一种雪崩光电探测器制造技术

本公开提供了一种雪崩光电探测器，包括：衬底；第一绝缘层，形成于所述衬底上；Si器件区，形成于所述绝缘层上，其中，所述Si器件区包括呈水平排列的N型电极接触区、N型高掺区、本征倍增区、P型电荷区、本征吸收区、N型电荷区、P型高掺区以及P型电极接触区；Ge吸收层，形成于P型电荷区、本征吸收区、N型电荷区和P型高掺区的上方。其通过采用具有N型电荷区的CSACM结构，较常规SACM结构，新引入的N型电荷区可以和P型电荷区同时调控上层Ge吸收层的电场，使得探测器在穿通时Ge吸收层内尽可能多地被电场覆盖，同时控制电场的大小，使其既可使得载流子达到饱和漂移速度而提高探测器带宽，又不会产生明显的隧穿电流从而降低探测器暗电流。产生明显的隧穿电流从而降低探测器暗电流。产生明显的隧穿电流从而降低探测器暗电流。

【技术实现步骤摘要】
一种雪崩光电探测器


[0001]本公开涉及光电探测器
，具体涉及一种雪崩光电探测器。

技术介绍

[0002]随着人们对信息传递需求的日益增长，光通讯的传输速度和传输距离有了更高的要求。半导体光电探测器作为光通讯中重要的接收器件，起着举足轻重的作用。与PIN型探测器相比，雪崩光电探测器APD因其内部对光电流的增益，提高了对光信号探测的响应度，在光纤通讯系统中的应用日益广泛。
[0003]对于APD探测器而言，增益带宽积是描述其性能的重要参数，增益带宽积越大，表明探测器对光信号的放大和快速传输的能力越强。目前光纤通讯系统中使用的APD主要为InP基的InGaAs/InAlAsAPD，当倍增层InAlAs的厚度在0.15
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0.4μm时，其电子空穴碰撞离化率比值K值为0.15
‑
0.25，制备获得的InGaAs/InAlAs
‑
APD的增益带宽积约130
‑
180GHz。要想获得增益带宽积更大的探测器，需要K值更低的材料。
[0004]Ge/Si APD中使用的Si材料K值仅为0.1，远小于InAlAs材料，因此可以获得比InP基的InGaAs/InAlAsAPD更高的增益带宽积和更低的过剩噪声。
[0005]此外随着Ge材料外延工艺的不断提升，使得基于SOI硅基光电子工艺制备获得大批量的高性能的Ge/Si APD成为可能。这种方法成本更低，同时其制备工艺可与其他无源器件及Si电子芯片的工艺相兼容，因此具有广阔的应用前景。
[0006]目前的Ge/SiAPD有垂直结构和侧向结构两种类型。垂直结构的探测器中涉及到的制备工艺比侧向结构更为复杂，成本增高。而锗硅叠层的侧向结构Ge/Si APD工艺相对简单，但由于Ge吸收区在硅层之上，可施加的电场较小，因此存在响应度较低，带宽较小的问题；硅层刻蚀后锗下沉结构的侧向Ge/Si APD，增加了刻蚀工艺，同时也增加了界面的缺陷，引入暗电流增大的风险。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的上述缺陷，本专利技术提供了一种优化的侧向雪崩光电探测器，其通过采用具有N型电荷区、分离的本征吸收区、P型电荷区、本征倍增区的CSACM结构，较常规SACM结构，新引入的N型电荷区可以和P型电荷区同时调控上层Ge吸收层的电场，使得探测器在穿通时Ge吸收层内尽可能多地被电场覆盖，同时控制电场的大小，使其既可使得载流子达到饱和漂移速度而提高探测器带宽，又不增加刻蚀工艺，不引入工艺缺陷。
[0008]本专利技术提供了一种雪崩光电探测器，包括：衬底；第一绝缘层，形成于所述衬底上；Si器件区，形成于所述绝缘层上，其中，所述Si器件区包括呈水平排列的N型电极接触区、N型高掺区、本征倍增区、P型电荷区、本征吸收区、N型电荷区、P型高掺区以及P型电极接触区；Ge吸收层，形成于P型电荷区、本征吸收区、N型电荷区和P型高掺区的上方。
[0009]可选地，所述P型电荷区、本征吸收区、N型电荷区和P型高掺区沿长度方向的一端设置有光波导，用于使载流子渡越方向和光吸收方向彼此垂直，解耦了探测器的响应度和
载流子渡越时间之间的相互限制。
[0010]可选地，探测器的响应度随着所述Si器件区与Ge吸收层长度的增加而增加。
[0011]可选地，所述探测器的带宽随着所述Si器件区与Ge吸收层长度的增加而减小。
[0012]可选地，所述Si器件区和Ge吸收层上方设置有第二绝缘层。
[0013]可选地，所述N型电极接触区上方的第二绝缘层开设有第一电极接触孔；所述P型电极接触区上方的第二绝缘层开设有第二电极接触孔。
[0014]可选地，所述第一电极接触孔和第二电极接触孔中填充有金属电极；所述金属电极与探测器外部连接处设置有电极引线。
[0015]本专利技术还提供了一种雪崩光电探测器的制备方法，用于制备上述的雪崩光电探测器，包括：步骤A：刻蚀SOI晶圆，形成衬底、第一绝缘层、光波导和Si器件区；步骤B：将Si器件区沿水平方向进行选区掺杂，依次形成N型电极接触区、N型高掺区、本征倍增区、P型电荷区、本征吸收区、N型电荷区、P型高掺区和P型电极接触区；步骤C：在第一绝缘层、光波导和Si器件区上方进行淀积，形成第二绝缘层；步骤D：刻蚀P型电荷区、本征吸收区、N型电荷区和P型高掺区上方的第二绝缘层，形成一窗口，在所述窗口内生长Ge形成Ge吸收层。
[0016]可选地，还包括：步骤E：在N型电极接触区上方的第二绝缘层开设第一电极接触孔，在P型电极接触区上方的第二绝缘层开设第二电极接触孔；步骤F：在第一电极接触孔和第二电极接触孔分别生长Cu和/或W，形成金属电极。
[0017]可选地，还包括：步骤G：在金属电极与探测器外部连接处生长Al，形成电极引线。
[0018]本专利技术中所公开的雪崩光电探测器采用具有N型电荷区、本征吸收区、P型电荷区、本征倍增区的CSACM结构，较常规SACM结构，新引入的N型电荷区可以和P型电荷区同时调控上层Ge吸收层的电场，使得探测器在穿通时Ge吸收层内尽可能多地被电场覆盖，同时控制电场的大小，使其既可使得载流子达到饱和漂移速度而提高探测器带宽，又不会产生明显的隧穿电流从而降低探测器暗电流。
[0019]本专利技术中所公开的雪崩光电探测器通过设计合适的Si器件区与Ge吸收层的长度，使响应度和带宽都比较大。又可以在不影响探测器光吸收的情况下减小Ge吸收区的宽度，这样也可以缩短载流子的渡越时间，提高探测器的带宽。
附图说明
[0020]图1示意性示出了根据本公开实施例的雪崩光电探测器的衬底、绝缘层、光波导和Si器件区的组合俯视图；
[0021]图2示意性示出了以图1中A线为截面的雪崩光电探测器的剖视图；
[0022]图3示意性示出了以图1中B线为截面的雪崩光电探测器的剖视图；
[0023]图4示意性示出了根据本公开实施例的雪崩光电探测器的Si器件区和Ge吸收层内的剖面电场图；
[0024]图5示意性示出了根据本公开实施例的雪崩光电探测器的Ge吸收区对1310nm波长光的归一化吸收率随Ge吸收区长度的变化关系；
[0025]图6示意性示出了根据本公开实施例的雪崩光电探测器的RC时间常数限制的带宽f
RC
随Ge吸收区长度的变化关系；
[0026]图中，衬底
‑
1、第一绝缘层
‑
2、光波导
‑
3、Si器件区
‑
4、N型电极接触区
‑4‑
1、N型高
掺区
‑4‑
2、本征倍增区
‑
43、P型电荷区
‑4‑
4、本征吸收区
‑4‑
5、N型电荷区
‑4‑
6、P型高掺区
‑4‑
7、P型电极接触区
‑4‑
8、Ge吸收层
‑
5、第一SiOx绝缘层
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种雪崩光电探测器，其特征在于，包括：衬底(1)；第一绝缘层(2)，形成于所述衬底(1)上；Si器件区(4)，形成于所述第一绝缘层(2)上，其中，所述Si器件区(4)包括呈水平排列的N型电极接触区(4
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1)、N型高掺区(4
‑
2)、本征倍增区(4
‑
3)、P型电荷区(4
‑
4)、本征吸收区(4
‑
5)、N型电荷区(4
‑
6)、P型高掺区(4
‑
7)以及P型电极接触区(4
‑
8)；Ge吸收层(5)，形成于P型电荷区(4
‑
4)、本征吸收区(4
‑
5)、N型电荷区(4
‑
6)和P型高掺区(4
‑
7)的上方。2.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述P型电荷区(4
‑
4)、本征吸收区(4
‑
5)、N型电荷区(4
‑
6)和P型高掺区(4
‑
7)沿长度方向的一端设置有光波导(3)，用于使载流子渡越方向和光吸收方向彼此垂直，解耦了探测器的响应度和载流子渡越时间之间的相互限制。3.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述探测器的响应度随着所述Si器件区(4)与Ge吸收层(5)长度的增加而增加。4.根据权利要求3所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述探测器的带宽随着所述Si器件区(4)与Ge吸收层(5)长度的增加而减小。5.根据权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述Si器件区(4)和Ge吸收层(5)上方设置有第二绝缘层。6.根据权利要求5所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述N型电极接触区(4
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1)上方的第二绝缘层开设有第一电极接触孔；所述P型电极接...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓红，王睿，何婷婷，唐永升，刘一君，
申请(专利权)人：武汉光谷信息光电子创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：