[发明专利]横向p-i-n结构Ge光电探测器的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锗光电探测器，特别是一种横向p-i-n结构Ge光电探测器的制备方法。

背景技术

研究显示，集成电路芯片中超过一半的功耗集中在芯片的互连，同时互连还受到信号传输带宽的限制。从长远来看，在芯片内部引入光互连部分代替电互连，以光子作为载体实现高速低功耗信号传输，是芯片进一步集成化的必然要求。在硅基光互连中，将光信号转换为电信号的光电探测器是实现片上光互连的重要器件。制作光电探测器的方法是在硅上直接外延锗(Ge)材料作为有源区制备长波长光电探测器。Ge是准直接带隙材料，对1.55μm以下的波长有强烈的吸收，是制作光电探测器的首选材料。

近年来国际上研制中的Ge光电探测器纷纷达到30GHz量级([1]Chong Li,Chunlai Xue,Zhi Liu,Buwen Cheng,Chuanbo Li,and Qiming Wang,High-bandwidth and high-responsivity top-illuminated germanium photodiodes for optical interconnection,IEEE Trans.Electron Devices,60,1183–1187,(2013)；[2]S.Klinger,M.Berroth,M.Kaschel,M.Oehme,and E.Kasper,“Ge-on-Si p-i-n photodiodes with3-dB bandwidth of49GHz,”IEEE Photon.Technol.Lett.,21,920–922,(2009))。常见的垂直入射纵向Ge p-i-n光电探测器中，为提高器件工作带宽速度，通常的方法是通过减小本征区厚度来减小光生载流子的渡越时间。但Ge本征区同时又是垂直入射光信号的吸收区域，光吸收与光生载流子渡越同方向进行，本征区减薄必然同时导致光吸收的不足，因而降低了器件的光信号响应度。高速和高响应度的矛盾是垂直入射纵向p-i-n结构Ge光电探测器的内在缺陷。

因此波导型p-i-n结构的Ge光电探测器日益引起研究者的关注，该器件工作时，光信号不再从上方垂直入射，而从侧向Si波导引入，光信号的吸收和载流子的渡越控制在两个相互垂直的方向上，从根本上解决了宽带与响应度之间的矛盾([3]D.Feng,S.Liao,P.Dong,N.-N.Feng,H.Liang,D.Zheng,C.-C.Kung,J.Fong,R.Shafiiha,J.Cunningham,A.V.Krishnamoorthy,and M.Asghari,High-speed Ge photodetector monolithically integrated with large cross-section silicon-on-insulator waveguide,Appl.Phys.Lett.,95,261105,(2009)；[4]Shirong Liao,Ning-Ning Feng,Dazeng Feng,Po Dong,Roshanak Shafiiha,Cheng-Chih Kung,Hong Liang,Wei Qian,Yong Liu,Joan Fong,John E.Cunningham,Ying Luo,and Mehdi Asghari,36GHz submicron silicon waveguide germanium photodetector,Optics Express,19,10967-10972,(2011).)。随着波导型Ge探测器研究的普及，传统的Ge光电探测器也从纵向p-i-n结构设计向横向p-i-n结构设计转变([5]Laurent Vivien,Andreas Polzer,Delphine Marris-Morini,Johann Osmond,Jean Michel Hartmann,Paul Crozat,Eric Cassan,Christophe Kopp,Horst Zimmermann,Jean Marc Fédéli,Zero-bias40Gbit/s germanium waveguide photodetector on silicon,Optics Express,20,1096-1101,(2012).)。新型横向p-i-n结构Ge光电探测器中的p-i-n结沿水平方向放置，并与波导垂直。转向之后的p-i-n结结区面积由Ge外延层厚度与结区长度共同决定，Ge外延层厚度一般在1μm左右，结区长度在波导端面耦合情况下可以缩小至10μm，结区面积因此获得了最小化，意味着该器件适用于未来集成电路的超高速工作条件。另外，横向p-i-n结构Ge光电探测器结构紧凑，十分有利于器件小型化与片上光互连系统集成。