CN117936619A - 一种光载无线电光电二极管结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光载无线电光电二极管结构，包括：吸收层；所述吸收层光敏面的部分区域进行离子注入以形成局部重掺杂区，且该局部重掺杂区与所述吸收层其他区域的相接位置处形成用于增强吸收层电场的PN结。当入射光开始变强后，在PN结位置处会产生较高的电场峰，可抑制由于高功率入射光产生的光生载流子而导致的电场屏蔽效应；同时，由于光电二极管的势垒电容与PN结面积成正比，所以其结电容也相应减小，从而降低RC带宽，使得本申请的光电二极管结构相比传统光电二极管结构，可以有效提高光载无线电工作条件下的工作带宽。

Description

一种光载无线电光电二极管结构

技术领域

本发明涉及光电探测器技术领域，尤其涉及一种光载无线电光电二极管结构。

背景技术

对于传统光电二极管结构，当入射光功率较大时，会在光电二极管吸收区中形成大量的光生载流子，电子载流子和空穴载流子在内建电场和偏置电场的驱使下进行漂移和扩散并改变内建电场，降低甚至抵消偏置电压在光电二极管吸收区内部产生的电场分布，这样会增加电子载流子的漂移和扩散时间，从而恶化光电二极管的工作截止频率和最大处理光电流能力，这种现象被称为空间电荷效应。

在光载无线电光电二极管的应用场景中，光的输入功率一般较大，在5dBm～20dBm。光自光纤中传输出来后光功率密度一般呈现为高斯分布，即光纤的中心位置功率密度较高，而越远离中心，功率密度越低，这就导致入射到光电二极管光敏面的中心位置的光功率密度非常高，使得光电二极管的中心位置最容易发生电场屏蔽效应，从而降低该位置的电场强度，以及电子载流子的漂移速率，从而降低光电二极管的工作带宽。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种光载无线电光电二极管结构。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

本发明采用如下技术方案：

提供一种光载无线电光电二极管结构，包括：吸收层；所述吸收层光敏面的部分区域进行离子注入以形成局部重掺杂区，且该局部重掺杂区与所述吸收层其他区域的相接位置处形成用于增强吸收层电场的PN结。

进一步的，所述局部重掺杂区包括：同心环区域、横向条形区域以及纵向条形区域；所述同心环区域由若干自内至外依次间隔布置的圆环区构成；所述横向条形区域与所述纵向条形区域相互垂直，并贯穿所述同心环区域中的各个圆环区。

进一步的，所述局部重掺杂区包括：若干间隔布置的横向条形区域以及若干间隔布置且垂直于所述横向条形区域的纵向条形区域，所述横向条形区域与所述纵向条形区域相互贯穿以形成网格状结构。

进一步的，所述的一种光载无线电光电二极管结构，还包括：基底，所述吸收层外延生长于所述基底上；所述基底为SOI结构或单晶硅结构；所述基底进行光刻腐蚀以形成圆台结构，所述圆台结构进行重掺杂，且掺杂类型与所述吸收层上的所述局部重掺杂区的掺杂类型相反。

进一步的，所述吸收层为非掺杂的本征层，或，进行原位掺杂所形成的轻掺杂层；且当所述吸收层为轻掺杂层时，在所述吸收层光敏面的部分区域进行离子注入以形成与该轻掺杂层掺杂类型相反的所述局部重掺杂区。

进一步的，所述吸收层上的所述局部重掺杂区的深度为0.1～0.3um。

进一步的，所述吸收层上的所述局部重掺杂区的深度为0.4～1.2um。

进一步的，所述基底上进行金属层生长以形成第一电极引出金属，所述吸收层上进行金属层生长以形成第二电极引出金属。

进一步的，所述吸收层为锗、氮化镓或碳化硅。

进一步的，所述圆台结构的厚度为0.1～0.5微米，掺杂浓度范围为5×10¹⁸～5×10²⁰/cm³；所述吸收层的厚度为0.5～2.0微米，且当所述吸收层为轻掺杂层时，掺杂浓度范围为1×10¹⁴～1×10¹⁷/cm³；所述吸收层上的所述局部重掺杂区的掺杂浓度范围为5×10¹⁸～5×10²⁰/cm³。

本发明所带来的有益效果：

1.本申请在吸收层光敏面布置局部重掺杂区，且该局部重掺杂区的边缘形成PN结，当入射光开始变强后，在PN结位置处会产生较高的电场峰，可抑制由于高功率入射光产生的光生载流子而导致的电场屏蔽效应；

2.同时，本申请只在吸收层光敏面的部分区域形成局部重掺杂区，由于光电二极管的势垒电容与PN结面积成正比，所以其结电容也相应减小，从而降低RC带宽，使得本申请的光电二极管结构相比传统光电二极管结构，可以有效提高光载无线电工作条件下的工作带宽。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一种光载无线电光电二极管结构的截面示意图；

图2是本发明吸收层上的局部重掺杂区的其中一种布局方式示意图；

图3是本发明吸收层上的局部重掺杂区的另一种布局方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，在一些说明性的实施例中，提供一种光载无线电光电二极管结构，包括：基底、吸收层102、第一电极引出金属108以及第二电极引出金属107。

基底上进行金属层生长以形成第一电极引出金属108，吸收层102上进行金属层生长以形成第二电极引出金属107。第二电极引出金属107为二极管阴极引出电极，第一电极引出金属108为二极管阳极引出电极。

基底为SOI结构或单晶硅结构。

当基底为SOI结构时，基底包括：顶层硅、氧化硅绝缘层104以及衬底硅105。基底经过光刻腐蚀后，形成具有均匀间隔的圆台结构103，且当基底为SOI结构时，在顶层硅上进行光刻腐蚀以形成圆台结构103。

吸收层102外延生长于基底上，每一个圆台结构103上均具有一层吸收层102，且在只具有一个圆台结构103的极限情况下，本实施例的光电二极管结构为一单颗二极管芯片。

吸收层102为非掺杂本征结构，即吸收层102为非掺杂的本征层，或者，吸收层102也可以是基于原位掺杂和离子注入工艺所形成的轻掺杂层，即吸收层102为进行原位掺杂所形成的轻掺杂层。

下面以局部重掺杂区106的掺杂类型为N型，圆台结构103的掺杂类型为P型，且当吸收层102为轻掺杂层时，其掺杂类型为P型为例进行说明，实际应用时，本实施例中的光电二极管结构中的P型掺杂和N型掺杂类型可以互换。

吸收层102光敏面的部分区域进行离子注入以形成局部重掺杂区106，即采用离子注入工艺在吸收层102的顶部形成多个N型重掺杂的局部区域。局部重掺杂区106与吸收层其他区域的相接位置处形成用于增强吸收层电场的PN结，其中，吸收层其他区域是指，吸收层102未形成局部重掺杂区106的区域，即局部重掺杂区106的边缘形成PN结。

在吸收层102光敏面布置多个局部的N型重掺杂区域，即局部重掺杂区106，由于外延生长的吸收层102原位掺杂显为P型，局部重掺杂区106的边缘形成PN结。当入射光开始变强后，光生载流子开始对器件内部电场产生影响，并抑制电场分布，但在局部重掺杂区106所形成的PN结位置处会产生较高的电场峰，且由于局部的PN结较多，所以这些电场峰也会较多，可抑制由于高功率入射光产生的光生载流子而导致的电场屏蔽效应。

此外，由于吸收层102采用局部的N型重掺杂区域，光电二极管的势垒电容与PN结面积成正比，所以其结电容也相应减小，从而降低RC带宽。综合以上两点描述，本实施例的光电二极管结构相比传统光电二极管结构，可以有效提高光载无线电工作条件下的工作带宽。

吸收层102为锗、氮化镓或碳化硅。

本实施例的光电二极管结构，可以是锗/硅异质结光电雪崩二极管，此时使用硅作为基底，且使用锗作为吸收层102，用于对短波红外光信号进行探测。

本实施例的光电二极管结构，可以是氮化镓/硅异质结光电二极管或碳化硅/硅异质结光电二极管，此时使用硅作为基底，且使用氮化镓/碳化硅作为吸收层102，用于对紫外光信号进行探测。

如图2所示，局部重掺杂区106包括：同心环区域、横向条形区域1061以及纵向条形区域1062。

同心环区域由若干自内至外依次间隔布置的圆环区1063构成。横向条形区域1061与纵向条形区域1062相互垂直，并贯穿同心环区域中的各个圆环区1063，从而实现等电势分布。

横向条形区域1061、纵向条形区域1062以及圆环区1063均为吸收层102上的N型重掺杂区域。图2所示的结构设计，可保证PN结分布在整个吸收层102中，使得PN结对吸收层102电场的调节效果更好，进一步降低电场屏蔽效应。除此之外，为了提高对高斯光中心强光的电场屏蔽效应的抑制作用，同心环区域在靠近光敏面中心位置处较为密集一些，而靠近光敏面边缘位置处稀疏一些，即靠近吸收层光敏面中心位置处的相邻圆环区1063的间距小于靠近吸收层光敏面边缘位置处的相邻圆环区1063的间距。

如图3所示，局部重掺杂区106包括：若干间隔布置的横向条形区域1061以及若干间隔布置且垂直于横向条形区域1061的纵向条形区域1062。横向条形区域1061与纵向条形区域1062相互贯穿以形成网格状结构，从而实现等电势分布。

横向条形区域1061与纵向条形区域1062均为吸收层102上的N型重掺杂区域。图3所示的结构设计，可保证PN结分布在整个吸收层102中，使得PN结对吸收层102电场的调节效果更好，进一步降低电场屏蔽效应。除此之外，为了提高对高斯光中心强光的电场屏蔽效应的抑制作用，网格状结构的布局会在靠近光敏面中心位置处较为密集一些，而靠近光敏面边缘位置处会稀疏一些，即靠近吸收层光敏面中心位置处的相邻横向条形区域1061的间距小于靠近吸收层光敏面边缘位置处的相邻横向条形区域1061的间距，且靠近吸收层光敏面中心位置处的相邻纵向条形区域1062的间距小于靠近吸收层光敏面边缘位置处的相邻纵向条形区域1062的间距。

光电二极管结构的基底经过光刻腐蚀后形成具有均匀间隔的圆台结构103，圆台结构103进行重掺杂，且掺杂类型与吸收层上的局部重掺杂区106的掺杂类型相反。圆台结构103可以为P型重掺杂，且掺杂浓度范围为5×10¹⁸～5×10²⁰/cm³，厚度为0.1～0.5微米。

吸收层102采用选择性外延生长，且在生长过程中，吸收层102的厚度为0.5～2.0微米，可以采用原位掺杂工艺，形成P型均匀轻掺杂层，且当吸收层102为轻掺杂层时，在吸收层光敏面的部分区域进行离子注入以形成与该轻掺杂层掺杂类型相反的局部重掺杂区106，即此时局部重掺杂区106为位于吸收层上的局部N型重掺杂区。吸收层102进行原位掺杂时，掺杂浓度范围为1×10¹⁴～1×10¹⁷/cm³。

通过光刻、离子注入和退火工艺，在吸收层102的光敏面顶部形成局部N型重掺杂区，即局部重掺杂区106，且局部重掺杂区106的掺杂浓度范围为5×10¹⁸～5×10²⁰/cm³。

局部重掺杂区106形成后，经过钝化层生长，电极接触孔刻蚀后，进行金属层生长，从而形成第一电极引出金属108与第二电极引出金属107，以方便后面的金属互连。

吸收层上的局部重掺杂区106的深度数值范围分为两种情况：

第一种情况，吸收层上的局部重掺杂区106的深度为0.1～0.3um。0.1～0.3um的深度范围值使得形成的PN结可在一定程度上抑制由于高功率入射光产生的光生载流子而导致的电场屏蔽效应。

第二种情况，吸收层上的局部重掺杂区106的深度为0.4～1.2um，此时在吸收层102的光敏面顶部形成相较于第一种情况较深的局部重掺杂区106。在第二种情况下，在吸收层102光敏面的中心区域布置多个注入较深的局部重掺杂区106，随着光入射功率的提高，势垒电容越来越大。但在较深的局部重掺杂区106形成PN结会产生较高的电场峰，且由于注入该系列PN结较深，所以会在整个吸收层102中形成较强的电场，可有效抑制由于高功率入射光产生的光生载流子而导致的电场屏蔽效应。在第二种情况下，采用较深的局部重掺杂区106，但是结电容并没有有效减小，但是由于该结构对光生载流子的电场屏蔽效应抑制较强，所以该方案相比传统二极管结构，在高光功率照射下具有较高的工作带宽，提升光电二极管的大信号高频处理能力。

本实施例的光电二极管结构的光注入方式，可以为侧面波导光输入的照射方式，也可以为器件顶面或背面的光照射方式，图1示例中给出的是以器件顶面光输入的照射方式为主，具体可以根据需要对光入射面的抗反射层以及金属电极布局方式等进行针对性设计。

本实施例的光电二极管结构，使用离子注入和退火等工艺，对注入区域的结构进行设计，实现光电二极管内部局部电场调制效应，改善高斯光注入后局部光功率密度过高而导致的电场屏蔽效应，从而提高光电二极管在高功率光输入情况下的工作带宽。

本实施例的光电二极管结构，基于有源区的离子注入区域设计，有效降低光电二极管的势垒电容，改善光电二极管的RC截止工作频率，从而提高光电二极管在高功率光输入情况下的工作带宽。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光载无线电光电二极管结构，包括：吸收层；其特征在于，所述吸收层光敏面的部分区域进行离子注入以形成局部重掺杂区，且该局部重掺杂区与所述吸收层其他区域的相接位置处形成用于增强吸收层电场的PN结。

2.根据权利要求1所述的一种光载无线电光电二极管结构，其特征在于，所述局部重掺杂区包括：同心环区域、横向条形区域以及纵向条形区域；

所述同心环区域由若干自内至外依次间隔布置的圆环区构成；

所述横向条形区域与所述纵向条形区域相互垂直，并贯穿所述同心环区域中的各个圆环区。

3.根据权利要求1所述的一种光载无线电光电二极管结构，其特征在于，所述局部重掺杂区包括：若干间隔布置的横向条形区域以及若干间隔布置且垂直于所述横向条形区域的纵向条形区域，所述横向条形区域与所述纵向条形区域相互贯穿以形成网格状结构。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种光载无线电光电二极管结构，其特征在于，还包括：基底，所述吸收层外延生长于所述基底上；

所述基底为SOI结构或单晶硅结构；

所述基底进行光刻腐蚀以形成圆台结构，所述圆台结构进行重掺杂，且掺杂类型与所述吸收层上的所述局部重掺杂区的掺杂类型相反。

5.根据权利要求4所述的一种光载无线电光电二极管结构，其特征在于，所述吸收层为非掺杂的本征层，或，进行原位掺杂所形成的轻掺杂层；

且当所述吸收层为轻掺杂层时，在所述吸收层光敏面的部分区域进行离子注入以形成与该轻掺杂层掺杂类型相反的所述局部重掺杂区。

6.根据权利要求5所述的一种光载无线电光电二极管结构，其特征在于，所述吸收层上的所述局部重掺杂区的深度为0.1～0.3um。

7.根据权利要求5所述的一种光载无线电光电二极管结构，其特征在于，所述吸收层上的所述局部重掺杂区的深度为0.4～1.2um。

8.根据权利要求6或7所述的一种光载无线电光电二极管结构，其特征在于，所述基底上进行金属层生长以形成第一电极引出金属，所述吸收层上进行金属层生长以形成第二电极引出金属。

9.根据权利要求8所述的一种光载无线电光电二极管结构，其特征在于，所述吸收层为锗、氮化镓或碳化硅。

10.根据权利要求9所述的一种光载无线电光电二极管结构，其特征在于，所述圆台结构的厚度为0.1～0.5微米，掺杂浓度范围为5×10¹⁸～5×10²⁰/cm³；

所述吸收层的厚度为0.5～2.0微米，且当所述吸收层为轻掺杂层时，掺杂浓度范围为1×10¹⁴～1×10¹⁷/cm³；

所述吸收层上的所述局部重掺杂区的掺杂浓度范围为5×10¹⁸～5×10²⁰/cm³。