具有亞波長光柵結構的面入射硅基鍺光電探測器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光電子技術領域，尤其涉及一種具有亞波長光柵結構的面入射硅基鍺光電探測器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]娃基光電子將娃的CMOS微電子技術與光子技術相融合，具有價格低、性能好、易于集成、適合大規模制備等優點，在光互連、光通信、光傳感等領域有廣泛的應用前景，成為近年國際光電子研究領域的熱點。
[0003]硅基光電探測器是硅光電子的關鍵器件，發展適用于通訊波段(特別是1310nm和1550nm)的娃基高性能光電探測器成為娃基光電子發展的一個重要方向。由于娃的禁帶寬度為1.12eV，無法有效吸收波長大于1.1 ym的光信號，因此純硅的光電探測器無法勝任近紅外光探測。目前光纖通信系統中商用通信波段光電探測器普遍使用II1-V族材料，其價格相對昂貴，熱學機械性能差，且無法與硅微電子芯片實現工藝兼容。而同為IV族元素的鍺材料，在近紅外和光通信波段具有較高的響應，且與現有的硅CMOS工藝可以實現兼容，可以有效地降低成本。盡管鍺與硅之間存在著4.2%的晶格失配，但近年來隨著硅基鍺材料外延技術的突破，硅基鍺光電探測器被認為是硅基光電探測器的不二選擇。
[0004]面入射的硅基鍺光電探測器由于光耦合方式簡單，應用范圍非常廣泛，其易于與光纖封裝，常用于光通信接收模塊，以及機柜間、板間、模塊間、芯片間的光互連等。但是，由于鍺與硅之間存在著4.2%的晶格失配，在硅上直接外延的鍺材料中的穿透位錯密度仍然高于IX 16Cm 2，且在硅和鍺的界面上存在著大量的失配位錯，使得器件的暗電流密度比較大。報道的硅基鍺光電探測器的暗電流密度普遍大于15mA/cm2@-lV，典型值為幾十mA/cm2@-lV，這是限制其應用的主要因素之一。常規的外延條件下，由于Si和Ge的晶格失配需要釋放，Ge緩沖層中的失配位錯通常是無法避免的，而Ge中的穿透位錯密度卻可以降低，因此，降低Si基Ge光電探測器暗電流密度的思想主要集中在降低Ge薄膜中的穿透位錯密度，但目前也只能降低至10 6Cm20另外面入射的光電探測器都存在著響應度和響應帶寬之間相互制約的矛盾。增大光電探測器的吸收層厚度，可以提高器件的量子效率，減少器件結電容，但是卻增大載流子在吸收區的渡越時間，從而降低光電探測器的響應帶寬；而薄的吸收層厚度，可以減少載流子的渡越時間，提高光電探測器的響應帶寬，卻會降低器件的量子效率。目前仍然以上下表面形成共振腔增強(RCE)為主來緩解該問題，但是該方案的工藝比較復雜，特別是底部高反射面的制作難度很大，這都限制了 RCE探測器的應用。
【發明內容】
[0005]針對以上面入射硅基鍺光電探測器目前存在的暗電流密度偏大，以及響應度和帶寬之間相互制約的問題，本發明提出了一種具有亞波長光柵結構的面入射硅基鍺光電探測器的方案來解決這兩個關鍵問題。
[0006]本發明提供一種具有亞波長光柵結構的面入射硅基鍺光電探測器，包括:
[0007]— SOI 襯底；
[0008]一二氧化硅層，其制作在SOI層的η型頂層硅上，該二氧化硅層刻蝕有二氧化硅光柵，該二氧化硅光柵為一圓形或矩形結構，在二氧化硅光柵的空隙處制作有本征鍺層，在本征鍺層上制作有P型鍺層，形成基片，所述二氧化硅光柵、本征鍺層和P型鍺層構成鍺/ 二氧化硅亞波長光柵；
[0009]η電極，其制作在SOI襯底的η型頂層娃上；
[0010]P電極，其制作在P型鍺層上；
[0011]—抗反射絕緣介質層，其制作在基片的上表面；
[0012]其中該η電極和P電極暴露出抗反射絕緣介質層外。
[0013]本發明還提供一種具有亞波長光柵結構的面入射硅基鍺光電探測器的制備方法，包括如下步驟:
[0014]步驟1:在SOI襯底上的η型頂層娃的表面沉積二氧化娃層，該η型頂層娃為η型慘雜；
[0015]步驟2:刻蝕二氧化硅層形成二氧化硅光柵，在二氧化硅光柵的空隙處露出η型頂層娃材料；
[0016]步驟3:以二氧化硅光柵為掩膜，在二氧化硅光柵的空隙處的η型頂層硅材料上選擇外延本征鍺層，該本征鍺層上制作有P型鍺層，該P型鍺層為P型摻雜，所述的P型鍺層、本征鍺層和η型頂層娃形成縱向的p-1-n結構；
[0017]步驟4:采用刻蝕的方法，將外延有本征鍺層、P型鍺層的二氧化硅光柵構成的鍺/二氧化硅亞波長光柵刻蝕成圓形或矩形的形狀，刻蝕深度到達SOI襯底上的η型頂層硅的表面，形成基片；
[0018]步驟5:在基片的表面沉積抗反射絕緣介質層；
[0019]步驟6:在η型頂層硅的上面，在抗反射絕緣介質層上開孔，在開孔處制作η電極；
[0020]步驟7:在P型鍺層上的上面，在抗反射絕緣介質層上開孔，在開孔處制作P電極；
[0021]步驟8:退火，完成制備。
[0022]從上述技術方案可以看出，本發明在硅上采用二氧化硅光柵作為掩膜，選擇外延鍺的方法，鍺具有極好的晶體質量，從而有效降低了器件的暗電流密度；利用鍺/ 二氧化硅亞波長光柵有效調制入射光場，提高薄層鍺材料的光吸收，從而解決面入射硅基鍺光電探測器量子效率和響應帶寬之間相互制約的問題，在硅基光通訊和光處理領域具有廣泛的應用前景。
【附圖說明】
[0023]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明，其中:
[0024]圖1為本發明的結構示意圖；
[0025]圖2為本發明制作P電極和η電極后的示意圖；
[0026]圖3為本發明的制作流程圖。
[0027]具體實施方法
[0028]請參閱圖1和圖2，本發明提供一種具有亞波長光柵結構的面入射硅基鍺光電探測器，包括:
[0029]一 SOI襯底10，所述SOI襯底10由Si襯底11、二氧化硅填埋層12、n型頂層硅13構成，所述SOI襯底10的η型頂層娃材料為η型摻雜，摻雜濃度大于I X 118Cm 3，其晶向為
(001)方向;
[0030]一二氧化硅層20，其制作在SOI襯底10的η型頂層硅13上，該二氧化硅層20刻蝕有二氧化硅光柵21，該二氧化硅光柵21為一圓形或矩形結構，在二氧化硅光柵21的空隙處外延有本征鍺層30，在本征鍺層30上制作有P型鍺層31，形成基片，所述二氧化硅光柵21、本征鍺層30和P型鍺層31構成鍺/ 二氧化硅亞波長光柵，該P型鍺層31的摻雜濃度大于I X 118Cm 3，與本征鍺層30和SOI層10的η型頂層娃共同構成縱向p_i_n 二級管結構或使用η型摻雜的頂層鍺和P型摻雜的硅材料形成縱向p-1-n 二級管結構，所述構成鍺/ 二氧化硅亞波長光柵中的本征鍺層30和P型鍺層31以選擇外延的方式生長在η型頂層硅13上，通過這種小尺寸的選擇外延可以有效減少鍺與硅界面的失配位錯和鍺中的穿透位錯，降低鍺中的位錯產生的暗電流。
[0031]η電極50，其制作在SOI襯底10的η型頂層硅13上，電極50與η型頂層硅13電性連接，用于提取光生載流子；
[0032]P電極51，其制作在P型鍺層31上，電極51與P型鍺層31電性連接，用于提取光生載流子；
[0033]—抗反射絕緣介質層40，其制作在基片的上表面，用于實現其與外界環境的電性隔絕，并減少入射光的反射；
[0034]其中該η電極50和ρ電極51暴露出抗反射絕緣介質層40外。
[0035]所述二氧化硅光柵21、本征鍺層30和ρ型鍺層31構成的鍺/ 二氧化硅亞波長光柵對光的調制，以增強鍺的光吸收作用。該作用主要分為兩種:第一種為二氧化硅光柵21、本征鍺層30和ρ型鍺層31構成的鍺/ 二氧化硅亞波長光柵的側壁構成的橫向諧振腔，從而增強本征鍺層30和ρ型鍺層31的光吸收，第二種為二氧化硅光柵21、本征鍺層30和ρ型鍺層31構成的鍺/ 二氧化硅亞波長光柵的衍射作用，將準垂直入射的光轉變為在鍺/ 二氧化硅亞波長光柵和SOI襯底η型頂層硅13中水平傳播的光，從而增強本征鍺層30和ρ型鍺層31的光吸收。這兩種調制作用可以單獨作用，也可以同時作用。
[0036]請參閱圖3并結合參閱圖1和圖2，本發明還提供一種具有亞波長光柵結構的面入射硅基鍺光電探測器的制備方法，包括如下步驟:
[0037]步驟1:在清洗后的SOI襯底的η型頂層娃13上沉積二氧化娃層20，該η型頂層娃13的厚度范圍為50-1000nm，η型摻雜濃度大于I X 118Cm 3，其晶向為(001)方向。本實施例中，二氧化硅填埋層12的厚度為2 μ m，η型頂層硅13厚度為