鍺/矽混合集成的波導型光電轉換器及其製造方法
2023-04-24 10:10:06
專利名稱：鍺/矽混合集成的波導型光電轉換器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及光電轉換器技術領域，尤其涉及一種與CMOS工藝兼容的 1.55波段鍺矽Ge/Si混合集成的波導型光電轉換器及其製造方法。
背景技術：
隨著高密度、大容量數據傳輸和運算的發展，將光電子與微電子集成 在一個晶片上的優勢越來越明顯、需求越來越迫切，它對我國國民經濟的 發展、國家安全和科學進步起著重要的支撐作用。為此，人們使用成熟的 Si工藝和Si在通信波段的透明特性，在Si基SOI波導上研製出大量的光 無源器件。然而，在Si基光有源器件方面的研究進展緩慢，其原因不僅是 由於Si的間接帶隙導致其光吸收和躍遷率低，對波長大於lpm的光不吸 收，而且在結構上也不易於與Si波導集成。
Si基光電探測器是Si基光電子集成中接收光信號、並將其轉換成電 信號的器件，在波長小於lpm的近紅外波段，Si基光電探測器具有響應 快、探測靈敏度高、暗電流小和頻帶寬的特點，而且易於同場效應電晶體 (FET)和異質結雙極電晶體(HBT) —起構成混合集成光電子電路，以 共同完成光探測和光信號放大的作用，是單片集成系統中不可缺少的部 分。
在通信波段，Si基光電探測器的有源區材料主要採用Ge，這是由於 Ge具有良好的光吸收特性、高載流子遷移率、並易於Si工藝兼容的優點。 但是Ge與Si的晶格失配高達4M，直接生長有一定的困難；其次通常的 分立器件都是用來探測垂直於薄膜表面光信號的，無法與平面光波導集 成；第三，在分立器件中光吸收要求本徵層厚與載流子漂移要求本徵層薄 相矛盾；第四，分立器件所用工藝不與互補式金屬-氧化層-半導體(CMOS) 工藝兼容，進而無法與微電子集成。針對這些不足，許多研究者開發出與 波導連接的橫向器件，其大至可分為兩類 一類是早期藉助外延生長而上
下疊放的pn或p-i-n型結構(H.Temkin, d.a/" "GexSi" strained-layer superlattice waveguide photo-detectors operating near 1.3|im" ， ^p//e<i 屍/yw'"丄故e^, 48: 963-65， 1986)，其優勢是可以照搬分立器件中各種材料 生長來滿足橫向器件需要，不足之處是與CMOS兼容性差，其頂部金屬電 極對光信號吸收強烈而產生損耗；另一類則是近來發展起來的橫向p-i-n 結構，它是利用離子注入的方式在Si中形成雙空位複合物(divacancy complex)缺陷，價帶電子在吸收了光子後躍遷至深能級(缺陷光吸收)
(E.V.Monakhov， e"/., "Divacancy annealing in Si: Influence of hydrogen" , P/^w'ca/ WeWew 5, 69: 153202, 2006)，以及飽和後釋放電子， 其最大優勢是與CMOS兼容、與光電子集成，儘管缺陷光吸收的效率低下， 但可以通過延長吸收波導來補償。加拿大McMaster大學工程物理系的研 究小組採用第二類橫向p-i-n結構製備出了光電探測器，其波長在1.55, 的響應度為9mA/W (J.D.B.Bradley, W.a/.， "Silicon waveguide-integrated optical power monitor with enhanced sensitivity at 1550nm" , /Vjjjas/cs
86: 241103, 2005);美國MIT的Lincoln實驗室對前者波導細化， 使光生載流子的渡越時間縮短，得到了更好的結果，其器件工作波長在 1.27-1.74nm， 1.55|am處的響應度為800mA/W， 3dB帶寬為10-20GHz
(M,W.Gleis， a/., "CMOS- compatible all-Si high-speed waveguide photodiodes with high responsivity in near-infrared communication band", 扁五屍Aoto由rec/wo/ogy丄e敝s， 19(3): 152-54, 2007)。
儘管Si基光電探測器有很大的進展，但仍存在著一些問題和有待改進 的地方。首先，光吸收率低下，缺陷對光的吸收率往往要比帶間吸收低好 幾個數量級；其次，電子輸運機理不明，原理上Si波導吸收是由於Si+離 子注入後引起的雙空位複合物缺陷、該缺陷屬於深能級，價帶電子吸收光 子後躍遷至缺陷深能級，但電子從深能級如何輸運到電極上並不清楚，從 前面的文獻可以看到，當波導橫截面為5x5pn^時，其響應度很低，這使 得器件製備具有盲目性。
發明內容
(一)要解決的技術問題
有鑑於此，本發明的一個目的在於提供一種Ge/Si混合集成的波導型 光電轉換器，尤其是1.55微米波段的Ge/Si混合集成的波導型光電轉換器 件，從而在Si上實現光通信信號的接收與微電子晶片的集成。
本發明的另一個目的在於提供一種Ge/Si混合集成的波導型光電轉換 器件的製造方法，尤其是1.55微米波段的Ge/Si混合集成的波導型光電轉 換器的製造方法，以提高光電轉換器的響應度、頻率響應和靈敏度。
(二)技術方案 為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的 一種製造Ge/Si混合集成的波導型光電轉換器件的方法，該方法包括 以下步驟
形成包括Si薄層3的Si基SOI基片；
使用幹法刻蝕或溼法腐蝕的方法將Si薄層3刻蝕或腐蝕成第一脊形或 矩形波導3;
使用離子注入的方法，將氧離子0+注入進Ge基片6中、並退火，形 成Ge02包層5;
使用幹法刻蝕或溼法腐蝕的方法將Ge薄層刻蝕或腐蝕成第二脊形或 矩形波導4;
使用注入或擴散的方法，在第二脊形或矩形波導4的一側形成p型摻 雜區7，在第二脊形或矩形波導4的另一側形成n型摻雜區8，從而在Ge 表面上構成橫向p-i-n結構；和
使用倒裝焊工藝方法，將Ge波導與Si波導對準並固定，然後進行加 溫焊接。
上述方案中，所述SOI基片由Si襯底1、 Si02包層2、和Si薄層3構成。
上述方案中，採用離子注入或擴散的方法將III族離子併入第二脊形 或矩形波導4一側，形成p型慘雜區7，採用離子注入或擴散的方法將V 族離子併入第二脊形或矩形波導4的另一側，形成n型摻雜區8。
該方法進一步包括以下步驟
採用金屬蒸發的方法在p型摻雜區7上製備Al或Al合金電極9和在 n型慘雜區8上製備Al或Al合金電極10;和
在Si直波導3兩側採用金屬蒸發的方法製備金錫合金Au。.sSn。.2薄膜。
上述方案中，所述倒裝焊包括如下步驟
先將電極9與金錫合金11對準、電極10與金錫合金12對準，Ge波 導與Si波導對準，並使Ge和Si未刻蝕表面相接觸和固定；和
將器件整體加熱至260-460度之間，對Ge表面的Al或Al合金電極 與Si上金錫合金進行倒裝焊接。
一種Ge/Si混合集成的波導型光電轉換器，該光電轉換器包括.-具有Si薄層3的Si基SOI基片；
第一脊形或矩形波導3，所述第一脊形或矩形波導3採用幹法刻蝕或 溼法腐蝕的方法刻蝕或腐蝕Si薄層而形成；
GeCb包層5，所述Ge02包層5採用離子注入的方法將氧離子0+注入 到Ge基片6中並退火而形成；
第二脊形或矩形波導4，所述第二脊形或矩形波導4採用幹法刻蝕或 溼法腐蝕的方法刻蝕或腐蝕Ge薄層而形成，其中在所述第二脊形或矩形 波導4的一側形成p型摻雜區7，在所述第二脊形或矩形波導4的另一側 形成n型摻雜曲8，由此在Ge表面構成橫向p-i-n結構。
上述方案中，採取離子注入的方法將III族離子注入進第二脊形或矩 形波導4的一側、並退火而形成p型摻雜區7，和採取離子注入的方法將 V族離子注入進第二脊形或矩形波導4的另一側、並退火而形成n型摻雜 區8。
上述方案中，該光電轉換器進一步包括
釆用金屬蒸發的方法分別在p型摻雜區7上製備的Al或Al合金電極 9，和在n型摻雜區8上製備的Al或Al合金電極10;和
採用金屬蒸發的方法在Si直波導3兩側分別製備的金錫合金 Au0.8Sn。.2，其中
採用倒裝焊技術將Ge表面的Al或Al合金電極與Si表面的金錫合金 進行焊接，從而將電信號從Ge表面引到Si表面上。
上述方案中，所述SOI基片由Si襯底1、 Si02包層2和Si薄層構成。
(三)有益效果 從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果
1、 利用本發明，可以將Ge基波導與Si基波導在寬鬆條件下形成非
晶鍵鍵合式的平行耦合，耦合間距可放寬到l微米左右，同樣可以產生由
消逝場引起的平行波導間耦合，從而大為簡化工藝條件；
2、 利用本發明，是利用金錫合金(Auo.8SnQ.2)薄膜在熔點後自然形 成液滴狀，從而可以在先控制耦合距離後進行倒裝焊接；
3、 利用本發明，即Ge的高吸收率，可以大大提高光電轉換器的響應
度；
4、 利用本發明，可以極大地縮短器件長度，從而提高光電轉換器的 靈敏度；
5、 利用本發明，可以將光吸收路徑(沿波導方向)與載流子漂移路 徑(垂直波導方向)分開，在提高量子效率的同時也能加快響應時間。
6、 利用本發明，可以直接探測波導中的光信號，從而與平面光波回 路形成無損連接，進一步可與微電子晶片集成在一起。
圖1為本發明的Ge/Si混合集成的波導型光電轉換器件在垂直波導方 向上沿圖2中AB虛線的剖面圖；禾口
圖2a、 2b為圖1中的Ge/Si混合集成的波導型光電轉換器件在未倒裝 焊之前的晶片俯視圖。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實 例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
如圖1所示，圖1為本發明提供的一種與CMOS工藝兼容的1.55微 米波段全Si波導型光電轉換器件在垂直波導方向上的剖面結構示意圖。
圖1為本發明提供的一種Ge/Si混合集成的波導型光電轉換器件在垂 直波導方向上沿圖2中AB虛線的剖面圖，優選地，該Ge/Si混合集成的 波導型光電轉換器件適於1.55微米波長。圖1從下至上依次為Si襯底1、
Si02下包層2、 Si矩形波導3、 Ge脊形波導4、 Ge02包層5、 Ge襯底6， 以及Ge波導左側的p型摻雜區7和右側的n型摻雜區8。
圖2a、 2b為Ge/Si混合集成的波導型光電轉換器件在未倒裝焊之前的 晶片俯視圖，其中，圖2a顯示了 Si基SOI波導晶片，Si襯底在下，晶片 面朝上，Si波導3位於中間，金錫合金(Auo.sSno.2)薄膜焊料13 16的 厚度約為0.1 0.6微米；圖2b顯示了 Ge基波導晶片，Ge襯底在下，芯 片面朝上，Ge脊形波導4位於中間，左右分別為n型摻雜區8和p型摻 雜區7，在Ge平面上形成橫向p-i-n結構，即Ge/Si混合集成的波導型光 電轉換器件的主要部分構建在Ge基片上，以Ge波導為本徵區i，左右各 為n型和p型摻雜區，構成橫向p-i-n結構，這種結構可以將光吸收路徑 (沿波導方向)與載流子漂移路徑(垂直波導方向)分開，在提高量子效 率的同時也能加快響應時間；再在p型摻雜區7和n型摻雜區8上分別制 備A1或A1合金電極9、 10，當圖2b中Ge晶片倒扣在圖2a中Si晶片上 時，則成為圖1的光電轉換器件，從而Si基波導與Ge基波導平行耦合， 將Si波導中光信號耦合進Ge波導中。由於Ge的折射率(4.56)大於Si 波導折射率(3.53)，從而使得Ge基波導與Si波導之間的平行耦合條件大 為寬鬆，不必形成表面鍵合，其間距可以在l微米左右，從而實現對1.55 微米波段信號的探測。
採取幹法刻蝕或溼法腐蝕的方法在Si基SOI襯底上製備Si波導3; 採用金屬蒸發的方法製備金錫合金(Auo.8Sno.2) 11， 12。
採取離子注入的方法將0+離子注入進Ge基片6中，並退火，形成 Ge02包層5;採取幹法刻蝕或溼法腐蝕的方法將Ge薄層刻蝕或腐蝕成脊 形或矩形波導4;採取離子注入或擴散的方法將III族(如硼等)併入波導 4一側、並退火，形成p型摻雜區7;採取離子注入或擴散的方法將V族 (如磷等)併入進波導4另一側、並退火成n型摻雜區8;從而在Ge平 面上形成橫向p-i-n結構；
在p型摻雜區7和n型慘雜區8上採用金屬蒸發的方法製備電極Al 或A1合金電極9、 10;
採用倒裝焊工藝，將Ge波導與Si波導對準和固定，然後進行加溫焊 接，其中，將電極9與金錫合金11對準、電極10與金錫合金12對準，
控制和固定好Ge和Si表面間的距離，整體加熱至260-460度之間，利用 金錫合金在其熔點處由薄膜轉為微球，從而自動連接Ge和Si片，並將 Ge上電信號引到Si表面。
以上所述的具缽實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行 了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而 已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1、一種製造Ge/Si混合集成的波導型光電轉換器件的方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟形成包括Si薄層(3)的Si基SOI基片；使用幹法刻蝕或溼法腐蝕的方法將Si薄層(3)刻蝕或腐蝕成第一脊形或矩形波導(3)；使用離子注入的方法，將氧離子O+注入進Ge基片(6)中、並退火，形成GeO2包層(5)；使用幹法刻蝕或溼法腐蝕的方法將Ge薄層刻蝕或腐蝕成第二脊形或矩形波導(4)；使用注入或擴散的方法，在第二脊形或矩形波導(4)的一側形成p型摻雜區(7)，在第二脊形或矩形波導(4)的另一側形成n型摻雜區(8)，從而在Ge表面上構成橫向p-i-n結構；和使用倒裝焊工藝方法，將Ge波導與Si波導對準並固定，然後進行加溫焊接。
2、 根據權利要求1所述的製造Ge/Si混合集成的波導型光電轉換器件 的方法，其特徵在於，所述SOI基片由Si襯底(1)、 Si02包層(2)、和 Si薄層(3)構成。
3、 根據權利要求1或2所述的製造Ge/Si混合集成的波導型光電轉換 器件的方法，其特徵在於，採用離子注入或擴散的方法將III族離子併入 第二脊形或矩形波導(4) 一側，形成p型摻雜區(7)，採用離子注入或 擴散的方法將V族離子併入第二脊形或矩形波導(4)的另一側，形成n 型摻雜區(8)。
4、 根據權利要求1或2所述的製造Ge/Si混合集成的波導型光電轉換 器件的方法，其特徵在於，該方法進一步包括以下步驟採用金屬蒸發的方法在p型慘雜區(7)上製備Al或Al合金電極(9) 和在n型摻雜區(8)上製備A1或A1合金電極(10);和在Si直波導(3)兩側採用金屬蒸發的方法製備金錫合金AuQ8Sna2 薄膜(11,12)。
5、 根據權利要求4所述的製造Ge/Si混合集成的波導型光電轉換器件 的方法，其特徵在於，所述倒裝焊包括如下步驟先將電極(9)與金錫合金(11)對準、電極(10)與金錫合金(12)對準，Ge波導與Si波導對準，並使Ge和Si未刻蝕表面相接觸和固定； 和將器件整體加熱至260-460度之間，對Ge表面的Al或Al合金電極 與Si上金錫合金進行倒裝焊接。
6、 一種Ge/Si混合集成的波導型光電轉換器，其特徵在於，該光電轉 換器包括具有Si薄層(3)的Si基SOI基片；第一脊形或矩形波導(3)，所述第一脊形或矩形波導(3)採用幹法 刻蝕或溼法腐蝕的方法刻蝕或腐蝕Si薄層而形成；Ge02包層(5)，所述Ge02包層(5)採用離子注入的方法將氧離子 0+注入到Ge基片(6)中並退火而形成；第二脊形或矩形波導(4)，所述第二脊形或矩形波導(4)釆用幹法 刻蝕或溼法腐蝕的方法刻蝕或腐蝕Ge薄層而形成，其中在所述第二脊形 或矩形波導(4)的一側形成p型慘雜區(7)，在所述第二脊形或矩形波 導(4)的另一側形成n型摻雜曲(8)，由此在Ge表面構成橫向p-i-n結 構。
7、 根據權利要求6所述的Ge/Si混合集成的波導型光電轉換器，其特 徵在於，採取離子注入的方法將III族離子注入進第二脊形或矩形波導(4) 的一側、並退火而形成p型摻雜區(7)，和採取離子注入的方法將V族離 子注入進第二脊形或矩形波導(4)的另一側、並退火而形成n型摻雜區(8)。
8、 根據權利要求6所述的Ge/Si混合集成的波導型光電轉換器，其特 徵在於，該光電轉換器進一步包括採用金屬蒸發的方法分別在p型摻雜區(7)上製備的Al或Al合金 電極(9)，和在n型摻雜區(8)上製備的Al或Al合金電極(10);和採用金屬蒸發的方法在Si直波導(3)兩側分別製備的金錫合金 Au0.8Sno.2 (11， 12)，其中採用倒裝焊技術將Ge表面的Al或Al-合金電極(9， 10)與Si表面 的金錫合金(ll， 12)進行焊接，從而將電信號從Ge表面引到Si表面上。 9、根據權利要求6、 7或8所述的Ge/Si混合集成的波導型光電轉換 器件，其特徵在於，所述SOI基片由Si襯底(1)、 Si02包層(2)和Si薄層構成。
全文摘要
本發明涉及光電轉換器技術領域，公開了一種Ge/Si混合集成的波導型光電轉換器，Ge/Si混合集成的波導型光電轉換器由一Si基SOI波導(3)和一Ge基橫向p-i-n結構倒裝焊接而成，其中Ge橫向p-i-n結構是由波導本徵區(4)，和波導兩側的p、n摻雜區(7，8)組成；光信號從Si波導(3)輸入，通過消逝場耦合到Ge波導(4)中，並在Ge的p-i-n結構中進行光電轉換。本發明同時公開了一種Ge/Si混合集成的波導型光電轉換器的製造方法。利用本發明，可以在通信波段實現光電轉換器件與微電子晶片的集成；同時，可提高光電轉換器的響應度、頻率響應和靈敏度。
文檔編號G02B6/10GK101393944SQ20071012197
公開日2009年3月25日 申請日期2007年9月19日 優先權日2007年9月19日
發明者韓培德 申請人:中國科學院半導體研究所