基于光子晶体的波导型锗光电探测器及制备方法

摘要

本发明提供一种基于光子晶体的波导型锗光电探测器及制备方法，所述锗光电探测器包括：硅波导结构；锗光电探测器，连接于所述硅波导结构，所述锗光电探测器的锗吸收区及所述锗吸收区外围的周边硅材料区中具有周期性排列的介质材料，以形成具有慢光效应的光子晶体结构。本发明与传统波导型锗光电探测器相比，可以实现更高效的光吸收效率，通过减小器件尺寸，实现低暗电流、低电容和高响应度光电探测器制备。

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造领域及光通讯领域，特别是涉及一种基于光子晶体的波导型锗光电探测器及制备方法。

背景技术

光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于光通信、射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。

锗(Ge)光电探测器，因其容易实现与硅(Si)的集成，在光通信、光互联和光传感等领域有着广泛的应用。然而，锗(Ge)材料与硅(Si)材料之间存在着大的晶格失配，外延生长高质量锗(Ge)材料极具挑战。最近的研究表面，在窄的沟道中外延生长锗(Ge)材料，线性位错会在沟道侧壁湮灭，从而保证高质量锗(Ge)材料外延生长。受限于锗(Ge)材料在C、L通信波段相对较低的吸收系数，为了实现高的响应度，探测器必须足够长，这使得探测器的高速特性和暗电流难以进一步优化。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于光子晶体的波导型锗光电探测器及制备方法，用于解决现有技术中锗光电探测器的电容和暗电流难以进一步优化问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于光子晶体的波导型锗光电探测器，所述锗光电探测器包括：硅波导结构；锗光电探测器，连接于所述硅波导结构，所述锗光电探测器的锗吸收区及所述锗吸收区外围的周边硅材料区中具有周期性排列的介质材料，以形成具有慢光效应的光子晶体结构。

可选地，所述硅波导结构与所述光子晶体结构的周边硅材料区连接，且所述锗吸收区正对于所述硅波导结构。

可选地，所述周边硅材料区的光通过直接耦合或消逝波耦合方式进入所述锗吸收区。

可选地，所述锗光电探测器包括：锗吸收区，所述锗吸收区外围具有周边硅材料区，所述锗吸收区具有相对的第一端及第二端，以及相对的第一侧及第二侧，所述锗吸收区的第一端与所述硅波导结构相对设置；第一接触层及第二接触层，分别形成于所述锗吸收区的第一侧及第二侧的所述周边硅材料区中；第一电极及第二电极，分别形成于所述第一接触层及第二接触层上。

可选地，所述锗吸收区的材料包括SiGe、Ge、GeSn及GePb中的一种。

可选地，所述介质材料呈圆柱形垂直贯穿所述锗吸收区及所述周边硅材料区。

可选地，所述介质材料与所述锗吸收区及所述周边硅材料区形成具有周期性结构的谐振腔。

可选地，所述介质材料包括二氧化硅。

本发明还提供一种基于光子晶体的波导型锗光电探测器的制备方法，所述制备方法包括步骤：步骤1)，提供一SOI衬底，在所述SOI衬底的顶硅层上刻蚀出硅波导结构；步骤2)，在所述SOI衬底的顶硅层以刻蚀出锗基材料选择性外延区域，所述锗基材料选择性外延区域底部保留部分厚度的顶硅层底层；步骤3)，在所述锗基材料选择性外延区域选择性外延生长锗吸收区，采用离子注入及退火方法在所述锗吸收区外围的周边硅材料区中形成第一接触层及第二接触层；步骤4)，通过光刻及刻蚀工艺在所述锗吸收区及周边硅材料区形成周期性排列的凹槽，并在所述凹槽中填充介质材料，以形成具有慢光效应的光子晶体结构；步骤5)，通过光刻及刻蚀方法在所述第一接触层及所述第二接触层中定义第一电极区域及第二电极区域，并形成第一电极及第二电极。

可选地，所述锗吸收区的高度大于所述锗基材料选择性外延区域的深度。

如上所述，本发明的基于光子晶体的波导型锗光电探测器及制备方法，具有以下有益效果：

本发明在波导型锗光电探测器中引入光子晶体结构，由于周期性结构构成的谐振腔具有慢光的效应，可以提高探测器吸收效率，减小探测器尺寸，更容易实现低暗电流、低电容和高响应度光电探测器制备。同时，周期性锗/介质层(如二氧化硅等)结构可以有效降低锗材料的应力，有利于提高锗材料质量。

本发明与传统波导型锗光电探测器相比，可以实现更高效的光吸收效率，通过减小器件尺寸，实现低暗电流、低电容和高响应度光电探测器制备。

附图说明

如图1～图3显示为本发明实施例的基于光子晶体的波导型锗光电探测器的结构示意图，其中，图2显示为图1在A-A’处的截面结构示意图，图3显示为图1在B-B’处的截面结构示意图。

图4显示为本发明实施例的基于光子晶体的波导型锗光电探测器的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。

元件标号说明

10 硅波导结构

20 锗光电探测器

201 介质材料

202 锗吸收区

203 周边硅材料区

204 第一接触层

205 第二接触层

206 第一电极

207 第二电极

210 底硅层

211 绝缘层

212 顶硅层

30 反射结构

S11～S15 步骤1)～步骤5)

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1～图3所示，其中，图2显示为图1在A-A’处的截面结构示意图，图3显示为图1在B-B’处的截面结构示意图。本实施例提供一种基于光子晶体的波导型锗光电探测器，所述波导型锗光电探测器包括硅波导结构10及锗光电探测器20。

所述硅波导结构10及所述锗光电探测器20基于SOI衬底制备，所述SOI衬底的顶硅层212被部分去除以形成锗基材料选择性外延区域，所述锗基材料选择性外延区域底部保留部分厚度的顶硅层底层，所述锗基材料选择性外延区域用于锗吸收区202的外延制备。

所述锗光电探测器20连接于所述硅波导结构10，所述锗光电探测器20的锗吸收区202及所述锗吸收区202外围的周边硅材料区203中具有周期性排列的介质材料201，以形成具有慢光效应的光子晶体结构。所述锗光电探测器20包括：锗吸收区202、第一接触层204及第二接触层205、及第一电极206及第二电极207。

如图2及图3所示，所述锗吸收区202形成于所述锗基材料选择性外延区域，所述锗吸收区202外围具有周边硅材料区203。所述锗吸收区202具有相对的第一端及第二端，以及相对的第一侧及第二侧，所述锗吸收区202的第一端与所述硅波导结构10相对设置，具体地，如图1所示，所述硅波导结构10与所述光子晶体结构的周边硅材料区203连接，且所述锗吸收区202正对于所述硅波导结构10。所述锗吸收区202的材料可以为SiGe、Ge、GeSn及GePb中的一种。例如，在本实施例中，所述锗吸收区202的材料可以选用为SiGe，以降低锗吸收区202与所述顶硅层212之间的晶格失配，提高锗吸收区202的材料质量。

所述第一接触层204及第二接触层205分别形成于所述锗吸收区202的第一侧及第二侧的所述周边硅材料区203中。具体地，所述第一接触层204可以通过对锗吸收区202的第一侧的所述周边硅材料区203进行P型离子注入形成重掺杂P型硅，以作为第一接触层204；所述第二接触层205可以通过对锗吸收区202的第二侧的所述周边硅材料区203进行N型离子注入形成重掺杂N型硅，以作为第二接触层205，所述第一接触层204与所述第二接触层205均与所述锗吸收区202直接接触。

所述第一电极206及第二电极207分别形成于所述第一接触层204及第二接触层205上。例如，可以通过金属沉积、光刻及刻蚀工艺形成所述第一电极206及第二电极207；又如，可以通过金属剥离工艺形成所述第一电极206及第二电极207，且并不限于此处所列举的示例。

所述周边硅材料区203的光通过直接耦合或消逝波耦合方式进入所述锗吸收区202，以降低光损耗。

如图1所示，所述介质材料201呈圆柱形垂直贯穿所述锗吸收区202及所述周边硅材料区203。所述介质材料201与所述锗吸收区202及所述周边硅材料区203形成具有周期性结构的谐振腔。所述介质材料201可以为二氧化硅。当然，所述介质材料201也可选用为空气、真空或氮氧化硅等其他折射率的材料，并不限于此处所列举的示例。所述介质材料201贯穿所述锗吸收区202，可以有效降低所述锗吸收区202的应力。

如图1及图2所示，在本实施例中，位于所述锗吸收区202中的所述介质材料201间的间距大于位于所述周边硅材料区203的介质材料201间的间距，以保证所述锗吸收区202的吸收效果。

如图1所示，所述锗光电探测器的第二端连接的有具有光子晶体结构的反射结构30，可以起到反射的效果，进一步增加锗光电探测器20的吸收效率。

本发明在波导型锗光电探测器20中引入光子晶体结构，由于周期性结构构成的谐振腔具有慢光的效应，在光子晶体，导模受到光子晶体的周期性结构色散，群速度会大幅度降低，从而实现光子晶体的慢光效应。本发明的光子晶体具有结构设计灵活、体积小、便于与现有的光通信器件集成、易于控制优点，可实现光缓存，从而提高探测器吸收效率，减小探测器尺寸，更容易实现低暗电流、低电容和高响应度光电探测器制备。同时，周期性锗/介质层(如二氧化硅等)结构可以有效降低锗材料的应力，有利于提高锗材料质量。

如图1～图4所示，本实施例还提供一种基于光子晶体的波导型锗光电探测器的制备方法，所述制备方法包括步骤：

如图4所示，首先进行步骤1)S11，提供一SOI衬底，在所述SOI衬底的顶硅层212上刻蚀出硅波导结构10。

具体地，所述SOI衬底具体包括底硅层210、绝缘层211以及顶硅层212。所述硅波导结构10通过光刻及刻蚀工艺在所述顶硅层212中形成。

如图4所示，然后进行步骤2)S12，在所述SOI衬底的顶硅层212以刻蚀出锗基材料选择性外延区域，所述锗基材料选择性外延区域底部保留部分厚度的顶硅层底层。

例如，可以先在所述SOI衬底的顶硅层212上沉积介质层，作为硬掩膜，然后通过光刻及刻蚀工艺在所述介质层中形成转移窗口，接着进一步刻蚀所述顶硅层212，以在所述顶硅层212中刻蚀出锗基材料选择性外延区域。所述锗基材料选择性外延区域底部保留部分厚度的顶硅层底层，以有利于后续锗吸收区202的外延生长。

如图4所示，接着进行步骤3)S13，在所述锗基材料选择性外延区域选择性外延生长锗吸收区202，采用离子注入及退火方法在所述锗吸收区202外围的周边硅材料区203中形成第一接触层204及第二接触层205。

所述锗吸收区202的材料可以为SiGe、Ge、GeSn及GePb中的一种。例如，在本实施例中，所述锗吸收区202的材料可以选用为SiGe，以降低锗吸收区202与所述顶硅层212之间的晶格失配，提高锗吸收区202的材料质量。

所述锗吸收区202的高度大于所述锗基材料选择性外延区域的深度，以在不增加锗吸收区长度的情况下，进一步提高锗吸收区202的吸收效率。

具体地，所述第一接触层204可以通过对锗吸收区202的第一侧的所述周边硅材料区203进行P型离子注入形成重掺杂P型硅，以作为第一接触层204；所述第二接触层205可以通过对锗吸收区202的第二侧的所述周边硅材料区203进行N型离子注入形成重掺杂N型硅，以作为第二接触层205，所述第一接触层204与所述第二接触层205均与所述锗吸收区202直接接触。

如图4所示，然后进行步骤4)S14，通过光刻及刻蚀工艺在所述锗吸收区202及周边硅材料区203形成周期性排列的凹槽，并在所述凹槽中填充介质材料201，以形成具有慢光效应的光子晶体结构。

如图1所示，所述凹槽及所述介质材料201呈圆柱形垂直贯穿所述锗吸收区202及所述周边硅材料区203。所述介质材料201与所述锗吸收区202及所述周边硅材料区203形成具有周期性结构的谐振腔。所述介质材料201可以为二氧化硅。当然，所述介质材料201也可选用为如氮氧化硅等其他折射率的材料，并不限于此处所列举的示例。所述介质材料201贯穿所述锗吸收区202，在形成所述周期性排列的凹槽的过程中，锗吸收区的应力可以获得释放，从而有效降低所述锗吸收区202的应力。

如图4所示，最后进行步骤5)S15，通过光刻及刻蚀方法在所述第一接触层204及所述第二接触层205中定义第一电极206区域及第二电极207区域，并形成第一电极206及第二电极207。

例如，可以通过金属沉积、光刻及刻蚀工艺形成所述第一电极206及第二电极207；又如，可以通过金属剥离工艺形成所述第一电极206及第二电极207，且并不限于此处所列举的示例。

所述第一电极206及所述第二电极207可以通过热退火等方式与所述第一接触层204及所述第二接触层205分别形成欧姆接触，以降低其电阻，同时降低寄生电容。

如上所述，本发明的基于光子晶体的波导型锗光电探测器及制备方法，具有以下有益效果：

本发明在波导型锗光电探测器中引入光子晶体结构，由于周期性结构构成的谐振腔具有慢光的效应，可以提高探测器吸收效率，减小探测器尺寸，更容易实现低暗电流、低电容和高响应度光电探测器制备。同时，周期性锗/介质层(如二氧化硅等)结构可以有效降低锗材料的应力，有利于提高锗材料质量。

与传统波导型锗光电探测器相比，本发明可以实现更高效的光吸收效率，可以通过减小器件尺寸，实现低暗电流、低电容和高响应度光电探测器制备。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。