一種波導(dǎo)對接耦合型吸收倍增分離雪崩二極管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電器件領(lǐng)域以及光互聯(lián)領(lǐng)域，具體涉及一種能夠?qū)ξ⑷跬ㄐ殴庑盘?hào)進(jìn)行探測的波導(dǎo)對接耦合(butt-coupling)型吸收倍增分離雪崩二極管。
【背景技術(shù)】
[0002]雪崩光電探測器(APD)通過雪崩倍增效應(yīng)產(chǎn)生內(nèi)部增益，具有高靈敏度和響應(yīng)度等特性，是光電探測器重要的研宄方向之一，在弱光檢測，量子通信，生物醫(yī)學(xué)以及光通信集成系統(tǒng)等各類光信息檢測領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用。
[0003]波導(dǎo)雪崩探測器突破了傳統(tǒng)垂直入射結(jié)構(gòu)探測器的光響應(yīng)與頻率響應(yīng)之間的相互制約，器件集成上具有尺寸小、集成度高的優(yōu)點(diǎn)，而器件性能上具有更高的響應(yīng)度，更大的靈敏度以及更寬的頻率響應(yīng)范圍等特性優(yōu)勢，因此，是未來光電集成系統(tǒng)發(fā)展的重要核心器件。吸收倍增分離型(Separated Absorpt1n Multiplicat1n，縮寫為SAM)結(jié)構(gòu)的雪崩探測器，其器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為靈活。針對不同的探測波長可選用不同的半導(dǎo)體吸收材料，并與低離化率比值的倍增材料進(jìn)行低位錯(cuò)集成，形成具有高吸收、低過剩噪聲、低誤碼率和高靈敏等優(yōu)點(diǎn)的雪崩器件。因此，波導(dǎo)吸收倍增分離型雪崩探測器的研制對于未來光信息檢測領(lǐng)域的發(fā)展有著舉足輕重的作用。但是，現(xiàn)今研制的波導(dǎo)SAM-AH)距離實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)、大帶寬、高集成的目標(biāo)仍有很大的距離。
[0004]本發(fā)明就是針對光信息檢測領(lǐng)域的雪崩光電探測器的高吸收、大帶寬、高靈敏度的需求，設(shè)計(jì)的一種波導(dǎo)對接耦合型吸收倍增分離雪崩光電探測器結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種波導(dǎo)對接耦合型雪崩二極管結(jié)構(gòu)，相比于報(bào)道的其他結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)工藝簡單，具有高耦合效率、高靈敏度以及大帶寬等性能。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括有P+型歐姆接觸電極101，P+歐姆接觸層102，吸收層103，P型電荷區(qū)104，高場倍增區(qū)105，n+型歐姆接觸電極106，n+歐姆接觸區(qū)107，絕緣掩埋層108，襯底109，脊形波導(dǎo)110。其特征在于，P型電荷區(qū)104位于脊形波導(dǎo)110終端底部，吸收層103位于P型電荷區(qū)104頂部，與脊形波導(dǎo)110的終端內(nèi)脊區(qū)域相對接；高場倍增區(qū)105以及n+歐姆接觸區(qū)107緊挨P型電荷區(qū)104依次排布，與脊形波導(dǎo)110外脊厚度相同，且延伸方向垂直于脊形波導(dǎo)110光傳輸方向。P型電荷區(qū)104的厚度和外脊厚度相同。
[0007]器件在實(shí)現(xiàn)吸收倍增分離的同時(shí)，利用波導(dǎo)對接耦合提高光耦合效率，避免了傳統(tǒng)雙倍增區(qū)的電信號(hào)的擾動(dòng)現(xiàn)象，器件尺寸可減小到納米尺度，可以降低渡越時(shí)間和暗電流，提高靈敏度。
[0008]該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)對接耦合入射，吸收倍增分離的器件功能，其工作原理，如圖1所示，光耦合進(jìn)入脊形波導(dǎo)110中進(jìn)行傳輸，并通過對接耦合被吸收層103吸收，產(chǎn)生光生電子-空穴對。在吸收層103反向偏壓的作用下電子-空穴分離，光生空穴向P+歐姆接觸層102漂移，進(jìn)而通過P+型歐姆接觸電極101進(jìn)入到外電路，而光生電子漂移通過P型電荷區(qū)104，到達(dá)高場倍增區(qū)105，發(fā)生雪崩倍增，最后倍增電子在n+歐姆接觸區(qū)107收集，產(chǎn)生的倍增電流通過n+型歐姆接觸電極106進(jìn)入到外電路，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的接收與倍增。
[0009]本發(fā)明設(shè)計(jì)針對Ge/Si 器件，同時(shí) InGaAs/InP、AlGaAs/GaAl、GaN、SiC、SOI 或 GOI材料器件亦可適用。
[0010]本發(fā)明適用于所有雪崩探測器的波導(dǎo)對接耦合型設(shè)計(jì)。
[0011]本發(fā)明的探測波長范圍適用于紅外、可見光、紫外或太赫茲波段。
【附圖說明】
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[0012]圖1:根據(jù)本發(fā)明提出的波導(dǎo)對接耦合型吸收倍增分離雪崩二極管的三維視圖；圖中:P+型歐姆接觸電極101，P+歐姆接觸層102，吸收層103，P型電荷區(qū)104，高場倍增區(qū)105，n+型歐姆接觸電極106，η +歐姆接觸區(qū)107，絕緣掩埋層108，襯底109，脊形波導(dǎo)110
[0013]圖2:根據(jù)本發(fā)明提出的波導(dǎo)對接耦合型吸收倍增分離雪崩二極管對應(yīng)的1-V曲線示意圖；從圖中可以看出，器件實(shí)現(xiàn)了良好的倍增。
[0014]圖3:本發(fā)明的波導(dǎo)對接耦合型吸收倍增分離雪崩二極管具體實(shí)施例；
[0015]其中，圖3-1是刻蝕脊形Si波導(dǎo)110 ;圖3-2是刻蝕器件的Si區(qū)；圖3_3是硼離子注入形成P型電荷區(qū)104 ;圖3-4是選區(qū)外延本征Ge層；圖3_5是硼離子注入形成ρ+歐姆接觸層102，余下部分為Ge吸收層103 ;圖3_6是磷離子注入形成η+歐姆接觸區(qū)107 ;圖3-7是蒸發(fā)電極金屬，形成P+型歐姆接觸電極101和η +型歐姆接觸電極106。
【具體實(shí)施方式】
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[0016]如圖3所示，其制備過程和方法如下:
[0017]1、在絕緣體上硅(SOI)襯底的頂層220nm厚的Si上刻蝕脊形波導(dǎo)110，刻蝕深度為 120nmo
[0018]2、通過刻蝕定義器件區(qū)域，刻蝕到絕緣掩埋層。
[0019]3、注入硼，形成P型電荷區(qū)104，摻雜濃度為2X 1017cm_3;
[0020]4、在表面沉積一層S12，干法和濕法結(jié)合刻蝕出Ge外延窗口，選區(qū)外延本征Ge層，厚度約為0.5 μπι ;
[0021]5、在Ge區(qū)頂層注入硼，形成P+歐姆接觸層102，厚度約為0.1 μπι，摻雜濃度為I X1019cnT3，余下部分為Ge吸收層103 ；
[0022]6、磷離子注入形成η+歐姆接觸區(qū)107，摻雜濃度為IX 10 19cm_3;p型電荷區(qū)104與n+歐姆接觸區(qū)107之間的SOI頂層硅作為高場倍增區(qū)105 ;
[0023]7、快速退火，將注入的雜質(zhì)離子激活，退火溫度500°C，退火時(shí)間30秒；
[0024]8、PECVD氧化層鈍化；
[0025]9、刻蝕開孔，蒸發(fā)電極金屬，形成P+型歐姆接觸電極101和η +型歐姆接觸電極106。
[0026]根據(jù)本發(fā)明提出的波導(dǎo)對接耦合型吸收倍增分離雪崩二極管對應(yīng)的1-V
[0027]曲線示意圖；從圖2中可以看出，器件實(shí)現(xiàn)了良好的倍增。
[0028]至此已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述。應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種其他的改變、替換和添加。因此，本發(fā)明的范圍不局限于上述特定實(shí)施例，而應(yīng)由所附權(quán)利要求所限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種波導(dǎo)對接耦合型吸收倍增分離雪崩二極管，包括有P+型歐姆接觸電極(101)，p +歐姆接觸層(102)，吸收層(103)，p型電荷區(qū)(104)，高場倍增區(qū)(105)，n+型歐姆接觸電極(106)，n+歐姆接觸區(qū)(107)，絕緣掩埋層(108)，襯底(109)，脊形波導(dǎo)(110)，其特征在于，p型電荷區(qū)(104)位于脊形波導(dǎo)(110)終端底部，吸收層(103)位于P型電荷區(qū)(104)頂部，與脊形波導(dǎo)(110)的終端內(nèi)脊區(qū)域相對接；高場倍增區(qū)(105)以及n+歐姆接觸區(qū)(107)緊挨P型電荷區(qū)(104)依次排布，與脊形波導(dǎo)(110)外脊厚度相同，且延伸方向垂直于脊形波導(dǎo)(110)光傳輸方向。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波導(dǎo)對接耦合型吸收倍增分離雪崩二極管，其特征在于: 所有結(jié)構(gòu)層材料為 Ge/S1、InGaAs/InP、AlGaAs/GaAs、GaN、SiC、SOI 或 GOI 材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波導(dǎo)對接耦合型吸收倍增分離雪崩二極管，其特征在于: 適用于雪崩探測器的波導(dǎo)對接耦合型設(shè)計(jì)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波導(dǎo)對接耦合型吸收倍增分離雪崩二極管，其特征在于: 探測波長范圍為紅外、可見光、紫外或太赫茲波段。
【專利摘要】一種波導(dǎo)對接耦合型吸收倍增分離雪崩二極管涉及半導(dǎo)體光電器件領(lǐng)域以及光互聯(lián)領(lǐng)域，能夠?qū)ξ⑷跬ㄐ殴庑盘?hào)進(jìn)行探測。包括有p+型歐姆接觸電極(101)，p+歐姆接觸層(102)，吸收層(103)，p型電荷區(qū)(104)，高場倍增區(qū)(105)，n+型歐姆接觸電極(106)，n+歐姆接觸區(qū)(107)，絕緣掩埋層(108)，襯底(109)，脊形波導(dǎo)(110)，其特征在于，p型電荷區(qū)(104)位于脊形波導(dǎo)(110)終端底部，吸收層(103)位于p型電荷區(qū)(104)頂部，與脊形波導(dǎo)(110)的終端內(nèi)脊區(qū)域相對接；高場倍增區(qū)(105)以及n+歐姆接觸區(qū)(107)緊挨p型電荷區(qū)(104)依次排布，與脊形波導(dǎo)(110)外脊厚度相同，且延伸方向垂直于脊形波導(dǎo)(110)光傳輸方向。從二極管對應(yīng)的I-V曲線示意圖中可以看出，器件實(shí)現(xiàn)了良好的倍增。
【IPC分類】H01L31/107, H01L31/0352, H01L31/0232
【公開號(hào)】CN104882509
【申請?zhí)枴緾N201510159552
【發(fā)明人】李沖, 郭霞, 劉巧莉, 董建, 劉白, 馬云飛
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年4月5日