CN101393945A - 全硅波导型光电转换器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电转换器技术领域，公开了一种与互补式金属－氧化层－半导体(CMOS)工艺兼容的1.55波段全硅波导型光电转换器件，其中光吸收是通过Si离子注入Si后形成络合物深能级缺陷来进行的，从而突破Si光电子器件所受1.12eV禁带宽度的制约；器件结构是在Si基SOI基片上，以注入了Si离子的直波导为本征区(i)，左右各为n型和p型掺杂区(n，p)，在表层构成横向p－i－n结构；以弯曲波导作为信号输入部分，以直波导作为光吸收部分，并在直波导两端设置分布式Bragg反射光栅，使光信号在直波导中共振以加强光吸收。本发明同时公开了一种全硅波导型光电转换器件的制造方法，利用该方法可以在Si上实现通信信号接收器件与微电子芯片的集成。
Description
技术领域
本发明涉及光电转换器技术领域，尤其涉及一种与互补式金属-氧化层-半导体(CMOS)工艺兼容的1.55波段全硅波导型光电转换器及其制造方法。
背景技术
随着高密度、大容量数据传输和运算的发展，将光电子与微电子集成在一个芯片上的优势越来越明显、需求越来越迫切，它对我国国民经济的发展、国家安全和科学进步起着重要的支撑作用。为此，人们使用成熟的Si工艺和Si在通信波段的透明特性，在Si基SOI波导上研制出大量的光无源器件。然而，在Si基光有源器件方面的研究进展缓慢，其原因不仅是由于Si的间接带隙导致其光吸收和跃迁率低，对大于1μm波长的光波不吸收，而且在结构上也不易于与Si波导集成。
Si基光电探测器是Si基光电子集成中接收光信号、并将其转换成电信号的器件，对小于1μm波长的光波，Si基光电探测器具有响应快、探测灵敏度高、暗电流小和频带宽的特点，而且易于同场效应晶体管(FET)和异质结双极晶体管(HBT)一起构成混合集成光电子电路，以共同完成光探测和光信号放大的作用，是单片集成***中不可缺少的部分。
在通信波段，Si基光电探测器的有源区材料主要采用Ge，这是由于Ge具有良好的光吸收特性、高载流子迁移率、并易于Si工艺兼容的优点。但是Ge与Si的晶格失配高达4％，直接生长有一定的困难；其次，通常的分立器件都是用来探测垂直于薄膜表面光信号的，无法与平面光波导集成；第三，在分立器件中光吸收要求本征层厚与载流子漂移要求本征层薄相矛盾；第四，分立器件所用工艺不与互补式金属-氧化层-半导体(CMOS)工艺兼容，进而无法与微电子集成。针对这些不足，许多研究者开发出与波导连接的横向器件，其大至可分为两类：一类是早期借助外延生长而上下叠放的pn或p-i-n型结构(H.Temkin，et.al.，“GexSi1-x strained-layersuperlattice waveguide photo-detectors operating near 1.3μm”，AppliedPhysics Letters，48：963-65，1986)，其优势是可以照搬立式器件中各种材料生长来满足横向器件需要，不足之处是与CMOS兼容性差，其顶部金属电极对光信号吸收强烈而产生损耗；另一类则是近来发展起来的横向p-i-n结构，它是利用离子注入的方式在Si中形成双空位络合物(divacancycomplex)缺陷，价带电子在吸收了光子后跃迁至深能级(缺陷光吸收)(E.V.Monakhov，et.al.，“Divacancy annealing in Si：Influence ofhydrogen”，Physical Review B，69：153202，2006)，以及饱和后释放电子，其最大优势是与CMOS兼容、与光电子集成，尽管缺陷光吸收的效率低下，但可以通过延长吸收波导来补偿。加拿大McMaster大学工程物理系的研究小组采用第二类横向p-i-n结构制备出了光电探测器，其波长在1.55μm的响应度为9mA/W(J.D.B.Bradley，et.al.，“Silicon waveguide-integratedoptical power monitor with enhanced sensitivity at 1550nm”，Applied PhysicsLetters，86：241103，2005)；美国MIT的Lincoln实验室对前者波导细化，使光生载流子的渡越时间缩短，得到了更好的结果，其器件工作波长在1.27-1.74μm，1.55μm处的响应度为800mA/W，3dB带宽为10-20GHz(M.W.Gleis，etal.，“CMOS-compatible all-Si high-speed waveguidephotodiodes with high responsivity in near-infrared communication band”，IEEE Photonics Technology Letters，19(3)：152-54，2007)。
尽管Si基光电探测器有很大的进展，但仍存在着一些问题和有待改进的地方。首先，器件过长(约1mm)，对于横截面面积为0.5×0.22平方微米的波导，在Si片上延伸2000倍，是不易于器件制备的；其次，电子输运机理不明，原理上Si波导吸收是由于Si+离子注入后引起的双空位络合物缺陷、价带电子吸收光子后跃迁至缺陷深能级，但电子从深能级如何输运到电极上并不清楚，这使得器件制备具有盲目性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种全硅波导型光电转换器件，尤其是与CMOS工艺兼容的1.55微米波段的全硅波导型光电转换器件，以深能级光吸收的方法突破Si光电探测器所受1.12eV禁带宽度的制约。
本发明的另一个目的在于提供一种全硅波导型光电转换器件的制造方法，尤其是与CMOS工艺兼容的1.55微米波段的全硅波导型光电转换器件的制造方法，以便在Si上实现通信信号接收器件与微电子芯片的集成。
(二)技术方案
为达到上述一个目的，本发明提供了一种制造全硅波导型光电转换器件的方法，该方法包括以下步骤：
形成包括Si薄层3的Si基SOI基片；
使用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法将Si薄层3刻蚀成直波导3和弯曲波导8；
使用离子注入的方法，在直波导3的表面上注入硅离子(Si+)、银离子(Ag+)或氢离子(H+)，并退火，形成具有深能级的络合物缺陷；
使用刻蚀方法，在直波导3两端制备分布式Bragg反射光栅，使直波导3成为谐振腔；
使用离子注入或扩散的方法，在直波导3一侧注入或扩散III族离子并退火，形成p型掺杂区4，和在直波导3另一侧注入或扩散V族离子并退火，形成n型掺杂区5，从而在基片表层上构成横向p-i-n结构。
上述方案中，所述SOI基片由自下至上依次布置的Si衬底1、SiO2下包层2、和Si薄层3构成。
上述方案中，所述p型掺杂区4和所述n型掺杂区5分别在其上设置有采用金属蒸发的方法局部制备的Al或Al合金电极。
上述方案中，所述弯曲波导8与直波导相切，弯曲波导8外端口为光波入射端，光波通过弯曲波导8并入直波导谐振腔3。
上述方案中，所述分布式Bragg反射光栅具有周期条形槽，从而对通信光波形成高反射。
上述方案中，在两个反射光栅之间的谐振腔3的腔长满足通信波长的整数倍。
上述方案中，所述通信光波，其波长为1.55微米波段。
为达到上述另一个目的，本发明提供了一种全硅波导型光电转换器，具有包括Si薄层3的Si基SOI基片，该光电转换器包括：
直波导3和弯曲波导8，所述直波导3和弯曲波导8通过干法刻蚀或湿法腐蚀所述Si薄层3形成，其中：在直波导3两端设置有分布式Bragg反射光栅从而直波导3成为谐振腔，且在直波导3的表面上注入Si离子并退火以形成深能级缺陷；
形成在直波导3的一侧的p型掺杂区4和形成在直波导3的另一侧的n型掺杂区5，从而在Si表层形成横向p-i-n结构。
上述方案中，所述p型掺杂区4通过在直波导3的一侧注入或扩散硼离子B+并退火而形成，所述n型掺杂区5通过在直波导3的另一侧注入或扩散磷离子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衬底1、SiO2下包层2和Si薄层3构成。
上述方案中，所述p型掺杂区4和所述n型掺杂区5分别在其上具有局部采用金属蒸发的方法制备的Al或Al合金电极。
上述方案中，所述弯曲波导8与直波导相切，弯曲波导8外端口为光波入射端，光波通过弯曲波导8并入直波导谐振腔3。
上述方案中，所述弯曲波导8的弯曲半径的大小正比于返回的光波的信号的强弱。
上述方案中，所述分布式Bragg反射光栅具有周期条形槽，从而对通信光波形成高反射。
上述方案中，在两个反射光栅之间的谐振腔3的腔长满足通信波长的整数倍。
上述方案中，所述通信光波的波长在1.55微米波段。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，可以将弯曲波导作为光电转换器入射口，弯曲波导与直波导相切，光波通过弯曲波导输入直波导谐振腔，而由直波导谐振腔传播到弯曲波导的光波则很少，其强度与弯曲波导成正比。因此由直波导谐振腔和弯曲波导结合起来的“r”形器件具有近似的单向通光特性。
2、利用本发明，可以在直波导两端设置布式布拉格(Bragg)高反射光栅，根据光子晶体高阶禁带和介电质周期场理论，在Si波导上刻蚀或腐蚀微小周期条形槽，从而对1.55微米波段的光波形成高反射；
3、利用本发明，可以在两个分布式Bragg高反射光栅之间形成谐振腔，谐振腔腔长满足通信波长(如1.55微米)的整数倍，使其形成谐振。
4、利用本发明，可以将光吸收路径(沿波导方向)与载流子漂移路径(垂直波导方向)分开，在提高量子效率的同时也能加快响应时间。
5、利用本发明，可以直接探测波导中的光信号，从而与平面光波回路形成无损连接，形成平面集成回路；
6、利用本发明，光电探测器件的制备可以与CMOS工艺兼容，从而可与微电子芯片集成。
附图说明
图1是本发明的全硅波导型光电转换器件结构垂直波导的横截面图；和
图2是是本发明的全硅波导型光电转换器件结构垂直波导的俯视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1为本发明提供的一种全硅波导型光电转换器件结构的垂直波导的横截面图，优选地，该全硅波导型光电转换器件适于1.55微米波段。整个器件制备在Si基SOI衬底上，从下至上依次为Si衬底1、SiO2下包层2和Si脊形波导3；波导左侧为p型掺杂区4和Al或Al合金电极6，波导右侧为n型掺杂区5和Al或Al合金电极7。
图2是本发明的1.55微米波段全Si波导型光电转换器件结构垂直波导的俯视图，波导由弯曲波导8和直波导3构成，直波导3两端为分布式布拉格光栅(Distributed Bragg Raster，简称DBR)9、10，反射光栅之间为谐振腔，从而直波导3为谐振腔，谐振腔腔长为谐振波长的整数倍，光波在谐振腔中通过谐振来加强缺陷光吸收、并缩短器件尺寸；直波导3两侧则与图1中相同，波导左侧为p型掺杂区4和Al或Al合金电极6，波导右侧为n型掺杂区5和Al或Al合金电极7，从而在Si平面上形成横向p-i-n结构。这种横向p-i-n结构可以将光吸收路径(沿波导方向)与载流子漂移路径(垂直波导方向)分开，在提高量子效率的同时也能加快响应时间。
采取干法刻蚀或湿法腐蚀的方法将Si薄层3刻蚀成直波导3和弯曲波导8；进一步在Si薄层3两端刻蚀或腐蚀分布式Bragg反射光栅9、10，使直波导3为谐振腔。另外，弯曲波导8与直波导3相切，并与直波导构成“r”形波导，从弯曲波导入射的光波可以全部进入直波导，而从直波导回传的光波只有很少一部分可以进入弯曲波导。因此，可以说“r”形波导具有近似的单向光波传输特性；另一方面，由于信号输入不经过DBR，可以制备高反射率的DBR，使谐振特性更好。
使用离子(如硼离子B+)注入或扩散的方法，在波导3一侧注入或扩散III族离子并退火，形成p型掺杂区4；并在其上局部采用金属蒸发的方法制备Al或Al合金电极6；
使用离子(如磷离子P+)注入或扩散的方法，在波导3另一侧注入或扩散V族离子并退火成n型掺杂区5；并在其上局部采用金属蒸发的方法制备Al或Al合金电极7，从而在Si平面上形成横向p-i-n结构；
在直波导3上注入Si+离子、银离子Ag+或氢离子(H + )等，退火后形成双空位络合物(divacancy complex)缺陷、价带电子在光子(如1.55微米波段)激发下跃迁到缺陷深能级(缺陷光吸收)，然后，电子在深能级上跳跃迁移；或者，在深能级上的电子受到二次光激发，将其送入导带，从而形成二次光激发的缺陷光电导。
需要注意的是，以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
1、一种制造全硅波导型光电转换器件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
形成包括Si薄层(3)的Si基SOI基片；
使用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法将Si薄层(3)刻蚀成直波导(3)和弯曲波导(8)；
使用离子注入的方法，在直波导(3)的表面上注入硅离子(Si+)、银离子(Ag+)或氢离子(H+)，并退火，形成具有深能级的络合物缺陷；
使用刻蚀方法，在直波导(3)两端制备分布式Bragg反射光栅(9、10)，使直波导(3)成为谐振腔；
使用离子注入或扩散的方法，在直波导(3)一侧注入或扩散III族离子并退火，形成p型掺杂区(4)，和在直波导(3)另一侧注入或扩散V族离子并退火，形成n型掺杂区(5)，从而在基片表层上构成横向p-i-n结构。
2、根据权利要求1所述的制造全硅波导型光电转换器件的方法，其特征在于，所述SOI基片由自下至上依次布置的Si衬底(1)、SiO2下包层(2)、和Si薄层(3)构成。
3、根据权利要求1所述的制造全硅波导型光电转换器件的方法，其特征在于，所述p型掺杂区(4)和所述n型掺杂区(5)分别在其上设置有采用金属蒸发的方法局部制备的Al或Al合金电极(6、7)。
4、根据权利要求1所述的制造全硅波导型光电转换器件的方法，其特征在于，所述弯曲波导(8)与直波导相切，弯曲波导(8)外端口为光波入射端，光波通过弯曲波导(8)并入直波导谐振腔(3)。
5、根据权利要求1所述的制造全硅波导型光电转换器件的方法，其特征在于，
所述分布式Bragg反射光栅具有周期条形槽，从而对通信光波形成高反射。
6、根据权利要求5所述的制造全硅波导型光电转换器件的方法，其特征在于，
在两个反射光栅之间的谐振腔(3)的腔长满足通信波长的整数倍。
7、根据权利要求5或6所述的制造全硅波导型光电转换器件的方法，其特征在于，
所述通信光波，其波长为1.55微米波段。
8、一种全硅波导型光电转换器，具有包括Si薄层(3)的Si基SOI基片，其特征在于，该光电转换器包括：
直波导(3)和弯曲波导(8)，所述直波导(3)和弯曲波导(8)通过干法刻蚀或湿法腐蚀所述Si薄层(3)形成，其中：在直波导(3)两端设置有分布式Bragg反射光栅(9、10)从而直波导(3)成为谐振腔，且在直波导(3)的表面上注入Si离子并退火以形成深能级缺陷；
形成在直波导(3)的一侧的p型掺杂区(4)和形成在直波导(3)的另一侧的n型掺杂区(5)，从而在Si表层形成横向p-i-n结构。
9、根据权利要求8所述的全硅波导型光电转换器，其特征在于，所述p型掺杂区(4)通过在直波导(3)的一侧注入或扩散硼离子B+并退火而形成，所述n型掺杂区(5)通过在直波导(3)的另一侧注入或扩散磷离子P+而形成。
10、根据权利要求8或9所述的全硅波导型光电转换器，其特征在于，所述SOI基片由自下至上依次布置的Si衬底(1)、SiO2下包层(2)和Si薄层(3)构成。
11、根据权利要求9所述的全硅波导型光电转换器，其特征在于，所述p型掺杂区(4)和所述n型掺杂区(5)分别在其上具有局部采用金属蒸发的方法制备的Al或Al合金电极(6、7)。
12、根据权利要求8所述的全硅波导型光电转换器，其特征在于，所述弯曲波导(8)与直波导相切，弯曲波导(8)外端口为光波入射端，光波通过弯曲波导(8)并入直波导谐振腔(3)。
13、根据权利要求12所述的全硅波导型光电转换器，其特征在于，所述弯曲波导(8)的弯曲半径的大小正比于返回的光波的信号的强弱。
14、根据权利要求8所述的全硅波导型光电转换器，其特征在于，所述分布式Bragg反射光栅具有周期条形槽，从而对通信光波形成高反射。
15、根据权利要求8所述的全硅波导型光电转换器，其特征在于，在两个反射光栅之间的谐振腔(3)的腔长满足通信波长的整数倍。
16、根据权利要求14或15所述的全硅波导型光电转换器件，其特征在于，所述通信光波的波长在1.55微米波段。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090325 |