專(zhuān)利名稱：一種波導(dǎo)共振增強(qiáng)型光電探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電探測(cè)器，尤其是涉及一種波導(dǎo)共振增強(qiáng)型光電探測(cè)器。
背景技術(shù)：
隨著光通信事業(yè)的不斷發(fā)展和半導(dǎo)體新材料的不斷開(kāi)拓，以光纖通信、光互連為代表的光電子集成技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體光電子器件和電路提出了越來(lái)越迫切的要求，其中一個(gè)課題就是如何以成熟的硅工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，利用新原理和新材料，在硅襯底上直接制作與硅微電子工藝兼容的、能在近紅外波段有效工作的高性能價(jià)格比的硅基光電探測(cè)器及其集成器件。SiGe是間接帶隙材料，它的吸收系數(shù)非常小，因此普通型的SiGe探測(cè)器量子效率非常低，無(wú)法達(dá)到實(shí)用化。傳統(tǒng)的光電二極管為了提高探測(cè)器量子效率，通常采用的方法有1)用長(zhǎng)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(H.Temkin，T.P.Pearsall，J.C.Bean et al.，“GexSi1-xstrained-layer superlatticewaveguide photodetectors operating near 1.3μm”，Appl.Phys.Lett.，1986，48(15)963～965；B.Jalali，L.Naval，A.F.J.Levi，“Si-Based Receivers for Optical Data Links”，IEEE J.Of lightwavetechnology.，1994，72(6)930～935；D.C.Diaz，C.L.Schow，Jieming Qi et.al.，“Si/SiO2resonantcavity photodetectors”，Appl.Phys.Lett 1996，69(19)798～800；T.P.Pearsall，H.Temkin，J.C.Bean，S.Luryi，“Avalanche Gain in Si1-xGex/Si Infrared waveguide detectors”，IEEE Electron DeviceLett.，1986，EDL-7(5)，330～333)，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的完全吸收，但是用這種方法制作的器件波導(dǎo)尺寸大，響應(yīng)速度減小，未能從根本上解決響應(yīng)頻率與效率的矛盾，不利于硅基光電子器件的集成；2)用雪崩倍增探測(cè)器(H.Temkin，A.Antreasyan，N.A.Olsson，et al.，“Ge0.6Si0.4ribwaveguide avalanche photodetectors for 1.3μm operation”，Appl.Phys.Lett.1986，49(13)809～811；Jin-Wei Shi，Yin-Hsin Liu and Chee-Wee Liu，“Design and Analysis ofSeparate-Absorption-Transport-Charge-Multiplication Traveling-Wave Avalanche Photodetectors”，J.Lightwave Technol.，2004，22(6)1583～1590)，應(yīng)用其具有內(nèi)部增益的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)量子效率的提高，但是在一般情況下雪崩噪聲大，對(duì)材料質(zhì)量要求高，很難在SiGe外延材料中實(shí)現(xiàn)；3)用垂直共振腔結(jié)構(gòu)，以提高探測(cè)器的的量子效率，由于Si與SiGe晶格失配的影響，SiGe層的厚度受到臨界值的限制，理論預(yù)期的量子效率為20％以下，已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的最大量子效率僅為5％(C.Li，Q.Q.Yang，H.J.Wang et al.，“Si1-xGex/Si resonant-cavity-enhancedphotodetectors with a silicon-on-oxide reflector operating near 1.3μm”，Appl.Phys.Lett.2000，77(2)157～159；C.B.Li，R.W.Mao，Y.H.Zuo et al.，“1.55μm Ge islands resonant-cavity-enhanceddetectorwith high-reflectivity bottom mirror”，Appl.Phys.Lett.2004，85(14)2697～2699)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有的探測(cè)器的量子效率低的缺點(diǎn)，提供一種可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的有效限制和共振增強(qiáng)效應(yīng)，提高器件的量子效率，同時(shí)使器件具有波長(zhǎng)選擇特性的一種波導(dǎo)共振增強(qiáng)型光電探測(cè)器，主要用于對(duì)近紅外波段入射光的探測(cè)。
本發(fā)明設(shè)有脊型光波導(dǎo)、兩個(gè)介質(zhì)分布布拉格反射鏡和電極。脊型光波導(dǎo)生長(zhǎng)在SOI襯底或硅單晶襯底上，脊型光波導(dǎo)作為吸收區(qū)，脊型光波導(dǎo)的材料選自SiGe/Si多量子阱，或Ge量子點(diǎn)等。這兩個(gè)介質(zhì)分布布拉格反射鏡分別設(shè)于脊型光波導(dǎo)的兩端，形成共振腔，使得入射光在探測(cè)器內(nèi)發(fā)生共振，電極正負(fù)端分別接脊型光波導(dǎo)N型硅和P型硅。所說(shuō)的介質(zhì)選自Si/SiO2，或Si/空氣。Si/SiO2分布布拉格反射鏡的制作方法是在脊型光波導(dǎo)的兩端先用干法刻蝕技術(shù)刻蝕，再用等離子體增強(qiáng)淀積技術(shù)在刻蝕區(qū)填充SiO2，即形成Si/SiO2分布布拉格反射鏡。Si/空氣分布布拉格反射鏡的制作方法是在脊型光波導(dǎo)的兩端用干法刻蝕技術(shù)刻蝕，即形成Si/空氣分布布拉格反射鏡。
本發(fā)明是一種高量子效率的Si基光電探測(cè)器，工作波長(zhǎng)從可見(jiàn)光到近紅外光波段。由于本發(fā)明結(jié)合了波導(dǎo)探測(cè)器與共振腔型探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)波導(dǎo)探測(cè)器相比，本發(fā)明的尺寸大為減小，RC時(shí)間減小，在相同的量子效率下可以得到更高的響應(yīng)速度。與垂直共振腔結(jié)構(gòu)探測(cè)器相比，吸收區(qū)的厚度不受SiGe臨界厚度和響應(yīng)速度的限制，可以靈活設(shè)計(jì)，從而達(dá)到優(yōu)化器件的目的。


圖1為硅基波導(dǎo)共振增強(qiáng)型光電探測(cè)器三維結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為硅基波導(dǎo)共振增強(qiáng)型光電探測(cè)器橫向截面圖。
圖3為硅基波導(dǎo)共振增強(qiáng)型光電探測(cè)器縱向截面圖。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
實(shí)施例1參見(jiàn)圖1-3，在N型SOI襯底上外延生長(zhǎng)SiGe/Si多量子阱層，用作吸收區(qū)，SiGe/Si多量子阱層的表面為P型Si覆蓋層。光波導(dǎo)用刻蝕技術(shù)制作成脊型狀，在脊型光波導(dǎo)的兩端分別用干法刻蝕技術(shù)和等離子體增強(qiáng)淀積技術(shù)制作出分布布拉格反射鏡，構(gòu)成共振腔，脊型光波導(dǎo)的長(zhǎng)度將由吸收區(qū)的吸收系數(shù)和共振腔的共振條件決定。電極正負(fù)極分別接于脊型光波導(dǎo)的N型Si和刻蝕的臺(tái)面下方P型Si上。在圖1-3中的標(biāo)記分別為1、平面絕緣層；2、SiGe/Si多量子阱；3、金屬電極；4、P型硅；5、N型硅；6、硅襯底；7、介質(zhì)分布布拉格反射鏡；8、入射光；9、二氧化硅保護(hù)層。
實(shí)施例2與實(shí)施例1類(lèi)似，其區(qū)別在于脊型光波導(dǎo)的材料選自Ge量子點(diǎn)材料，用作吸收區(qū)，介質(zhì)選自Si/SiO2，Si/SiO2分布布拉格反射鏡的制作方法是在光波導(dǎo)的兩端先用干法刻蝕技術(shù)刻蝕，再用等離子體增強(qiáng)淀積技術(shù)在刻蝕區(qū)填充SiO2，這樣就形成Si/SiO2分布布拉格反射鏡。
實(shí)施例3與實(shí)施例2類(lèi)似，其區(qū)別在于脊型光波導(dǎo)的材料選自Ge量子點(diǎn)材料，用作吸收區(qū)，介質(zhì)選自Si/空氣，Si/空氣分布布拉格反射鏡的制作方法是在光波導(dǎo)的兩端用干法刻蝕技術(shù)刻蝕，即形成Si/空氣分布布拉格反射鏡。
權(quán)利要求
1.一種波導(dǎo)共振增強(qiáng)型光電探測(cè)器，其特征在于設(shè)有脊型光波導(dǎo)、兩個(gè)介質(zhì)分布布拉格反射鏡和電極，脊型光波導(dǎo)生長(zhǎng)在SOI襯底或硅單晶襯底上，脊型光波導(dǎo)作為吸收區(qū)，兩個(gè)介質(zhì)分布布拉格反射鏡分別設(shè)于脊型光波導(dǎo)的兩端，形成共振腔，電極正負(fù)端分別接脊型光波導(dǎo)N型硅和P型硅。
2.如權(quán)利要求1所述的一種波導(dǎo)共振增強(qiáng)型光電探測(cè)器，其特征在于脊型光波導(dǎo)的材料選自SiGe/Si多量子阱，或Ge量子點(diǎn)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種波導(dǎo)共振增強(qiáng)型光電探測(cè)器，其特征在于所說(shuō)的介質(zhì)選自Si/SiO2或Si/空氣。
全文摘要
一種波導(dǎo)共振增強(qiáng)型光電探測(cè)器，涉及一種光電探測(cè)器，尤其是涉及一種波導(dǎo)共振增強(qiáng)型光電探測(cè)器。提供一種可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的有效限制和共振增強(qiáng)效應(yīng)，提高器件的量子效率，同時(shí)使器件具有波長(zhǎng)選擇特性的一種波導(dǎo)共振增強(qiáng)型光電探測(cè)器，主要用于對(duì)近紅外波段入射光的探測(cè)。設(shè)有脊型光波導(dǎo)、兩個(gè)介質(zhì)分布布拉格反射鏡和電極，光波導(dǎo)生長(zhǎng)在SOI襯底或硅單晶襯底上，作為吸收區(qū)，兩個(gè)反射鏡分別設(shè)于光波導(dǎo)兩端，形成共振腔，電極端接光波導(dǎo)N型硅和P型硅。是一種高量子效率的Si基光電探測(cè)器，工作波長(zhǎng)從可見(jiàn)光到近紅外光。器件尺寸與RC時(shí)間大幅減小，在相同的量子效率下可得到更高的響應(yīng)速度。吸收區(qū)厚度不受SiGe臨界厚度和響應(yīng)速度限制。
文檔編號(hào)H01L31/103GK1794474SQ200510119710
公開(kāi)日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月2日
發(fā)明者李成, 陳荔群 申請(qǐng)人:廈門(mén)大學(xué)