阅读说明：本技术 Ge光电探测器及其制备方法 (Ge photoelectric detector and preparation method thereof ) 是由 方青 张馨丹 邵瑶 胡鹤鸣 顾苗苗 陈华 张志群 陈晓峰 于 2020-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种Ge光电探测器及其制备方法,其中,Ge光电探测器包括热源层,进一步的还包括导热层；从而通过具有高阻值的热源层作为热源,以升高Ge吸收层的温度,使得Ge吸收层的禁带宽度降低,从而使得能量低于原Ge吸收层禁带宽度的光子被吸收,以增大Ge吸收层的吸收系数,实现Ge光电探测器探测范围的延伸,以扩大应用范围,以及通过位于Ge吸收层与热源层之间的具有较高热导率的导热层,有效地将热源层产生的热源传递到Ge吸收层,从而有效调整Ge光电探测器的响应度；因此,本发明可提供一种制备工艺简单,且可有效提高Ge光电探测器在长波长条件下的吸收系数,以扩大Ge光电探测器的探测范围及应用范围。(The invention provides a Ge photoelectric detector and a preparation method thereof, wherein the Ge photoelectric detector comprises a heat source layer and further comprises a heat conduction layer; the Ge photoelectric detector is characterized in that a heat source layer with high resistance is used as a heat source to raise the temperature of the Ge absorption layer, so that the forbidden bandwidth of the Ge absorption layer is reduced, photons with energy lower than that of the forbidden bandwidth of the original Ge absorption layer are absorbed to increase the absorption coefficient of the Ge absorption layer, the detection range of the Ge photoelectric detector is extended to enlarge the application range, and a heat source generated by the heat source layer is effectively transmitted to the Ge absorption layer through a heat conduction layer with high heat conductivity between the Ge absorption layer and the heat source layer, so that the responsivity of the Ge photoelectric detector is effectively adjusted; therefore, the invention can provide a method which has simple preparation process and can effectively improve the absorption coefficient of the Ge photoelectric detector under the long wavelength condition so as to expand the detection range and the application range of the Ge photoelectric detector.)

Ge光电探测器及其制备方法

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及一种Ge光电探测器及其制备方法。

背景技术

光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。硅基Ge光电探测器，因其与CMOS工艺兼容，且便于集成，在光通信、光互联和光传感等领域有着广泛的应用。相较于面入射型光电探测器，波导型探测器能避免光探测器速率和量子效率间相互制约的问题，且可以与波导光路集成，更容易实现高速高响应度，是实现高速光通信和光互联芯片的核心器件之一。然而，Ge材料在波长大于1.55μm时，吸收系数会急剧下降，这使得Ge光电探测器无法满足L带(长波长波段，波长范围1.56μm～1.63μm)乃至U带(超长波长波段，波长范围1.63μm～1.68μm)的应用要求。

为解决Ge材料在长波长下，吸收系数低的问题，现有技术中，通常在Ge材料中引入Sn材料，以延伸Ge光电探测器的探测范围，然而Sn材料的引入会增加工艺的难度，同时，Sn材料的引入还会降低Ge材料的热稳定性，从而限制了实际的应用。

因此，提供一种新型的Ge光电探测器及其制备方法，实属必要。

发明内容

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Ge光电探测器及其制备方法，用于解决现有技术中Ge光电探测器在长波长条件下，吸收系数低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种Ge光电探测器，包括：

Si波导，所述Si波导包括依次叠置的底Si层、埋氧层及顶Si层；其中，所述顶Si层包括水平方向依次排列的P型掺杂接触区、I型区及N型掺杂接触区；

Ge吸收层，所述Ge吸收层位于所述I型区上；

钝化层，所述钝化层覆盖所述P型掺杂接触区、N型掺杂接触区及Ge吸收层；

热源层，所述热源层位于所述Ge吸收层的上方；

金属电极，所述金属电极贯穿所述钝化层，且与所述P型掺杂接触区及N型掺杂接触区相接触。

可选地，所述热源层与所述Ge吸收层之间的所述钝化层的厚度D的范围包括D≥0.5μm。

可选地，所述热源层包括TiN层及TaN层中的一种或组合。

可选地，还包括位于所述Ge吸收层与所述热源层之间的导热层，且所述导热层的热导率大于所述钝化层。

可选地，所述导热层的相对两面分别与所述Ge吸收层及热源层相接触，其中，所述导热层包括AlN层。

本发明还提供一种Ge光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

提供SOI衬底；

进行光刻，形成Si波导，所述Si波导包括依次叠置的底Si层、埋氧层及顶Si层；

通过离子注入，在所述顶Si层中分别形成P型掺杂接触区及N型掺杂接触区，以在所述顶Si层中形成水平方向依次排列的P型掺杂接触区、I型区及N型掺杂接触区；

于所述I型区上形成Ge吸收层；

形成钝化层，所述钝化层覆盖所述P型掺杂接触区、N型掺杂接触区及Ge吸收层；

形成热源层，所述热源层位于所述Ge吸收层的上方；

形成金属电极，所述金属电极贯穿所述钝化层，且与所述P型掺杂接触区及N型掺杂接触区相接触。

可选地，在形成所述Ge吸收层之后及形成所述金属电极之前包括以下步骤：

形成第一钝化层，以覆盖所述P型掺杂接触区、N型掺杂接触区及Ge吸收层；

于所述Ge吸收层的上方形成热源层；

形成包覆所述热源层的第二钝化层；

形成贯穿所述第二钝化层及第一钝化层的沟槽，并填充所述沟槽，以形成与所述P型掺杂接触区及N型掺杂接触区相接触的金属电极。

可选地，所述热源层与所述Ge吸收层之间的所述第一钝化层的厚度D的范围包括D≥0.5μm，其中，所述热源层包括TiN层及TaN层中的一种或组合；所述第一钝化层包括SiO₂层；所述第二钝化层包括SiO₂层。

可选地，在形成所述Ge吸收层之后及形成所述金属电极之前包括以下步骤：

形成第一钝化层，以覆盖所述P型掺杂接触区、N型掺杂接触区及Ge吸收层，并进行平坦化，以显露所述Ge吸收层；

于所述Ge吸收层的上方依次形成导热层及热源层；

形成包覆所述热源层及导热层的第二钝化层；

形成贯穿所述第二钝化层及第一钝化层的沟槽，并填充所述沟槽，以形成与所述P型掺杂接触区及N型掺杂接触区相接触的金属电极。

可选地，所述导热层的相对两面分别与所述Ge吸收层及热源层相接触，所述导热层的厚度H的范围包括H≥0.5μm，其中，所述热源层包括TiN层及TaN层中的一种或组合；所述导热层包括AlN层；所述第一钝化层包括SiO₂层；所述第二钝化层包括SiO₂层。

如上所述，本发明的Ge光电探测器及其制备方法，通过具有高阻值的热源层作为热源，以升高Ge吸收层的温度，使得Ge吸收层的禁带宽度降低，从而使得能量低于原Ge吸收层禁带宽度的光子被吸收，以增大Ge吸收层的吸收系数，实现Ge光电探测器探测范围的延伸，以扩大应用范围；进一步的，通过位于Ge吸收层与热源层之间的具有较高热导率的导热层，还可有效地将热源层产生的热源传递到Ge吸收层，从而有效调整Ge光电探测器的响应度；因此，本发明可提供一种制备工艺简单，且可有效提高Ge光电探测器在长波长条件下的吸收系数，以扩大Ge光电探测器的探测范围及应用范围。

附图说明

图1显示为本发明中制备Ge光电探测器的工艺流程示意图。

图2～图5显示为实施例一中制备一种Ge光电探测器各步骤所呈现的结构示意图。

图6～图9显示为实施例二中制备另一种Ge光电探测器各步骤所呈现的结构示意图。

元件标号说明

110、210 Si波导

111、211 底Si层

112、212 埋氧层

113、213 顶Si层

1131、2131 P型掺杂接触区

1132、2132 I型区

1133、2133 N型掺杂接触区

120、220 Ge吸收层

130、230 第一钝化层

140、240 热源层

150、250 第二钝化层

160、260 金属电极

300 导热层

D、H 厚度

具体实施方式

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。

请参阅图1～图9。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，遂图式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。

实施例一

参阅图5，本实施例提供一种Ge光电探测器，所述Ge光电探测器包括Si波导110、Ge吸收层120、第一钝化层130、热源层140、第二钝化层150及金属电160。其中，所述Si波导110包括依次叠置的底Si层111、埋氧层112及顶Si层113；其中，所述顶Si层113包括水平方向依次排列的P型掺杂接触区1131、I型区1132及N型掺杂接触区1133；所述Ge吸收层120位于所述I型区1132上；所述第一钝化层130覆盖所述P型掺杂接触区1131、N型掺杂接触区1133及Ge吸收层120；所述热源层140位于所述Ge吸收层120的上方；所述第二钝化层150包覆所述热源层140；所述金属电极160贯穿所述第一钝化层130及第二钝化层150，且与所述P型掺杂接触区1131及N型掺杂接触区1133相接触。

本实施例通过具有高阻值的所述热源层140作为热源，可升高所述Ge吸收层120的温度，使得所述Ge吸收层120的禁带宽度降低，从而使得能量低于原Ge吸收层禁带宽度的光子被吸收，以增大所述Ge吸收层120的吸收系数，实现所述Ge光电探测器探测范围的延伸，以扩大应用范围。

参阅图1，本实施例提供了一种制备所述Ge光电探测器的工艺流程图，其中，图2～图5示意了制备所述Ge光电探测器各步骤所呈现的结构示意图。需要说明的是，上述Ge光电探测器的制备方法并非仅局限于此。

参阅图2，首先提供SOI衬底。

具体的，所述SOI衬底的厚度可包括150nm～250nm，如200nm、220nm等，所述SOI衬底的具体厚度及尺寸可根据需要进行选择，此处不作限定。其中，所述SOI衬底可直接采购或根据需要进行制备，此处不作过分限定。

接着，进行光刻，形成Si波导110，所述Si波导110包括依次叠置的底Si层111、埋氧层112及顶Si层113。其中，有关所述Si波导110的具体制备工艺及形貌，此处不作过分限定，可根据需要进行选择。

接着，通过离子注入，在所述顶Si层113中分别形成P型掺杂接触区1131及N型掺杂接触区1133，以在所述顶Si层113中形成水平方向依次排列的P型掺杂接触区1131、I型区1132及N型掺杂接触区1133。

具体的，形成所述P型掺杂接触区1131及N型掺杂接触区1133的步骤可包括：

利用沉积工艺，如CVD，在所述顶Si层113的表面形成第一SiO₂层(未图示)，以通过所述第一SiO₂层作为离子注入的保护层；

采用第一掩膜版(未图示)，利用各向异性刻蚀工艺，刻蚀掉所述P型掺杂接触区1131所对应的区域内的所述第一SiO₂层；

进行离子注入，以形成所述P型掺杂区1131，并刻蚀掉第一SiO2层；

接着，重新进行沉积工艺，形成第二SiO₂层(未图示)，以通过所述第二SiO₂层作为离子注入的保护层；

采用第二掩膜版(未图示)，利用各向异性刻蚀工艺，刻蚀掉所述N型掺杂接触区1133所对应的区域内的所述第二SiO₂层；

进行离子注入，以形成所述N型掺杂区1133，并刻蚀掉所述第二SiO₂层。

其中，在形成所述P型掺杂接触区1131及N型掺杂区1133时，所采用离子注入的种类、计量及能量，可根据需要进行选择，此处不作过分限制。本实施例，通过所述离子注入工艺，在所述顶Si层113中可形成水平方向依次排列的所述P型掺杂接触区1131、I型区1132及N型掺杂接触区1133，即形成P-I-N结构。

接着，参阅图3，于所述I型区1132上形成Ge吸收层120。

具体的，可采用选择性外延生长的方法，在所述I型区1132上形成厚度包括300nm～500nm的所述Ge吸收层120，如350nm、400nm、450nm等。

接着，形成钝化层，所述钝化层覆盖所述P型掺杂接触区1131、N型掺杂接触区1133及Ge吸收层120。

具体的，参阅图3，本实施例中，在形成所述Ge吸收层120之后，先形成第一钝化层130，且所述第一钝化层130覆盖所述P型掺杂接触区1131、N型掺杂接触区1133及Ge吸收层120，且所述第一钝化层130的表面与所述Ge吸收层120之间具有厚度D，其中，优选所述厚度D的范围包括D≥0.5μm，如1.0μm、1.5μm、2μm等，以提高所述Ge吸收层120的光吸收性能，降低后续形成的热源层140对所述Ge吸收层120的光吸收性能的影响。

接着，参阅图4，形成所述热源层140，所述热源层位于所述Ge吸收层120的上方。

具体的，形成所述热源层140的方法可采用CVD法，而后进行图形化。其中，所述热源层140是一种具有高阻值的材料层，从而当所述热源层140与电源(未图示)进行连接时，通过所述热源层140可作为热源使用，以向所述Ge吸收层120传输热量，提高所述Ge吸收层120的温度，使得所述Ge吸收层120的禁带宽度降低，从而使得能量低于原Ge吸收层的禁带宽度的光子被吸收，以增大所述Ge吸收层120的吸收系数，实现所述Ge光电探测器探测范围的延伸，以扩大应用范围。

作为示例，所述热源层140可包括TiN层及TaN层中的一种或组合，但并非局限于此。

作为示例，在形成所述热源层140之后，还包括形成包覆所述热源层140的第二钝化层150的步骤。

具体的，本实施例中，优选具有所述第二钝化层150，以通过所述第二钝化层150对所述热源层140进行保护，但并非局限于此。如为简化工艺，也可不形成所述第二钝化层150，此处不作过分限制。

作为示例，所述第一钝化层130及第二钝化层150可采用相同的材料，如采用SiO₂层，但并非局限于此，所述第一钝化层130及第二钝化层150也可采用不同的材质。

最后，参阅图5，形成金属电极160，所述金属电极160贯穿所述第二钝化层150及第一钝化层130，且与所述P型掺杂接触区1131及N型掺杂接触区1132相接触。

具体的，可采用光刻，先形成贯穿所述第二钝化层150及第一钝化层130的沟槽(未图示)，并采用金属填充所述沟槽，如采用电子束蒸发形成Cr/Au层等，以形成与所述P型掺杂接触区1131及N型掺杂接触区1133相接触的所述金属电极160，关于所述金属电极160的制备及材质的选择，此处不作过分限制。

实施例二

为了进一步的介绍本发明的构思，本实施例还提供了一种与实施例一具有不同结构及制备方法的Ge光电探测器，其中，本实施例与实施例一的不同之处主要在于：本实施例的Ge光电探测器还包括位于Ge吸收层与热源层之间的导热层，以通过具有较高热导率的所述导热层，有效地将所述热源层产生的热源传递到所述Ge吸收层中，从而进一步的有效调整所述Ge光电探测器的响应度，提高所述Ge光电探测器在长波长条件下的吸收系数，以扩大所述Ge光电探测器的探测范围及应用范围。

以下对本实施例进行详细的说明，其中，有关所述Ge光电探测器的制备、结构、材质等，可参阅实施例一。

参阅图9，本实施例提供了一种Ge光电探测器，所述Ge光电探测器包括Si波导210、Ge吸收层220、第一钝化层230、热源层240、导热层300、第二钝化层250及金属电260。其中，所述Si波导210包括依次叠置的底Si层211、埋氧层212及顶Si层213；其中，所述顶Si层213包括水平方向依次排列的P型掺杂接触区2131、I型区2132及N型掺杂接触区2133；所述Ge吸收层220位于所述I型区2132上；所述第一钝化层230覆盖所述P型掺杂接触区2131及N型掺杂接触区2133，且包覆所述Ge吸收层220；所述导热层300及热源层240依次位于所述Ge吸收层220的上方；所述第二钝化层250包覆所述热源层240及导热层300；所述金属电极260贯穿所述第一钝化层230及第二钝化层250，且与所述P型掺杂接触区2131及N型掺杂接触区2133相接触。

具体的，参阅图7～图9，本实施例中，在形成所述Ge吸收层220之后及形成所述金属电极260之前包括以下步骤：

先形成所述第一钝化层230，其中，所述第一钝化层230覆盖所述P型掺杂接触区2131、N型掺杂接触区2133及Ge吸收层220，而后进行平坦化，如CMP工艺等，以显露所述Ge吸收层220；

接着，于所述Ge吸收层220的上方依次形成所述导热层300及热源层240；

接着，形成包覆所述热源层240及导热层300的第二钝化层250；

最后，形成贯穿所述第二钝化层250及第一钝化层230的沟槽(未图示)，并填充所述沟槽，以形成与所述P型掺杂接触区2131及N型掺杂接触区2133相接触的所述金属电极260。

具体的，所述导热层300是一种具有较高热导率的材料层，且所述导热层300的热导率大于所述钝化层，即所述导热层300的热导率大于所述第一钝化层230的热导率(1.38W/mK)，因此，通过具有较高热导率的所述导热层300，可有效地将所述热源层240产生的热源传递到所述Ge吸收层220中，从而进一步的有效调整所述Ge光电探测器的响应度，提高所述Ge光电探测器在长波长条件下的吸收系数，以扩大所述Ge光电探测器的探测范围及应用范围。

作为示例，优选所述导热层300的相对两面分别与所述Ge吸收层220及热源层240相接触，以进一步的提高传热性能，降低热损耗，但并非局限于此，所述导热层300也可仅与所述热源层240或所述Ge吸收层220相接触或位于所述热源层240及Ge吸收层220之间，且不与所述热源层240及Ge吸收层220相接触。

作为示例，所述导热层300的厚度H的范围优选包括H≥0.5μm，如1.0μm、1.5μm、2μm等，以提高所述Ge吸收层220的光吸收性能，降低所述热源层240对所述Ge吸收层220的光吸收性能的影响。

作为示例，所述导热层300包括AlN层，但并非局限于此。

作为示例，所述热源层240优选包括TiN层及TaN层中的一种或组合，但并非局限于此。

作为示例，所述第一钝化层230包括SiO₂层；所述第二钝化层250包括SiO₂层，但并非局限于此，本实施例中，优选包括所述第二钝化层250以包覆所述热源层300及热源层240，以进行保护，但并非局限于此，在另一实施例中，也可不包括所述第二钝化层250，以降低工艺复杂度，且所述第一钝化层230及第二钝化层250的材质并非局限于此，两者也可采用不同的材质。

综上所述，本发明的Ge光电探测器及其制备方法，通过具有高阻值的热源层作为热源，以升高Ge吸收层的温度，使得Ge吸收层的禁带宽度降低，从而使得能量低于原Ge吸收层禁带宽度的光子被吸收，以增大Ge吸收层的吸收系数，实现Ge光电探测器探测范围的延伸，以扩大应用范围；进一步的，通过位于Ge吸收层与热源层之间的具有较高热导率的导热层，还可有效地将热源层产生的热源传递到Ge吸收层，从而有效调整Ge光电探测器的响应度；因此，本发明可提供一种制备工艺简单，且可有效提高Ge光电探测器在长波长条件下的吸收系数，以扩大Ge光电探测器的探测范围及应用范围。

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。