CN208538885U - 一种波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件，涉及光电半导体技术领域。波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件的源区与漏区分别嵌设于衬底的同一端的两侧，栅极介质层与衬底面连接，且栅极介质层的两端分别与源电极、漏电极连接，光伏结构层与栅极介质层的远离衬底的一侧面连接，光波导层与光伏结构层的远离衬底的一侧面连接，栅电极与光波导层的远离衬底的一侧面连接；或与光伏结构层的远离衬底的一侧面连接。本实用新型提供的波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件具有超高的内增益、高带宽、制备工艺和工作电压与CMOS完全兼容、可与微电子器件紧密集成等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及光电半导体技术领域，具体而言，涉及一种波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件。
背景技术
随着光电子技术的发展和信息产业对功耗、带宽、速率等越来越高的要求，光子集成或光电子集成受到人们广泛的关注。
光(电)子集成是将光电子器件或光电子器件和微电子器件集成于一个芯片上的技术。由于微电子器件主要基于CMOS工艺平台，且Si材料具有晶圆尺寸大、成本低、工艺成熟等优势，因此光(电)子集成主要为基于CMOS的Si光(电)子集成。
在集成光电接收部分，目前主要的技术方案为集成Ge/Si PD(Photo-Diode，光电二极管)或APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)。集成Ge-Si PD具有结构简单、工艺与工作电压与CMOS相兼容的优势，然而PD的响应度低，无内增益，使得其在长距离光信号检测或系统功率预算方面表现不足；集成Ge-Si APD利用光生载流子的碰撞电离可实现光电流的放大，具有一定的内增益特性，适合长距离光信号探测或用于并行光子集成系统。但APD器件的结构较为复杂，且需要较高的工作偏压来提供载流子碰撞电离所需的高电场条件。一方面，较高的工作电压与CMOS的微电子器件工作电压不兼容，这对实现大规模或高密度的光电子集成有着诸多限制；另一方面，较高的工作电压对器件的材料质量、器件结构等方面有着更高的要求，有着更高的成本。
有鉴于此，如何解决上述问题，是本领域技术人员关注的重点。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件，以解决现有技术中光电子集成技术中光敏元件的工作电压与CMOS工作电压不相兼容或不具有内增益的问题。
为了实现上述目的，本实用新型实施例采用的技术方案如下：
本实用新型实施例提出了一种波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件，所述波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件包括衬底、源区、漏区、源电极、漏电极、栅极介质层、光波导层、光伏结构层以及栅电极，所述源区与所述漏区分别嵌设于所述衬底的同一端的两侧，所述栅极介质层与所述衬底面连接，且所述栅极介质层的两端分别与所述源电极、所述漏电极连接，所述光伏结构层与所述栅极介质层的远离所述衬底的一侧面连接，所述光波导层与所述光伏结构层的远离所述衬底的一侧面连接，所述栅电极与所述光波导层的远离所述衬底的一侧面连接；或与所述光伏结构层的远离所述衬底的一侧面连接。
进一步地，所述源区、所述漏区以及栅极介质层之间形成导电通道，所述栅电极安装于所述光波导层的远离所述导电通道的一端。
进一步地，所述光波导层包括矩形光波导层或脊型光波导层，所述栅电极安装于所述光波导层的端部或所述光伏结构层的端部。
进一步地，所述光伏结构层至少包括一种PN结构或PIN结构。
进一步地，所述光伏结构层包括Ge光伏结构层或GeSi光伏结构层。
进一步地，所述波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件还包括钝化层，所述钝化层铺设于所述衬底的表面，且所述钝化层位于所述源电极、所述漏电极的两侧。
进一步地，所述栅极介质层的厚度包括20-100埃。
相对现有技术，本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型提供了一种波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件，该波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件包括衬底、源区、漏区、源电极、漏电极、栅极介质层、光伏结构层以及栅电极，源区与漏区分别嵌设于衬底的同一端的两侧，栅极介质层与衬底面连接，且栅极介质层的两端分别与源电极、漏电极连接，光伏结构层与栅极介质层的远离衬底的一侧面连接，栅电极与光伏结构层的远离栅极介质层的一侧面连接。由于本实用新型提供的波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件包括有光伏结构层，且光伏结构层位于栅极介质层上，栅电极位于光伏结构层之上，所以当栅电极外加偏置电压时，光伏结构层中的光生载流子(电子或空穴)漂移至栅极介质层附近，通过静电吸引在波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件的栅极介质层之下、源漏区之间产生与该光生载流子异性的电荷(空穴或电子)，从而可以实现对波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件的导电通道的调制。并且，在漏极偏置电压下，这一光生载流子对导电通道的调制可形成光响应电流，从而达到了具有较高的内增益以及结构简单的优点。同时，由于该光敏器件基于场效应晶体管结构，与微电子的晶体管结构相似，该波导型场效应晶体管结构的光敏器件可以实现更紧凑、集成度更高的光电子集成；再者，采用光波导层结构的光信号入射方式，不仅可以减小栅电极与光伏层的尺寸和厚度，提升器件的响应度和速率，还能更好的实现与其它器件的光(电)子集成。为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本实用新型实施例提供的波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件的剖面示意图。
图2示出了本实用新型实施例提供的波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件的俯视图。
图3示出了本实用新型实施例提供的波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件的I-V曲线与增益特性示意图。
图标：100-波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件；110-衬底；120-源区；130-漏区；140-源电极；150-漏电极；160-栅极介质层；170-光伏结构层；180-光波导层；190-栅电极；200-钝化层。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。下面结合附图，对本实用新型的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参照图1，本实用新型实施例提供了一种波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件100，涉及光电半导体技术领域，具体地，本实施例提供的波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件100涉及半导体光电器件和光电子集成技术领域。该波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件100包括衬底110、源区120、漏区130、源电极140、漏电极150、栅极介质层160、钝化层200、光伏结构层170、光波导层180以及栅电极190，其中，源区120与漏区130分别嵌设于衬底110的同一端的两侧，栅极介质层160与衬底110面连接，且栅极介质层160的两端分别与源电极140、漏电极150连接，光伏结构层170与栅极介质层160的远离衬底110的一侧面连接，光波导层180与光伏结构层170的远离衬底110的一侧面连接，栅电极190与光波导层180的远离衬底110的一侧面连接；或与光伏结构层170的远离衬底110的一侧面连接。
具体地，在本实施例中，由于设置了光伏结构层170，且光伏结构层170位于栅极介质层160上，栅电极190位于光伏结构层170之上，所以当栅电极190外加偏置电压时，光伏结构层170中的光生载流子(电子或空穴)漂移至栅极介质层160附近，通过静电吸引在波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件100的栅极介质层160之下、源漏区130之间产生与该光生载流子异性的电荷(空穴或电子)，从而可以实现对波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件100的导电通道的调制。
并且，请参阅图2，试验表明，在漏极偏置电压下，这一光生载流子对导电通道的调制可形成光响应电流，通过光生载流子对波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件100的导电通道的调制，可以有效地实现对光响应信号的放大，从而达到了具有较高的内增益优点。同时，相对于传统的PD或APD，本实施例采用场效应管的形式，由于场效应管为微电子中最基础的结构单元，结构简单，所以能够更好的实现光电子器件与微电子器件集成。换言之，光信号通过所述的光波导层180传输至所述的光伏结构层170，从而可以增加所述光伏结构层170对光信号的吸收效率，减小所述光伏结构的尺寸，提升所述光敏器件的工作速率，并可实现所述光敏器件与其他光子器件的集成，并且，光信号通过光波导传输至光伏结构层170而被吸收，利用光伏结构产生的光电效应来调控场效应晶体管的导电通道，从而调节晶体管的源漏电流而实现对光信号的探测。
同时，光波导(optical waveguide)是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导，通过设置了光波导层，使光信号的输入通过光波导来实现，可以降低栅电极190的尺寸，减小光伏结构层170结构的厚度，提升器件的光响应度和工作带宽，有利于实现超高速、超大规模集成的光(电)子集成系统。
需要说明的是，本实施例所述的导电通电为源区120、漏区130以及栅极介质层160之间形成导电通道，一般的，在栅电极190增加偏置电压后，通过静电吸引作用载流子在栅极介质层160下的衬底110表面区域聚集，形成与源区120漏区130同一导电类型(n型或p型)的高载流子密度区域，从而在源区120与漏区130之间形成导电沟道，在引入光伏结构层170后，光伏结构层170在受光后产生光生载流子，通过光生载流子实现对波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件100的导电通道的调制。因此，在实际应用过程中，光伏结构层170对光的吸收直接影响了光伏结构层170对导电通道的调制能力。有鉴于此，请参阅图3，为了不影响光伏结构层170对光的吸收，栅电极190安装于光伏结构层170的远离导电通道的一端。
具体地，在本实施例中，光伏结构层170的形状包括长方体形，栅电极190安装于光伏结构层170的端部。当然地，在其它的一些实例中，光伏结构层170的形状也可以为其它形状，本实施例对此不做任何限定。
进一步地，在本实施例中，光伏结构层170至少包括PN结构或PIN结构中的一种，即光伏结构层170可以为PN结构或PIN结构或复合结构，以达到吸收光信号，产生和分离光生载流子，并表现出光生伏特效应。
进一步地，在本实施例中，光伏结构层170包括Ge光伏结构层170或GeSi光伏结构层170，以实现对近红外波段的响应，同时Ge、GeSi均与CMOS工艺相兼容，所以制作更加方便，同时光伏结构层170上的栅电极190偏置电压和漏电极150偏置电压也可完全与CMOS的工作电压相兼容。当然地，在其它的一些实施例中，光伏结构层170也可采用其它材料，且该材料为与COMS工艺兼容且可响应近红外通信波段的材料本实施例对此并不做任何限定。
同时，在本实施例中，栅极介质层160可为SiO2、SiNx、SiNO或其它与CMOS工艺相兼容的高k介质层(即高介电值介质层)，且栅极介质层160的厚度一般在20-100埃，当然地，在其它的一些实施例中，栅极介质层160的厚度也可以为其它值，本实施例对此并不错任何限定。
在本实施例中，衬底110可为体型或SOI型的n型衬底110或p型衬底110，且波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件100可为增强型或耗尽型场效应晶体管结构。
综上所述，本实用新型提供了一种波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件，该波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件包括衬底、源区、漏区、源电极、漏电极、栅极介质层、光伏结构层以及栅电极，源区与漏区分别嵌设于衬底的同一端的两侧，栅极介质层与衬底面连接，且栅极介质层的两端分别与源电极、漏电极连接，光伏结构层与栅极介质层的远离衬底的一侧面连接，栅电极与光伏结构层的远离栅极介质层的一侧面连接。由于本实用新型提供的波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件包括有光伏结构层，且光伏结构层位于栅极介质层上，栅电极位于光伏结构层之上，所以当栅电极外加偏置电压时，光伏结构层中的光生载流子(电子或空穴)漂移至栅极介质层附近，通过静电吸引在波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件的栅极介质层之下、源漏区之间产生与该光生载流子异性的电荷(空穴或电子)，从而可以实现对波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件的导电通道的调制。并且，在漏极偏置电压下，这一光生载流子对导电通道的调制可形成光响应电流，从而达到了具有较高的内增益以及结构简单的优点。同时，由于该光敏器件基于场效应晶体管结构，与微电子的晶体管结构相似，该波导型场效应晶体管结构的光敏器件可以实现更紧凑、集成度更高的光电子集成；再者，采用光波导层结构的光信号入射方式，不仅可以减小栅电极与光伏层的尺寸和厚度，提升器件的响应度和速率，还能更好的实现与其它器件的光(电)子集成。需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
Claims (7)
1.一种波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件，其特征在于，所述波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件包括衬底、源区、漏区、源电极、漏电极、栅极介质层、光波导层、光伏结构层以及栅电极，所述源区与所述漏区分别嵌设于所述衬底的同一端的两侧，所述栅极介质层与所述衬底面连接，且所述栅极介质层的两端分别与所述源电极、所述漏电极连接，所述光伏结构层与所述栅极介质层的远离所述衬底的一侧面连接，所述光波导层与所述光伏结构层的远离所述衬底的一侧面连接，所述栅电极与所述光波导层的远离所述衬底的一侧面连接；或与所述光伏结构层的远离所述衬底的一侧面连接。
2.如权利要求1所述的波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件，其特征在于，所述源区、所述漏区以及栅极介质层之间形成导电通道，所述栅电极安装于所述光波导层的远离所述导电通道的一端。
3.如权利要求2所述的波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件，其特征在于，所述光波导层包括矩形光波导层或脊型光波导层，所述栅电极安装于所述光波导层的端部或所述光伏结构层的端部。
4.如权利要求1所述的波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件，其特征在于，所述光伏结构层至少包括一种PN结构或PIN结构。
5.如权利要求1所述的波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件，其特征在于，所述光伏结构层包括Ge光伏结构层或GeSi光伏结构层。
6.如权利要求1所述的波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件，其特征在于，所述波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件还包括钝化层，所述钝化层铺设于所述衬底的表面，且所述钝化层位于所述源电极、所述漏电极的两侧。
7.如权利要求1所述的波导型光伏场效应晶体管结构的光敏器件，其特征在于，所述栅极介质层的厚度包括20-100埃。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 510651 No. 363, Changxin Road, Guangzhou, Guangdong, Tianhe District Patentee after: Institute of semiconductors, Guangdong Academy of Sciences Address before: 510000 363 Changxin Road, Tianhe District, Guangzhou, Guangdong. Patentee before: GUANGDONG INSTITUTE OF SEMICONDUCTOR INDUSTRIAL TECHNOLOGY |
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| AV01 | Patent right actively abandoned | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20190222 Effective date of abandoning: 20231114 |
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