專利名稱：近紅外波段全硅基納米光電探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電探測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種近紅外波段全硅基納米光電探測
O
背景技術(shù)：
進入21世紀，電互連技術(shù)發(fā)展到納米尺度，遭遇了功耗大和信號延遲兩大物理瓶頸，而光互連技術(shù)因容量大、帶寬大、功耗低等優(yōu)點被推舉并獲廣泛關(guān)注，尤其硅基片上光互連技術(shù)更被一致看好，因為硅有成熟的微納加工處理工藝，且有良好的光學、電學特性。然而，光-電子器件尺寸失配、寬禁帶半導體硅材料在低于其帶隙能量(1. 12eV)的光通信波段(波長大于1. 1 μ m)無吸收，成為制約硅基光電集成技術(shù)發(fā)展的重要原因之一。因此，發(fā)展高效率、高速度的硅基納米光電轉(zhuǎn)換理論和方法，推動硅基片上光互連技術(shù)快速發(fā)展至關(guān)重要。早期光通信波段硅基光電探測技術(shù)主要基于破壞硅晶格結(jié)構(gòu)，在禁帶中引入缺陷能級，從而提高硅對低能量光子吸收的物理機制，實現(xiàn)手段主要有利用高強度飛秒激光脈沖照射SF6環(huán)境中的硅表面產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)(J. E. Carey, C. H. Crouch, Μ. Shen, and Ε. Mazur,"Visible and near-infrared responsivity of femtosecond-laser microstructuredsilicon photodiodes,，，Opt. Lett. 30,1773-1775, 2005 ；Z. Huang, J. E. Carey, M. Liu,X. Guo, E. Mazur, and J. C. Campbell, "Microstructured silicon photodetector，，，App 1.Phys. Lett. 89，033506，2006·)，硅離子注入(Α. P. Knights, J. D. B. Bradley, S. H. Gou, andP. E. Jessop, "Silicon-on-insulator waveguide photodetector with self-ion-impIantation-engineered-enhanced infrared response,，，J. Vac. Sci. Technol. A24, 783-786,2006 ；韓培德，全硅波導型光電轉(zhuǎn)換器及其制造方法，專利申請?zhí)?00710121973. 0)，氦離子注入(Y. Liu, C. W. Chow, W. Y. Cheung, and H. K. Tsang,"In-line channel power monitorbased on helium ion implantation in silicon-on-insulator waveguides, " IEEEPhotonics Technol. Lett. 18，1882-1884，2006.)，以及低溫沉積多晶硅(K. Preston,Y. H. D. Lee, Μ. Zhang, and Μ. Lipson, "Waveguide-integrated telecom-wavelengthphotodiode in deposited silicon, ”0pt. Lett. 36，52-54，2011.)等方法。雖然硅在光通信波段吸收率得到一定增強，但晶格缺陷導致光電探測器暗電流過大，因此，該技術(shù)并非十分有效。利用雙光子吸收效應(T. K. Liang, H. K. Tsang, I. Ε. Day, J. Drake, A. P. Knights,and M. Asghari, "Sfiicon waveguide two-photon absorption detector at 1. 5 μ mwavelength for autocorrelation measurements, "Appl.Phys.Lett.81,1323-1325,2002 ；T.Tanabe, H. Sumikura, H. Taniyama, A.Shinya, and M. Notomi,"All-siliconsub-Gb/s telecom detector with low dark current and high quantum efficiencyon chip, ”Appl. Phys. Lett. 96，101103,2010.)，也可實現(xiàn)硅在近紅外波段的吸收，但非線性效應要求高功率輸入或者在高品質(zhì)因數(shù)的諧振腔中才可實現(xiàn)。近年來，混合集成窄禁帶鍺(見綜述 J.Michel，J.Liu，and L. C. Kimerling, "High-performance Ge-on-Siphotodetectors, "Nat. Photonics 4，527-534，2010.)或者 III-V 族半導體(D.Liang，A. W. Fang, H. -ff. Chen, Μ. N. Sysak, B. R. Koch, W. Lively, 0. Raday, Y. -H. Kuo, R. Jones, andJ. E. Bowers,"Hybrid silicon evanescent approach to optical interconnects,”Appl.Phys. A 95，1045-1057，2009 ；Z. Sheng,L. Liu. J. Brouckaert, S. He,and D. Van Thourhout,“InGaAs PIN photodetectors integrated on silicon-on-insulator waveguides,"Opt.Express 18，1756-1761，2010.)等有緣吸收材料到硅波導回路，并構(gòu)筑倏逝波耦合模式進行光電探測的技術(shù)發(fā)展迅速，其光電探測性能可與商用探測器相匹敵。然而過分依賴價格昂貴的鍺或III-V族半導體材料，對薄膜生長、鍵合工藝要求苛刻。一種可行的方案是利用內(nèi)部光發(fā)射(Internal Photoemission, IPE)機制在金屬-半導體界面構(gòu)筑肖特基二極管結(jié)構(gòu)，金屬電子吸收入射光后，自身能量得以提升。如果電子能量大于肖特基勢壘，且朝該界面運動，該激發(fā)電子便可越過肖特基勢壘進入半導體中，被電極收集形成光電流。光子能量大于肖特基勢壘，便可被肖特基二極管探測。然而，內(nèi)部光發(fā)射效率低導致該探測器的光電響應度也非常低(mA/W量級甚至更小)，因此，提高IPE效率，發(fā)展高性能的硅基近紅外光電探測理論和方法具有非常重要的實際意義。IPE是發(fā)生在金屬-半導體界面上的一種物理效應。在半導體中構(gòu)建法布里-帕羅諧振腔(M. Casalino, L. Sirleto, L. Moretti, M. Gioffre, G. Coppola, and I. Rendina,"Silicon resonant cavity enhanced photodetector based on the internalphotoemission effect at 1. 55 μ m !Fabrication and characterization,，，Appl.Phys. Lett. 92，251104，2008.)，或者介質(zhì)波導結(jié)構(gòu)(Μ. Casalino, L. Sirleto, Μ. Iodice,N. Saffioti, Μ. Gioffre, I. Rendina, and G. Coppola, "Gu/p-Si Schottky barrier-basednear infrared photodetector integrated with a silicon-on-insulatorwaveguide, "Appl. Phys. Lett. 96,241112,2010 ；S. Zhu, M. B. Yu, G. Q. Lo, and D. L. Kwong,"Near-infrared waveguide-based nickel silicide Schottkv-barrier photodetectorfor optical communications, "Appl. Phys. Lett. 92，081103，2008.),均非直接作用于 IPE的方法，因此增強效果有限。近年來，隨著納米制備工藝的發(fā)展，人們對存在于金屬-介質(zhì)界面上的表面等離子體激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)的認識越來越深入。SPI^s可以以波的形式，也可以以諧振模式存在于金屬-介質(zhì)界面納米量級的范圍內(nèi)，擁有極強的電場強度。若將SPI^s引入到肖特基二極管的肖特基接觸面上，利用SPPs與IPE之間的相互作用，IPE效率必可得以大幅度提高。然而，SPPs的激發(fā)條件非常苛刻，存在固有的波長敏感和偏振敏感特性，影響光電探測的光學響應帶寬和偏振響應特性(MFukuda，Τ. Aihara,K. Yamaguchi, Y. Y. Ling,K. Miyaji, and Μ. Tohyama,"Light detection enhancedby surface ρlasmon resonance in metal film, "Appl.Phys.Lett. 96,153107,2010 ；Μ. W. Knight, H. Sobhani, P. Nordlander, and N. J. Halas, "Photodetection with activeoptical antennas, "Science 332，702-704，2011.)，不利于實際應用。2009 年以來，人們先后在理論(A. Akbari, and P. Berini, “Schottky contact surface-plasmon detectorintegrated with an asymmetric metal strip waveguide,"Appl. Phys. Lett. 95,021104,2009 ；C.Scales, I.Breukelaar, and P. Berini, "Surface-plasmon Schottky contactdetector based on a symmetric metal strip in silicon,，，Opt. Lett. 35,529-531,2010.)禾口實驗(A. Akbari, R. Niall Tait, and P. Berini, "Surface ρ lasmon waveguideSchottky detector, "Opt.Express 18,8505-8514,2010 ；I.Goykhman, B.Desiatov,J.Khurgin, J.Shappir, and U. Levy, "Locally oxidized silicon surface-plasmonSchottky detector for telecom regime, "Nano Lett. 11，2219—2224，2011.)上證明了基于表面等離子體波導的肖特基二極管結(jié)構(gòu)可有效提高IPE效率，且光電響應帶寬覆蓋整個近紅外波段，有效克服了 SPI^s固有的波長敏感特性。但是，這些表面等離子體波導結(jié)構(gòu)只支持橫磁(Transverse Magnetic，TM)偏振模式，而不支持橫電(Transverse Electronic,TE)偏振模式，因此，該探測器在TE偏振光輸入的情況下光電響應明顯劣于TM偏振光輸入的情況。此外，該探測器的有源區(qū)域須足夠長(幾十微米)才能充分吸收入射光，產(chǎn)生足夠大的光電流，集成化程度有待進一步提高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種近紅外波段全硅基納米光電探測
ο近紅外波段全硅基納米光電探測器包括基底、硅納米線光波導、肖特基接觸電極、歐姆接觸電極和絕緣層，在基底上構(gòu)筑硅納米線光波導，肖特基接觸電極覆蓋在硅納米線光波導的頂部和側(cè)壁，硅納米線光波導與肖特基接觸電極之間涂覆絕緣層，在硅納米線光波導的平板區(qū)上相距肖特基接觸電極1 2 μ m的地方設(shè)置歐姆接觸電極，入射光從硅納米線光波導輸入，在肖特基接觸區(qū)域被吸收，通過內(nèi)部光發(fā)射效應轉(zhuǎn)化為光生載流子，被肖特基接觸電極和歐姆接觸電極收集形成光電流，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。本發(fā)明具有的有益效果是1.本發(fā)明采用肖特基二極管的IPE效應，克服了寬禁帶半導體硅對近紅外光不吸收而無法制作全硅基光電探測器的物理限制。器件結(jié)構(gòu)簡單，可采用CMOS工藝完全制備，成本低廉。2.本發(fā)明結(jié)合IPE與SPI^s的相互作用，利用SPP波對光子能量的強局域特性，大幅度提高了光子吸收率，因此，器件結(jié)構(gòu)可以非常小而不影響其光電轉(zhuǎn)換效率。3.本發(fā)明的基本構(gòu)型建立在偏振不敏感的金屬覆蓋的硅納米線光波導基礎(chǔ)上，具有超大帶寬和偏振不敏感的優(yōu)良光電響應特性，可在硅基片上光互連系統(tǒng)中得到廣泛應用。
圖1是近紅外波段全硅基納米光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是近紅外波段全硅基納米光電探測器在TE/TM偏振光輸入情況下的光電響應曲線，插圖為光吸收譜。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖1所示，近紅外波段全硅基納米光電探測器包括基底1、硅納米線光波導2、肖特基接觸電極3、歐姆接觸電極4和絕緣層5，在基底1上構(gòu)筑硅納米線光波導2，肖特基接觸電極3覆蓋在硅納米線光波導2的頂部和側(cè)壁，硅納米線光波導2與肖特基接觸電極3之間涂覆絕緣層5，在硅納米線光波導2的平板區(qū)上相距肖特基接觸電極31 2 μ m的位置設(shè)置歐姆接觸電極4，入射光從硅納米線光波導2輸入，在肖特基接觸區(qū)域被吸收，通過內(nèi)部光發(fā)射效應轉(zhuǎn)化為光生載流子，被肖特基接觸電極3和歐姆接觸電極4收集形成光電流，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。入射光子能量只須高于肖特基勢壘即可被該探測器檢測，有效克服了寬禁帶半導體硅因?qū)t外光不吸收而無法制作全硅基光電探測器的物理限制。肖特基接觸電極須足夠薄以便捕獲了光子能量的電子(空穴)可以在非肖特基接觸面和肖特基接觸面之間來回反射，提高躍遷幾率，達到提高內(nèi)量子效率和光電轉(zhuǎn)換效率的目的。絕緣層用于減小肖特基接觸電極與硅納米線光波導之間的接觸面積，從而減小探測器暗電流。探測器的光電響應特性取決于硅納米線光波導與肖特基接觸電極的結(jié)構(gòu)特點。本發(fā)明采用金屬電極覆蓋硅納米線光波導頂部和側(cè)壁的結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅具有非常大的傳輸帶寬，還支持TM/TE偏振模式，因此，基于該結(jié)構(gòu)的探測器具有超大帶寬和偏振不敏感的優(yōu)良響應特性。下面給出本發(fā)明的一個具體實施例。硅納米線光波導寬400nm，脊高250nm，平板區(qū)厚50nm，摻雜類型可為N型或者P型；金屬電極選用20nm厚，4 μ m長的金；選用50nm厚的SU-8作為絕緣層。計算公式7 =C ^“尸/1)^可得到探測器暗電流大小。式中，C_是肖特基接
darkarea
觸面積，A**是有效理查森常數(shù)(電子和空穴的有效理查森常數(shù)分別為112和32Acm_2K_2)，ΦΒ為肖特基勢壘高度(金-N型硅和金-P型硅之間構(gòu)成的肖特基勢壘高度分別是0. 8和0. 34eV)，kB為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。若采用P型硅納米線光波導制作肖特基探測器，室溫下的暗電流為156nA。若將光波導更換為N型摻雜，由于金-N型硅之間的肖特基勢壘較高，所以暗電流可大大減小，僅有O.OlpA。
π Αη.α光電轉(zhuǎn)換效率可通過內(nèi)量子效率獲得，即W = f，其中，A為光子
K
吸收效率，可通過時域有限差分方法計算，q為電子電荷量，為入射光子能量，內(nèi)量子效率Hi取決于IPE發(fā)射幾率，即仏=γζ。/⑷逝，發(fā)射幾率為
n-\L E A
戶(五。)=忍+(ι-忍;忍巧+…+^11(1-懇)，其中" =表示載流子能
V^B J
k——0 2t
發(fā)射幾率，具體可表示為#(盡)=1
量減小到肖特基勢壘之前在金屬中來回運動的次數(shù)，Pk = P(Ek)表示能量為&的載流子的
J-^ (當-仏時)，L為金屬中的載流
VEk=E0e ^>ΦΒ
子的衰減長度，t為肖特基金屬電極厚度。 圖2所示為本發(fā)明的一個實施例在TE/TM偏振光入射情況下的光電響應曲線，插圖為光吸收譜。圖中曲線表明，該探測器可在能量低于硅禁帶寬度的近紅外波段具有明顯的光電響應，覆蓋整個光通信波段(1.2-1. 6 μ m)，且在此范圍內(nèi)未見明顯的偏振敏感特性。硅納米線光波導的P型摻雜有利于與金電極形成勢壘高度低的肖特基二極管結(jié)構(gòu)，因此，光電轉(zhuǎn)換效率遠高于N型摻雜的情況。
權(quán)利要求
1. 一種近紅外波段全硅基納米光電探測器，其特征在于，包括基底(1 )、硅納米線光波導(2)、肖特基接觸電極(3)、歐姆接觸電極(4)和絕緣層(5)，在基底(1)上構(gòu)筑硅納米線光波導(2)，肖特基接觸電極(3)覆蓋在硅納米線光波導(2)的頂部和側(cè)壁，硅納米線光波導(2)與肖特基接觸電極(3)之間涂覆絕緣層(5)，在硅納米線光波導(2)的平板區(qū)上相距肖特基接觸電極(3) 1 2 μ m的地方設(shè)置歐姆接觸電極(4)，入射光從硅納米線光波導(2)輸入，在肖特基接觸區(qū)域被吸收，通過內(nèi)部光發(fā)射效應轉(zhuǎn)化為光生載流子，被肖特基接觸電極(3 )和歐姆接觸電極(4 )收集形成光電流，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種近紅外波段全硅基納米光電探測器。它包括基底、硅納米線光波導、肖特基接觸電極、歐姆接觸電極和絕緣層。在基底上構(gòu)筑硅納米線光波導，肖特基接觸電極覆蓋在它的頂部和側(cè)壁，硅納米線光波導與肖特基接觸電極之間涂覆絕緣層，在硅納米線光波導的平板區(qū)上相距肖特基接觸電極1～2μm的地方設(shè)置歐姆接觸電極。入射光從硅納米線光波導輸入，在肖特基接觸區(qū)域被吸收，通過內(nèi)部光發(fā)射效應轉(zhuǎn)化為光生載流子，被肖特基接觸電極和歐姆接觸電極收集形成光電流，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。本發(fā)明克服了寬禁帶硅對近紅外光不吸收的物理限制，具有超大帶寬、偏振不敏感等優(yōu)良特性，且因吸收率高可做得非常小，工藝制備與CMOS兼容，制作簡單成本低。
文檔編號H01L31/108GK102569485SQ20111045933
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者何賽靈, 楊柳 申請人:浙江大學