一种横向锗探测器结构及制备方法

摘要

本发明包括一种横向锗探测器结构及制备方法，其中，横向锗探测器结构为横向光电二极管，包括硅衬底；硅氧化层沉积于硅衬底的上表面；硅氧化层包括顶层硅；锗层形成于顶层硅的上表面，锗层包括锗层主体，以及由锗层主体分别向两侧延伸的第一延伸部与第二延伸部，于第一延伸部与第二延伸部分别形成第一掺杂区域与第二掺杂区域，于第一掺杂区域与第二掺杂区域的上表面分别形成第一电极与第二电极；氮化硅波导形成于锗层的上方，氮化硅波导为锥形结构。有益效果：通过改造锗层结构，有效增强氮化硅波导耦合至锗探测器的耦合效率，可以实现光复用器与光解复用器与锗探测器的有效集成，还可以应用于高光功率及高带宽的光电探测领域中。

权利要求

1.一种横向锗探测器结构，其特征在于，所述横向锗探测器结构为横向光电二极管，具体包括：一硅衬底；

一硅氧化层，沉积于所述硅衬底的上表面；所述硅氧化层上包括：一顶层硅；

一锗层，形成于所述顶层硅的上表面，所述锗层包括锗层主体，以及由所述锗层主体分别向两侧延伸的第一延伸部与第二延伸部，于所述第一延伸部与所述第二延伸部分别形成一第一掺杂区域与一第二掺杂区域，于所述第一掺杂区域与所述第二掺杂区域的上表面分别形成一第一电极与一第二电极，所述第一电极与所述第二电极分别向上延伸出所述硅氧化层；

一氮化硅波导，形成于所述锗层的上方，所述氮化硅波导为锥形结构，所述氮化硅波导具有一第一端与一第二端，所述第一端小于所述第二端，所述氮化硅波导用于接收光信号，并将所述光信号耦合至所述锗层，所述锗层用以接收所述光信号，并将所述光信号转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的横向锗探测器结构，其特征在于，所述锗层主体、所述第一延伸部以及所述第二延伸部形成一体成型的T型结构的所述锗层。

3.根据权利要求1所述的横向锗探测器结构，其特征在于，所述锗层主体、所述第一延伸部以及所述第二延伸部，全面覆盖所述顶层硅。

4.根据权利要求1所述的横向锗探测器结构，其特征在于，于所述第一掺杂区域掺杂N+离子，以形成一N+第一注入区域；

于所述N+第一注入区域掺杂N++离子，以形成一N++第一注入区域。

5.根据权利要求1所述的横向锗探测器结构，其特征在于，于所述第二掺杂区域掺杂P+离子，以形成一P+第二注入区域；

于所述P+第二注入区域掺杂P++离子，以形成一P++第二注入区域。

6.根据权利要求1所述的横向锗探测器结构，其特征在于，所述氮化硅波导的厚度至少为0.2um；

所述第一端的宽度为0.1-0.5um；

所述第二端的宽度为0.5-1.5um。

7.根据权利要求1所述的横向锗探测器结构，其特征在于，所述氮化硅波导与所述锗层之间的预设距离为0-0.2um。

8.一种横向锗探测器结构的制备方法，其特征在于，用于如权利要求1-7任意一项所述的横向锗探测器结构，所述横向锗探测器结构为横向光电二极管，包括：提供一硅衬底，于所述硅衬底上依次形成一硅氧化层与一顶层硅；

所述制备方法具体包括：

步骤S1、于所述顶层硅上沉积一硅氧化层，于所述硅氧化层上开设一工艺窗口，于所述工艺窗口内形成一锗层，所述锗层包括锗层主体，以及由所述锗层主体分别向两侧延伸的第一延伸部与第二延伸部；

步骤S2、于所述第一延伸部与所述第二延伸部分别进行掺杂，以形成一第一掺杂区域与一第二掺杂区域；

步骤S3、于所述锗层上沉积一硅氧化层，于所述硅氧化层上形成一氮化硅波导，所述氮化硅波导为锥形结构，所述氮化硅波导具有一第一端与一第二端，所述第一端小于所述第二端；

步骤S4、于所述氮化硅波导上沉积一硅氧化层，于所述硅氧化层上开设一第一接触孔与一第二接触孔，所述第一接触孔与所述第二接触孔分别位于所述第一掺杂区域与所述第二掺杂区域的上表面；

步骤S5、于所述第一接触孔与所述第二接触孔内分别填充金属，以形成一第一电极与一第二电极，所述第一电极与所述第二电极分别向上延伸出所述硅氧化层。

9.根据权利要求8所述的横向锗探测器结构的制备方法，其特征在于，所述锗层主体、所述第一延伸部以及所述第二延伸部形成一体成型的T型结构的所述锗层。

10.根据权利要求8所述的横向锗探测器结构的制备方法，其特征在于，所述锗层主体、所述第一延伸部以及所述第二延伸部，全面覆盖所述顶层硅。

说明书

一种横向锗探测器结构及制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种横向锗探测器结构及制备方法。

背景技术

[0002] 光复用器(mux)和光解复用器(demux)是目前光电子芯片中非常重要的光学器件之一，考虑到光复用器或者光解复用器工作的稳定性，比如受温度影响，受工艺条件而导致光复用器和光解复用器中心波长发生偏移及光谱曲线发生形变，我们需要选取合适的材料来制备光复用器和光解复用器。由于氮化硅(SiN)和氮氧化硅(SiON)的折射率随着温度变化的影响要远小于硅(Si)材料，因此光复用器和光解复用器选用SiN或者SiON作为材料，在实际应用中，光复用器和光解复用器的末端都会与探测器(PD)相连接实现光电转换，普通的光模块产品中，光复用器、光解复用器及探测器是在分立的两个芯片上通过光纤(fiber)来实现连接，进一步提高了产品的尺寸面积及增加后段对光工艺复杂度，同时在传统CMOS(互补金属氧化物半导体，英文全称Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺中的锗(Ge)探测器，光是由Si波导耦合到Ge探测器中，Ge探测器结构通常为垂直PIN结构，而此探测器结构并不适用于此专利的应用场景，其次对于传统CMOS工艺的Ge探测器，其饱和光电流都比较小，因此无法适用于高光功率的探测。

发明内容

[0003] 针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种横向锗探测器结构及制备方法。

[0004] 具体技术方案如下：

[0005] 一种横向锗探测器结构，其中，所述横向锗探测器结构为横向光电二极管，具体包括：

[0006] 一硅衬底；

[0007] 一硅氧化层，沉积于所述硅衬底的上表面；所述硅氧化层上包括：

[0008] 一顶层硅；

[0009] 一锗层，形成于所述顶层硅的上表面，所述锗层包括锗层主体，以及由所述锗层主体分别向两侧延伸的第一延伸部与第二延伸部，于所述第一延伸部与所述第二延伸部分别形成一第一掺杂区域与一第二掺杂区域，于所述第一掺杂区域与所述第二掺杂区域的上表面分别形成一第一电极与一第二电极，所述第一电极与所述第二电极分别向上延伸出所述硅氧化层；

[0010] 一氮化硅波导，形成于所述锗层的上方，所述氮化硅波导为锥形结构，所述氮化硅波导具有一第一端与一第二端，所述第一端小于所述第二端，所述氮化硅波导用于接收光信号，并将所述光信号耦合至所述锗层，所述锗层用以接收所述光信号，并将所述光信号转换为电信号。

[0011] 优选的，所述锗层主体、所述第一延伸部以及所述第二延伸部形成一体成型的T型结构的所述锗层。

[0012] 优选的，所述锗层主体、所述第一延伸部以及所述第二延伸部，全面覆盖所述顶层硅。

[0013] 优选的，于所述第一掺杂区域掺杂N+离子，以形成一N+第一注入区域；

[0014] 于所述N+第一注入区域掺杂N++离子，以形成一N++第一注入区域。

[0015] 优选的，于所述第二掺杂区域掺杂P+离子，以形成一P+第二注入区域；

[0016] 于所述P+第二注入区域掺杂P++离子，以形成一P++第二注入区域。

[0017] 优选的，所述氮化硅波导的厚度至少为0.2um；

[0018] 所述第一端的宽度为0.1-0.5um；

[0019] 所述第二端的宽度为0.5-1.5um。

[0020] 优选的，所述氮化硅波导与所述锗层之间的预设距离为0-0.2um。

[0021] 一种横向锗探测器结构的制备方法，其特征在于，用于任意一项所述的横向锗探测器结构，所述横向锗探测器结构为横向光电二极管，包括：

[0022] 提供一硅衬底，于所述硅衬底上依次形成一硅氧化层与一顶层硅；

[0023] 所述制备方法具体包括：

[0024] 步骤S1、于所述顶层硅上沉积一硅氧化层，于所述硅氧化层上开设一工艺窗口，于所述工艺窗口内形成一锗层，所述锗层包括锗层主体，以及由所述锗层主体分别向两侧延伸的第一延伸部与第二延伸部；

[0025] 步骤S2、于所述第一延伸部与所述第二延伸部分别进行掺杂，以形成一第一掺杂区域与一第二掺杂区域；

[0026] 步骤S3、于所述锗层上沉积一硅氧化层，于所述硅氧化层上形成一氮化硅波导，所述氮化硅波导为锥形结构，所述氮化硅波导具有一第一端与一第二端，所述第一端小于所述第二端；

[0027] 步骤S4、于所述氮化硅波导上沉积一硅氧化层，于所述硅氧化层上开设一第一接触孔与一第二接触孔，所述第一接触孔与所述第二接触孔分别位于所述第一掺杂区域与所述第二掺杂区域的上表面；

[0028] 步骤S5、于所述第一接触孔与所述第二接触孔内分别填充金属，以形成一第一电极与一第二电极，所述第一电极与所述第二电极分别向上延伸出所述硅氧化层。

[0029] 优选的，所述锗层主体、所述第一延伸部以及所述第二延伸部形成一体成型的T型结构的所述锗层。

[0030] 优选的，所述锗层主体、所述第一延伸部以及所述第二延伸部，全面覆盖所述顶层硅。

[0031] 本发明的技术方案有益效果在于：横向锗探测器结构为横向光电二极管结构，通过改造锗层结构，并且对锗层的两侧分别进行掺杂，有效增强氮化硅波导耦合至锗探测器的耦合效率，可以实现光复用器与光解复用器与锗探测器的有效集成，并且相对于传统工艺的锗探测器，氮化硅耦合锗探测器还可以应用于高光功率及高带宽的光电探测领域中。

附图说明

[0032] 参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

[0033] 图1为本发明中，关于横向锗探测器结构的一种较优实施例的整体结构示意图；

[0034] 图2为本发明中，关于横向锗探测器结构的一种较优实施例的俯视结构图；

[0035] 图3为本发明中，关于横向锗探测器结构的另一种较优实施例的整体结构示意图；

[0036] 图4为本发明中，关于横向锗探测器结构的制备方法的流程图。

具体实施方式

[0037] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0038] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0039] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

[0040] 本发明包括一种横向锗探测器结构，其中，横向锗探测器结构为横向光电二极管，具体包括：

[0041] 一硅衬底1；

[0042] 一硅氧化层2，沉积于硅衬底1的上表面；硅氧化层2上包括：

[0043] 一顶层硅20；

[0044] 一锗层21，形成于顶层硅20的上表面，锗层21包括锗层主体21，以及由锗层主体21分别向两侧延伸的第一延伸部210与第二延伸部211，于第一延伸部210与第二延伸部211分别形成一第一掺杂区域212与一第二掺杂区域213，于第一掺杂区域212与第二掺杂区域213的上表面分别形成一第一电极214与一第二电极214，第一电214与第二电极215分别向上延伸出硅氧化层2；

[0045] 一氮化硅波导22，形成于锗层21的上方，氮化硅波导22为锥形结构，氮化硅波导22具有一第一端220与一第二端221，第一端220小于第二端221，氮化硅波导22用于接收光信号，并将光信号耦合至锗层21，锗层21用以接收光信号，并将光信号转换为电信号。

[0046] 通过上述横向锗探测器结构的技术方案，结合图1、2所示，横向锗探测器结构为横向光电二极管结构，硅氧化层2沉积于硅衬底1的上表面，硅氧化层2包括顶层硅20、锗层21及氮化硅波导22，其中，锗层21包括锗层主体21，以及由锗层主体21分别向两侧延伸的第一延伸部210与第二延伸部211，锗层主体21、第一延伸部210以及第二延伸部211形成一体成型的T型结构的锗层21，于第一延伸部210与第二延伸部211分别形成一第一掺杂区域212与一第二掺杂区域213，于第一掺杂区域212与第二掺杂区域213的上表面分别形成一第一电极214与一第二电极215，第一电214与第二电极215分别向上延伸出硅氧化层2；具体地，于第一掺杂区域212掺杂N+离子，以形成N+第一注入区域212a，于N+第一注入区域212a掺杂N++离子，以形成N++第一注入区域212b；于第二掺杂区域213掺杂P+离子，以形成P+第二注入区域213a，于P+第二注入区域213a掺杂P++离子，以形成P++第二注入区域213b；

[0047] 进一步地，氮化硅波导22形成于锗层21的上方，其中，氮化硅波导22与锗层21之间的预设距离设置为0-0.2um，氮化硅波导22为锥形结构，氮化硅波导22的厚度t至少设置为0.2um，氮化硅波导22的第一端220的宽度设置为0.1-0.5um，氮化硅波导的22第二端221的宽度设置为0.5-1.5um，氮化硅波导22用于接收光信号，并将光信号耦合至锗层21，锗层21用以接收光信号，并将光信号转换为电信号；

[0048] 进一步地，通过改造锗层结构，并且对锗层的两侧分别进行掺杂，有效增强氮化硅波导耦合至锗探测器的耦合效率，可以实现光复用器与光解复用器与锗探测器的有效集成，并且相对于传统工艺的锗探测器，氮化硅耦合锗探测器还可以应用于高光功率及高带宽的光电探测领域中。

[0049] 在一种较优的实施例中，如图3所示，锗层主体21、第一延伸部210以及第二延伸部211，全面覆盖顶层硅20，且于第一延伸部210与第二延伸部211分别形成一第一掺杂区域
212与一第二掺杂区域213，于第一掺杂区域212与第二掺杂区域213的上表面分别形成一第一电极214与一第二电极215，第一电214与第二电极215分别向上延伸出硅氧化层2；具体地，于第一掺杂区域212掺杂N+离子，以形成N+第一注入区域212a，于N+第一注入区域212a掺杂N++离子，以形成N++第一注入区域212b；于第二掺杂区域213掺杂P+离子，以形成P+第二注入区域213a，于P+第二注入区域213a掺杂P++离子，以形成P++第二注入区域213b，通过改造锗层21结构，增强了氮化硅波导耦合至锗探测器的耦合效率，可以实现光复用器与光解复用器与锗探测器的有效集成，并且相对于传统工艺的锗探测器，氮化硅耦合锗探测器还可以应用于高光功率及高带宽的光电探测领域中。

[0050] 本发明还包括一种横向锗探测器结构的制备方法，应用于任意一项的横向锗探测器结构，其中，横向锗探测器结构为横向光电二极管，包括：

[0051] 提供一硅衬底1，于硅衬底1上依次形成一硅氧化层2与一顶层硅20；

[0052] 制备方法具体包括：

[0053] 步骤S1、于顶层硅20上沉积一硅氧化层2，于硅氧化层2上开设一工艺窗口(在图中未示出)，于工艺窗口(在图中未示出)内形成一锗层21，锗层21包括锗层主体21，以及由锗层主体21分别向两侧延伸的第一延伸部210与第二延伸部211；

[0054] 步骤S2、于第一延伸部210与第二延伸部211分别进行掺杂，以形成一第一掺杂区域212与一第二掺杂区域213；

[0055] 步骤S3、于锗层21上沉积一硅氧化层2，于硅氧化层2上形成一氮化硅波导22，氮化硅波导22具有一第一端220与一第二端221，第一端220小于第二端221；

[0056] 步骤S4、于氮化硅波导22上沉积一硅氧化层2，于硅氧化层2上开设一第一接触孔(在图中未示出)与一第二接触孔(在图中未示出)，第一接触孔(在图中未示出)与第二接触孔(在图中未示出)分别位于第一掺杂区域212与第二掺杂区域213的上表面；

[0057] 步骤S5、于第一接触孔(在图中未示出)与第二接触孔(在图中未示出)内分别填充金属，以形成一第一电极212与一第二电极213，第一电极212与第二电极213分别向上延伸出硅氧化层2。

[0058] 具体地，横向锗探测器结构的制备方法适用于氮化硅耦合锗探测器结构，氮化硅耦合锗探测器结构为横向光电二极管结构，其制备工艺简单，如图4所示，首先提供硅衬底1，于硅衬底1上依次形成硅氧化层2与顶层硅20，其中，硅氧化层2为二氧化硅；于顶层硅20上沉积一硅氧化层2，于硅氧化层2上开设一工艺窗口(在图中未示出)，于工艺窗口(在图中未示出)内形成一锗层21，锗层21包括锗层主体21，以及由锗层主体21分别向两侧延伸的第一延伸部210与第二延伸部211；于第一延伸部210与第二延伸部211分别进行掺杂，以形成一第一掺杂区域212与一第二掺杂区域213；

[0059] 具体地，锗层主体21、第一延伸部210以及第二延伸部211形成一体成型的T型结构的锗层21，如图1所示；锗层主体21、第一延伸部210以及第二延伸部211，全面覆盖顶层硅20，如图3所示；其中，于第一掺杂区域212掺杂N+离子，以形成N+第一注入区域212a，于N+第一注入区域212a掺杂N++离子，以形成N++第一注入区域212b；于第二掺杂区域213掺杂P+离子，以形成P+第二注入区域213a，于P+第二注入区域213a掺杂P++离子，以形成P++第二注入区域213b；

[0060] 进一步地，于锗层21上沉积硅氧化层2，于硅氧化层2上形成氮化硅波导22，氮化硅波导22为锥形结构，氮化硅波导22具有一第一端220与一第二端221，第一端220小于第二端221，通过将氮化硅波导22设置为锥形结构，进一步增强了氮化硅波导22耦合至锗探测器的耦合效率；

[0061] 进一步地，于氮化硅波导22上沉积一硅氧化层2，于硅氧化层2上开设一第一接触孔(在图中未示出)与一第二接触孔(在图中未示出)，第一接触孔(在图中未示出)与第二接触孔(在图中未示出)分别位于第一掺杂区域212与第二掺杂区域213的上表面；于第一接触孔(在图中未示出)与第二接触孔(在图中未示出)内分别填充金属，以形成一第一电极212与一第二电极213，第一电极212与第二电极213分别向上延伸出硅氧化层2。

[0062] 本发明的技术方案有益效果在于：横向锗探测器结构为横向光电二极管结构，通过改造锗层结构，并且对锗层的两侧分别进行掺杂，有效增强氮化硅波导耦合至锗探测器的耦合效率，可以实现光复用器与光解复用器与锗探测器的有效集成，并且相对于传统工艺的锗探测器，氮化硅耦合锗探测器还可以应用于高光功率及高带宽的光电探测领域中。

[0063] 以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。