[发明专利]锗/硅混合集成的波导型光电转换器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电转换器技术领域，尤其涉及一种与CMOS工艺兼容的1.55波段锗硅Ge/Si混合集成的波导型光电转换器及其制造方法。

背景技术

随着高密度、大容量数据传输和运算的发展，将光电子与微电子集成在一个芯片上的优势越来越明显、需求越来越迫切，它对我国国民经济的发展、国家安全和科学进步起着重要的支撑作用。为此，人们使用成熟的Si工艺和Si在通信波段的透明特性，在Si基SOI波导上研制出大量的光无源器件。然而，在Si基光有源器件方面的研究进展缓慢，其原因不仅是由于Si的间接带隙导致其光吸收和跃迁率低，对波长大于1μm的光不吸收，而且在结构上也不易于与Si波导集成。

Si基光电探测器是Si基光电子集成中接收光信号、并将其转换成电信号的器件，在波长小于1μm的近红外波段，Si基光电探测器具有响应快、探测灵敏度高、暗电流小和频带宽的特点，而且易于同场效应晶体管(FET)和异质结双极晶体管(HBT)一起构成混合集成光电子电路，以共同完成光探测和光信号放大的作用，是单片集成系统中不可缺少的部分。

在通信波段，Si基光电探测器的有源区材料主要采用Ge，这是由于Ge具有良好的光吸收特性、高载流子迁移率、并易于Si工艺兼容的优点。但是Ge与Si的晶格失配高达4％，直接生长有一定的困难；其次通常的分立器件都是用来探测垂直于薄膜表面光信号的，无法与平面光波导集成；第三，在分立器件中光吸收要求本征层厚与载流子漂移要求本征层薄相矛盾；第四，分立器件所用工艺不与互补式金属-氧化层-半导体(CMOS)工艺兼容，进而无法与微电子集成。针对这些不足，许多研究者开发出与波导连接的横向器件，其大至可分为两类：一类是早期借助外延生长而上下叠放的pn或p-i-n型结构(H.Temkin，et.al.，“Ge_xSi_1-x strained-layersuperlattice waveguide photo-detectors operating near 1.3μm”，AppliedPhysics Letters，48：963-65，1986)，其优势是可以照搬分立器件中各种材料生长来满足横向器件需要，不足之处是与CMOS兼容性差，其顶部金属电极对光信号吸收强烈而产生损耗；另一类则是近来发展起来的横向p-i-n结构，它是利用离子注入的方式在Si中形成双空位复合物(divacancycomplex)缺陷，价带电子在吸收了光子后跃迁至深能级(缺陷光吸收)(E.V.Monakhov，et.al.，“Divacancy annealing in Si：Influence ofhydrogen”，Physical Review B，69：153202，2006)，以及饱和后释放电子，其最大优势是与CMOS兼容、与光电子集成，尽管缺陷光吸收的效率低下，但可以通过延长吸收波导来补偿。加拿大McMaster大学工程物理系的研究小组采用第二类横向p-i-n结构制备出了光电探测器，其波长在1.55μm的响应度为9mA/W(J.D.B.Bradley，et.al.，“Silicon waveguide-integratedoptical power monitor with enhanced sensitivity at 1550nm”，Applied PhysicsLetters，86：241103，2005)；美国MIT的Lincoln实验室对前者波导细化，使光生载流子的渡越时间缩短，得到了更好的结果，其器件工作波长在1.27-1.74μm，1.55μm处的响应度为800mA/W，3dB带宽为10-20GHz(M.W.Gleis，et al.，“CMOS-compatible all-Si high-speed waveguidephotodiodes with high responsivity in near-infrared communication band”，IEEE Photonics Technology Letters，19(3)：152-54，2007)。