[发明专利]一种具有非对称结的硅基探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有非对称结的硅基探测器，包括：SOI衬底，包括：底部硅材料层；二氧化硅填埋层；顶层硅，顶层硅上形成波导层；n型轻掺杂区和p型轻掺杂区，形成在顶层硅和波导层上，n型轻掺杂区上形成有n型重掺杂区，p型轻掺杂区上形成有p型重掺杂区；光吸收层形成在波导层上，光吸收层的表面上形成有光吸收层p型轻掺杂区，光吸收层p型轻掺杂区与p型轻掺杂区电性连接；二氧化硅窗口层形成在顶层硅和波导层上；绝缘介质层形成在光吸收层和二氧化硅窗口层上；与n型重掺杂区和p型重掺杂区对应的二氧化硅窗口层和绝缘介质层上分别开有第一电极窗口和第二电极窗口；n电极形成在第一电极窗口上；p电极形成在第二电极窗口上。

技术领域

本发明涉及光互连领域，尤其涉及一种具有非对称结的硅基探测器及其制备方法。

背景技术

随着集成电路的不断发展，集成密度不断提高，传统的电互连成为性能提高的主要瓶颈，主要表现在：时延增长、功耗升高和信号串扰增大等。由于光互连具有高速度、高带宽、低功耗等特点，以硅基光子器件为基础的片上光互连是有望解决传统电互连对集成电路发展限制的优选方案。其中，硅基光电探测器是硅基光互连的关键器件之一，是近年来重要的研究课题。硅材料由于其带隙宽度的限制，其硅探测器的工作波长在1100nm以下，无法胜任近红外波段的光探测。同为四族元素的锗材料在近红外波段具有较高的光吸收系数，且完全兼容硅的CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺。因此，锗硅探测器是硅基片上光互连探测器的主要选择。

常见的波导耦合锗硅探测器主要采用纵向PIN结构或横向PIN结构。对于纵向PIN结构，在锗光吸收区的顶部重掺杂区需要与金属电极形成欧姆接触，这就要求光吸收区具有较大的尺寸用于布置金属电极，从而导致器件RC(电阻电容)较大，带宽较低；光吸收区上的金属电极也会引起较大的光吸收损耗，导致器件的响应度较低。对于横向PIN结构，金属电极均制备在硅上，远离光吸收区，无金属吸收损耗，器件的响应度较高；此外光吸收区可以采用很小的尺寸，减少了器件的结电容，提高了器件的带宽。其中有代表性的就是比利时根特大学的横向PIN探测器(Optics Express 24(5),4622-4631(2016))。但是横向PIN结构的锗硅探测器的制备工艺非常复杂，不仅需要对锗进行化学机械抛光，控制锗的厚度和形状，还需要对锗波导的侧壁分别进行离子注入。因此，设计和制备工艺简单且高性能的锗硅探测器是硅基片上探测器研究的重点和热点。

发明内容

有鉴于此，为了制备出具有高性能的硅基探测器，本发明提供了一种具有非对称结的硅基探测器及其制备方法。

本发明提供一种具有非对称结的硅基探测器，该硅基探测器包括：SOI衬底，包括：底部硅材料层；形成在底部硅材料层上的二氧化硅填埋层；以及形成在二氧化硅填埋层上的顶层硅，顶层硅上形成波导层，顶层硅的两侧形成台面；n型轻掺杂区，形成在顶层硅和波导层上，n型轻掺杂区上形成有n型重掺杂区；p型轻掺杂区，形成在顶层硅和波导层上，p型轻掺杂区上形成有p型重掺杂区；光吸收层，形成在波导层上，光吸收层的部分表面上形成有光吸收层p型轻掺杂区，光吸收层p型轻掺杂区与p型轻掺杂区电性连接；二氧化硅窗口层，形成在顶层硅和波导层上，与波导层对应的二氧化硅窗口层上开有与光吸收层底边尺寸吻合的外延窗口；绝缘介质层，形成在光吸收层和二氧化硅窗口层上；与n型重掺杂区对应的二氧化硅窗口层和绝缘介质层上开有第一电极窗口；与p型重掺杂区对应的二氧化硅窗口层和绝缘介质层上开有第二电极窗口；n电极，形成在第一电极窗口上，与n型重掺杂区电性连接；p电极，形成在第二电极窗口上，与p型重掺杂区电性连接。

在本发明的实施例中，n型轻掺杂区、光吸收层和光吸收层p型轻掺杂区形成非对称纵向PIN结。

在本发明的实施例中，通过选择外延获得光吸收层，光吸收层的截面为等腰三角形或等腰梯形或准半圆形。

在本发明的实施例中，光吸收层的材料为纯锗或锗锡合金。

在本发明的实施例中，n型轻掺杂区和p型轻掺杂区为空间上非对称掺杂，n型轻掺杂区的区域大于p型轻掺杂区的区域。