光栅耦合型Ge系近红外波导探测器及其制备方法技术

本发明专利技术提供的一种光栅耦合型Ge系近红外波导探测器及其制备方法，通过生长Si层和SiO2层，使得Si层与SiO2层构成布拉格反射镜结构提高耦合效率，在P型Si材料层刻蚀形成的聚焦型非均匀光栅结构，在P型Si材料层与GeSn合金材料之间生长一层较薄的掺杂浓度低于P型Si材料层Ge材料缓冲层，降低晶格失配的影响以及减少俄歇复合产生的光损耗，生成的本征Ge

【技术实现步骤摘要】
光栅耦合型Ge系近红外波导探测器及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体光电子
，具体涉及一种光栅耦合型Ge系近 红外波导探测器及其制备方法。

技术介绍

[0002]光电探测器是Si基光电有源器件之一，在很多应用领域中都是关键模块， 根据不同材料对不同波段的吸收特性，器件可以实现从紫外、可见到红外光 的探测。其中，在1100～2500nm波段的近红外光电探测器相比可见光具有更 强的穿透大气中浓雾和大量沙尘的能力，相比于中红外与远红外可以低损 耗实现无背景物体的分辨，在生物传感与模式识别、夜视成像、大气遥感、 光纤通信、片上光互连等领域都有应用。
[0003]现有的光电探测器的关注点主要集中于单个器件性能的提高上，如波 段、响应度、转换效率、暗电流和带宽等。
[0004]在不同的光波段方面，2012年，现有技术研究了一种基于Si衬底生长的 Ge/GeSn多量子阱光电导探测器，光探测范围0.75～2.4μm，
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5V偏置下2.2 μm的响应度为0.1A/W，表明了GeSn/Ge异质结可以用于发展短波红外应用 的波导集成型探测器。2017年，现有技术研究了一种GeSn/Ge MQW波导 探测器。利用赝晶生长的GeSn/Ge多量子阱结构代替纯GeSn薄膜作为吸 收层，GeSn阱的厚度10nm，势垒层Ge的厚度15nm，Sn组分2.8％， 同比纯GeSn有源吸收层的探测器相比，暗电流密度能有效减小，并且响 应谱扩展到U波段。
[0005]在提高响应度和转换效率方面，2014年，现有技术研究了一种GeSn PiN 波导探测器，器件整体基于Si称底，利用分子束外延技术(Molecular BeamEpitaxy,MBE)两步法生长高质量薄Ge虚拟衬底，随后温度降到150℃用于 GeSn的生长。GeSn的厚度为300nm，Sn组分测量结果为1.78％，与相同结构 参数的Ge探测器相比，GeSn探测器在测量的光探测范围内具有更高的响应 度。2019年，现有技术研究了一种基于SOI利用RMG技术制备的Ge/Ge/Si横 向配置的PiN结构波导探测器。这种结构通过对SOI台面刻蚀到Si层，然后利 用磁控溅射法在Si衬底上形成Ge台面。对这种结构的器件表征显示采用硅 基集成电路制造工艺可以制备出高质量的Ge台面，具有较高的光电转换效 率和响应度。
[0006]在降低暗电流方面，2015年现有技术研究了一种GeSn MSM光电探测器， 该器件采用对接耦合配置，在SOI波导上用快速熔融生长法制备。GeSn的厚 度为260nm，长度为3μm，Sn的组分约为2％。与纯Ge器件相比，在长波 长下表现出更大的光响应。
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5.4V偏压下，带宽为6.2GHz，暗电流为37μ A。2016年，现有技术研究了一种采用45nm SOI工艺制备了具有微环谐振 增强作用的GeSi波导耦合型探测器，5μm微环半径实现波长为1176.9nm 的光探测，响应度0.55A/W，
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4V偏压下带宽为5GHz，暗电流小于20pA。
[0007]在提高带宽方面，2016年，现有技术研究了一种160nm超薄Ge波导探 测器，光从220nm厚、450nm宽的单模Si波导耦合到SOI波导上的Ge，并使 用Si锥形波导和120nm厚的多晶Si锥增强光吸收。
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1V偏压下，1550nm处响 应度为0.93A/W，暗电流小于4nA，带宽为67GHz。2017年，现有技术研究 了一种倏逝耦合结构Ge探测器，并在Si波导末端制备布拉格
反射镜，使光能 通过布拉格反射镜反射形成二次吸收。器件长度5μm在1550光照下的响应 度为0.72A/W，暗电流仅7nA，带宽为31.7GHz。
[0008]现有技术对于光探测器研究的关注点主要集中于单个器件性能的提高 上，但对于波导探测器来说，光源从光纤出射到波导，经过波导的传播到最 终入射到Ge探测器，整个过程存在很大的传播损失。
[0009]现有技术在面向Si基光电集成应用时不能有效的减小这部分传播损失， 使得波导到探测器的耦合效率较低。并且GeSn合金材料有源层近红外低吸 收和高表面复合导致光电探测器的光电探测效率低、暗电流过大、带宽较窄 和响应速度较慢等问题。

技术实现思路

[0010]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种光栅耦合型 Ge系近红外波导探测器及其制备方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下 技术方案实现：
[0011]第一方面，本专利技术提供的一种光栅耦合型Ge系近红外波导探测器包括：
[0012]自上而下依次设置的Si衬底、构成布拉格反射镜结构的Si层和SiO2层、 SiO2材料层以及P型Si材料层；
[0013]在所述P型Si材料层上的刻蚀区域刻蚀的聚焦型非均匀光栅结构；
[0014]其中，所述聚焦型非均匀光栅结构呈扇环形状，在聚焦型非均匀光栅结 构中光栅从扇环内环至外环逐渐稀疏，扇环内环与未刻蚀区域连接处呈现 圆筒形状；
[0015]在所述P型Si材料层上的未刻蚀区域自下而上依次设置的P型Ge材料层、 本征Ge层、本征Ge
0.94
Sn
0.06
材料层以及N型Ge
0.94
Sn
0.06
合金材料层；
[0016]在所述N型Ge
0.94
Sn
0.06
合金材料层、所述N型Ge
0.94
Sn
0.06
合金材料层两侧 位于所述P型Si材料层上淀积的金属电极。
[0017]其中，构成布拉格反射镜结构的Si层和SiO2层的厚度分别为268nm和 111nm；
[0018]所述SiO2材料层的厚度为3um，所述P型Ge材料层的厚度为50nm，本征 Ge层的厚度为100nm，所述本征Ge
0.94
Sn
0.06
材料层的厚度为300nm，所述N型 Ge
0.94
Sn
0.06
合金材料层的厚度为50nm。
[0019]第二方面，本专利技术提供的一种光栅耦合型Ge系近红外波导探测器的制 备方法包括：
[0020]步骤1：获取Si衬底；
[0021]步骤2：在所述Si衬底采用PECVD技术生长Si层和SiO2层，使得Si层与 SiO2层构成布拉格反射镜结构；
[0022]步骤3：在生长出的Si层上生长一层厚度为3um的SiO2材料层；
[0023]步骤4：使用低温MBE技术在所述SiO2材料层上生长P型Si材料层；
[0024]步骤5：使用氮化硅(Si3N4)作为掩膜版，在所述P型Si材料层上确定光 刻区域；
[0025]步骤6：在所述光刻区域刻蚀形成聚焦型非均匀光栅结构；
[0026]其中，所述聚焦型非均匀光栅结构呈扇环形状，在聚焦型非均匀光栅结 构中光栅从扇环内环至外环逐渐稀疏，扇环内本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光栅耦合型Ge系近红外波导探测器，其特征在于，包括：自上而下依次设置的Si衬底、构成布拉格反射镜结构的Si层和SiO2层、SiO2材料层以及P型Si材料层；在所述P型Si材料层上的刻蚀区域刻蚀的聚焦型非均匀光栅结构；其中，所述聚焦型非均匀光栅结构呈扇环形状，在聚焦型非均匀光栅结构中光栅从扇环内环至外环逐渐稀疏，扇环内环与未刻蚀区域连接处呈现圆筒形状；在所述P型Si材料层上的未刻蚀区域自下而上依次设置的P型Ge材料层、本征Ge层、本征Ge
0.94
Sn
0.06
材料层以及N型Ge
0.94
Sn
0.06
合金材料层；在所述N型Ge
0.94
Sn
0.06
合金材料层、所述N型Ge
0.94
Sn
0.06
合金材料层两侧位于所述P型Si材料层上淀积的金属电极。2.根据权利要求1所述的光栅耦合型Ge系近红外波导探测器，其特征在于，构成布拉格反射镜结构的Si层和SiO2层的厚度分别为268nm和111nm；所述SiO2材料层的厚度为3um，所述P型Ge材料层的厚度为50nm，本征Ge层的厚度为100nm，所述本征Ge
0.94
Sn
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材料层的厚度为300nm，所述N型Ge
0.94
Sn
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合金材料层的厚度为50nm。3.一种光栅耦合型Ge系近红外波导探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：步骤1：获取Si衬底；步骤2：在所述Si衬底采用PECVD技术生长Si层和SiO2层，使得Si层与SiO2层构成布拉格反射镜结构；步骤3：在生长出的Si层上生长一层厚度为3um的SiO2材料层；步骤4：使用低温MBE技术在所述SiO2材料层上生长P型Si材料层；步骤5：使用氮化硅Si3N4作为掩膜版，在所述P型Si材料层上确定光刻区域；步骤6：在所述光刻区域刻蚀形成聚焦型非均匀光栅结构；其中，所述聚焦型非均匀光栅结构呈扇环形状，在聚焦型非均匀光栅结构中光栅从扇环内环至外环逐渐稀疏，扇环内环与未刻蚀区域连接处呈现圆筒形状；步骤7：刻蚀掉作为...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒斌，张二同，朱佳迪，胡辉勇，王利明，景文龙，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：