TWI538175B - 以慢光增強吸收之鍺光偵測器 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種以慢光增強吸收之鍺光偵測器，尤指涉及一種吸收可以通過鍺條紋（Ge stripe）層操作在慢光模式（Slow-Light Mode）而大幅度提高吸收之鍺光偵測器。
鍺矽光偵測器由於其與CMOS製造過程之相容性及低成本之性質，最近已成為高速接收器之一受歡迎之選擇。然而，一低效率之吸收在波長大於1550奈米（nm）時發生，因為塊狀鍺之直接能隙〜0.8電子伏特，這限制了其使用在L波段（1564nm〜1625nm）之光通信之波長劃分多工（Wavelength-Division Multiplexing, WDM）之目的。雖然通過在矽上高溫生長鍺可導入拉伸應變（Tensile Strain）以增加長波長之吸收，但如此一高熱預算製程將在整合鍺偵測器與積體電路中增加困難度，例如在一單晶片上加入轉換阻抗放大器（Transimpedance Amplifier, TIA）。故，ㄧ般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種以曝光及蝕刻等半導體製程步驟提供一緩變漸縮結構與週期性結構以使鍺條紋層操作在慢光模式（Slow-Light Mode）而使其吸收率可以大幅度提高之鍺光偵測器。此相關參數調變鍺條紋層之緩變漸縮結構與週期性結構，可使鍺之吸收係數在1600 nm波長提高至 >1 dB/μm，大約能提高1至2個數量級之以慢光增強吸收之鍺光偵測器。
為達以上之目的，本發明係一種以慢光增強吸收之鍺光偵測器，係包括一矽絕緣（Silicon On Insulator, SOI）基板，係依序具有一矽基板、一氧化層及一矽島層，該矽島層具有一矽鍺交接面及一位於該矽鍺交接面兩側之平面部，且自部分該矽鍺交接面之下方延伸至部分該平面部之下方係包含有一第一摻雜區及一第二摻雜區；以及一鍺條紋（Ge stripe）層，係形成於該矽島層上，其 具有一上表面及相對應之 一第一側表面與 一第二側表面，該鍺條紋層於接近入光側之方向包含有一緩變漸縮（Gradual Taper）結構，且於遠離入光側之方向包含有一週期性（Periodic Pattern）結構。
於本發明上述實施例中，該鍺條紋層之第一側表面與該第二側表面之內部係包含有一第三摻雜區與一第四摻雜區，以及數個金屬電極，係分別配置於該第一摻雜區及該第二摻雜區上；其中該第一摻雜區與該第三摻雜區同極性，該第二摻雜區與該第四摻雜區同極性。
於本發明上述實施例中，該第三摻雜區與該第四摻雜區係以側壁摻雜製程形成於該鍺條紋層之第一側表面與第二側表面且具有相反摻雜極性。
於本發明上述實施例中，該第一摻雜區與該第二摻雜區係為相反摻雜極性。
於本發明上述實施例中，該鍺條紋層之上表面係包含有數個孔洞，於該緩變漸縮結構中之孔洞係往入光側之方向呈現逐漸縮小狀，於該週期性結構中之孔洞呈現大小均等狀，且最小之孔洞與最大之孔洞之尺寸係相差5～95%。
於本發明上述實施例中，該上表面之兩側長邊係包含有數個凹槽，於該緩變漸縮結構中之凹槽係往入光側之方向呈現逐漸縮小狀，於該週期性結構中之凹槽呈現大小均等狀，且最小之凹槽與最大之凹槽之尺寸係相差5～95%。
於本發明上述實施例中，該鍺條紋層之厚度係小於2 μm。
於本發明上述實施例中，該矽島層之厚度係大於100 nm。
於本發明上述實施例中，該第一、二摻雜區之厚度係佔該矽島層總厚度之10～90%。
於本發明上述實施例中，該鍺條紋層之寬度係大於100 nm。
於本發明上述實施例中，該鍺條紋層與該矽島層係可以直接鍵結（Direct Bonding）或磊晶（Epitaxy）之方式連接。
於本發明上述實施例中，該鍺條紋層係可與一矽絕緣波導（SOI Waveguide）直接耦合（Butt Coupled），該鍺條紋層與該SOI波導之間之間距係介於10nm～100nm，可填入一氧化層。
１‧‧‧矽絕緣基板
１１‧‧‧矽基板
１２‧‧‧氧化層
１３‧‧‧矽島層
１３１‧‧‧矽鍺層交接面
１３２‧‧‧平面部
１３３‧‧‧第一摻雜區
１３４‧‧‧第二摻雜區
２‧‧‧鍺條紋層
２１‧‧‧上表面
２１１‧‧‧緩變漸縮結構
２１２‧‧‧週期性結構
２１３、２１３a～２１３f‧‧‧孔洞
２１４、２１４a～２１４f‧‧‧凹槽
２２‧‧‧第一側表面
２２１‧‧‧第三摻雜區
２３‧‧‧第二側表面
２３１‧‧‧第四摻雜區
３‧‧‧金屬電極
４‧‧‧矽絕緣波導
４１‧‧‧氧化層
１１‧‧‧矽基板
１２‧‧‧氧化層
１３‧‧‧矽島層
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１３２‧‧‧平面部
１３３‧‧‧第一摻雜區
１３４‧‧‧第二摻雜區
２‧‧‧鍺條紋層
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２１３、２１３a～２１３f‧‧‧孔洞
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２２‧‧‧第一側表面
２２１‧‧‧第三摻雜區
２３‧‧‧第二側表面
２３１‧‧‧第四摻雜區
３‧‧‧金屬電極
４‧‧‧矽絕緣波導
４１‧‧‧氧化層
第１圖，係本發明之立體示意圖。
第２Ａ圖，係本發明之鍺條紋層第一實施例頂視示意圖。
第２Ｂ圖，係本發明之鍺條紋層第二實施例頂視示意圖。
第３圖，係本發明之鍺光偵測器與矽絕緣波導接合示意圖。
第２Ａ圖，係本發明之鍺條紋層第一實施例頂視示意圖。
第２Ｂ圖，係本發明之鍺條紋層第二實施例頂視示意圖。
第３圖，係本發明之鍺光偵測器與矽絕緣波導接合示意圖。
請參閱『第１圖～第３圖』所示，係分別為本發明之立體示意圖、本發明之鍺條紋層第一實施例頂視示意圖、本發明之鍺條紋層第二實施例頂視示意圖、及本發明之鍺光偵測器與矽絕緣波導接合示意圖。如圖所示：本發明係一種以慢光增強吸收之鍺光偵測器，係至少包括一矽絕緣（Silicon On Insulator, SOI）基板１、一鍺條紋（Ge stripe）層２、以及數個金屬電極３所構成。
上述所提之矽絕緣基板１係依序具有一矽基板１１、一氧化層１２及一矽島層１３，該矽島層１３具有一矽鍺層交接面１３１及一位於該矽鍺層交接面１３１兩側之平面部１３２，且自部分該矽鍺層交接面１３１之下方延伸至部分該平面部１３２之下方係包含有一第一摻雜區１３３及一第二摻雜區１３４，且該第一摻雜區１３３與該第二摻雜區１３４係為相反摻雜極性，當該第一摻雜區１３３為n+
型摻雜區時，該第二摻雜區１３４為p+
型摻雜區；當該第一摻雜區１３３為p+
型摻雜區時，該第二摻雜區１３４為n+
型摻雜區。
該鍺條紋層２係形成於該矽絕緣基板１中矽島層１３之矽鍺層交接面１３１上，其 具有一上表面２１ 及相對應之 一第一側表面２２與 一第二側表面２３，該上表面２１於接近入光側之方向包含有一緩變漸縮（Gradual Taper）結構２１１，且於遠離入光側之方向包含有一週期性（Periodic Pattern）結構２１２，而該 第一側表面２２與該 第二側表面２３之內部係包含有一第三摻雜區２２１與一第四摻雜區２３１，且該第一摻雜區１３３與該第三摻雜區２２１同極性，該第二摻雜區１３４與該第四摻雜區２３１同極性。其中該第三摻雜區２２１與該第四摻雜區２３１係以側壁摻雜（Sidewall Doping）製程形成於該鍺條紋層２之第一側表面 ２２與第二側表面２３且具有相反摻雜極性，當該第三摻雜區２２１為n+
型摻雜區時，該第四摻雜區２３１為p+
型摻雜區；當該第三摻雜區２２１為p+
型摻雜區時，該第四摻雜區２３１為n+
型摻雜區。
該些金屬電極３係分別配置於該矽島層１３之平面部１３２，且位於該第一摻雜區１３３及該第二摻雜區１３４上。
上述鍺條紋層２之寬度w係大於100 nm；其厚度d1
係小於2 μm；以及該矽島層１３之厚度d2
係大於100 nm，且該第一、二摻雜區１３３、１３４之厚度係佔該矽島層１３總厚度之10～90%。上述鍺條紋層２與該矽島層１３係可以直接鍵結（Direct Bonding）或磊晶（Epitaxy）之方式連接。
上述上表面２１於一具體實施例中，如第１、２Ａ圖所示，該上表面２１係包含有數個孔洞２１３，於該緩變漸縮結構２１１中之孔洞２１３a～２１３e係往入光側之方向呈現逐漸縮小狀，於該週期性結構２１２中之孔洞２１３f呈現大小均等狀，且最小之孔洞２１３a與最大之孔洞２１３f之尺寸係相差5～95%。此舉例之緩變漸縮結構為a至e共五個，但實際實施例之緩變漸縮結構數量可大於或小於此範例。
上述上表面２１於另一具體實施例中，如第２Ｂ圖所示，該上表面２１之兩側長邊係包含有數個凹槽２１４，於該緩變漸縮結構２１１中之凹槽２１４a～２１４e係往入光側之方向呈現逐漸縮小狀，於該週期性結構２１２中之凹槽２１４f呈現大小均等狀，且最小之凹槽２１４a與最大之凹槽２１４f之尺寸係相差5～95%。於本實施例中，該上表面２１兩側長邊之凹槽２１４係彼此平行排列；另外，本發明之上表面兩側長邊之凹槽亦可彼此交錯排列。於本實施例中，緩變漸縮結構為a至e共五個，但實際實施例之緩變漸縮結構數量可大於或小於此範例。
如是，藉由上述揭露之結構構成一全新之以慢光增強吸收之鍺光偵測器。
本發明以慢光增強吸收之鍺光偵測器，係可以鍺條紋層２與一矽絕緣波導（SOI Waveguide）４直接耦合（Butt Coupled）。如第３圖所示，該鍺條紋層２與該SOI波導４之間之間距係介於10nm～100nm，可填入一氧化層４１。當運用時，本發明所提以慢光增強吸收之鍺光偵測器，當鍺條紋層操作在慢光模式（Slow-Light Mode）時，鍺之吸收係數在1600 nm波長可以被提高1至2個數量級，顯示其吸收可以通過鍺條紋層操作在慢光模式而大幅度提高。
藉此，本發明係通過鍺條紋層操作在慢光模式，以調變其緩變漸縮結構與週期性結構控制群折射（Group Velocity），並利用矽島層厚度d2
、以及鍺條紋層厚度d1
與寬度w等參數，使鍺之吸收係數可以在1600 nm波長提高至 >1 dB/μm，與傳統塊狀鍺（Bulk Ge）相比係大約能提高1至2個數量級。
綜上所述，本發明係一種以慢光增強吸收之鍺光偵測器，可有效改善習用之種種缺點，當鍺條紋層操作在慢光模式（Slow-Light Mode）時，鍺之吸收係數在1600 nm波長可以被提高1至2個數量級，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧矽絕緣基板
11‧‧‧矽基板
12‧‧‧氧化層
13‧‧‧矽島層
131‧‧‧矽鍺層交接面
132‧‧‧平面部
133‧‧‧第一摻雜區
134‧‧‧第二摻雜區
2‧‧‧鍺條紋層
21‧‧‧上表面
211‧‧‧緩變漸縮結構
212‧‧‧週期性結構
213‧‧‧孔洞
22‧‧‧第一側表面
221‧‧‧第三摻雜區
23‧‧‧第二側表面
231‧‧‧第四摻雜區
3‧‧‧金屬電極
Claims (9)
- 一種以慢光增強吸收之鍺光偵測器，係包括：一矽絕緣(Silicon On Insulator,SOI)基板，係依序具有一矽基板、一氧化層及一矽島層，該矽島層具有一矽鍺層交接面及一位於該矽鍺層交接面兩側之平面部，且自部分該矽鍺層交接面之下方延伸至部分該平面部之下方係包含有一第一摻雜區及一第二摻雜區；以及一鍺條紋(Ge stripe)層，係形成於該矽島層上，其具有一上表面及相對應之一第一側表面與一第二側表面，該鍺條紋層於接近入光側之方向包含有一緩變漸縮(Gradual Taper)結構，且於遠離入光側之方向包含有一週期性(Periodic Pattern)結構；其中，該鍺條紋層之該第一側表面與該第二側表面之內部係包含有一第三摻雜區與一第四摻雜區，且該第一摻雜區與該第三摻雜區同極性，該第二摻雜區與該第四摻雜區同極性。
- 依申請專利範圍第1項所述之以慢光增強吸收之鍺光偵測器，其中，該第三摻雜區與該第四摻雜區係以側壁摻雜製程形成於該鍺條紋層之第一側表面與第二側表面且具有相反摻雜極性。
- 依申請專利範圍第1項所述之以慢光增強吸收之鍺光偵測器，其中，該第一摻雜區與該第二摻雜區係為相反摻雜極性。
- 依申請專利範圍第1項所述之以慢光增強吸收之鍺光偵測器，其中，該鍺條紋層之上表面係包含有數個孔洞，於該緩變漸縮結構中之孔洞係往入光側之方向呈現逐漸縮小狀，於該週期性結構中之孔洞呈現大小均等狀，且最小之孔洞與最大之孔洞之尺寸係相差5~95%。
- 依申請專利範圍第1項所述之以慢光增強吸收之鍺光偵測器，其中，該上表面之兩側長邊係包含有數個凹槽，於該緩變漸縮結構中之凹槽係往入光側之方向呈現逐漸縮小狀，於該週期性結構中之凹槽呈現大小均等狀，且最小之凹槽與最大之凹槽之尺寸係相差5~95%。
- 依申請專利範圍第1項所述之以慢光增強吸收之鍺光偵測器，其中，該矽島層之厚度係大於100nm。
- 依申請專利範圍第1項所述之以慢光增強吸收之鍺光偵測器，其中，該第一、二摻雜區之厚度係佔該矽島層總厚度之10~90%。
- 依申請專利範圍第1項所述之以慢光增強吸收之鍺光偵測器，其中，該鍺條紋層與該矽島層係可以直接鍵結(DirectBonding)或磊晶(Epitaxy)之方式連接。
- 依申請專利範圍第1項所述之以慢光增強吸收之鍺光偵測器，其中，該鍺條紋層係可與一矽絕緣波導(SOI Waveguide)直接耦合(Butt Coupled)，該鍺條紋層與該SOI波導之間之間距係介於10nm~100nm。
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2014
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