[发明专利]一种宽度渐变的硅基探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种宽度渐变的硅基探测器，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，形成在波导层上；n型重掺杂区，形成在n型轻掺杂区的两侧；光吸收层，形成在n型轻掺杂区上，光吸收层的部分上表面形成有光吸收层p型重掺杂区；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设有外延窗口；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设有第一电极窗口；与光吸收层p型重掺杂区对应的绝缘介质层上开设有第二电极窗口；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；光吸收层在靠近光入射端的宽度大于在远离光入射端的宽度。

技术领域

本发明涉及光互连领域，尤其涉及一种宽度渐变的硅基探测器及其制备方法。

背景技术

高频光子链路具有宽带宽，低传输损耗，小尺寸、低重量和抗电磁干扰能力强等优势，可以有效提高通信系统的传输容量和传输速率，在许多微波和毫米波应用中受到广泛青睐，如微波光子雷达、相控阵天线和ROF(光载无线通信)等。低暗电流，高速，高响应度和高饱和功率光电探测器在RF(无线射频)光子链路中至关重要。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效率，硅基锗材料具有较高的导热性能，且完全兼容硅的CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺，因此适用于制作高饱和功率光电探测器。

常见的提高锗硅探测器饱和光功率的方法有两种。第一种是通过片上光分路器，将光一分为二，然后分别从锗硅探测器的两端进入，减少光生载流子在探测器一端的聚集，从而提高器件的饱和光功率。第二种是通过探测器一侧的渐变式波导，将光信号逐渐耦合到探测器中，使光在探测器中分布相对均匀，从而提高器件的饱和光功率。第一种方法的需要采用一个片上波导光分路器进行分光，片上波导光分路器的加工精度较高，器件整体的尺寸相对较大，光分路器上本身也有一定的光损耗，导致响应度较低(Optics Express,23(2015)22857 22866.)；第二种方法的主要问题是，侧边波导虽然可以均匀化探测器中的光场强度，但是难以同时满足有效的光吸收长度，因此光响应度也比较低。侧向波导并且占据了探测器的下电极面积，导致器件的串联电阻较大，带宽受限(Optics Letter,42(2017)851854.)。

因此，设计一种工艺简单、高响应度、高速、高饱和光功率的硅基探测器是一个重要的研究课题。

发明内容

有鉴于此，为了得到具有高饱和光功率的硅基探测器，本发明提供了一种宽度渐变的硅基探测器及其制备方法。

本发明提供一种宽度渐变的硅基探测器，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；n型轻掺杂区，形成在波导层上；n型重掺杂区，形成在n型轻掺杂区的两侧；光吸收层，形成在n型轻掺杂区上，光吸收层的部分上表面形成有光吸收层p型重掺杂区；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设有与光吸收层底边尺寸相吻合的外延窗口；绝缘介质层，形成在光吸收层和二氧化硅窗口层上；其中，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设有第一电极窗口；与光吸收层p型重掺杂区对应的绝缘介质层上开设有第二电极窗口；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，与光吸收层p型重掺杂区电性连接；其中，光吸收层在靠近光入射端的宽度大于在远离光入射端的宽度，光吸收层的宽度平滑渐变。

在本发明的实施例中，光吸收层的宽度根据光吸收层的光吸收系数平滑渐变。

在本发明的实施例中，光吸收层在靠近光入射端的宽度为8～10μm，在远离光入射端的宽度为2～4μm；光吸收层的长度为8～15μm。在本发明的实施例中，波导层为条形波导或脊形波导。

在本发明的实施例中，n型轻掺杂区的宽度大于外延窗口的宽度。