基于光子晶体的波导型锗光电探测器及制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于光子晶体的波导型锗光电探测器及制备方法，所述锗光电探测器包括：硅波导结构；锗光电探测器，连接于所述硅波导结构，所述锗光电探测器的锗吸收区及所述锗吸收区外围的周边硅材料区中具有周期性排列的介质材料，以形成具有慢光效应的光子晶体结构。本发明专利技术与传统波导型锗光电探测器相比，可以实现更高效的光吸收效率，通过减小器件尺寸，实现低暗电流、低电容和高响应度光电探测器制备。器制备。器制备。

【技术实现步骤摘要】
基于光子晶体的波导型锗光电探测器及制备方法


[0001]本专利技术属于半导体制造领域及光通讯领域，特别是涉及一种基于光子晶体的波导型锗光电探测器及制备方法。

技术介绍

[0002]光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于光通信、射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。
[0003]锗(Ge)光电探测器，因其容易实现与硅(Si)的集成，在光通信、光互联和光传感等领域有着广泛的应用。然而，锗(Ge)材料与硅(Si)材料之间存在着大的晶格失配，外延生长高质量锗(Ge)材料极具挑战。最近的研究表面，在窄的沟道中外延生长锗(Ge)材料，线性位错会在沟道侧壁湮灭，从而保证高质量锗(Ge)材料外延生长。受限于锗(Ge)材料在C、L通信波段相对较低的吸收系数，为了实现高的响应度，探测器必须足够长，这使得探测器的高速特性和暗电流难以进一步优化。

技术实现思路

[0004]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于光子晶体的波导型锗光电探测器及制备方法，用于解决现有技术中锗光电探测器的电容和暗电流难以进一步优化问题。
[0005]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于光子晶体的波导型锗光电探测器，所述锗光电探测器包括：硅波导结构；锗光电探测器，连接于所述硅波导结构，所述锗光电探测器的锗吸收区及所述锗吸收区外围的周边硅材料区中具有周期性排列的介质材料，以形成具有慢光效应的光子晶体结构。
[0006]可选地，所述硅波导结构与所述光子晶体结构的周边硅材料区连接，且所述锗吸收区正对于所述硅波导结构。
[0007]可选地，所述周边硅材料区的光通过直接耦合或消逝波耦合方式进入所述锗吸收区。
[0008]可选地，所述锗光电探测器包括：锗吸收区，所述锗吸收区外围具有周边硅材料区，所述锗吸收区具有相对的第一端及第二端，以及相对的第一侧及第二侧，所述锗吸收区的第一端与所述硅波导结构相对设置；第一接触层及第二接触层，分别形成于所述锗吸收区的第一侧及第二侧的所述周边硅材料区中；第一电极及第二电极，分别形成于所述第一接触层及第二接触层上。
[0009]可选地，所述锗吸收区的材料包括SiGe、Ge、GeSn及GePb中的一种。
[0010]可选地，所述介质材料呈圆柱形垂直贯穿所述锗吸收区及所述周边硅材料区。
[0011]可选地，所述介质材料与所述锗吸收区及所述周边硅材料区形成具有周期性结构的谐振腔。
[0012]可选地，所述介质材料包括二氧化硅。
[0013]本专利技术还提供一种基于光子晶体的波导型锗光电探测器的制备方法，所述制备方法包括步骤：步骤1)，提供一SOI衬底，在所述SOI衬底的顶硅层上刻蚀出硅波导结构；步骤2)，在所述SOI衬底的顶硅层以刻蚀出锗基材料选择性外延区域，所述锗基材料选择性外延区域底部保留部分厚度的顶硅层底层；步骤3)，在所述锗基材料选择性外延区域选择性外延生长锗吸收区，采用离子注入及退火方法在所述锗吸收区外围的周边硅材料区中形成第一接触层及第二接触层；步骤4)，通过光刻及刻蚀工艺在所述锗吸收区及周边硅材料区形成周期性排列的凹槽，并在所述凹槽中填充介质材料，以形成具有慢光效应的光子晶体结构；步骤5)，通过光刻及刻蚀方法在所述第一接触层及所述第二接触层中定义第一电极区域及第二电极区域，并形成第一电极及第二电极。
[0014]可选地，所述锗吸收区的高度大于所述锗基材料选择性外延区域的深度。
[0015]如上所述，本专利技术的基于光子晶体的波导型锗光电探测器及制备方法，具有以下有益效果：
[0016]本专利技术在波导型锗光电探测器中引入光子晶体结构，由于周期性结构构成的谐振腔具有慢光的效应，可以提高探测器吸收效率，减小探测器尺寸，更容易实现低暗电流、低电容和高响应度光电探测器制备。同时，周期性锗/介质层(如二氧化硅等)结构可以有效降低锗材料的应力，有利于提高锗材料质量。
[0017]本专利技术与传统波导型锗光电探测器相比，可以实现更高效的光吸收效率，通过减小器件尺寸，实现低暗电流、低电容和高响应度光电探测器制备。
附图说明
[0018]如图1～图3显示为本专利技术实施例的基于光子晶体的波导型锗光电探测器的结构示意图，其中，图2显示为图1在A-A
’
处的截面结构示意图，图3显示为图1在B-B
’
处的截面结构示意图。
[0019]图4显示为本专利技术实施例的基于光子晶体的波导型锗光电探测器的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。
[0020]元件标号说明
[0021]10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
硅波导结构
[0022]20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
锗光电探测器
[0023]201
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
介质材料
[0024]202
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
锗吸收区
[0025]203
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
周边硅材料区
[0026]204
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一接触层
[0027]205
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二接触层
[0028]206
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一电极
[0029]207
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二电极
[0030]210
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
底硅层
[0031]211
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
绝缘层
[0032]212
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
顶硅层
[0033]30
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
反射结构
[0034]S11～S15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
步骤1)～步骤5)
具体实施方式
[0035]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。
[0036]如在详述本专利技术实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本专利技术保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0037]为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光子晶体的波导型锗光电探测器，其特征在于，所述锗光电探测器包括：硅波导结构；锗光电探测器，连接于所述硅波导结构，所述锗光电探测器的锗吸收区及所述锗吸收区外围的周边硅材料区中具有周期性排列的介质材料，以形成具有慢光效应的光子晶体结构。2.根据权利要求1所述的基于光子晶体的波导型锗光电探测器，其特征在于：所述硅波导结构与所述光子晶体结构的周边硅材料区连接，且所述锗吸收区正对于所述硅波导结构。3.根据权利要求1所述的基于光子晶体的波导型锗光电探测器，其特征在于：所述周边硅材料区的光通过直接耦合或消逝波耦合方式进入所述锗吸收区。4.根据权利要求1所述的基于光子晶体的波导型锗光电探测器，其特征在于：所述锗光电探测器包括：锗吸收区，所述锗吸收区外围具有周边硅材料区，所述锗吸收区具有相对的第一端及第二端，以及相对的第一侧及第二侧，所述锗吸收区的第一端与所述硅波导结构相对设置；第一接触层及第二接触层，分别形成于所述锗吸收区的第一侧及第二侧的所述周边硅材料区中；第一电极及第二电极，分别形成于所述第一接触层及第二接触层上。5.根据权利要求1所述的基于光子晶体的波导型锗光电探测器，其特征在于：所述锗吸收区的材料包括SiGe、Ge、GeSn及GePb中的一种。6.根据权利要求1所述的基于光子晶体的波导型锗光电探测器，其特征在于：所述介质材料呈圆柱...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪巍，方青，涂芝娟，曾友宏，蔡艳，余明斌，
申请(专利权)人：上海新微技术研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：