间的金属通孔电性连接。
进一步地，所述光传输波导区中间开设有凹槽结构。光波导的折射率（模式有效折射率）一般由材料本征的折射率和波导的结构决定的；通常来说，调整波导结构是常用的有效办法，这会有助于设计波导之间的耦合效率；对于本申请中的凹槽结构，可以改变凹槽的深度、宽度，以及外部光波导截面的宽度和厚度等参数来实现折射率的调整；相当于这种凹槽结构的好处是增加了调节折射率的维度，有更多的调节参数可供使用，以实现光传输波导区与第一光吸收区和第二光吸收区的高效光耦合。
优选地，所述第一本征I区的宽度w1为50~500nm；和/或，所述第二本征I区的宽度w2为50~500nm。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50~500nm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、450nm、500nm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。
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；所述光传输波导区位于所述第一光吸收区与所述第二光吸收区之间。
优选地，所述光传输波导区与所述第一光吸收区之间的间距h1为50~400nm；和/或，所述光传输波导区与所述第二光吸收区之间的间距h2为50~400nm。光传输波导区与第一光吸收区和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50~400nm有助于实现高效率和高光功率探测，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P++掺杂区、所述第二P++掺杂区、所述第一N++掺杂区以及所述第二N++掺杂区的掺杂浓度分别为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+掺杂区以及所述第二N+掺杂区的掺杂浓度分别为1×1018/cm3~6×1018/cm3。
优选地，所述第一本征I区与所述第二本征I区为光吸收波段不同的光吸收材料。由于不同材料对应不同光吸收区范围，这是材料的能带结构决定的；比如一般的硅的光吸收波导只能到1.1um及以下，大于1.1um的光，硅材料一般不再吸收或者吸收效率很低；而锗材料则可以吸收1.6um及其以下光波长的光；但是锗材料相比于硅材料在1um以下吸收效率较低，所以1um以下光优先用硅探测吸收；1um以上光优先用锗探测吸收。本申请中第一、第二光吸收区中不同吸收波段的配置，能够实现探测宽谱光信号。
优选地，所述第一本征I区为以下任意一种光吸收材料：锗、锗硅合金、三五族材料或三五族材料合金；和/或，所述第二本征I区为以下任意一种光吸收材料：硅或钙钛矿。
优选地，所述基底为硅上绝缘体SOI，是在硅衬底上沉积二氧化硅形成；和/或，所述光传输波导区的材料为氮化硅、氮化铝或铌酸锂。
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第二吸收有源区薄膜，光刻、刻蚀后形成脊型锗波导结构；（2）对脊型锗波导结构依次进行P++掺杂、N++掺杂、P+掺杂、N+掺杂，分别形成第二P++掺杂区、第二N++掺杂区、第二P+掺杂区、第二N+掺杂区，并保留有不掺杂的第二本征I区，形成第二吸收有源区；（3）沉积绝缘层并平坦化处理，光刻开窗口后，在适当位置沉积光传输波导区材料，形成光传输波导区；（4）沉积绝缘层，光刻、刻蚀后沉积金属通孔材料，形成金属通孔；（5）沉积第一吸收有源区材料，光刻、刻蚀后形成脊型硅波导结构；（6）对脊型硅波导结构依次进行P++掺杂、N++掺杂、P+掺杂、N+掺杂，分别形成第一P++掺杂区、第一N++掺杂区、第一P+掺杂区、第一N+掺杂区，并保留有不掺杂的第一本征I区，形成第一吸收有源区；（7）光刻开窗口，分别在第一P++掺杂区和第二P++掺杂区上沉积形成第一金属电极和第二金属电极。
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，包括自下而上依次设置的基底1、第二吸收有源区、光传输波导区2和第一吸收有源区。
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；
上述第二吸收有源区包括横向依次设置的第二P++掺杂区9、第二P+掺杂区10、不掺杂的第二本征I区11、第二N+掺杂区12以及第二N++掺杂区13，第二P++掺杂区9与第二金属电极14电性连接；部分第二P+掺杂区10、第二本征I区11以及部分第二N+掺杂区12形成第二光吸收区。
其中，第二P++掺杂区9和第二N++掺杂区13的掺杂浓度均为1×1020/cm3~8×1020/cm3；第二P+掺杂区10和第二N+掺杂区12的掺杂浓度均为1×1018/cm3~6×1018/cm3。第二本征I区11为硅材料，宽度w2为50~500nm。
上述光传输波导区2的材料为氮化硅。为了能够实现光传输波导区2与第一光吸收区和第二光吸收区的高效光耦合，本实施方式中的光传输波导区2还开设有能够调节折射率的凹槽结构。
上述第一吸收有源区包括横向依次设置的第一P++掺杂区3、第一P+掺杂区4、不掺杂的第一本征I区5、第一N+掺杂区6以及第一N++掺杂区7，第一P++掺杂区3与第一金属电极8电性连接；部分第一P+掺杂区4、第一本征I区5以及部分第一N+掺杂区6形成第一光吸收区。
其中，第一P++掺杂区3和第一N++掺杂区7的掺杂浓度均为1×1020/cm3~8×1020/cm3；第一P+掺杂区4和第一N+掺杂区6的掺杂浓度均为1×1018/cm3~6×1018/cm3。第一本征I区5为锗材料，宽度w2为50~500nm。
上述第一N++掺杂区7与第二N++掺杂区13通过二者之间的金属通孔15电性连接。
上述光传输波导区2与所述第一光吸收区之间的间距h1为50~400nm；与第二光吸收区之间的间距h2为50~400nm。
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）法制备高质量锗薄膜，即第二吸收有源区薄膜；对沉积的锗薄膜区域光刻，实现图形转移后刻蚀，形成脊型锗波导结构；
（2）对脊型锗波导结构依次进行P++掺杂、N++掺杂、P+掺杂、N+掺杂，分别形成第二P++掺杂区9、第二N++掺杂区13、第二P+掺杂区10、第二N+掺杂区12，并保留有不掺杂的锗本征区，即第二本征I区11，形成第二吸收有源区；
（3）沉积二氧化硅材料层，并利用化学机械抛光技术，实现平坦化处理；光刻开窗口，在适当位置利用低压化学气相沉积（LPCVD）法，制备氮化硅薄膜材料，在氮化硅薄膜材料上刻蚀出凹槽结构，形成光传输波导区2；
（4）沉积二氧化硅材料层；光刻、刻蚀后沉积金属通孔材料，形成金属通孔15；
（5）利用等离子体增强化学汽相沉积（PECVD）制备多晶硅材料吗，即第一吸收有源区材料；对沉积的多晶硅区域光刻，实现图形转移后刻蚀，形成脊型硅波导结构；
（6）对脊型硅波导结构依次进行P++掺杂、N++掺杂、P+掺杂、N+掺杂，分别形成第一P++掺杂区3、第一N++掺杂区7、第一P+掺杂区4、第一N+掺杂区6，并保留有不掺杂的硅本征区结构，即第一本征I区5，形成第一吸收有源区；
（7）光刻开窗口，分别在第一P++掺杂区3和第二P++掺杂区9上沉积金属材料，以形成第一金属电极8和第二金属电极14。
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 (10)
1.一种集成有双吸收区的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法如下：
（1）在衬底上沉积绝缘层形成基底（1），并在所述基底（1）的绝缘层上沉积第二吸收有源区薄膜，光刻、刻蚀后形成脊型波导结构；
（2）对脊型波导结构依次进行P++掺杂、N++掺杂、P+掺杂、N+掺杂，分别形成第二P++掺杂区（9）、第二N++掺杂区（13）、第二P+掺杂区（10）、第二N+掺杂区（12），并保留有不掺杂的第二本征I区（11），形成第二吸收有源区；
（3）沉积绝缘层并平坦化处理，光刻开窗口后，在适当位置沉积光传输波导区材料，形成光传输波导区（2）；
（4）沉积绝缘层，光刻、刻蚀后沉积金属通孔材料，形成金属通孔（15）；
（5）沉积第一吸收有源区材料，光刻、刻蚀后形成脊型波导结构；
（6）对脊型波导结构依次进行P++掺杂、N++掺杂、P+掺杂、N+掺杂，分别形成第一P++掺杂区（3）、第一N++掺杂区（7）、第一P+掺杂区（4）、第一N+掺杂区（6），并保留有不掺杂的第一本征I区（5），形成第一吸收有源区；
（7）光刻开窗口，分别在第一P++掺杂区（3）和第二P++掺杂区（9）上沉积形成第一金属电极（8）和第二金属电极（14）。
2.根据权利要求1所述的集成有双吸收区的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述光电探测器包括自下而上依次设置的基底（1）、第二吸收有源区、光传输波导区（2）和第一吸收有源区；
所述第一吸收有源区包括横向依次设置的第一P++掺杂区（3）、第一P+掺杂区（4）、不掺杂的第一本征I区（5）、第一N+掺杂区（6）以及第一N++掺杂区（7），所述第一P++掺杂区（3）与第一金属电极（8）电性连接；
所述第二吸收有源区包括横向依次设置的第二P++掺杂区（9）、第二P+掺杂区（10）、不掺杂的第二本征I区（11）、第二N+掺杂区（12）以及第二N++掺杂区（13），所述第二P++掺杂区（9）与第二金属电极（14）电性连接；
所述第一N++掺杂区（7）与所述第二N++掺杂区（13）通过二者之间的金属通孔（15）电性连接。
3.根据权利要求2所述的集成有双吸收区的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述光传输波导区（2）中间开设有凹槽结构。
4.根据权利要求2所述的集成有双吸收区的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述第一本征I区（5）的宽度w1为50~500nm；
和/或，所述第二本征I区（11）的宽度w2为50~500nm。
5.根据权利要求2所述的集成有双吸收区的光电探测器的制备方法，其特征在于，部分所述第一P+掺杂区（4）、所述第一本征I区（5）以及部分所述第一N+掺杂区（6）形成第一光吸收区；部分所述第二P+掺杂区（10）、所述第二本征I区（11）以及部分所述第二N+掺杂区（12）形成第二光吸收区；所述光传输波导区（2）位于所述第一光吸收区与所述第二光吸收区之间。
6.根据权利要求5所述的集成有双吸收区的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述光传输波导区（2）与所述第一光吸收区之间的间距h1为50~400nm；
和/或，所述光传输波导区（2）与所述第二光吸收区之间的间距h2为50~400nm。
7.根据权利要求2所述的集成有双吸收区的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述第一P++掺杂区（3）、所述第二P++掺杂区（9）、所述第一N++掺杂区（7）以及所述第二N++掺杂区（13）的掺杂浓度分别为1×1020/cm3~8×1020/cm3；
和/或，所述第一P+掺杂区（4）、所述第二P+掺杂区（10）、所述第一N+掺杂区（6）以及所述第二N+掺杂区（12）的掺杂浓度分别为1×1018/cm3~6×1018/cm3。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的集成有双吸收区的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述第一本征I区（5）与所述第二本征I区（11）为光吸收波段不同的光吸收材料。
9.根据权利要求8所述的集成有双吸收区的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述第一本征I区（5）为以下任意一种光吸收材料：锗、锗硅合金、三五族材料或三五族材料合金；
和/或，所述第二本征I区（11）为以下任意一种光吸收材料：硅或钙钛矿。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的集成有双吸收区的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述基底（1）为硅上绝缘体SOI，是在硅衬底（101）上沉积二氧化硅（102）形成；
和/或，所述光传输波导区（2）的材料为氮化硅、氮化铝或铌酸锂。
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