一種具有諧振腔增強效應柵格陣列型的soi光電探測器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有諧振腔增強效應柵格陣列型的SOI光電探測器，已有CMOS光電探測器結構的半導體CMOS工藝限制了器件結構與電學特性的改善。本發明包括p型半導體襯底、埋氧化層、n型摻雜區、p型歐姆接觸區、環形地電極、環形電壓極、n型歐姆接觸區、輸出電極、柵格陣列型的PCOMP、頂層氧化層和多晶硅；本發明解決了量子效率和響應度之間因為吸收層厚度的原因而相互制約的問題，使得光電探測器的性能大大提高，應用領域也大大拓寬，減小了光電系統體積、降低系統重量、提高系統性能與可靠性，同時有利于節省資源。
【專利說明】一種具有諧振腔增強效應柵格陣列型的SOI光電探測器
【技術領域】
[0001] 本發明屬于半導體【技術領域】，涉及一種具有諧振腔增強效應柵格陣列型的SOI光 電探測器。
【背景技術】
[0002] 由于光纖通信、紅外遙感和軍事應用需求的不斷增長促進了半導體件及其光電 路的發展。隨著光電路系統強大優勢的不斷體現，光電器件及其電路在計算系統、自由空 間衛星系統、光盤存儲應用、成像系統以及通信系統等領域具有廣泛的應用。考慮到CMOS 工藝的兼容性，傳統的Si基光電探測器是在Si襯底上進行η型離子的注入形成η阱區 (n-well)，在襯底頂部臨近η阱區之間形成ρ的源區，在源區頂部引出電極的金屬引線；在 η阱區中按柵格陣列型進行ρ型離子注入形成柵格陣列型的PC0MP，在PC0MP和η阱區邊緣 的部分生成η的歐姆接觸區，并在歐姆接觸區頂部引出電極的金屬引線；在每個PC0MP頂部 形成Ρ的歐姆接觸區，并在歐姆接觸區的頂部引出電極的金屬引線。傳統CMOS光電探測器 由于Si的吸收系數較低，從而量子效率低，若靠增加吸收層厚度來提高量子效率，則會使 帶寬大大降低，不利于提高器件和系統的綜合特性。隨著半導體技術與TCAD的發展，采用 空間調制（SML)、橫向PIN等結構的CMOS光電探測器受CMOS工藝限制，響應度和帶寬無法 進一步滿足超高速短距離等光互連的需求。為了實現更高響應度和帶寬的光電探測器，研 究人員還提出了基于硅CMOS工藝的雪崩擊穿光電探測器（APD)結構，該結構的響應度和頻 率帶寬等性能都較好，不足之處在于光電探測器需要施加高的反向偏壓，極大的限制了光 電探測器應用范圍。
【發明內容】
[0003] 本發明針對現有技術的不足，提供一種具有諧振腔增強效應柵格陣列型的S0I光 電探測器，通過引入法布里一羅布腔，同時利用柵格陣列型結構，增大耗盡區面積，使得量 子效率大大增加，同時不會使得帶寬降低，該器件能夠在SOI CMOS工藝上進行實現，具體很 好的工藝兼容性，能夠與普通CMOS器件集成在一起從而形成光電集成電路芯片或片上光 電系統；同時相比其他兼容CMOS光電探測器，具有高量子效率、高響應度和高帶寬特點。
[0004] 本發明一種具有諧振腔增強效應柵格陣列型的S0I光電探測器，包括ρ型半導體 襯底、埋氧化層、η型n-well阱區、ρ型歐姆接觸區、環形地電極、環形電壓極、η型歐姆接觸 區、輸出電極、柵格陣列型的PC0MP、頂層氧化層和多晶硅； 距離Ρ型半導體襯底表面2 um處設置有埋氧化層，ρ型半導體襯底上表面設有η型 n-well阱區，環形ρ型歐姆接觸區設置在ρ型半導體襯底上表面且位于η型n-well阱區 外側，環形地電極設置在環形P型歐姆接觸區上，在環形的η型歐姆接觸區設置在ρ型半導 體襯底上表面且位于η型n-well阱區內側，環形電壓極設置在環形η型歐姆接觸區上，在 Ρ型半導體襯底上表面且位于環形電壓極內側設置有柵格陣列型的PC0MP ;柵格陣列型的 PC0MP上設置網格型的輸出電極；在ρ型半導體襯底1上表面各個電極之間覆蓋一層氧化 層，在氧化層的表面覆蓋一層多晶娃； 所述的P型半導體襯底為藍寶石襯底或硅襯底； 所述的埋氧化層厚度為140nm ; 所述的η型n-well講區厚度為1. 5um ; 所述的柵格陣列型的PCOMP厚度為lum ; 所述的頂層的氧化層厚度為140nm; 所述的多晶娃厚度為60nm ; 所述的環形地電極、環形電壓極和輸出電極的材料分別為A1或者Cu的一種； 所述的各PCOMP間的距離為lum。
[0005] 所述的埋氧化層、η型n-well阱區、柵格陣列型的PCOMP、環形p型歐姆接觸區和 η型歐姆接觸區的外延生長方式采用注氧隔離（SIM0X)方法實現。
[0006] 本發明通過引入法布里一羅布腔，使得光波在腔體內往復運動，從而使得光波多 次通過吸收層達到光電增強效應，器件可獲得較高的量子效率。利用柵格陣列型結構，增大 耗盡區面積，同時由于吸收層較薄，光生載流子產生的電子-空穴對在吸收層中的渡越時 間較小，可使器件獲得較高的帶寬，解決了光電探測器的量子效率和帶寬之間相互制約的 問題。
[0007] 本發明方法中外延生長采用注氧隔離（SIM0X)方法實現，本發明的發明點在于基 于SOI CMOS工藝對光電探測器橫向、縱向（三維）結構的改變。
[0008] 有益效果：本發明通過改變光電探測器橫向、縱向(三維）結構，使得這種新型器件 在作為光電探測器工作時具有更高的響應度和帶寬。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009] 圖1為本發明的結構示意圖； 圖2為圖1的俯視圖； 圖3為圖1的A-A截面示意圖； 圖4為圖1的B-B截面示意圖。
【具體實施方式】
[0010] 如圖1、2、3和4所示，一種具有諧振腔增強效應柵格陣列型的SOI光電探測器，包 括P型半導體襯底1、埋氧化層2、η型n-well阱區3、p型歐姆接觸區4、環形地電極5、環 形電壓極6、η型歐姆接觸區7、輸出電極8、柵格陣列型的PCOMP 9、頂層氧化層11和多晶 娃10 ; 距離P型半導體襯底1表面2 um處設置有厚度為140nm的埋氧化層2, p型半導體襯 底1上表面設有厚度為1. 5um的η型n-well阱區3,環形p型歐姆接觸區4設置在p型半 導體襯底上表面且位于η型n-wel 1阱區外側，環形地電極5設置在環形p型歐姆接觸區上， 環形的η型歐姆接觸區7設置在p型半導體襯底上表面且位于η型n-well阱區內側，環形 電壓極6設置在環形η型歐姆接觸區上，在p型半導體襯底上表面且位于環形電壓極6內 側設置有厚度為lum的柵格陣列型的PC0MP 9 ;柵格陣列型的PC0MP上設置網格型的輸出 電極8 ;在p型半導體襯底1上表面各個電極之間覆蓋一層厚度為140nm的氧化層11，在氧 化層的表面覆蓋一層厚度為60nm的多晶硅10。
[0011] 所述的p型半導體襯底為娃襯底； 所述的各PC0MP間的距離為lum ; 所述的環形地電極、環形電壓極和輸出電極的材料都為Cu ; 所述的埋氧化層、η型n-well阱區、柵格陣列型的PC0MP、環形p型歐姆接觸區和η型 歐姆接觸區的外延生長方式采用注氧隔離技術（SIM0X)方法實現。
[0012] 光子入射到光敏器材的表面時，被吸收的那部分光子會激發光敏材料產生電 子-空穴對，形成電流，稱為光電效應，此時產生的電子與所有入射的光子數之比稱為量子 效率。普通光電探測器的量子效率計算公式，諧振腔型光電探測器的量子效率 的計算公式產(Η2)/(1+γ?_2"-+ ，其中 ri、r2為諧振腔上下 鏡面的反射系數，--為材料的吸收系數，L為耗盡層厚度。在諧振腔中，由于選取合適的上下 鏡，反射系數變大，同時柵格陣列型的結構可增大耗盡層的有效面積，但對于載流子的運動 卻不會造成延遲，從而可以在薄的耗盡層時得到較大的量子效率，同時保證帶寬不會變窄。 當頂鏡為一對Si-Si02,底鏡為三對Si-Si02時，可由公式計算出7 =0. 325,是普通光電探 測器的2-3倍。這是從理論上支持了用柵格陣列型的諧振腔結構來提高器件量子效率的方 法，使得器件用于光互連時具有更高的響應度。
【權利要求】
1. 一種具有諧振腔增強效應柵格陣列型的SOI光電探測器，包括P型半導體襯底、埋氧 化層、η型n-well阱區、p型歐姆接觸區、環形地電極、環形電壓極、η型歐姆接觸區、輸出電 極、柵格陣列型的PC0MP、頂層氧化層和多晶硅； 其特征在于：距離Ρ型半導體襯底表面2 um處設置有埋氧化層，ρ型半導體襯底上表 面設有η型n-well阱區，環形p型歐姆接觸區設置在p型半導體襯底上表面且位于η型 n-well阱區外側，環形地電極設置在環形ρ型歐姆接觸區上，在環形的η型歐姆接觸區設置 在Ρ型半導體襯底上表面且位于η型n-well阱區內側，環形電壓極設置在環形η型歐姆接 觸區上，在Ρ型半導體襯底上表面且位于環形電壓極內側設置有方陣形的PC0MP ;柵格陣 列形的PC0MP上設置網格型的輸出電極；在ρ型半導體襯底1上表面各個電極之間覆蓋一 層氧化層，在氧化層的表面覆蓋一層多晶硅。
2. 根據權利要求1所述的一種具有諧振腔增強效應柵格陣列型的SOI光電探測器，其 特征在于：所述的P型半導體襯底為藍寶石襯底或硅襯底。
3. 根據權利要求1所述的一種具有諧振腔增強效應柵格陣列型的SOI光電探測器，其 特征在于：所述的埋氧化層厚度為140nm。
4. 根據權利要求1所述的一種具有諧振腔增強效應柵格陣列型的SOI光電探測器，其 特征在于：所述的η型n-well講區厚度為1. 5um。
5. 根據權利要求1所述的一種具有諧振腔增強效應柵格陣列型的SOI光電探測器，其 特征在于：所述的柵格陣列形的PC0MP厚度為lum。
6. 根據權利要求1所述的一種具有諧振腔增強效應柵格陣列型的SOI光電探測器，其 特征在于：所述的頂層的氧化層厚度為140nm。
7. 根據權利要求1所述的一種具有諧振腔增強效應柵格陣列型的SOI光電探測器，其 特征在于：所述的多晶娃厚度為60nm。
8. 根據權利要求1所述的一種具有諧振腔增強效應柵格陣列型的SOI光電探測器，其 特征在于：所述的環形地電極、環形電壓極和輸出電極的材料分別為A1或者Cu的一種。
9. 根據權利要求1所述的一種具有諧振腔增強效應柵格陣列型的SOI光電探測器，其 特征在于：各PC0MP間的距離為lum。
10. 根據權利要求1所述的一種具有諧振腔增強效應柵格陣列型的SOI光電探測器，其 特征在于：所述的埋氧化層、η型n-well阱區、柵格陣列形的PC0MP、環形ρ型歐姆接觸區和 η型歐姆接觸區的外延生長方式采用注氧隔離方法實現。
【文檔編號】H01L27/14GK104103649SQ201410353119
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月23日 優先權日:2014年7月23日
【發明者】洪慧, 李夢, 劉倩文 申請人:杭州電子科技大學