提高硅基集成光电器件抗辐照性能的载氢预处理方法及芯片

本发明属于集成光电子器件及辐射加固，具体涉及一种提高硅基集成光电器件抗辐照性能的载氢预处理方法及芯片，可用于空间通信、卫星互联网、星载光互连、辐射环境传感及高可靠光电子系统。

背景技术：

1、硅基集成光电器件具有高集成度、低功耗、低成本和cmos工艺兼容等优势，在高速光通信、数据中心互连、相干通信、微波光子、星载光通信和空间光电子系统中具有重要应用前景。其中，硅基马赫-曾德调制器可用于高速电光调制，锗硅光电探测器可用于片上高速光电转换，二者是硅基光电子芯片中的关键有源器件。

2、然而，在空间辐射环境或其他高能辐照环境中，γ射线、质子、电子和中子等辐射粒子会与硅基光电子器件中的半导体材料、氧化物介质层、界面区域及有源区发生相互作用，在器件内部引入固定电荷、界面陷阱、深能级缺陷、位移损伤缺陷和产生—复合中心。这些辐照诱导效应会改变器件内部电场分布、载流子输运过程和复合机制，从而导致器件性能退化。

3、对于硅基马赫-曾德调制器，辐照可能导致硅/氧化物界面缺陷增加、氧化物固定电荷积累、pn结耗尽区电场分布改变和载流子调制效率下降，进而表现为调制效率退化、驱动电压漂移、电光带宽降低、插入损耗变化、消光比下降和眼图质量劣化。对于锗硅光电探测器，辐照可能在ge/si界面、锗吸收区以及探测器结区附近引入深能级缺陷和产生—复合中心，导致暗电流升高、响应度变化、噪声增加、3 db带宽下降和高速响应性能劣化。

4、现有抗辐照方法主要包括器件结构优化、材料屏蔽、封装加固、冗余设计和系统级补偿等。这些方法在一定程度上能够改善器件的辐射耐受能力，但往往存在工艺复杂、芯片面积增加、系统成本升高或与现有硅光工艺兼容性不足等问题。此外，这些方法难以从根本上消除辐照诱导的深能级缺陷和界面态，且通常涉及额外工艺步骤，与cmos工艺的兼容性亟待提高。对于硅基集成光电芯片而言，若能够在不大幅改变器件主体结构的情况下，通过工艺预处理方式抑制辐照诱导缺陷的电学活性，将有利于提高芯片在空间辐射环境下的可靠性和工程适用性。

5、氢相关物种能够与半导体/介质界面的悬挂键、工艺残余缺陷和部分深能级缺陷发生相互作用，从而降低这些缺陷的电学活性。因此，将载氢预处理引入硅基集成光电器件的辐照前加固流程，有望通过缺陷钝化和辐照敏感区预处理，提高器件在γ射线和质子辐照后的性能稳定性。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种提高硅基集成光电器件抗辐照性能的载氢预处理方法及芯片。该方法在硅基集成光电器件进入辐照环境前，对器件进行载氢预处理，使氢相关物种引入至器件的介质层、半导体/介质界面、pn结附近区域、ge/si界面和/或锗硅探测有源区附近。所述氢相关物种能够钝化界面悬挂键、工艺残余缺陷、深能级缺陷以及潜在辐照敏感缺陷，从而抑制辐照后缺陷态对载流子输运的散射作用、降低复合中心的产生速率，并阻断漏电通道的形成。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、本发明提出的提高硅基集成光电器件抗辐照性能的载氢预处理方法包括如下步骤：

4、首先，提供一硅基集成光电器件。所述硅基集成光电器件可以包括硅基马赫-曾德调制器、锗硅光电探测器，或者同时包含硅基马赫-曾德调制器和锗硅光电探测器的硅基光电子芯片。

5、其次，在所述硅基集成光电器件进入辐照环境前，对所述硅基集成光电器件进行载氢预处理。所述载氢预处理用于向器件的介质层、半导体/介质界面、pn结附近区域、ge/si界面和/或锗硅探测有源区附近引入氢相关物种。其中，所述氢相关物种用于钝化所述硅基集成光电器件中的界面缺陷、悬挂键、工艺残余缺陷和/或辐照敏感缺陷，以降低辐照后界面陷阱、深能级缺陷和产生—复合中心对器件性能的影响，从而提高所述硅基集成光电器件在辐照环境后的性能稳定性。

6、所述氢相关物种包括氢原子、氢离子、氢自由基、氢分子、氢键合物、氘原子、氘离子、氘自由基、氘分子和氘键合物中的一种或多种。

7、所述载氢预处理可以包括含氢气氛退火、氢等离子体处理、含氢介质层沉积、含氢钝化层沉积、氘化处理中的一种或多种。所述含氢气氛退火可以采用氢气、氮氢混合气、氢氩混合气或含氘气氛的一种或多种作为处理气氛。所述含氢介质层可以包括含氢氧化硅、含氢氮化硅、含氢氮氧化硅、含氢氧化铝和含氢介质钝化层中的一种或多种。

8、对于硅基马赫-曾德调制器，包括硅波导、pn结相移区、行波电极和氧化物包层，所述氢相关物种可以至少分布于pn结相移区附近、所述硅波导与所述氧化物包层的界面附近、所述硅波导侧壁附近、所述行波电极附近和/或氧化物包层中，用于降低辐照后固定电荷和界面陷阱对耗尽区电场分布、载流子浓度分布和调制效率的影响。经由所述载氢预处理，可以减缓辐照后由固定电荷和界面陷阱导致的耗尽区电场畸变、载流子浓度分布变化和pn结调制效率退化，从而抑制调制效率下降、电光带宽退化、驱动电压漂移和眼图质量劣化。

9、对于锗硅光电探测器，包括锗吸收区、硅波导耦合区、pn结或pin结结构以及电极结构，所述氢相关物种可以至少分布于ge/si界面、锗吸收区周围、探测器介质界面附近和/或电极接触区附近，用于降低辐照后深能级缺陷、界面态和产生—复合中心对暗电流、高速响应和噪声特性的影响。经由所述载氢预处理，可以减缓辐照后由深能级缺陷和产生—复合中心导致的漏电通道形成、暗电流增长和高速响应退化，从而抑制辐照后暗电流增长，减小3 db带宽退化，提高探测器高速响应稳定性。

10、所述载氢预处理可以在晶圆级、芯片级、封装前阶段或封装后阶段进行，以适

11、配不同的制造工艺节点。在一个优选实施方式中，载氢预处理在芯片封装前进行，以避免封装材料对氢扩散和氢引入效率产生不利影响。在另一个实施方式中，载氢预处理可以结合后续保温、退火、惰性气氛保存、真空保存或封装处理，以调控氢相关物种在器件内部的分布和稳定性。

12、具体地，经所述载氢预处理后，所述性能稳定性包括硅基马赫-曾德调制器的调制效率、电光带宽、驱动电压、插入损耗、消光比、s参数和眼图质量中的一种或多种性能参数的稳定性；以及锗硅光电探测器的暗电流、响应度、3db带宽、s参数、噪声特性和高速响应特性中的一种或多种性能参数的稳定性。

13、所述辐照环境包括γ射线总电离剂量辐照环境、质子辐照环境、电子辐照环境、

14、中子辐照环境或其组合。其中，所述质子辐照环境为面向空间应用的宽能谱质子辐照环境。

15、本发明还提供一种硅基集成光电芯片。所述硅基集成光电芯片采用上述载氢预处理方法制备得到，并包括经载氢预处理的硅基马赫-曾德调制器和/或经载氢预处理的锗硅光电探测器。所述硅基集成光电芯片可用于空间通信、卫星互联网、星载光互连、辐射环境传感或高可靠光电子系统。

16、本发明提供的技术方案的有益效果是：

17、1.本发明通过辐照前载氢预处理钝化硅基光电器件中的界面缺陷、悬挂键和工艺残余缺陷，可降低辐照后界面陷阱、深能级缺陷和产生-复合中心的电学活性。

18、2.本发明可减缓硅基马赫-曾德调制器在辐照后的调制效率下降、电光带宽退化、驱动电压漂移和高速调制性能劣化，提高调制器在辐射环境下的工作稳定性。

19、3.本发明可抑制锗硅光电探测器在辐照后的暗电流增长和高速响应退化，减小噪声增加和3 db带宽下降，提高探测器在辐射环境下的可靠性。

20、4.本发明无需大幅改变硅基光电子器件主体结构，可作为晶圆级、芯片级或封装前预处理工艺引入现有硅光制备流程，具有较好的工艺兼容性和工程应用潜力。