[发明专利]表面等离子激元光电探测器及其制备方法

说明书

本发明属于光纤通信、可见光通信及光互连领域，为能够在不降低光电探测器响应速度的同时增加响应度，且可实现光电器件和电子电路的单片集成。本发明采用的技术方案是，表面等离子激元光电探测器及其制备方法，步骤如下：1)制备浅槽隔离STI；2)在浅槽隔离之间的有源区内制备一个中等掺杂浓度的N阱；3)在N阱区外进行P型重掺杂，移除衬底产生的光生载流子；4)制作成叉指型的周期性光栅，用作光电探测器的阴极和阳极；5)采用旋涂工艺在芯片上表面涂覆有机硅化物；6)制备其他高层互连金属，用于将光电探测器的光电流引出至接触焊盘；7)在芯片上表面顺序淀积氧化硅/氮化硅钝化层。本发明主要应用于光纤通信装置设计制造。

技术领域

本发明属于光纤通信、可见光通信及光互连领域，涉及一种与标准CMOS工艺兼容的光电探测器结构，涉及利用氧化、光刻、刻蚀、离子注入、金属化等一系列标准CMOS工艺技术实现此种探测器的制备方法，具体讲，涉及表面等离子激元的光电探测器及其制备方法。

背景技术

随着移动互联网、物联网、无线传感网络等无线通信技术的发展和应用，电磁波谱中射频无线通信所占的频带愈渐拥挤。以频率更高、波长更短的光波作为信息载体的通信方式成为通信领域的研究热点。其中，可见光通信技术是在普通照明光源的基础上增加了数据传输功能，将通信与室内照明光源相结合，构建可见光无线通信网络，实现信息从服务器到客户端的无线传输。可见光通信技术不仅满足用户对移动通信网络覆盖范围广、链路质量高的要求，而且保证移动通信网络的安全性，包括网络数据安全与用户健康安全。因此，可见光通信技术以其传输速率高、保密性强、无电磁干扰、无需频谱认证等优点成为无线通信的研究热点之一。

可见光通信系统主要由发射、信道和接收三个部分构成。其发射部分主要包括将信号源转换为便于光信道传输的电信号的信息处理电路、将电信号调制为LED强度变化的驱动调制电路及发光二极管(LED)等，而接收部分则包括将光信号还原为电信号的光电探测器、前置放大器、时钟恢复与判决电路等。作为可见光通信系统中的关键器件之一，光电探测器的优劣影响着整个系统的性能。目前，在光纤通信和可见光通信领域，光接收机多采用引线键合或多芯片封装技术将Ⅲ-Ⅴ族半导体光电探测器与硅基CMOS电路混合集成在同一基底上。这种方法成本昂贵，且引入寄生参数，不利于超高速、多通道光接收机阵列的实现。因此，研究基于标准CMOS工艺的光电探测器对于单片光电集成芯片(OEIC)的发展极为重要。

然而，在标准的硅基CMOS工艺中，受硅材料自身特性和工艺结构的限制，基于CMOS工艺研制的光电探测器多为PN结光电二极管，难以同时兼顾速度和响应度。通常情况下，标准CMOS工艺制备PN结光电二极管的带宽仅为数十MHz，远远不能满足高速光通信及光互连的需求。为了进一步拓展与标准CMOS工艺兼容探测器的带宽，同时实现差分输出，毛陆虹等人提出了双光电二极管结构的探测器(ZL 200310101069.5)和带平面螺旋电感的光电探测器(ZL 200720098995.5)，将器件本征带宽扩展至数百MHz。谢生等人提出一种空间调制结构的光电探测器及其制备方法(ZL 201410033300.X)，实现了探测器的全差分输出。尽管基于标准CMOS工艺的光电探测器取得了很大进展，但响应度和响应速度的折衷问题仍需进一步优化。

发明内容

为克服现有技术的不足，解决传统结构光电探测器在速度和响应度之间相互的制约，本发明旨在提出一种基于标准CMOS工艺的表面等离子激元光电探测器。所述器件结构能够在不降低光电探测器响应速度的同时增加响应度，且可实现光电器件和电子电路的单片集成。本发明采用的技术方案是，表面等离子激元光电探测器制备方法，步骤如下：

1)利用包括氧化、淀积、光刻、刻蚀及化学机械抛光的标准CMOS工艺在P型轻掺杂硅衬底上制备浅槽隔离STI，实现光电探测器和电子电路间的电学隔离，避免相互影响；

2)在浅槽隔离之间的有源区内制备一个中等掺杂浓度的N阱；

3)在N阱区外进行P型重掺杂，移除衬底产生的光生载流子；