CN203983286U - 具有谐振腔增强效应条栅型的soi光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有谐振腔增强效应条栅型的SOI光电探测器，已有CMOS光电探测器结构的半导体CMOS工艺限制了器件结构与电学特性的改善。本实用新型包括p型半导体衬底、埋氧化层、n型n-well阱区、p型欧姆接触区、环形地电极、环形电压极、n型欧姆接触区、输出电极、条栅型的PCOMP、顶层氧化层和多晶硅；本实用新型利用条栅型结构，增大耗尽区面积，同时由于吸收层较薄，光生载流子产生的电子-空穴对在吸收层中的渡越时间较小，可使器件获得较高的带宽，解决了光电探测器的量子效率和带宽之间相互制约的问题。通过改变光电探测器横向、纵向（三维）结构，使得这种新型器件在作为光电探测器工作时具有更高的响应度和带宽。
Description
技术领域
本实用新型属于半导体技术领域，涉及一种具有谐振腔增强效应条栅型的SOI光电探测器。
背景技术
由于光纤通信、红外遥感和军事应用需求的不断增长促进了半导体器件及其光电路的发展。随着光电路系统强大优势的不断体现，光电器件及其电路在计算系统、自由空间卫星系统、光盘存储应用、成像系统以及通信系统等领域具有广泛的应用。考虑到CMOS工艺的兼容性，传统的Si基光电探测器是在Si衬底上进行n型离子的注入形成n阱区（n-well），在衬底顶部临近n阱区之间形成p的源区，在源区顶部引出电极的金属引线；在n阱区中按条栅型进行p型离子注入形成条栅型的PCOMP，在PCOMP和n阱区边缘的部分生成n的欧姆接触区，并在欧姆接触区顶部引出电极的金属引线；在每个PCOMP顶部形成p的欧姆接触区，并在欧姆接触区的顶部引出电极的金属引线。传统CMOS光电探测器由于Si的吸收系数较低，从而量子效率低，若靠增加吸收层厚度来提高量子效率，则会使带宽大大降低，不利于提高器件和系统的综合特性。随着半导体技术与TCAD的发展，采用空间调制（SML）、横向PIN等结构的CMOS光电探测器受CMOS工艺限制，响应度和带宽无法进一步满足超高速短距离等光互连的需求。为了实现更高响应度和带宽的光电探测器，研究人员还提出了基于硅CMOS工艺的雪崩击穿光电探测器（APD）结构，该结构的响应度和频率带宽等性能都较好，不足之处在于光电探测器需要施加高的反向偏压，极大的限制了光电探测器应用范围。
发明内容
本实用新型针对现有技术的不足，提供一种具有谐振腔增强效应条栅型的SOI光电探测器新结构，通过引入法布里－罗布腔，同时利用条栅型结构，增大耗尽区面积，使得量子效率大大增加，同时不会使得带宽降低，该器件能够在SOI CMOS工艺上进行实现，具有很好的工艺兼容性，能够与普通CMOS器件集成在一起从而形成光电集成电路芯片或片上光电系统；同时相比其他可兼容CMOS光电探测器，具有高量子效率、高响应度和高带宽的特点。
本实用新型一种具有条栅型PCOMP的谐振腔增强型光电探测器，包括p型半导体衬底、埋氧化层、n型n-well阱区、p型欧姆接触区、环形地电极、环形电压极、n型欧姆接触区、输出电极、条栅型的PCOMP、顶层氧化层和多晶硅 ；
距离p型半导体衬底表面2 um处设置有埋氧化层，p型半导体衬底上表面设有n型n-well阱区，环形p型欧姆接触区设置在p型半导体衬底上表面且位于n型n-well阱区外侧，环形地电极设置在环形p型欧姆接触区上，环形的n型欧姆接触区设置在p型半导体衬底上表面且位于n型n-well阱区内侧，环形电压极设置在环形n型欧姆接触区上，在p型半导体衬底上表面且位于环形电压极内侧设置有多根互相平行的条栅型的PCOMP ；每根条栅型的PCOMP上设置输出电极；在p型半导体衬底上表面各个电极之间覆盖一层氧化层，在氧化层的表面覆盖一层多晶硅。
所述的p型半导体衬底为蓝宝石衬底或硅衬底。
所述的埋氧化层厚度为140nm。
所述的n型n-well阱区厚度为1.5um。
所述的条栅型的PCOMP厚度为1um。
所述的顶层的氧化层厚度140nm。
所述的多晶硅厚度为60nm。
所述的环形地电极、环形电压极和输出电极的材料分别为Al或者Cu的一种。
条栅型的PCOMP间的距离为1um。
所述的埋氧化层、n型n-well阱区、条栅型的PCOMP、环形p型欧姆接触区和n型欧姆接触区的外延生长方式采用注氧隔离方法实现。
本实用新型谐振腔增强效应条栅型的SOI光电探测器新结构，通过引入法布里－罗布腔，使得光波在腔体内往复运动，从而使得光波多次通过吸收层达到光电增强效应，器件可获得较高的量子效率。利用条栅型结构，增大耗尽区面积，同时由于吸收层较薄，光生载流子产生的电子-空穴对在吸收层中的渡越时间较小，可使器件获得较高的带宽，解决了光电探测器的量子效率和带宽之间相互制约的问题。
有益效果：本实用新型通过改变光电探测器横向、纵向（三维）结构，使得这种新型器件在作为光电探测器工作时具有更高的响应度和带宽。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1的A-A截面示意图；
图4为图1的B-B截面示意图。
具体实施方式
如图1、2、3和4所示，一种具有谐振腔增强效应条栅型的SOI光电探测器，包括p型半导体衬底1、埋氧化层2、n型n-well阱区3、p型欧姆接触区4、环形地电极5、环形电压极6、n型欧姆接触区7、输出电极8、条栅型的PCOMP 9、顶层氧化层11和多晶硅10；
距离p型半导体衬底1表面2 um处设置有厚度为140nm的埋氧化层2，p型半导体衬底1上表面设有厚度为1.5um的n型n-well阱区3，环形p型欧姆接触区4设置在p型半导体衬底1上表面且位于n型n-well阱区3外侧，环形地电极5设置环形p型欧姆接触区上，环形的n型欧姆接触区7设置在p型半导体衬底1上表面且位于n型n-well阱区3内侧，环形电压极6设置在环形n型欧姆接触区7上，在p型半导体衬底1上表面且位于环形电压极6内侧设置有多根互相平行厚度为1um的条栅型的PCOMP 9；条栅型的PCOMP间的距离为1um。每根条栅型的PCOMP上设置输出电极8；在p型半导体衬底1上表面各个电极之间覆盖一层厚度为140nm氧化层11，在氧化层的表面覆盖一层厚度为60nm的多晶硅10。
所述的p型半导体衬底为硅衬底。
所述的三种电极材料为Cu。
所述的埋氧化层、n型n-well阱区、条栅型的PCOMP、环形p型欧姆接触区和n型欧姆接触区的外延生长方式采用注氧隔离（SIMOX）方法实现。
光子入射到光敏器材的表面时，被吸收的那部分光子会激发光敏材料产生电子-空穴对，形成电流，称为光电效应，此时产生的电子与所有入射的光子数之比称为量子效率。普通光电探测器的量子效率计算公式，谐振腔型光电探测器的量子效率的计算公式，其中r1、r2为谐振腔上下镜面的反射系数，为材料的吸收系数，L为耗尽层厚度。在谐振腔中，由于选取合适的上下镜，反射系数变大，同时条栅型的结构可增大耗尽层的有效面积，但对于载流子的运动却不会造成延迟，从而可以在薄的耗尽层时得到较大的量子效率，同时保证带宽不会变窄。当顶镜为一对Si-SiO2，底镜为三对Si-SiO2时，可由公式计算出=0.325，是普通光电探测器的2-3倍。这是从理论上支持了用条栅型的谐振腔结构来提高器件量子效率的方法，使得器件用于光互连时具有更高的响应度。
Claims (10)
1. 具有谐振腔增强效应条栅型的SOI光电探测器，包括p型半导体衬底、埋氧化层、n型n-well阱区、p型欧姆接触区、环形地电极、环形电压极、n型欧姆接触区、输出电极、条栅型的PCOMP、顶层氧化层和多晶硅；
其特征在于：距离p型半导体衬底表面2 um处设置有埋氧化层，p型半导体衬底上表面设有n型n-well阱区，环形p型欧姆接触区设置在p型半导体衬底上表面且位于n型n-well阱区外侧，环形地电极设置在环形p型欧姆接触区上，环形的n型欧姆接触区设置在p型半导体衬底上表面且位于n型n-well阱区内侧，环形电压极设置在环形n型欧姆接触区上，在p型半导体衬底上表面且位于环形电压极内侧设置有多根互相平行的条栅型的PCOMP ；每根条栅型的PCOMP上设置输出电极；在p型半导体衬底1上表面各个电极之间覆盖一层氧化层，在氧化层的表面覆盖一层多晶硅。
2.根据权利要求1所述的具有谐振腔增强效应条栅型的SOI光电探测器，其特征在于：所述的p型半导体衬底为蓝宝石衬底或硅衬底。
3.根据权利要求1所述的具有谐振腔增强效应条栅型的SOI光电探测器，其特征在于：所述的埋氧化层厚度为140nm。
4.根据权利要求1所述的具有谐振腔增强效应条栅型的SOI光电探测器，其特征在于：所述的n型n-well阱区厚度为1.5um。
5.根据权利要求1所述的具有谐振腔增强效应条栅型的SOI光电探测器，其特征在于：所述的条栅型的PCOMP厚度为1um。
6.根据权利要求1所述的具有谐振腔增强效应条栅型的SOI光电探测器，其特征在于：所述的顶层的氧化层厚度140nm。
7.根据权利要求1所述的具有谐振腔增强效应条栅型的SOI光电探测器，其特征在于：所述的多晶硅厚度为60nm。
8.根据权利要求1所述的具有谐振腔增强效应条栅型的SOI光电探测器，其特征在于：所述的环形地电极、环形电压极和输出电极的材料分别为Al或者Cu的一种。
9.根据权利要求1所述的具有谐振腔增强效应条栅型的SOI光电探测器，其特征在于：条栅型的PCOMP间的距离为1um。
10.根据权利要求1所述的具有谐振腔增强效应条栅型的SOI光电探测器，其特征在于： 所述的埋氧化层、n型n-well阱区、条栅型的PCOMP、环形p型欧姆接触区和n型欧姆接触区的外延生长方式采用注氧隔离实现。
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