全矽波導型光電轉換器及其製造方法

2023-05-20 00:24:11

專利名稱：全矽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，尤其涉及一種與互補式金屬-氧化層
-半導體(CMOS)工藝兼容的1.55波段全矽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，對大於l(im波長的光波不 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，對小於lpm波長的光波，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卜x strained-layer superlattice waveguide photo- detectors operating near 1.3jim" ， 屍/2j^'cs丄e"e^, 48: 963-65， 1986)，其優勢是可以照搬立式器件中各種材料 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中形成雙空位絡合物(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/.fl/.，"Divacancy annealing in Si: Influence of hydrogen",屍/^/c"/i ev/ew 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1.55pm 的響應度為9mA/W (J.D.B.Bradley, d.a/., "Silicon waveguide-integrated optical power monitor with enhanced sensitivity at 1550nrn",々一W屍一/" 丄e"ers, 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 1.27-1.74pm， 1.55pm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", 鵬￡屍/20幽."rec/wo/ogy丄麼"，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，器件過長(約lmm)，對於橫截面面積為0.5x0.22平方微 米的波導，在Si片上延伸2000倍，是不易於器件製備的；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絡合 物缺陷、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，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全矽波導型光電轉換器
件，尤其是與CMOS工藝兼容的1.55微米波段的全矽波導型光電轉換器 件，以深能級光吸收的方法突破Si光電探測器所受1.12eV禁帶寬度的制 約。
本發明的另一個目的在於提供一種全矽波導型光電轉換器件的製造 方法，尤其是與CMOS工藝兼容的1.55微米波段的全矽波導型光電轉換 器件的製造方法，以便在Si上實現通信信號接收器件與微電子晶片的集 成。
(二)技術方案
為達到上述一個目的，本發明提供了一種製造全矽波導型光電轉換器
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刻蝕成直波導3和彎曲波
導8;
使用離子注入的方法，在直波導3的表面上注入矽離子(Si+)、銀離 子(Ag+)或氫離子(H+)，並退火，形成具有深能級的絡合物缺陷；
使用刻蝕方法，在直波導3兩端製備分布式Bragg反射光柵，使直波 導3成為諧振腔；
使用離子注入或擴散的方法，在直波導3 —側注入或擴散III族離子 並退火，形成p型摻雜區4，和在直波導3另一側注入或擴散V族離子並 退火，形成n型摻雜區5，從而在基片表層上構成橫向p-i-n結構。
上述方案中，所述SOI基片由自下至上依次布置的Si襯底1、 Si02 下包層2、和Si薄層3構成。
上述方案中，所述p型摻雜區4和所述n型摻雜區5分別在其上設置 有採用金屬蒸發的方法局部製備的Al或Al合金電極。
上述方案中，所述彎曲波導8與直波導相切，彎曲波導8外埠為光 波入射端，光波通過彎曲波導8併入直波導諧振腔3。
上述方案中，所述分布式Bragg反射光柵具有周期條形槽，從而對通 信光波形成高反射。
上述方案中，在兩個反射光柵之間的諧振腔3的腔長滿足通信波長的
整數倍。
上述方案中，所述通信光波，其波長為1.55微米波段。 為達到上述另一個目的，本發明提供了一種全矽波導型光電轉換器， 具有包括Si薄層3的Si基SOI基片，該光電轉換器包括
直波導3和彎曲波導8，所述直波導3和彎曲波導8通過幹法刻蝕或 溼法腐蝕所述Si薄層3形成，其中在直波導3兩端設置有分布式Bragg 反射光柵從而直波導3成為諧振腔，且在直波導3的表面上注入Si離子並 退火以形成深能級缺陷；
形成在直波導3的一側的p型摻雜區4和形成在直波導3的另一側的 n型摻雜區5，從而在Si表層形成橫向p-i-n結構。
上述方案中，所述p型摻雜區4通過在直波導3的一側注入或擴散硼 離子B+並退火而形成，所述n型摻雜區5通過在直波導3的另一側注入或 擴散磷離子P+而形成。
上述方案中，所述SOI基片由自下至上依次布置的Si襯底1、 Si02 下包層2和Si薄層3構成。
上述方案中，所述p型摻雜區4和所述n型摻雜區5分別在其上具有 局部採用金屬蒸發的方法製備的Al或Al合金電極。
上述方案中，所述彎曲波導8與直波導相切，彎曲波導8外埠為光 波入射端，光波通過彎曲波導8併入直波導諧振腔3。
上述方案中，所述彎曲波導8的彎曲半徑的大小正比於返回的光波的 信號的強弱。
上述方案中，所述分布式Bragg反射光柵具有周期條形槽，從而對通 信光波形成高反射。
上述方案中，在兩個反射光柵之間的諧振腔3的腔長滿足通信波長的 整數倍。
上述方案中，所述通信光波的波長在1.55微米波段。
(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，可以將彎曲波導作為光電轉換器入射口，彎曲波導
與直波導相切，光波通過彎曲波導輸入直波導諧振腔，而由直波導諧振腔 傳播到彎曲波導的光波則很少，其強度與彎曲波導成正比。因此由直波導 諧振腔和彎曲波導結合起來的"r"形器件具有近似的單向通光特性。
2、 利用本發明，可以在直波導兩端設置布式布拉格(Bmgg)高反射 光柵，根據光子晶體高階禁帶和介電質周期場理論，在Si波導上刻蝕或腐 蝕微小周期條形槽，從而對1.55微米波段的光波形成高反射；
3、 利用本發明，可以在兩個分布式Bmgg高反射光柵之間形成諧振 腔，諧振腔腔長滿足通信波長(如1.55微米)的整數倍，使其形成諧振。
4、 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。
5、 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，形成平面集成迴路；
6、 利用本發明，光電探測器件的製備可以與CMOS工藝兼容，從而 可與微電子晶片集成。


圖1是本發明的全矽波導型光電轉換器件結構垂直波導的橫截面和
圖2是是本發明的全矽波導型光電轉換器件結構垂直波導的俯視圖。
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。
圖1為本發明提供的一種全矽波導型光電轉換器件結構的垂直波導的 橫截面圖，優選地，該全矽波導型光電轉換器件適於1.55微米波段。整個 器件製備在Si基SOI襯底上，從下至上依次為Si襯底1、 Si02下包層2 和Si脊形波導3;波導左側為p型摻雜區4和Al或Al合金電極6，波導 右側為n型摻雜區5和Al或AI合金電極7。
圖2是本發明的1.55微米波段全Si波導型光電轉換器件結構垂直波 導的俯視圖，波導由彎曲波導8和直波導3構成，直波導3兩端為分布式
布拉格光柵(Distributed Bragg Raster,簡稱DBR) 9、 10，反射光柵之間 為諧振腔，從而直波導3為諧振腔，諧振腔腔長為諧振波長的整數倍，光 波在諧振腔中通過諧振來加強缺陷光吸收、並縮短器件尺寸；直波導3兩 側則與圖1中相同，波導左側為p型摻雜區4和Al或Al合金電極6，波 導右側為n型摻雜區5和Al或Al合金電極7，從而在Si平面上形成橫向 p-i-n結構。這種橫向p-i-n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。
採取幹法刻蝕或溼法腐蝕的方法將Si薄層3刻蝕成直波導3和彎曲波 導8;進一步在Si薄層3兩端刻蝕或腐蝕分布式Bmgg反射光柵9、 10， 使直波導3為諧振腔。另外，彎曲波導8與直波導3相切，並與直波導構 成"r"形波導，從彎曲波導入射的光波可以全部進入直波導，而從直波導 回傳的光波只有很少一部分可以進入彎曲波導。因此，可以說"r"形波導 具有近似的單向光波傳輸特性；另一方面，由於信號輸入不經過DBR，可 以製備高反射率的DBR，使諧振特性更好。
使用離子(如硼離子B+)注入或擴散的方法，在波導3 —側注入或擴 散ni族離子並退火，形成p型摻雜區4;並在其上局部採用金屬蒸發的方 法製備Al或Al合金電極6;
使用離子(如磷離子P+)注入或擴散的方法，在波導3另一側注入或 擴散V族離子並退火成n型摻雜區5;並在其上局部採用金屬蒸發的方法 製備Al或Al合金電極7，從而在Si平面上形成橫向p-i-n結構；
在直波導3上注入Si+離子、銀離子Ag+或氫離子(H+)等，退火後 形成雙空位絡合物(divacancy complex)缺陷、價帶電子在光子(如1.55 微米波段)激發下躍遷到缺陷深能級(缺陷光吸收)，然後，電子在深能 級上跳躍遷移；或者，在深能級上的電子受到二次光激發，將其送入導帶， 從而形成二次光激發的缺陷光電導。
需要注意的是，以上所述的具體實施例，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、一種製造全矽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)刻蝕成直波導(3)和彎曲波導(8)；使用離子注入的方法，在直波導(3)的表面上注入矽離子(Si+)、銀離子(Ag+)或氫離子(H+)，並退火，形成具有深能級的絡合物缺陷；使用刻蝕方法，在直波導(3)兩端製備分布式Bragg反射光柵(9、10)，使直波導(3)成為諧振腔；使用離子注入或擴散的方法，在直波導(3)一側注入或擴散III族離子並退火，形成p型摻雜區(4)，和在直波導(3)另一側注入或擴散V族離子並退火，形成n型摻雜區(5)，從而在基片表層上構成橫向p-i-n結構。
2、 根據權利要求1所述的製造全矽波導型光電轉換器件的方法，其 特徵在於，所述SOI基片由自下至上依次布置的Si襯底(1)、 Si02下包 層(2)、和Si薄層(3)構成。
3、 根據權利要求1所述的製造全矽波導型光電轉換器件的方法，其 特徵在於，所述p型摻雜區(4)和所述n型摻雜區(5)分別在其上設置 有採用金屬蒸發的方法局部製備的A1或A1合金電極(6、 7)。
4、 根據權利要求1所述的製造全矽波導型光電轉換器件的方法，其 特徵在於，所述彎曲波導(8)與直波導相切，彎曲波導(8)外埠為光 波入射端，光波通過彎曲波導(8)併入直波導諧振腔(3)。
5、 根據權利要求1所述的製造全矽波導型光電轉換器件的方法，其 特徵在於，所述分布式Bragg反射光柵具有周期條形槽，從而對通信光波形成高 反射。
6、 根據權利要求5所述的製造全矽波導型光電轉換器件的方法，其 特徵在於，在兩個反射光柵之間的諧振腔(3)的腔長滿足通信波長的整數倍。
7、 根據權利要求5或6所述的製造全矽波導型光電轉換器件的方法，其特徵在於，所述通信光波，其波長為1.55微米波段。
8、 一種全矽波導型光電轉換器，具有包括Si薄層(3)的Si基SOI基片，其特徵在於，該光電轉換器包括直波導(3)和彎曲波導(8)，所述直波導(3)和彎曲波導(8)通 過幹法刻蝕或溼法腐蝕所述Si薄層(3)形成，其中在直波導(3)兩端 設置有分布式Bragg反射光柵(9、 10)從而直波導(3)成為諧振腔，且 在直波導(3)的表面上注入Si離子並退火以形成深能級缺陷；形成在直波導(3)的一側的p型摻雜區(4)和形成在直波導(3) 的另一側的n型摻雜區(5)，從而在Si表層形成橫向p-i-n結構。
9、 根據權利要求8所述的全矽波導型光電轉換器，其特徵在於，所 述p型摻雜區(4)通過在直波導(3)的一側注入或擴散硼離子B+並退火 而形成，所述n型摻雜區(5)通過在直波導(3)的另一側注入或擴散磷 離子P+而形成。
10、 根據權利要求8或9所述的全矽波導型光電轉換器，其特徵在於， 所述SOI基片由自下至上依次布置的Si襯底(1)、 Si02下包層(2)和Si 薄層(3)構成。
11、 根據權利要求9所述的全矽波導型光電轉換器，其特徵在於，所 述p型摻雜區(4)和所述n型摻雜區(5)分別在其上具有局部採用金屬 蒸發的方法製備的A1或A1合金電極(6、 7)。
12、 根據權利要求8所述的全矽波導型光電轉換器，其特徵在於，所 述彎曲波導(8)與直波導相切，彎曲波導(8)外埠為光波入射端，光 波通過彎曲波導(8)併入直波導諧振腔(3)。
13、 根據權利要求12所述的全矽波導型光電轉換器，其特徵在於， 所述彎曲波導(8)的彎曲半徑的大小正比於返回的光波的信號的強弱。
14、 根據權利要求8所述的全矽波導型光電轉換器，其特徵在於，所 述分布式Bragg反射光柵具有周期條形槽，從而對通信光波形成高反射。
15、 根據權利要求8所述的全矽波導型光電轉換器，其特徵在於，在 兩個反射光柵之間的諧振腔(3)的腔長滿足通信波長的整數倍。
16、根據權利要求14或15所述的全矽波導型光電轉換器件，其特徵 在於，所述通信光波的波長在1.55微米波段。
全文摘要
本發明涉及光電轉換器技術領域，公開了一種與互補式金屬-氧化層-半導體(CMOS)工藝兼容的1.55波段全矽波導型光電轉換器件，其中光吸收是通過Si離子注入Si後形成絡合物深能級缺陷來進行的，從而突破Si光電子器件所受1.12eV禁帶寬度的制約；器件結構是在Si基SOI基片上，以注入了Si離子的直波導為本徵區(i)，左右各為n型和p型摻雜區(n，p)，在表層構成橫向p-i-n結構；以彎曲波導作為信號輸入部分，以直波導作為光吸收部分，並在直波導兩端設置分布式Bragg反射光柵，使光信號在直波導中共振以加強光吸收。本發明同時公開了一種全矽波導型光電轉換器件的製造方法，利用該方法可以在Si上實現通信信號接收器件與微電子晶片的集成。
文檔編號H01L31/105GK101393945SQ20071012197
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