阅读说明：本技术 波导集成的GeSn光电探测器及其制造方法 (Waveguide integrated GeSn photoelectric detector and manufacturing method thereof ) 是由 汪巍 方青 涂芝娟 曾友宏 蔡艳 王庆 王书晓 余明斌 于 2018-08-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及半导体制造技术领域,尤其涉及一种波导集成的GeSn光电探测器及其制造方法。所述波导集成的GeSn光电探测器,包括GeSnOI衬底以及均位于所述GeSnOI衬底表面的光纤-波导模斑耦合器、SiN光波导和器件结构；所述器件结构,包括沿所述GeSnOI衬底的轴向方向设置于所述GeSnOI衬底上的GeSn吸收层；所述SiN光波导的输出端沿平行于所述GeSnOI衬底的方向与所述GeSn吸收层的中心对齐连接；所述光纤-波导模斑耦合器包括与所述SiN光波导的输入端连接的SiN反锥型波导,且所述SiN反锥型波导与所述SiN光波导同层设置。本发明能够有效避免光探测器速率与量子效率间相互制约的问题,提高了GeSn光电探测器的灵敏度以及稳定性。(The invention relates to the technical field of semiconductor manufacturing, in particular to a waveguide integrated GeSn photoelectric detector and a manufacturing method thereof. The GeSn photoelectric detector integrated by the waveguide comprises a GeSnOI substrate, and an optical fiber-waveguide spot coupler, an SiN optical waveguide and a device structure which are all positioned on the surface of the GeSnOI substrate; the device structure comprises a GeSn absorption layer arranged on the GeSnOI substrate along the axial direction of the GeSnOI substrate; the output end of the SiN optical waveguide is connected with the center of the GeSn absorption layer in an alignment mode along the direction parallel to the GeSnOI substrate; the optical fiber-waveguide speckle coupler comprises an SiN reverse tapered waveguide connected with the input end of the SiN optical waveguide, and the SiN reverse tapered waveguide and the SiN optical waveguide are arranged on the same layer. The invention can effectively avoid the problem of mutual restriction between the speed and the quantum efficiency of the photodetector, and improves the sensitivity and the stability of the GeSn photodetector.)

波导集成的GeSn光电探测器及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种波导集成的GeSn光电探测器及其制造方法。

背景技术

GeSn作为一种新型的第IV主族材料，其能带带隙随着Sn组分增加而减小，在短波红外到中红外波段有着大的吸收系数，是制备红外光电探测器的理想材料。GeSn光电探测器的制备工艺与Si基CMOS工艺兼容，具有体积小、易集成、低成本、高性能等潜在优势，在光通讯及光传感领域有着广泛的应用前景。近年来，GeSn红外光电探测器受到了广泛的研究。Wei Du等作者在其发表的题为“Silicon-based Ge_0.89Sn_0.11 photodetector and lightemitter towards mid-infrared applications”文章中公开了一种面接收型GeSn光电探测器，以Sn组分含量为11％的GeSn合金作为吸收层，其光响应范围扩展到3μm波段。

然而，从面接收型硅基光电探测器性能上看，其光电探测效率与器件的响应效率相互制约。采用厚的耗尽层结构，有助于提高其光电探测效率，但会降低器件的响应效率；减小耗尽层厚度，又会使其光电探测效率降低。从芯片集成的角度看，面接收型硅基光电探测器虽然可以满足自由空间或光纤的光子探测，但整个光路的构建复杂、体积庞大，稳定性差。

因此，如何提高GeSn光电探测器的灵敏度和稳定性，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种波导集成的GeSn光电探测器及其制造方法，用于解决现有的GeSn灵敏度较低且稳定性较差的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种波导集成的GeSn光电探测器，包括GeSnOI衬底以及均位于所述GeSnOI衬底表面的光纤-波导模斑耦合器、SiN光波导和器件结构；

所述器件结构，包括沿所述GeSnOI衬底的轴向方向设置于所述GeSnOI衬底上的GeSn吸收层；

所述SiN光波导的输出端沿平行于所述GeSnOI衬底的方向与所述GeSn吸收层的中心对齐连接；

所述光纤-波导模斑耦合器包括与所述SiN光波导的输入端连接的SiN反锥型波导，且所述SiN反锥型波导与所述SiN光波导同层设置。

优选的，所述GeSnOI衬底包括沿其轴向方向依次层叠设置的底层硅、埋氧化层和顶层GeSn；所述器件结构包括：

下接触层，由所述顶层GeSn层构成；

上接触层，沿垂直于所述GeSnOI衬底的方向层叠设置于所述GeSn吸收层表面；

第一电极，位于所述下接触层表面；

第二电极，位于所述上接触层表面。

优选的，所述下接触层为第一类型离子掺杂的GeSn层，所述上接触层为第二类型离子掺杂的GeSn层。

优选的，所述下接触层、所述GeSn吸收层和所述上接触层共同构成二极管结构；在沿所述GeSnOI衬底的轴向方向上，所述SiN光波导的厚度与所述二极管结构的总厚度相等。

优选的，所述GeSn吸收层由Ge_1-xSn_x材料构成，其中，0<x<0.4。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种波导集成的GeSn光电探测器的制造方法，包括如下步骤：

形成GeSnOI衬底；

形成器件结构于所述GeSnOI衬底表面，所述器件结构包括沿所述GeSnOI衬底的轴向方向设置于所述GeSnOI衬底上的GeSn吸收层；

形成SiN光波导于所述GeSnOI衬底表面，所述SiN光波导的输出端沿平行于所述GeSnOI衬底的方向与所述GeSn吸收层的中心对齐连接；

形成光纤-波导模斑耦合器于所述GeSnOI衬底表面，所述光纤-波导模斑耦合器包括与所述SiN光波导的输入端连接的SiN反锥型波导，且所述SiN反锥型波导与所述SiN光波导同层设置。

优选的，形成GeSnOI衬底的具体步骤包括：

提供第一Si衬底，所述第一Si衬底上具有沿其轴向方向依次层叠设置的Ge缓冲层、第一GeSn材料层；

沉积SiO₂于所述GeSn材料层表面，形成第一键合层；

提供第二Si衬底；

沉积SiO₂于所述第二Si衬底表面，形成第二键合层；

以所述第一键合层朝向所述第二键合层的方向键合所述第一Si衬底与所述第二Si衬底，形成键合结构；

除去所述键合结构中的所述第一Si衬底和所述Ge缓冲层，形成所述GeSnOI衬底，所述第二Si衬底构成所述GeSnOI衬底的底层硅、由键合后的所述第一键合层与所述第二键合层共同构成所述GeSnOI衬底的埋氧化层、所述第一GeSn材料层构成所述GeSnOI衬底的顶层GeSn层。

优选的，形成器件结构于所述GeSnOI衬底表面的具体步骤包括：

由所述顶层GeSn层形成上接触层；

外延生长第二GeSn材料于所述上接触层表面，形成GeSn吸收层；

外延生长第三GeSn材料于所述GeSn吸收层表面，形成下接触层。

优选的，形成SiN光波导于所述GeSnOI衬底表面以及形成光纤-波导模斑耦合器于所述GeSnOI衬底表面的具体步骤包括：

刻蚀所述顶层GeSn层，暴露所述埋氧化层；

沉积SiN材料于暴露的所述埋氧化层表面，形成SiN层；

刻蚀所述SiN层，同时形成所述SiN波导与所述光纤-波导模斑耦合器中的所述SiN反锥型波导。

优选的，在沿所述GeSnOI衬底的轴向方向上，所述SiN层的厚度与由所述上接触层、所述GeSn吸收层和所述下接触层共同构成的二极管结构的总厚度相等。

本发明提供的波导集成的GeSn光电探测器及其制造方法，具有以下三个方面的优势：第一，与传统的III-V族或II-VI族材料的红外光电探测器相比，本发明采用第IV族的GeSn材料作为吸收层，能够与现有的Si基CMOS工艺兼容；第二，与传统的垂直入射型GeSn光电探测器相比，本发明提供的波导集成的GeSn光电探测器能够有效避免光探测器速率与量子效率间相互制约的问题，提高了GeSn光电探测器的灵敏度以及稳定性，且容易与其他无源光器件集成；第三，SiN波导在近红外乃至中红外波段具有极低的传输损耗，并能实现与光纤的低损耗耦合。

附图说明

附图1是本发明

具体实施方式

中波导集成的GeSn光电探测器的整体结构示意图；

附图2是本发明具体实施方式中器件结构的截面示意图；

附图3是本发明具体实施方式中波导集成的GeSn光电探测器的制造方法流程图；

附图4A-4H是本发明具体实施方式中波导集成的GeSn光电探测器在制造过程中的主要工艺结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的波导集成的GeSn光电探测器及其制造方法的具体实施方式做详细说明。

本具体实施方式提供了一种波导集成的GeSn光电探测器，附图1是本发明具体实施方式中波导集成的GeSn光电探测器的整体结构示意图，附图2是本发明具体实施方式中器件结构的截面示意图。

如图1、图2所示，本具体实施方式提供的波导集成的GeSn光电探测器，包括GeSnOI衬底以及均位于所述GeSnOI衬底表面的光纤-波导模斑耦合器、SiN光波导12和器件结构；所述器件结构，包括沿所述GeSnOI衬底的轴向方向设置于所述GeSnOI衬底上的GeSn吸收层15；所述SiN光波导12的输出端沿平行于所述GeSnOI衬底的方向与所述GeSn吸收层15的中心对齐连接；所述光纤-波导模斑耦合器包括与所述SiN光波导12的输入端连接的SiN反锥型波导13，且所述SiN反锥型波导13与所述SiN光波导12同层设置。

具体来说，在沿所述SiN反锥型波导13指向所述SiN光波导12的方向上，所述SiN反锥型波导13的宽度逐渐增大。即所述SiN反锥型波导13包括相对分布的第一末端和第二末端，所述第一末端的宽度小于第二末端，所述第二末端与所述SiN光波导12连接，光信号沿所述第一末端指向所述第二末端的方向在所述SiN反锥型波导13中传输。光信号由所述光纤-波导模斑耦合器中的所述SiN反锥型波导13进入所述SiN光波导12，经所述SiN光波导12传输输出，在所述器件结构的所述GeSn吸收层15中横向传播并被吸收生成光生载流子，形成光电流。其中，所述横向传播是指，沿平行于所述GeSnOI衬底的方向传播。

本具体实施方式提供的波导集成的GeSn光电探测器，可以用波导结构器件代替自由空间或光纤的光路，并与硅基二极管探测器进行单片集成，实现了波导输出的光在探测器耗尽层进行光电转换。由于此结构中光是平行于结面传输，不但可以在保持高的光电转换效率的条件下显著减小吸收层厚度和吸收层面积，还可以提高GeSn光电探测器的响应速度并降低暗电流。而且，波导集成的GeSn光电探测器还具有与CMOS集成电路进行集成的潜力。同时，所述SiN材料在近红外乃至中红外波段具有极低的传输损耗，并能实现与光纤的低损耗耦合。因此，采用所述SiN光波导12以及所述SiN反锥型波导13进行信号传输，所述SiN光波导12与所述GeSn吸收层15进行低耦合损耗集成，光信号在所述GeSn吸收层15中横向传输并被吸收，有利于克服面接收型硅基GeSn光电探测器厚吸收区的不利设计，能够在维持高光电转换效率的基础上实现低操作电压和更快的响应速率，比现有的GeSn探测器拥有更好的灵敏度和稳定性，在军事、生物传感、通讯等领域有着广泛的应用前景。

为了进一步提高所述器件结构的响应速率，优选的，所述GeSnOI衬底包括沿其轴向方向依次层叠设置的底层硅10、埋氧化层11和顶层GeSn；所述器件结构包括：下接触层14，由所述顶层GeSn层构成；上接触层16，沿垂直于所述GeSnOI衬底的方向层叠设置于所述GeSn吸收层15表面；第一电极17，位于所述下接触层14表面；第二电极18，位于所述上接触层16表面。

优选的，所述下接触层14为第一类型离子掺杂的GeSn层，所述上接触层16为第二类型离子掺杂的GeSn层。其中，所述第一类型离子为n-型离子或p-型离子，相应的，所述第二类型离子为p-型离子或n-型离子。

为了进一步提高光信号的耦合效率，优选的，所述下接触层14、所述GeSn吸收层15和所述上接触层16共同构成二极管结构；在沿所述GeSnOI衬底的轴向方向上，所述SiN光波导12的厚度与所述二极管结构的总厚度相等。

具体来说，所述下接触层14、所述GeSn吸收层15和所述上接触层16均采用GeSn材料构成，所述SiN光波导12的厚度与所述器件结构中GeSn材料的总厚度相等。其中，分别构成所述下接触层14、所述GeSn吸收层15和所述上接触层16的GeSn材料中Sn组分的含量(摩尔分数)可以相同、也可以不同。

本领域技术人员可以根据实际需要调整所述GeSn吸收层15中Ge组分与Sn组分的相对含量。在所述GeSn吸收层15中，随着Sn组分的增加，GeSn合金带隙变小，探测范围扩大。因此，为了获得较大的探测范围，优选的，所述GeSn吸收层由Ge_1-xSn_x材料构成，其中，0<x<0.4。

不仅如此，本具体实施方式还提供了一种波导集成的GeSn光电探测器的制造方法，附图3是本发明具体实施方式中波导集成的GeSn光电探测器的制造方法流程图，附图4A-4H是本发明具体实施方式中波导集成的GeSn光电探测器在制造过程中的主要工艺结构示意图。如图3、图4A-图4H所示，本具体实施方式提供的波导集成的GeSn光电探测器的制造方法，包括如下步骤：

步骤S31，形成GeSnOI衬底，如图4D所示。所述GeSnOI衬底包括沿其轴向方向依次层叠设置的底层硅10、埋氧化层11和顶层GeSn层141。

优选的，形成GeSnOI衬底的具体步骤包括：

(S31-1)提供第一Si衬底40，所述第一Si衬底40上具有沿其轴向方向依次层叠设置的Ge缓冲层41、第一GeSn材料层42。其中，所述Ge缓冲层41与所述第一GeSn材料层42可以是通过外延生长技术依次于所述第一Si衬底40上生长形成的。

(S31-2)沉积SiO₂于所述GeSn材料层42表面，形成第一键合层43，如图4A所示。

(S31-3)提供第二Si衬底45。

(S31-4)沉积SiO₂于所述第二Si衬底45表面，形成第二键合层44，如图4B所示。

(S31-5)以所述第一键合层43朝向所述第二键合层44的方向键合所述第一Si衬底40与所述第二Si衬底45，形成键合结构，如图4C所示。

(S31-6)除去所述键合结构中的所述第一Si衬底40和所述Ge缓冲层41，形成所述GeSnOI衬底，所述第二Si衬底45构成所述GeSnOI衬底的底层硅10、由键合后的所述第一键合层与所述第二键合层共同构成所述GeSnOI衬底的埋氧化层11、所述第一GeSn材料层构成所述GeSnOI衬底的顶层GeSn层141，如图4D所示。具体来说，可以是通过选择性刻蚀技术刻蚀掉所述键合结构背面的所述第一Si衬底40和所述Ge缓冲层41。

步骤S32，形成器件结构于所述GeSnOI衬底表面，所述器件结构包括沿所述GeSnOI衬底的轴向方向设置于所述GeSnOI衬底上的GeSn吸收层15，如图4F所示。

为了简化所述器件结构的形成步骤，优选的，形成器件结构于所述GeSnOI衬底表面的具体步骤包括：

(S32-1)由所述顶层GeSn层141形成下接触层14；

(S32-2)外延生长第二GeSn材料于所述下接触层14表面，形成GeSn吸收层15；

(S32-3)外延生长第三GeSn材料于所述GeSn吸收层15表面，形成上接触层16。

其中，所述第一GeSn材料层42、所述第二GeSn材料、所述第三GeSn材料中Sn组分的含量可以相同、也可以不同。优选的，所述GeSn吸收层15中Sn组分的含量大于0且小于40％。

步骤S33，形成SiN光波导12于所述GeSnOI衬底表面，所述SiN光波导12的输出端沿平行于所述GeSnOI衬底的方向与所述GeSn吸收层15的中心对齐连接。

步骤S34，形成光纤-波导模斑耦合器于所述GeSnOI衬底表面，所述光纤-波导模斑耦合器包括与所述SiN光波导12的输入端连接的SiN反锥型波导13，且所述SiN反锥型波导13与所述SiN光波导12同层设置，如图4G所示。

为了进一步简化工艺步骤，优选的，形成SiN光波导12于所述GeSnOI衬底表面以及形成光纤-波导模斑耦合器于所述GeSnOI衬底表面的具体步骤包括：

(1)刻蚀所述顶层GeSn层141，暴露所述埋氧化层11；

(2)沉积SiN材料于暴露的所述埋氧化层11表面，形成SiN层；

(3)刻蚀所述SiN层，同时形成所述SiN波导12与所述光纤-波导模斑耦合器中的所述SiN反锥型波导13。

具体来说，先对所述顶层GeSn层141注入第一类型离子并进行退火处理，得到所述第一类型电荷层142；然后，先后于所述第一类型电荷层142表面外延生长第二GeSn材料层151和第三GeSn材料层，并对所述第三GeSn材料层进行第二类型离子注入，形成第二类型电荷层161，如图4E所示；接着，通过光刻和干法刻蚀工艺形成GeSn光电探测器台面，并通过光刻及干法刻蚀方法定义吸收区及下接触区区域，形成由所述下接触层14、所述GeSn吸收层15和所述上接触层16构成的二极管结构。在完成二极管结构的制备之后，于暴露的所述埋氧化层11表面沉积形成所述SiN层，并通过对所述SiN层的光刻及刻蚀同时形成所述SiN光波导12以及SiN反锥型波导13。在其他具体实施方式中，所述下接触层14与所述上接触层16可以采用原位掺杂的方式掺杂离子形成，以避免离子注入方式对器件结构的损伤。

优选的，在沿所述GeSnOI衬底的轴向方向上，所述SiN层的厚度与由所述下接触层14、所述GeSn吸收层15和所述上接触层16共同构成的二极管结构的总厚度相等。

在完成所述SiN光波导12以及所述SiN反锥型波导13的制备工艺之后，还包括如下步骤：沉积SiO₂保护层于所述二极管结构及所述SiN光波导12、所述SiN反锥型波导13表面；通过光刻及刻蚀工艺于所述SiO₂保护层中定义金属接触区域；最后，于所述金属接触区域沉积金属电极，并通过光刻及刻蚀形成第一电极17以及第二电极18，如图4H所示。

本具体实施方式提供的波导集成的GeSn光电探测器及其制造方法，具有以下三个方面的优势：第一，与传统的III-V族或II-VI族材料的红外光电探测器相比，本发明采用第IV族的GeSn材料作为吸收层，能够与现有的Si基CMOS工艺兼容；第二，与传统的垂直入射型GeSn光电探测器相比，本发明提供的波导集成的GeSn光电探测器能够有效避免光探测器速率与量子效率间相互制约的问题，提高了GeSn光电探测器的灵敏度以及稳定性，且容易与其他无源光器件集成；第三，SiN波导在近红外乃至中红外波段具有极低的传输损耗，并能实现与光纤的低损耗耦合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。