光栅结构加载的垂直PIN型光电探测器及其制备方法与流程

光栅结构加载的垂直pin型光电探测器及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及光电探测器技术领域，特别是涉及一种光栅结构加载的垂直pin型光电探测器及其制备方法。


背景技术：

2.光电探测器在军事和国民经济的各个领域得到了非常广泛的应用,例如，航天航空、近红外成像、射线测量检测、工业自动控制等。由此可见，光电探测器的研究备受重视。
3.相较于传统iii
‑
v族/ii
‑
vi族光电探测器，iv族光电探测器的制备工艺与cmos工艺兼容，具有低成本、高性能、体积小、易集成等优点，在光电集成领域得到了迅猛的发展，并广泛应用于光通讯、激光引信、激光陀螺等方面。根据光耦合方式的不同，探测器可以分为波导型探测器和垂直入射pin型光电探测器。在垂直入射pin型光电探测器中，载流子的渡越时间与本征吸收层的厚度成正比。较厚的本征吸收层直接导致载流子的渡越时间较长，限制了器件高频性能的提高，影响光电探测器的响应速度，但是本征吸收层越厚，吸收的光子越多，光电探测器的量子效率或响应度越高。为了协调响应度和响应速度(带宽)之间的矛盾，现有技术中已经出现了波导共振腔增强型光电探测器，用以解决光电探测器的响应度和带宽相互制约问题，然而，波导共振腔增强型光电探测器具有极强的波长敏感性，极大的限制了其应用。
4.鉴于以上，有必要提供一种新的垂直入射pin型光电探测器，以协调响应度和带宽之间的矛盾。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光栅结构加载的垂直pin型光电探测器及其制备方法，用于解决现有技术中垂直入射pin型光电探测器在响应度和带宽之间互相制约等方面的问题。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种光栅结构加载的垂直pin型光电探测器，所述光栅结构加载的垂直pin型光电探测器由下向上依次包括：
7.衬底、绝缘层、下接触层、本征吸收层、光栅结构和上接触层，其中所述上接触层与所述下接触层的掺杂类型相反；
8.所述本征吸收层位于所述上接触层与下接触层之间，所述光栅结构通过光刻、刻蚀工艺形成于所述本征吸收层；
9.所述光栅结构的光栅常数与波长的关系满足如下公式：
10.d(sinθ
m
sinθ
i
)＝mλ(m＝0，1，2，3，
……
)
11.式中，d表示光栅常数，表示入射光波长，θ
m
表示为衍射角，θ
i
表示为入射角，m为衍射级次，m取1。基于上述公式，所述光栅结构可以使垂直入射光经过光栅衍射在所述本征吸收层转变为水平传输的光。
12.可选地，所述衍射角θ
m
与垂直方向的夹角为90
°
，所述入射角θ
i
与垂直方向的夹角
为6
°
或8
°
，所述光栅结构的刻蚀深度介于65nm～75nm之间。
13.可选地，所述本征吸收层的材料选自元素周期表iv族元素中的至少一个。
14.可选地，所述本征吸收层的材料为ge材料或ge1‑
x
sn
x
材料，其中0<x<1。
15.可选地，所述pin型光电探测器还包括两个电极，两个所述电极分别形成于所述上接触层和所述下接触层上。
16.可选地，所述pin型光电探测器还包括绝缘保护层，所述绝缘保护层覆盖于所述pin型光电探测器表面并显露两个所述电极。
17.本发明还提供一种光栅结构加载的垂直pin型光电探测器的制备方法，该制备方法可用来制备上述所述的光栅结构加载的垂直pin型光电探测器，所述制备方法包括如下步骤：
18.提供具有衬底的绝缘层，并于所述绝缘层表面形成下接触层；
19.于所述下接触层表面依次形成本征吸收材料层及上接触材料层，其中，所述上接触材料层与所述下接触层的掺杂类型相反；
20.采用光刻、刻蚀工艺刻蚀所述上接触材料层和所述本征吸收材料层形成上接触层和本征吸收层，其中，所述上接触层位于所述本征吸收层的中间区域上，以使所述上接触层两侧的所述本征吸收层裸露出来；采用光刻、刻蚀工艺刻蚀所述本征吸收层，形成光栅结构。
21.可选地，形成所述光栅结构后还包括形成两个电极的步骤，其中两个所述电极分别形成于所述上接触层和所述下接触层上。
22.可选地，于所述下接触层上形成所述本征吸收材料层及所述上接触材料层的方法包括：
23.于所述下接触层表面外延生长本征吸收材料层；对所述本征吸收材料层的上部进行离子注入及高温退火，形成所述上接触材料层，其下部形成为所述本征吸收材料层。
24.如上所述，本发明的光栅结构加载的垂直pin型光电探测器及其制备方法，具有以下有益效果：
25.第一，通过在所述本征吸收层设置光栅结构，垂直入射光经过光栅衍射在本征吸收层转变成水平传输的光，消除本征吸收层厚度对响应度的影响，与传统pin型光电探测器相比，避免了光电探测器响应度和带宽相互制约的问题；第二，光电探测器的本征吸收层不仅限于锗材料，还可以为锗锡材料等元素周期表中的iv族材料，从而拓宽了锗光电探测器的波长探测范围；第三，相较于传统iii
‑
v族/ii
‑
vi族光电探测器，iv族光电探测器的制备工艺与cmos工艺兼容，具有低成本、高性能、体积小、易集成等优点；第四，与倏逝波耦合型波导探测器相比，本发明的光电探测器损耗更小，效率更高。
附图说明
26.图1显示为本发明实施例一的光栅结构加载的垂直pin型光电探测器的立体结构示意图，为便于理解，图1中未示出绝缘保护层。
27.图2显示为图1的截面结构示意图。
28.图3显示为本发明实施例二的光栅结构加载的垂直pin型光电探测器的制备方法流程示意图。
29.图4至图7显示为本发明实施例二的光栅结构加载的垂直pin型光电探测器制备过程中各步骤对应的截面结构示意图。
30.元件标号说明
[0031]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
衬底
[0032]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
绝缘层
[0033]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
下接触层
[0034]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
本征吸收层
[0035]
4a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
本征吸收材料层
[0036]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
上接触层
[0037]
5a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
上接触材料层
[0038]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光栅结构
[0039]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电极
[0040]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电极
[0041]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
绝缘保护层
[0042]
s1～s3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
步骤
具体实施方式
[0043]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0044]
请参阅图1至图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0045]
实施例一
[0046]
如图1和图2所示，本实施例提供一种光栅结构加载的垂直pin型光电探测器，所述光栅结构加载的垂直pin型光电探测器由下向上依次包括：
[0047]
衬底1、绝缘层2、下接触层3、本征吸收层4、光栅结构6和上接触层5，其中所述上接触层5与所述下接触层3的掺杂类型相反；所述本征吸收层4位于所述上接触层5与所述下接触层3之间，所述光栅结构6通过光刻、刻蚀工艺形成于所述本征吸收层4；
[0048]
所述光栅结构6的光栅常数与入射光波长的关系满足如下公式：
[0049]
d(sinθ
m
sinθ
i
)＝mλ(m＝0，1，2，3，
……
)
[0050]
式中，d表示光栅常数，表示入射光波长，θ
m
表示为衍射角，θ
i
表示为入射角，m为衍射级次，m取1；
[0051]
基于上述公式，所述光栅结构6可以使垂直入射光经过光栅衍射在所述本征吸收层4转变为水平传输的光，并生成光电流。
[0052]
这里需要说明的是，不限制所述光栅结构6在所述本征吸收层4上的位置，例如，可以位于所述本征吸收层4的一侧，也可以位于所述本征吸收层4的两侧，具体情况可以按照
实际需要进行设置；在本实施例中，优选所述光栅结构6位于所述本征吸收层4的一侧。
[0053]
作为示例，可对绝缘体上硅(silicon
‑
on
‑
insulator,soi)进行加工，形成所述衬底1、所述绝缘层2和所述下接触层3，其中，将soi的底层硅作为所述衬底1，将soi的埋氧层作为所述绝缘层2，将soi的顶层硅进行掺杂形成所述下接触层3。但也不限于此，还可以将体硅作为所述衬底1，在体硅表面形成所述绝缘层2，然后通过键合或沉积等工艺在所述绝缘层2上形成硅材料层，并对该硅材料层进行掺杂形成所述下接触层3。
[0054]
这里需要说明的是，所述上接触层5与所述下接触层3的掺杂类型相反，即当所述下接触层3为n型掺杂时，则所述上接触层5为p型掺杂；当所述下接触层3为p型掺杂时，则所述上接触层5为n型掺杂。所述上接触层5和所述下接触层3一般为重掺杂，掺杂浓度具体根据实际需要进行设置，在此不作限制。n型掺杂一般选择硼离子掺杂，p型掺杂一般选择磷离子掺杂，但也不限于此。
[0055]
作为示例，所述本征吸收层4的材料选择为元素周期表iv族元素中的至少一个，例如，ge材料或ge1‑
x
sn
x
材料，其中0<x<1，拓宽了锗光电探测器的波长探测范围。
[0056]
如图1及图2所示，作为示例，所述pin型光电探测器还包括两个电极7、8，所述电极7和电极8分别形成于所述下接触层3和所述上接触层5上。
[0057]
如图2所示，作为示例，所述pin型光电探测器还包括绝缘保护层9，所述绝缘保护层9覆盖于所述pin型光电探测器表面保护器件不被氧化，并显露两个所述电极7、8。
[0058]
本实施例的光栅结构加载的垂直pin型光电探测器具有以下优点：第一，通过在所述本征吸收层设置光栅结构，垂直入射光经过光栅衍射在本征吸收层转变成水平传输的光，消除本征吸收层厚度对响应度的影响，与传统pin型光电探测器相比，避免了光电探测器响应度和带宽相互制约的问题；第二，光电探测器的本征吸收层不仅限于锗材料，还可以为锗锡材料等元素周期表中的iv族材料，从而拓宽了锗光电探测器的波长探测范围；第三，相较于传统iii
‑
v族/ii
‑
vi族光电探测器，iv族光电探测器的制备工艺与cmos工艺兼容，具有低成本、高性能、体积小、易集成等优点；第四，与倏逝波耦合型波导探测器相比，本发明的光电探测器损耗更小，效率更高。
[0059]
实施例二
[0060]
本实施例提供一种光栅结构加载的垂直pin型光电探测器的制备方法，用于制备实施例一所述的光栅结构加载的垂直pin型光电探测器，其所能达到的有益效果请参见实施例一，以下不再赘述。
[0061]
如图3至图7所示，作为示例，所述光栅结构加载的垂直pin型光电探测器的制备方法包括：
[0062]
如图3及图4所示，首先进行步骤s1，提供具有衬底1的绝缘层2，并于所述绝缘层2表面形成下接触层3。
[0063]
作为示例，可对绝缘体上硅(silicon
‑
on
‑
insulator,soi)进行加工，形成所述衬底1、所述绝缘层2和所述下接触层3，其中，将soi的底层硅作为所述衬底1，将soi的埋氧层作为所述绝缘层2，对soi的顶层硅进行离子注入并高温退火形成所述下接触层3。但也不限于此，还可以将体硅作为所述衬底1，在体硅表面形成所述绝缘层2，然后通过键合或沉积等工艺在所述绝缘层2上形成硅材料层，并对该硅材料层进行离子注入并高温退火形成所述下接触层3。
[0064]
所述下接触层3可以是p型掺杂材料层也可以是n型掺杂材料层，只要确保后续形成的上接触层5的掺杂类型与下接触层3的掺杂类型相反即可。一般地，所述下接触层3为重掺杂，其掺杂浓度根据实际需要进行调节，在此不做限定。
[0065]
如图3及图5所示，然后进行步骤s2，于所述下接触层3表面依次形成本征吸收材料层4a及上接触材料层5a，其中，所述上接触材料层5a与所述下接触层3的掺杂类型相反。
[0066]
这里需要说明的是，当所述下接触层3为n型掺杂时，则所述上接触材料层5a为p型掺杂；当所述下接触层3为p型掺杂时，则所述上接触材料层5a为n型掺杂。一般地，所述上接触材料层5a为重掺杂，其掺杂浓度根据实际需要进行调节，在此不做限定。
[0067]
如图3及图6所示，最后进行步骤s3，采用光刻、刻蚀工艺刻蚀所述上接触材料层5a和所述本征吸收材料层4a形成上接触层5和本征吸收层4，其中，所述上接触层5位于所述本征吸收层4的中间区域上，以使所述上接触层5两侧的所述本征吸收层4裸露出来；采用光刻、刻蚀工艺刻蚀所述本征吸收层4，形成光栅结构6。
[0068]
如图7所示，作为示例，形成所述光栅结构6后还包括形成两个电极7、8的步骤，其中两个所述电极7、8分别形成于所述下接触层3和所述上接触层5上。所述电极7、8的材料选择为金属材料，本实施例中选择为金属铝。具体地：先于所述pin型光电探测器表面覆盖绝缘保护层9，材料可选为二氧化硅绝缘保护层材料；然后对所述绝缘保护层9进行光刻、刻蚀，定义出金属接触区；接着沉积金属材料层，并通过光刻、刻蚀工艺形成所述电极7、8。
[0069]
如图5所示，作为示例，于所述下接触层3上形成所述本征吸收材料层4a及所述上接触材料层5a的方法包括：于所述下接触层3表面外延生长本征吸收材料层；对所述本征吸收材料层的上部进行离子注入及高温退火，形成所述上接触材料层5a，其下部形成为所述本征吸收材料层4a。
[0070]
综上所述，本发明提供一种光栅结构加载的垂直pin型光电探测器及其制备方法，通过在所述本征吸收层设置光栅结构，垂直入射光经过光栅衍射在本征吸收层转变成水平传输的光，消除了本征吸收层厚度对响应度的影响，避免了光电探测器响应度和带宽相互制约的问题；本征吸收层材料的多样化拓宽了探测器的波长探测范围；iv族光电探测器的制备工艺与cmos工艺兼容，具有低成本、高性能、体积小、易集成等优点；与倏逝波耦合型波导探测器相比，本发明的光电探测器损耗更小，效率更高。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0071]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。