一种锗硅光电探测器的制作方法

[0001]
本发明涉及光电探测技术领域，具体涉及一种锗硅光电探测器。


背景技术：

[0002]
硅光芯片的制备工艺与标准半导体工艺兼容，芯片具有成本低、集成度高的优点，已经被业界广泛采用。在光通信领域，硅光芯片的接收端通常使用波导型锗硅光电探测器将光信号转化为电信号。
[0003]
但是，目前的波导型锗硅光电探测器在高功率信号输入的情况下，锗吸收层会容易出现饱和吸收状态，导致信号产生畸变，造成信息解码出错。


技术实现要素：

[0004]
有鉴于此，本发明实施例为解决背景技术中存在的至少一个问题而提供一种锗硅光电探测器。
[0005]
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0006]
本发明实施例一方面提供了一种锗硅光电探测器，包括：硅平板波导层，以及位于所述硅平板波导层上的锗吸收层和脊波导层；其中，
[0007]
所述锗吸收层包括间隔设置的第一锗吸收区和第二锗吸收区；
[0008]
所述脊波导层包括位于所述第一锗吸收区和所述第二锗吸收区之间的第一波导区；所述脊波导层用于接收光信号，并通过所述第一波导区将接收到的所述光信号传递至所述第一锗吸收区和所述第二锗吸收区；所述第一波导区的宽度沿光信号的传递方向变窄。
[0009]
上述方案中，所述脊波导层还包括第二波导区；所述第二波导区位于所述第一锗吸收区和所述第二锗吸收区之间且与所述第一波导区相连接，所述第一波导区和所述第二波导区在沿光信号的传递方向上依次布置；
[0010]
所述第二波导区的宽度不变；或者，所述第二波导区的宽度沿所述光信号的传递方向变窄，所述第二波导区的宽度的变化率小于等于所述第一波导区的宽度的变化率。
[0011]
上述方案中，沿光信号的传递方向上所述第一波导区和所述第二波导区的总长度大于或等于所述锗吸收层的长度。
[0012]
上述方案中，所述脊波导层还包括与所述第一波导区相连接的第三波导区；所述脊波导层通过所述第三波导区接收光信号，并将接收到的所述光信号传递至所述第一波导区。
[0013]
上述方案中，所述脊波导层的材料为硅。
[0014]
上述方案中，所述锗吸收层与所述脊波导层之间的间距小于5μm。
[0015]
上述方案中，所述第一锗吸收区与所述第二锗吸收区相对于所述脊波导层对称分布。
[0016]
上述方案中，所述锗硅光电探测器还包括：第一电极和第二电极；
[0017]
所述第一电极与所述锗吸收层电性连接；所述第二电极与所述硅平板波导层电性连接。
[0018]
上述方案中，在所述硅平板波导层内形成有邻接设置的第一掺杂区和第二掺杂区；所述第一掺杂区和所述第二掺杂区的掺杂类型相同；所述第二掺杂区的掺杂浓度大于所述第一掺杂区的掺杂浓度；
[0019]
所述脊波导层和所述锗吸收层位于所述第一掺杂区的上方；所述第二电极位于所述第二掺杂区的上方。
[0020]
本发明实施例提供了一种锗硅光电探测器，其特征在于，包括：硅平板波导层，以及位于所述硅平板波导层上的锗吸收层和脊波导层；其中，所述锗吸收层包括间隔设置的第一锗吸收区和第二锗吸收区；所述脊波导层包括位于所述第一锗吸收区和所述第二锗吸收区之间的第一波导区；所述脊波导层用于接收光信号，并通过所述第一波导区将接收到的所述光信号传递至所述第一锗吸收区和所述第二锗吸收区；所述第一波导区的宽度沿光信号的传递方向变窄。本发明实施例中，通过在硅平板波导层上设置脊波导层，并且脊波导层的第一波导区的宽度沿光信号的传递方向变窄，如此，使得入射的光信号在宽度变窄的第一波导区中，光模斑慢慢变大而被第一波导区两侧的第一锗吸收区和第二锗吸收区逐渐吸收，这就相当于将锗吸收层吸收入射的光信号的过程做了分布式吸收，使得光信号的吸收分布更加均匀，提高了锗吸收层吸收光信号的效率，即使在高功率信号输入的情况下，锗吸收层也能够吸收很强的光信号，从而避免了锗吸收层一开始就吸收很强的光信号而达到饱和吸收状态，产生信号畸变，造成信息解码出错。
附图说明
[0021]
图1为相关技术中的锗硅光电探测器的俯视图；
[0022]
图2为相关技术中的锗硅光电探测器的侧面剖视图；
[0023]
图3为本发明实施例提供的锗硅光电探测器的俯视图；
[0024]
图4a为本发明实施例提供的锗硅光电探测器沿图3中虚线a-a方向的侧面剖视图；
[0025]
图4b为本发明实施例提供的锗硅光电探测器沿图3中虚线b-b方向的侧面剖视图；
[0026]
图5a-5b为脊波导层的第二波导区的其他实施例的结构俯视图；
[0027]
图6a-6d为本发明实施例提供的锗硅光电探测器在制备过程中的器件结构剖面示意图。
[0028]
附图标记说明：
[0029]
11-衬底；12-埋氧层；13-顶硅层；120、20-硅平板波导层；21-第一掺杂区；22-第二掺杂区(第二电极接触区)；
[0030]
130、30-锗吸收层；31-第一锗吸收区；32-第二锗吸收区；33-第一电极接触区；
[0031]
40-脊波导层；41-第一波导区；42-第二波导区；43-第三波导区；143-入射硅波导区；
[0032]
51-第一电极；52-第二电极；
[0033]
60-填充层。
具体实施方式
[0034]
下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0035]
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。
[0036]
在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
[0037]
应当明白，当元件或层被称为“在
……
上”、“与
……
相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在
……
上”、“与
……
直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本发明必然存在第一元件、部件、区、层或部分。
[0038]
空间关系术语例如“在
……
下”、“在
……
下面”、“下面的”、“在
……
之下”、“在
……
之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在
……
下面”和“在
……
下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
[0039]
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
[0040]
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
[0041]
图1为相关技术中的锗硅光电探测器的俯视图，图2为相关技术中的锗硅光电探测器的侧面剖视图。需要说明的是，图2为沿图1中虚线方向的侧面剖视图，如图1和图2所示，在相关技术中，在所述硅平板波导层120上形成有锗吸收层130；所述硅平板波导层120包括
位于光信号入射端的入射硅波导区143所述硅平板波导层120通过入射硅波导区143接收光信号，并将接收的光信号传递至位于所述锗吸收层130下方的硅平板波导层；所述锗吸收层130吸收来自硅平板波导层的光信号，并将吸收的光信号的光子转化为光生载流子对，从而将光信号转化为电信号。但是，在锗硅光电探测器存在高功率信号输入的情况下，随着入射的光信号的功率的增加，锗吸收层会呈现饱和吸收状态，这种状态会最先出现在光信号入射进锗吸收层的一端，当锗吸收层出现饱和吸收状态时，会导致信号产生畸变，造成信息解码出错。
[0042]
基于此，提出了本发明实施例的以下技术方案。
[0043]
本发明实施例提供了一种锗硅光电探测器，包括：硅平板波导层20，以及位于所述硅平板波导层20上的锗吸收层30和脊波导层40；其中，所述锗吸收层30包括间隔设置的第一锗吸收区31和第二锗吸收区32；所述脊波导层40包括位于所述第一锗吸收区31和所述第二锗吸收区32之间的第一波导区41；所述脊波导层40用于接收光信号，并通过所述第一波导区41将接收到的所述光信号传递至所述第一锗吸收区31和所述第二锗吸收区32；所述第一波导区41的宽度沿光信号的传递方向变窄。
[0044]
下面，请具体参见图3和图4a，需要说明的是，图4a为沿图3中虚线a-a方向的侧面剖视图。
[0045]
如图所示，所述锗硅光电探测器还包括衬底11。这里，所述衬底可以为单质半导体材料衬底(例如为硅(si)衬底、锗(ge)衬底等)、复合半导体材料衬底(例如为锗硅(sige)衬底等)等。
[0046]
所述锗硅光电探测器还可以包括位于所述衬底11上的埋氧层12，所述埋氧层12例如为二氧化硅层；所述硅平板波导层20位于所述埋氧层12上。
[0047]
在一实施例中，所述硅平板波导层20内形成有邻接布置的第一掺杂区21和第二掺杂区22；所述第一掺杂区21和所述第二掺杂区22的掺杂类型相同；所述第二掺杂区22的掺杂浓度大于所述第一掺杂区21的掺杂浓度；其中，所述第二掺杂区22为所述锗硅光电探测器的第二电极接触区。
[0048]
锗吸收层30，位于所述硅平板波导层20上，所述锗吸收层30包括间隔设置的第一锗吸收区31和第二锗吸收区32。
[0049]
在一实施例中，所述锗硅光电探测器还包括，位于所述锗吸收层30内的第一电极接触区33；所述第一电极接触区33通过在所述锗吸收层30内进行掺杂形成；换言之，所述第一电极接触区的边缘位于所述锗吸收层的内部。
[0050]
脊波导层40，所述脊波导层40位于所述硅平板波导层20上。
[0051]
具体地，所述脊波导层40和所述锗吸收层30位于所述硅平板波导层20的所述第一掺杂区21的上方。
[0052]
所述脊波导层40包括位于所述第一锗吸收区31和所述第二锗吸收区32之间的第一波导区41；所述脊波导层40用于接收光信号，并通过所述第一波导区41将接收到的所述光信号传递至所述第一锗吸收区31和所述第二锗吸收区32；所述第一波导区41的宽度沿光信号的传递方向变窄。
[0053]
所述脊波导层40还包括第二波导区42；所述第二波导区42位于所述第一锗吸收区31和所述第二锗吸收区32之间且与所述第一波导区41相连接，所述第一波导区41和所述第
二波导区42在沿光信号的传递方向上依次布置；所述第二波导区42的宽度不变；或者，所述第二波导区42的宽度沿所述光信号的传递方向变窄，所述第二波导区42的宽度的变化率小于等于所述第一波导区41的宽度的变化率。
[0054]
在所述脊波导40还包括所述第二波导区42的实施例中，所述脊波导40通过所述第一波导区41和所述第二波导区42将接收到的光信号传递至所述第一锗吸收区31和所述第二锗吸收区32。
[0055]
参考图4b，图4b为沿图3中虚线b-b方向的侧面剖视图。可以理解的是，所述第二波导区42的宽度小于或等于所述第一波导区41的最小宽度。
[0056]
作为第一种实施方式，请参考图3。所述第二波导区42的宽度不变。
[0057]
作为第二种实施方式，请参考图5a。所述第二波导区42的宽度沿所述光信号的传递方向变窄，且所述第二波导区42的宽度的变化率等于所述第一波导区41的宽度的变化率。
[0058]
作为第三种实施方式，请参考图5b。所述第二波导区42的宽度沿所述光信号的传递方向变窄，且所述第二波导区42的宽度的变化率小于所述第一波导区41的宽度的变化率。
[0059]
沿光信号的传递方向上所述第一波导区41和所述第二波导区42的总长度大于或等于所述锗吸收层30的长度；从而保证了锗吸收层的有效吸收长度，提高器件性能。
[0060]
所述脊波导层40还包括与所述第一波导区41相连接的第三波导区43；所述脊波导层40通过所述第三波导43区接收光信号，并将接收到的所述光信号传递至所述第一波导区41。
[0061]
在具体应用中，所述第三波导区43可以具有均匀不变的宽度，所述第三波导区43的宽度具体可以与所述第一波导区41的最大宽度相等。
[0062]
在一实施例中，所述脊波导层40的材料为硅。
[0063]
所述脊波导40垂直于所述衬底平面方向的高度沿光信号的传递方向保持不变。
[0064]
所述锗吸收层30的下表面和所述脊波导层40的下表面分别与所述硅平板波导层20的上表面直接接触。
[0065]
所述锗吸收层30与所述脊波导层40之间的间距可以是常数，即沿光信号的传递方向所述锗吸收层30与所述脊波导层40之间的间距固定不变；此外，在其他实施例中，所述锗吸收层30与所述脊波导层40之间的间距也可以是变化的。
[0066]
所述锗吸收层30与所述脊波导层40之间的间距小于5μm；如此，可以保证耦合进入锗吸收层的光子数目，进而保证了耦合效率。
[0067]
所述第一锗吸收区31与所述第二锗吸收区32相对于所述脊波导层40对称分布。
[0068]
所述锗硅光电探测器还包括：第一电极51和第二电极52；所述第一电极51与所述锗吸收层30电性连接；所述第二电极52与所述硅平板波导层20电性连接。
[0069]
这里，所述第一电极51具体位于所述锗吸收层30内的第一电极接触区33上；所述第二电极52具体位于所述硅平板波导层20内的第二电极接触区22上，也即位于所述第二掺杂区22上。
[0070]
所述第一电极和所述第二电极的数量可以为多个。
[0071]
如图3所述，所述第一电极和所述第二电极在平行于衬底平面方向上的投影为正
方形。可以理解的是，第一电极和第二电极的形状仅作为本发明实施例中的一种下位的、可行的具体实施方式，并不构成对本申请的限制，所述第一电极和所述第二电极在平行于衬底平面方向上的投影可以为任意形状。
[0072]
在一实施例中，通过在所述第一电极51和所述第二电极52之间施加外加电压以形成外加电场，抽取所述锗吸收层30内产生的载流子。
[0073]
在一实施例中，在所述衬底上，具体在所述硅平板波导层20、所述锗吸收层30和所述脊波导层40上形成有填充层60；所述填充层60具有较低的折射率，从而可以对传输的光信号进行光约束。
[0074]
所述填充层60的材料可以包括二氧化硅。
[0075]
在本发明实施例中，入射光从第三波导区43进入第一波导区41和第二波导区42，然后再进入到锗吸收层30内，并在锗吸收层30内完成光电转换，生成电子空穴，产生的电子空穴在电场作用下分别进入第一掺杂区21、第二掺杂区22和第一电极接触区33；其中进入第二掺杂区22的电子或空穴，被第二掺杂区22上的第二电极52收集；而进入第一电极接触区33的电子或空穴，被第一电极接触区33上的第一电极51收集。
[0076]
本发明实施例还提供了一种锗硅光电探测器的制备方法。
[0077]
下面结合具体实施例对本发明的锗硅光电探测器的制备方法作进一步详细的说明。
[0078]
图6a-6d为本发明实施例提供的锗硅光电探测器在制备过程中的器件结构剖面示意图。
[0079]
首先，参考图6a。先提供衬底，所述衬底可以为单质半导体材料衬底(例如为硅(si)衬底、锗(ge)衬底等)、复合半导体材料衬底(例如为锗硅(si ge)衬底等)等。
[0080]
接着参考图6a，所述方法还包括：在所述衬底11上形成埋氧层12和顶硅层13；所述埋氧层12位于所述衬底11上；所述埋氧层12例如为二氧化硅层；所述顶硅层13位于所述埋氧层12上。
[0081]
接着，参考图6b，对所述顶硅层13进行刻蚀，形成硅平板波导层20和位于所述硅平板波导层20上的脊波导层40。
[0082]
在一实施例中，通过光刻和离子注入掺杂等工艺，在所述硅平板波导层20内形成邻接布置的第一掺杂区21和第二掺杂区22；所述第一掺杂区21和所述第二掺杂区22的掺杂类型相同；所述第二掺杂区22的掺杂浓度大于所述第一掺杂区21的掺杂浓度；其中，所述第二掺杂区22为所述锗硅光电探测器的第二电极接触区。
[0083]
所述脊波导层40包括位于所述第一锗吸收区31和所述第二锗吸收区32之间的第一波导区41；所述脊波导层40用于接收光信号，并通过所述第一波导区41将接收到的所述光信号传递至所述第一锗吸收区31和所述第二锗吸收区32；所述第一波导区41的宽度沿光信号的传递方向变窄。
[0084]
所述脊波导层40还包括第二波导区42；所述第二波导区42位于所述第一锗吸收区31和所述第二锗吸收区32之间且与所述第一波导区41相连接，所述第一波导区41和所述第二波导区42在沿光信号的传递方向上依次布置；所述第二波导区42的宽度不变；或者，所述第二波导区42的宽度沿所述光信号的传递方向变窄，所述第二波导区42的宽度的变化率小于等于所述第一波导区41的宽度的变化率。
[0085]
在所述脊波导40还包括所述第二波导区42的实施例中，所述脊波导40通过所述第一波导区41和所述第二波导区42将接收到的光信号传递至所述第一锗吸收区31和所述第二锗吸收区32。
[0086]
沿光信号的传递方向上所述第一波导区41和所述第二波导区42的总长度大于或等于所述锗吸收层30的长度。
[0087]
所述脊波导层40还包括与所述第一波导区41相连接的第三波导区43；所述脊波导层40通过所述第三波导区43接收光信号，并将接收到的所述光信号传递至所述第一波导区41；所述第三波导区43的宽度与所述第一波导区41的最大宽度相等。
[0088]
所述脊波导层40的材料为硅。
[0089]
接下来，参考图6c，在所述硅平板波导层20上形成锗吸收层30，具体地，在所述硅平板波导层20的所述第一掺杂区21上形成锗吸收层30。
[0090]
在一实施例中，使用一种或多种薄膜沉积工艺沉积锗吸收层30，所述工艺包括但不限于cvd、pvd、ald或其任何组合。
[0091]
所述锗吸收层30包括间隔设置的第一锗吸收区31和第二锗吸收区32。
[0092]
所述锗吸收层30的下表面和所述脊波导层40的下表面分别与所述硅平板波导层20的上表面直接接触。
[0093]
所述锗吸收层30与所述脊波导层40之间的间距小于5μm。
[0094]
所述第一锗吸收区31与所述第二锗吸收区32相对于所述脊波导层40对称分布。
[0095]
继续参考图6c，所述方法还包括：对所述锗吸收层30的上部进行离子掺杂，形成位于锗吸收层30上的第一电极接触区33。
[0096]
接下来，参考图6d，所述方法还包括，在所述衬底上，具体在所述硅平板波导层20、所述锗吸收层30和所述脊波导层40上形成填充层60。
[0097]
所述填充层60的材料可以包括二氧化硅。
[0098]
在实际工艺中，可以通过沉积一定厚度的二氧化硅材料，并进行平坦化处理，以形成所述填充层60。
[0099]
继续参考图6d，所述方法还包括，在所述锗吸收层30内的第一电极接触区33上和所述硅平板波导层20内的第二电极接触区22上分别形成垂直所述衬底平面方向而设置的第一电极51和第二电极52。
[0100]
具体可以利用光刻与电感等离子刻蚀开窗口、磁控溅射沉积金属材料等工艺制作上述两个电极。
[0101]
具体地，可以利用光刻与刻蚀(如电感等离子刻蚀)等工艺在填充层60内形成暴露所述第一电极接触区33和所述第二电极接触区22的窗口；在所述窗口内填充电极材料(如磁控溅射沉积金属材料)，以形成所述第一电极51和所述第二电极52。
[0102]
如此，基本完成了所述锗硅光电探测器的制备。后续可能还会涉及到一些互连工艺，这里不再展开论述。
[0103]
需要说明的是，本发明实施例提供的锗硅光电探测器与锗硅光电探测器的制备方法实施例属于同一构思；各实施例所记载的技术方案中各技术特征之间，在不冲突的情况下，可以任意组合，这里不再赘述。
[0104]
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在
本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。