[发明专利]垂直耦合型浅槽隔离共面光电探测器

说明书

垂直耦合型浅槽隔离共面光电探测器涉及半导体光电器件领域以及光互联领域，具体设计一种能够对空间通信及垂直入射光信号进行探测且具有高速性能的光电探测器。n型掺杂插指区，p型掺杂插指区是横向依次通过光刻离子注入在顶层硅中形成的掺杂区域，之间的间隙是垂直耦合光栅；光栅区，是在衬底p型和n型掺杂插指条区中间部分经过深紫外光刻后采用干法刻蚀技术，形成的与掺杂条区平行的周期性刻蚀浅槽，构成垂直耦合光栅结构；浅槽光栅的宽度小于入射波长，对垂直入射的光形成衍射效应，周期的光栅形成衍射叠加，将光能量的传播方向由垂直转化为水平方向，提高光吸收能量；离子注入浓度峰值的深度要求大于光栅刻蚀深度30到60nm。

技术领域

本发明涉及半导体光电器件领域以及光互联领域，具体设计一种能够对空间通信及垂直入射光信号进行探测且具有高速性能的光电探测器。

背景技术

随着光电技术的发展，数据传输的速度进一步获得提升。硅基光电材料在近红外和可见光波段的良好吸收性能，让低成本，高质量，高可靠性强，低噪声的硅基材料成为了可见光探测的不二选择。为了实现高速，往往需要减小器件尺寸降低系统RC常数，减小PIN本征层的厚度减小载流子渡越时间。对于垂直入射的器件来说，本身去掉了复杂冗长的波导耦合结构，可简化器件结构和封装，降低成本。但是高速引起小的器件尺寸和窄的吸收厚度必然导致光响应的匮乏。在短距离通信普遍使用的近红外 850nm波段附近，硅材料对光的吸收长度为20μm，此厚度的器件的响应速率在1GHz以下。如何做好光的吸收同时实现高速，一直都是硅基光电的难题之一。

单一的PIN或者PN型结构高速器件的光敏面较小，引入P N交替的共面多对插指结构，有效的增大了入射光吸收的光敏面，一定程度上解决了垂直入射光孔径的问题，但是PN结和电场集中器件表面，表面效应会引入大量暗电流，同时增大器件电容。在表面掺杂区之间制作浅刻蚀隔离槽，隔离p+和n+掺杂区，将电场限制在刻蚀槽下方，避免局域高场和提前击穿。周期性隔离槽形成周期性折射率变化，隔离槽的宽度与入射波长可比拟，垂直入射的光产生狭缝衍射现象，将纵向的光波衍射到横向，提高光的吸收面积和响应度。

本发明就是针对光互联领域，特别是850nm光电探测器的低成本，低功耗，强抗辐射能力，易于封装和形成线阵和面阵结构，能和微电子集成电路大面积单片集成的需求，设计并制作了一种光栅垂直耦合型插指光电探测器。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种垂直耦合型浅槽隔离共面光电探测器结构，相比于报道的其他结构，该结构工艺简单，具有高速，高吸收和高集成度等优点。

一种垂直耦合型浅槽隔离共面光电探测器结构，其特征在于，包括n+ 欧姆接触电极101、p+欧姆接触电极102、n型掺杂插指区103、p型掺杂插指区104、本征吸收区105、衬底层106，光栅区107，所述n型掺杂插指区103，p型掺杂插指区104是横向依次通过光刻离子注入在顶层硅中形成的掺杂区域，之间的间隙是垂直耦合光栅105。所述n+欧姆接触电极101和p+欧姆接触电极102分别是对应溅射在两侧的n型掺杂插指区103，p 型掺杂插指区104之上作为电极。所述光栅区107，是在衬底p型和n型掺杂插指条区中间部分经过深紫外光刻后采用干法刻蚀技术，形成的与掺杂条区平行的周期性刻蚀浅槽，构成垂直耦合光栅结构。浅槽光栅的宽度小于入射波长，对垂直入射的光形成衍射效应，周期的光栅形成衍射叠加，将光能量的传播方向由垂直转化为水平方向，提高光吸收能量。离子注入浓度峰值的深度要求大于光栅刻蚀深度30到60nm。其中，离子注入的浓度随注入深度的变化分布不同。这里对峰值深度的要求是为了避免本征区电场被减弱。

进一步，探测器的材料为：Si、Ge/Si、InGaAs/InP或AlGaAs/GaAs、 GaN/Ga₂O₃/AlN或SiC材料体系。

进一步，衬底采用单个块材料，或采用掩埋绝缘层的多层材料。

进一步，探测波长范围为紫外、可见光或红外光波段。

进一步，适用于垂直入射光接收设计。