[发明专利]制作用于1.55微米通信波段硅波导光电转换器的方法

说明书

技术领域

本发明涉及硅集成光电子中光电转换器技术领域，尤其涉及一种制作用于1.55微米通信波段的硅波导光电转换器的方法。

背景技术

基于光传感和光通信接收模块的市场，目前大多数光电探测器主要是平面台式结构[1-2]，即在衬底上生长p型掺杂区、i型非掺杂区(本征区)、和n型掺杂区(p-i-n)薄膜材料，通过后续工艺在p区和n区蒸发金属电极，在反偏电压作用下器件将光生载流子导出。

近来，在这方面做的比较好的是意大利Trento大学非线性光学和光电子实验室和德国Stuttgart大学半导体技术研究所，他们采用低温缓冲层方法在Si衬底上直接生长了Ge薄膜，以此制备的p-i-n光电二极管在1.3μm和1.55μm波长的响应率分别为400mA/W和200mA/W，速率达10GHz/s。然而，这些平台式结构器件都是用来探测垂直于器件表面光信号的，无法与平面光波导集成；其次，在平面台式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。而横向波导探测器则可以与波导无损连接，其光吸收区与载流子漂移方向垂直，正好能避开以上两个不足，因此，波导式光电探测器是光电子集成的最佳选择。

在Si衬底上如何制备1.55微米波段用的波导式探测器，目前一般采用以下三种方法：第一，在Si衬底上外延生长GeSi材料，形成上下叠放的p-i-n型结构[3-5]，其优势是可以照搬立式器件中各种材料生长来满足横向器件需要，不足之处是生长温度多在500℃以上，这对微电子器件不利，故与CMOS工艺不兼容，且顶部金属电极对光信号吸收强烈而产生损耗。第二，将AlGaInAs基器件结构材料键合到带有Si谐振腔的波导上[6]，利用AlGaInP有源区和Si波导的消逝场将两者有机的结合起来，其不足之处是工艺较为复杂，成功率不高。第三，是近来发展起来的横向p-i-n结构[7-10]，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)[11]，以及将深能级上电荷导出，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。

深能级光电转换：自2005年加拿大McMaster大学工程物理系的研究小组[7-8]采用横向p-i-n直波导结构制备出了光电探测器，其波长在1.55μm的响应度为9mA/W；美国MIT研究所Lincoln实验室[9，10]对前者波导进行窄化，使光生载流子的渡越时间缩短，得到了很好的结果，其器件工作波长在1.27至1.74μm，1.55μm处的响应度为800mA/W，3dB带宽为10至20GHz。然而他们对深能级载流子输运机理不清、器件都为较长的直波导(约1mm)，本课题正是在他们研究的基础上展开的。

参考文献：

[1]L.Colace，et.al.，“Ge on Si p-i-n photodetector operating at10Gbit/s”，Applied Physics Letters，88(10)：101111，2006.

[2]M.Oehme，et.al.，“High bandwidth Ge p-i-n photodetector integratedon Si”，Applied Physics Letters，89：071117，2006.

[3]H.Temkin，et.al.，“Ge_xSi_1-x strained-layer superlattice waveguidephotodetectors operating near1.3μm”，Applied Physics Letters，48：963-65，1986.

[4]A.Splett，et.al.，“Integration of waveguides and photodetectors in SiGefor1.3μm operation”，IEEE Photonics Technology Letters，6(1)：59-61，1994.

[5]P.G.Kik，et.al.，“Design and performance of an erbium-doped silicon

waveguide detector operating at1.5μm”，J.Lightwave Technol.，20(5)：862-867，2002.