專利名稱：一種波導(dǎo)光探測(cè)器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電器件及其制備方法，尤其是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的波導(dǎo)光探測(cè)器及其制備方法。
背景技術(shù)：
在光通信系統(tǒng)中，作為傳播通道，光波導(dǎo)將光通信系統(tǒng)一端的光源(如激光)所產(chǎn)生的光信號(hào)定向傳播到系統(tǒng)另一端的探測(cè)器(如光探測(cè)器)。當(dāng)光照射到光探測(cè)器時(shí)，作為有源區(qū)的光探測(cè)器材料吸收光信號(hào)中光子的能量并激發(fā)出載流子，例如電子-空穴對(duì)。當(dāng)光探測(cè)器施加反向偏壓時(shí)，激發(fā)出的載流子被吸引到光探測(cè)器的電極。從而在外加電場(chǎng)的作用下形成光生電流。許多光通信系統(tǒng)采用長(zhǎng)波長(zhǎng)光信號(hào)，如波長(zhǎng)為1310nm。由于硅材料不能響應(yīng)長(zhǎng)波長(zhǎng)信號(hào)，所以就需要在探測(cè)器上加載其他材料，例如鍺。由于鍺原則上可以在硅上實(shí)現(xiàn)外延生長(zhǎng)，鍺探測(cè)器特別適用于需要單片集成的光探測(cè)器和絕緣體上硅(SOI)光電器件中。晶格常數(shù)是指晶胞的邊長(zhǎng)。而鍺和硅的晶格常數(shù)不完全匹配，鍺的晶格常數(shù)略大于硅的晶格常數(shù)。鍺與硅的晶格常數(shù)不匹配，使得采用常規(guī)的外延技術(shù)生長(zhǎng)單晶鍺存在許多問(wèn)題。目前，在硅襯底上生長(zhǎng)單晶鍺的方法主要有兩種一種是采用緩沖層和帶后處理工藝的選擇性外延，另一種是采用快速熔融生長(zhǎng)(RMG)技術(shù)。在這兩種方法中，RMG具有較好的工藝兼容性，但在可實(shí)現(xiàn)器件結(jié)構(gòu)上有一定的限制。在采用緩沖層技術(shù)中，硅上沉積一層薄薄的非晶態(tài)的鍺。盡管采用緩沖層技術(shù)產(chǎn)生的鍺層厚于其他技術(shù)產(chǎn)生的鍺層，但是由于初始單晶層不完善，該技術(shù)產(chǎn)生的鍺層有很多缺陷。而在光探測(cè)器中，并不希望有這種缺陷，因?yàn)榫w材料中的缺陷即不純會(huì)產(chǎn)生自由載流子，并導(dǎo)致即使在無(wú)光信號(hào)的條件下也會(huì)出現(xiàn)泄漏電流，從而導(dǎo)致噪聲和錯(cuò)誤信號(hào)。在RMG技術(shù)中，鍺不是直接生長(zhǎng)在硅材料上，而是在二氧化硅上沉積多晶鍺，然后再用二氧化硅涂層包覆所沉積的多晶鍺及其周?chē)?。采用RMG技術(shù)來(lái)制作波導(dǎo)光探測(cè)器的主要問(wèn)題來(lái)源于RMG方法的自身性質(zhì)。RMG技術(shù)要求由包覆多晶鍺的二氧化硅形成一個(gè)的微石英坩堝。二氧化硅是一種低折射率材料，很難把光耦合到生成的高折射率的單晶鍺中。 由于折射率的不同，大多數(shù)的光子被折射或反射，導(dǎo)致能量無(wú)法耦合到探測(cè)器中。目前采用 RMG技術(shù)制備鍺硅集成光器件的研究中均存在耦合問(wèn)題，例如專利US 7418166中的圖IF所示

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，一種波導(dǎo)光探測(cè)器及其制備方法。通過(guò)新的器件結(jié)構(gòu)，并改進(jìn)(RMG)工藝方法，解決光耦合問(wèn)題并減少光探測(cè)器材料的缺陷。本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)一種波導(dǎo)光探測(cè)器的制備方法，依次包括以下步驟在SOI襯底上形成波導(dǎo)；
在所述波導(dǎo)和襯底上沉積第一層氧化層；生成一個(gè)穿過(guò)所述第一層氧化層并通到所述SOI襯底的體硅層的籽晶窗口 ；在所述籽晶窗口內(nèi)和覆蓋波導(dǎo)的第一層氧化層上方沉積光探測(cè)器材料；在光探測(cè)器材料和覆蓋波導(dǎo)和SOI襯底的第一層氧化層上方沉積第二層氧化層；加熱整塊材料使光探測(cè)器材料融化；冷卻光探測(cè)器材料使其開(kāi)始結(jié)晶化；在所述波導(dǎo)上方沉積多晶硅層。如上所述的一種波導(dǎo)探測(cè)器的制備方法，其中，所述光探測(cè)器材料為鍺材料。如上所述的一種波導(dǎo)探測(cè)器的制備方法，其中，用光探測(cè)器材料包覆所述波導(dǎo)。如上所述的一種波導(dǎo)探測(cè)器的制備方法，其中，所述波導(dǎo)上覆蓋平板式的光探測(cè)器材料。如上所述的一種波導(dǎo)探測(cè)器的制備方法，其中，所述籽晶窗口在波導(dǎo)光探測(cè)器末端生成，從而不影響波導(dǎo)光探測(cè)器的運(yùn)作。一種波導(dǎo)光探測(cè)器，包括，沿著SOI襯底延伸出第一段硅通道波導(dǎo)；沿著SOI襯底延伸出第二段硅通道波導(dǎo)；其中，所述第二段硅通道波導(dǎo)包括第一部分，第二部分，上部區(qū)域，第一側(cè)部區(qū)域和第二側(cè)部區(qū)域，其中，第一段硅通道波導(dǎo)和第二段硅通道波導(dǎo)被一個(gè)間隙隔離；一層波導(dǎo)薄膜沉積在所述第一段硅通道波導(dǎo)的一部分、第二硅通道波導(dǎo)的第一部分和間隙的上方；光探測(cè)器材料沉積在所述第二段硅通道波導(dǎo)的第二部分的上部區(qū)域、第一側(cè)部區(qū)域和第二側(cè)部區(qū)域上，所述光探測(cè)器材料包覆原來(lái)的硅波導(dǎo)，從而形成脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；一層絕緣薄膜沉積在所述第二段硅通道波導(dǎo)的第二部分和光探測(cè)器材料之間；所述第二段硅通道波導(dǎo)的硅材料和SOI襯底的其他硅材料完全不連通。如上所述的一種波導(dǎo)探測(cè)器，其中，所述第二段硅通道波導(dǎo)還包括第三部分，其上方既沒(méi)有覆蓋所述波導(dǎo)薄膜也沒(méi)有覆蓋所述光探測(cè)器材料。從所述第一段硅通道波導(dǎo)輸入的光信號(hào)沿著所述波導(dǎo)薄膜進(jìn)入所述第二段硅通道波導(dǎo)的第一部分，然后進(jìn)入把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的第二段硅通道波導(dǎo)的第二部分。如上所述的一種波導(dǎo)探測(cè)器，其中，所述第一段硅通道波導(dǎo)包括第一端和第二端， 它們各自有其對(duì)應(yīng)的寬度，并且第一段硅通道波導(dǎo)的第一端處的寬度大于其第二端處的寬度。所述第二段硅通道波導(dǎo)包括第一端和第二端，它們各自有其對(duì)應(yīng)的寬度，并且第二段硅通道波導(dǎo)在第二端處的寬度大于其第一端處的寬度。所述波導(dǎo)薄膜包括第一端、覆蓋所述間隙的中間區(qū)域和第二端，它們各自有其對(duì)應(yīng)的寬度；所述波導(dǎo)薄膜的中間區(qū)域的寬度是最大的；從第一端到中間區(qū)域，所述波導(dǎo)薄膜的寬度是逐漸增加的；從中間區(qū)域到第二端， 所述波導(dǎo)薄膜的寬度是逐漸減小的。另一種波導(dǎo)光探測(cè)器，包括沿著襯底延伸出第一段硅通道波導(dǎo)；沿著襯底延伸出第二段硅通道波導(dǎo)，
其中，所述第二段硅通道波導(dǎo)包括第一部分，第二部分，上部區(qū)域，第一側(cè)部區(qū)域和第二側(cè)部區(qū)域，其中，所述第一段硅通道波導(dǎo)和第二段硅通道波導(dǎo)被一個(gè)間隙隔離；—層波導(dǎo)薄膜沉積在所述第一段硅通道波導(dǎo)的一部分、第二段硅通道波導(dǎo)的第一部分和間隙的上方；光探測(cè)器材料沉積在所述第二段硅通道波導(dǎo)第二部分的上部區(qū)域的上方，并且沒(méi)有貼近其第一側(cè)部區(qū)域和第二側(cè)部區(qū)域，其中，所述光探測(cè)器材料形成一個(gè)加載到所述硅波導(dǎo)上的平板結(jié)構(gòu)；一層絕緣薄膜沉積在所述第二段硅通道波導(dǎo)的第二部分和光探測(cè)器材料之間；所述第二段硅通道波導(dǎo)的硅材料和SOI襯底的其他硅材料之間完全不連通。如上所述的一種波導(dǎo)探測(cè)器，其中，所述第二段硅通道波導(dǎo)還包括第三部分，其上方既沒(méi)有覆蓋所述波導(dǎo)薄膜也沒(méi)有覆蓋所述光探測(cè)器材料。從所述第一段硅通道波導(dǎo)輸入的光信號(hào)沿著所述波導(dǎo)薄膜進(jìn)入所述第二段硅通道波導(dǎo)的第一部分，然后進(jìn)入把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的第二段硅通道波導(dǎo)的第二部分。如上所述的一種波導(dǎo)探測(cè)器，其中，所述第一段硅通道波導(dǎo)包括第一端和第二端， 它們各自有其對(duì)應(yīng)的寬度，并且第一段硅通道波導(dǎo)的第一端處的寬度大于其第二端處的寬度。所述第二段硅通道波導(dǎo)包括第一端和第二端，它們各自有其對(duì)應(yīng)的寬度，并且第二段硅通道波導(dǎo)在第二端處的寬度大于其第一端處的寬度。所述波導(dǎo)薄膜包括第一端、覆蓋所述間隙的中間區(qū)域和第二端，它們各自有其對(duì)應(yīng)的寬度；所述波導(dǎo)薄膜的中間區(qū)域的寬度是最大的；從第一端到中間區(qū)域，所述波導(dǎo)薄膜的寬度是逐漸增加的；從中間區(qū)域到第二端， 所述波導(dǎo)薄膜的寬度是逐漸減小的。所述沉積光探測(cè)器材料使之與SOI體硅層相連的籽晶窗口位于所述波導(dǎo)光探測(cè)器的末端，從而不會(huì)對(duì)波導(dǎo)光探測(cè)器的性能產(chǎn)生影響。由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一種波導(dǎo)光探測(cè)器及其制備方法具有這樣的有益效果1、鍺材料缺陷小，無(wú)泄漏電流。本發(fā)明公開(kāi)的技術(shù)方案中，多晶鍺中的單晶生長(zhǎng)從與SOI晶圓的體硅層只有很小接觸的籽晶窗口開(kāi)始，減小了晶格失配對(duì)后續(xù)單晶生長(zhǎng)的影響，從而減少了結(jié)晶后的光探測(cè)器材料中的缺陷。另外，光探測(cè)器材料包覆或覆蓋了一個(gè)與SOI襯底的其他硅材料完全隔離的硅通道波導(dǎo)，所述被包覆或覆蓋的硅通道波導(dǎo)和探測(cè)器的饋入硅通道波導(dǎo)之間存在一段間隙。所述間隙能夠起到封閉RMG工藝中所需的微坩堝的作用，從而避免硅通道波導(dǎo)成為一條冷卻管道，因而籽晶窗口將成為唯一的冷卻管道，冷卻從籽晶窗口底部開(kāi)始。如果硅通道波導(dǎo)變成冷卻管道，它將會(huì)產(chǎn)生冷卻點(diǎn)，而這對(duì)快速熔融和冷卻過(guò)程中單晶材料的形成帶來(lái)不利影響。通過(guò)防止熱量通過(guò)硅通道波導(dǎo)這條冷卻管道傳播到外部，改善了單晶材料的形成，從而使形成的鍺材料中缺陷更少，降低了泄漏電流的產(chǎn)生概率，提高波導(dǎo)光探測(cè)器的工作效率。2、解決了硅材料和鍺材料之間的光耦合問(wèn)題。本發(fā)明解決了光從硅通道波導(dǎo)與在RMG過(guò)程中必須被二氧化硅隔離的鍺材料之間的耦合問(wèn)題。采用本發(fā)明公開(kāi)的技術(shù)方案，上述耦合可以通過(guò)滲透模耦合實(shí)現(xiàn)，即第二段硅通道波導(dǎo)(后成為被鍺薄膜包圍的中心硅條)中的導(dǎo)模滲透到鍺薄膜中。鍺薄膜下方的硅通道波導(dǎo)的寬度從其第一端至第二端逐漸減小，從而加強(qiáng)滲透模式從硅材料到鍺材料的耦合。由于鍺吸收光子能量，沿著波導(dǎo)方向，光不斷地從硅材料中耦合到鍺材料中去。


圖1是本發(fā)明公開(kāi)的波導(dǎo)光探測(cè)器的一個(gè)實(shí)施例的俯視圖。圖2是圖1中波導(dǎo)光探測(cè)器2-2截面的示意圖。圖3是圖1中波導(dǎo)光探測(cè)器3-3截面的示意圖。圖4是另一個(gè)實(shí)施例對(duì)應(yīng)圖1中波導(dǎo)光探測(cè)器3-3處的截面示意圖。圖5A-5B是圖3所示波導(dǎo)光探測(cè)器中的光波傳播示意圖。圖6是圖4所示波導(dǎo)光探測(cè)器中的光波傳播示意圖。圖7A-7C是本發(fā)明公開(kāi)的制備工藝過(guò)程中的波導(dǎo)光探測(cè)器截面示意圖。圖8是本發(fā)明公開(kāi)的波導(dǎo)光探測(cè)器的制備工藝的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明公開(kāi)了一種制備波導(dǎo)光探測(cè)器的改進(jìn)的快速熔融生長(zhǎng)技術(shù)(RMG)，并公開(kāi)了新的基于RMG的波導(dǎo)光探測(cè)器結(jié)構(gòu)。改進(jìn)的RMG技術(shù)將需要結(jié)晶的探測(cè)器材料沉積在被二氧化硅隔離的硅波導(dǎo)上，并和SOI晶圓的體硅層只有很小的鍺籽晶接觸，使得鍺籽晶結(jié)晶后得到的鍺層有很少缺陷，從而減少了波導(dǎo)探測(cè)器的泄漏電流。圖1給出了本發(fā)明公開(kāi)的波導(dǎo)光探測(cè)器的一個(gè)實(shí)施例的俯視圖。如圖所示，波導(dǎo)光探測(cè)器10，是一個(gè)光信號(hào)的傳播通道，這個(gè)光信號(hào)來(lái)源于光通信系統(tǒng)(圖1中沒(méi)有描述) 光源端，被系統(tǒng)定向傳播到系統(tǒng)的探測(cè)端。光探測(cè)器12，其中的鍺，從光信號(hào)中吸收光子，從而激發(fā)出載流子，如電子和空穴。在光探測(cè)器電極14A和14B處施加反向偏置電壓時(shí)，激發(fā)出的載流子在外加電場(chǎng)的作用下向光探測(cè)器的電極移動(dòng)，從而形成與所輸入的光信號(hào)對(duì)應(yīng)的光生電流。如上所述，波導(dǎo)光探測(cè)器10把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成了電信號(hào)。如圖1所示，波導(dǎo)光探測(cè)器10左側(cè)，有一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)l的硅通道波導(dǎo)18 ；入射光波 16，是一個(gè)光信號(hào)，從硅通道波導(dǎo)18輸入并沿其方向傳播。在一個(gè)實(shí)施例中，圖1中從左至右，第一段硅通道波導(dǎo)18的一部分從其第一端20到其第二端22橫向成錐形，且其寬度 W3逐漸減小，例如逐漸減小到工藝允許的最小寬度，或者第二端22處的寬度減小至幾乎為零。硅通道波導(dǎo)18的錐形部分的長(zhǎng)度為L(zhǎng)3。圖1中另一個(gè)硅通道波導(dǎo)M的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，其包括第一部分沈、第二部分觀和第三部分30。在一些實(shí)施例中，硅通道波導(dǎo)M的一部分橫向成錐形，其寬度從第一端32到第二端34逐漸增加，即從第一端32處幾乎為零的寬度逐漸增加到第二端34處為Wl的寬度。硅通道波導(dǎo)M的錐形部分的長(zhǎng)度為L(zhǎng)4。本發(fā)明公開(kāi)的一種波導(dǎo)光探測(cè)器中，在硅通道波導(dǎo)18和硅通道波導(dǎo)M之間有一段間隙36。也就是說(shuō)，兩個(gè)硅通道波導(dǎo)18和M被間隙36隔開(kāi)。在一個(gè)實(shí)施例中，間隙36 中填充場(chǎng)氧，如二氧化硅或者其他絕緣材料。間隙36對(duì)于波導(dǎo)光探測(cè)器的制備工藝是非常重要的，下文中將結(jié)合圖7A-7C詳細(xì)描述。間隙36能夠封閉RMG工藝中所需的微坩堝，從而有助于形成RMG工藝所需要的微坩堝。如果沒(méi)有采用本發(fā)明公開(kāi)的技術(shù)方案，即沒(méi)有在兩條硅通道波導(dǎo)之間形成間隙，那么這兩條硅通道波導(dǎo)18和M就會(huì)直接連接在一起，RMG工藝所需的微坩堝就不能很好地得到密封，并且硅通道波導(dǎo)M會(huì)變成一條冷卻管道，而不是僅由籽晶窗口提供冷卻管道。由于變成冷卻管道的硅通道波導(dǎo)對(duì)會(huì)產(chǎn)生冷卻點(diǎn)，這會(huì)為在快速熔融和冷卻過(guò)程中單晶材料的形成帶來(lái)不利影響。通過(guò)防止熱量通過(guò)硅通道波導(dǎo)M 這條冷卻管道傳播到外部，本發(fā)明公開(kāi)的技術(shù)方案改善了單晶材料的形成，從而使形成的鍺材料中缺陷更少。在圖1中，由于硅通道波導(dǎo)18和硅通道波導(dǎo)M之間有間隙36的存在，光波16不能直接在兩個(gè)波導(dǎo)之間傳播。為了使光波16通過(guò)間隙36，即光波16從條形波導(dǎo)18傳播到條形波導(dǎo)24(然后傳播到光探測(cè)器12中包覆鍺的有源區(qū))，如圖1所示，波導(dǎo)光探測(cè)器10 的硅通道波導(dǎo)18，24的上方沉積了一層多晶硅薄膜波導(dǎo)38 (也稱為波導(dǎo)薄膜)。多晶硅薄膜波導(dǎo)38被刻蝕為一對(duì)錐形，且與下方硅通道波導(dǎo)錐形部分寬度變化趨勢(shì)相反。也就是說(shuō)多晶硅薄膜波導(dǎo)38的一個(gè)錐形部分寬度隨著下方硅通道波導(dǎo)18的寬度減小而增加。同樣地，多晶硅薄膜波導(dǎo)38的另一個(gè)錐形部分隨著下方硅通道波導(dǎo)M的寬度增加而減小。波導(dǎo)薄膜38覆蓋在硅通道波導(dǎo)18的一部分，硅通道波導(dǎo)M的第一部分26和間隙36上。如圖1所示的一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)薄膜38基本上是水平跨越間隙36，并且多晶硅薄膜波導(dǎo)38在間隙36上方的寬度基本上保持恒定值。也就是說(shuō)，圖1中從左至右，多晶硅薄膜波導(dǎo)38的寬度直到間隙36處逐漸增加，然后在間隙36正上方處保持不變，接下來(lái)多晶硅薄膜波導(dǎo)38的寬度從間隙36之后逐漸減小。這一部分在其他實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)可以有所變化，然而應(yīng)該都落入本發(fā)明的公開(kāi)范圍內(nèi)。當(dāng)硅通道波導(dǎo)18的寬度沿光傳播方向逐漸減小時(shí)，光波16會(huì)通過(guò)絕熱模式變換逐漸轉(zhuǎn)移到上方的多晶硅薄膜波導(dǎo)38中，并穿過(guò)間隙36。在穿過(guò)間隙36后，光波16會(huì)隨著多晶硅薄膜波導(dǎo)38的寬度減小逐漸轉(zhuǎn)移到硅通道波導(dǎo)M中。光波16最終會(huì)通過(guò)硅通道波導(dǎo)對(duì)，耦合到光探測(cè)器12中包覆鍺的有源區(qū)40，并且轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。如圖1所示，硅通道波導(dǎo)M繼續(xù)延伸到多晶硅薄膜波導(dǎo)38的右端和采用本發(fā)明公開(kāi)的改進(jìn)的RMG工藝沉積的單晶鍺薄膜42的下方。應(yīng)該注意到，本發(fā)明所公開(kāi)的改進(jìn)的 RMG工藝，在鍺薄膜42和硅通道波導(dǎo)M之間，沉積了一層薄的氧化物薄膜，圖3中將詳細(xì)描述。沉積氧化物薄膜是為了防止波導(dǎo)光探測(cè)器10制備過(guò)程中，鍺在其覆蓋的硅通道波導(dǎo)上直接開(kāi)始結(jié)晶化。在一些實(shí)施例中，硅通道波導(dǎo)M中還包含第三部分30，并且多晶硅波導(dǎo)薄膜38和光探測(cè)器材料42 (又稱單晶鍺薄膜)都沒(méi)有覆蓋其上。光探測(cè)器12中包括P型摻雜區(qū)44，N型摻雜區(qū)46和本征區(qū)48 (位于圖1中兩排小圓線之間)，從而構(gòu)成了一個(gè)PIN 二極管。光探測(cè)器12兩側(cè)還分別包括一個(gè)或多個(gè)電極接觸通孔14A和14B。在電極14A和14B上施加的反向偏置電壓的作用下，所激發(fā)出的載流子隨著光探測(cè)器上電場(chǎng)的方向定向移動(dòng)，從而產(chǎn)生了光生電流(與光信號(hào)對(duì)應(yīng)的電流)。 如此，波導(dǎo)光探測(cè)器10把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成了電信號(hào)。如圖1所示，鍺薄膜42下方的硅通道波導(dǎo)M的寬度從Wl減小到W2，即位于鍺薄膜42下方的硅通道波導(dǎo)M部分的寬度從第一端50到第二端52是逐漸減小的，第一端50 寬于第二端52。應(yīng)該注意到，圖1中鍺薄膜42下方的硅通道波導(dǎo)M的寬度從Wl變化到 W2是可選的。硅通道波導(dǎo)M的寬度從Wl減小到W2，可以加強(qiáng)滲透模式從硅材料到鍺材料的耦合。在其他實(shí)施例中，鍺薄膜下方的硅通道波導(dǎo)M的寬度是可以保持不變的，即Wl = W2。
圖2是圖1中波導(dǎo)光探測(cè)器2-2截面示意圖。圖2特別標(biāo)示出了硅通道波導(dǎo)18 和多晶硅薄膜波導(dǎo)38在垂直方向的結(jié)構(gòu)關(guān)系。如圖2所示，從底層開(kāi)始分別是，體硅層54， 埋氧層56，硅通道波導(dǎo)18及其兩側(cè)二氧化硅層58A、58B和其上層的多晶硅薄膜波導(dǎo)38。圖3是圖1中波導(dǎo)光探測(cè)器3-3截面示意圖。圖3特別標(biāo)示出了硅通道波導(dǎo)M和鍺薄膜42在垂直方向的結(jié)構(gòu)關(guān)系。如圖3所示，硅通道波導(dǎo)24 (此處也可稱為中心硅條) 被鍺薄膜42所包覆，兩者之間有一層氧化物薄膜60 (即薄的絕緣膜層)，即絕緣薄膜60沉積在硅通道波導(dǎo)M的第二部分觀和光探測(cè)器鍺薄膜42之間。光探測(cè)器鍺薄膜42包覆了硅通道波導(dǎo)M的三側(cè)，即鍺薄膜42包覆住了硅通道波導(dǎo)M的上部區(qū)域62，第一側(cè)部區(qū)域 64和第二側(cè)部區(qū)域66，所以鍺薄膜42就構(gòu)成了一個(gè)脊結(jié)構(gòu)68。相比下面圖4中的平板覆蓋型波導(dǎo)，這種鍺薄膜42和硅通道波導(dǎo)M的組合及其包覆方式，可稱之為是“復(fù)合型脊波導(dǎo)”。在鍺光探測(cè)器區(qū)域前端，即圖1中光探測(cè)器12的最左邊，中心硅條(硅通道波導(dǎo)24) 的寬度最大，從而使導(dǎo)模更多地被限制在硅材料中。沿著波導(dǎo)方向(從左至右)，中心硅條的寬度(硅通道波導(dǎo)M的寬度)逐漸減小，從而使更多的光滲透到鍺薄膜中，更多細(xì)節(jié)描述如圖5所示。如圖3所示的結(jié)構(gòu)也可以稱為鍺包覆硅波導(dǎo)光探測(cè)器。本發(fā)明公開(kāi)的波導(dǎo)探測(cè)器技術(shù)解決了光在硅通道波導(dǎo)與在RMG過(guò)程中必須被二氧化硅隔離的鍺材料之間的耦合問(wèn)題。采用本發(fā)明公開(kāi)的技術(shù)方案，上述耦合可以通過(guò)滲透模耦合實(shí)現(xiàn)，即硅通道波導(dǎo)24(后成為被鍺薄膜包圍的中心硅條)中的導(dǎo)模滲透到鍺薄膜中。由于鍺吸收光子能量，沿著波導(dǎo)方向，光不斷地從硅材料中耦合到鍺材料中去。應(yīng)該注意到，這一耦合具有很好的波長(zhǎng)不敏感性。圖4是另一個(gè)實(shí)施例對(duì)應(yīng)圖1中波導(dǎo)光探測(cè)器3-3處的截面示意圖。圖4還特別標(biāo)示出了鍺薄膜42和硅通道波導(dǎo)M在垂直方向的結(jié)構(gòu)關(guān)系。與圖3中結(jié)構(gòu)相比，加在中心硅條24 (其上覆蓋二氧化硅薄膜層)上的鍺薄膜42是平板薄膜。請(qǐng)注意，圖4中的鍺薄膜42沒(méi)有如圖3所示那樣包覆了硅通道波導(dǎo)M，只是覆蓋在硅通道波導(dǎo)M的上部區(qū)域62 的上方，即鍺薄膜42 (或者說(shuō)是光探測(cè)器材料)僅僅位于上部區(qū)域62的上方，沒(méi)有貼近到硅通道波導(dǎo)M的第二部分觀的第一側(cè)部區(qū)域和第二側(cè)部區(qū)域。本發(fā)明提出的這種平板鍺薄膜42和硅通道波導(dǎo)M的組合及其包覆方式，可稱之為“平板覆蓋型波導(dǎo)”。在本發(fā)明中， 如圖4所示的結(jié)構(gòu)也可以稱為鍺覆蓋硅波導(dǎo)光探測(cè)器。由于本征區(qū)僅位于硅通道波導(dǎo)對(duì)的硅脊上方，所以圖4所示結(jié)構(gòu)中的本征區(qū)(沒(méi)有標(biāo)示出來(lái))比圖3所示結(jié)構(gòu)中的本征區(qū)要窄。窄的本征區(qū)會(huì)減少載流子到電極14A和14B 的輸運(yùn)時(shí)間。因此，圖4所示結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間會(huì)比圖3所示結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間更快。另外，由于圖4的結(jié)構(gòu)為平板型，所以在工藝制備上會(huì)更容易實(shí)現(xiàn)。例如在制備過(guò)程中，平坦的表面會(huì)更容易確定電極接觸孔的位置。然而，圖3所示結(jié)構(gòu)可能比圖4所示結(jié)構(gòu)更加有效。圖5A-5B是圖3所示波導(dǎo)光探測(cè)器中的光波傳播示意圖。圖5A是從側(cè)面來(lái)示意圖3中的波導(dǎo)光探測(cè)器的，即是以微米為測(cè)量單位的Y和Z方向的光傳播模式的示意圖。 圖5A中的直線72表示的是圖1中光探測(cè)器12的最左邊。在直線72的左側(cè)，硅通道波導(dǎo) 24是沒(méi)有被鍺材料包覆的，而在直線72的右側(cè)，硅通道波導(dǎo)M是被鍺材料包覆的。正如圖5A所示，直到直線72的左側(cè)，能量幾乎全部限制在硅通道波導(dǎo)M之中。但是，當(dāng)光傳入硅通道波導(dǎo)M被鍺材料包覆的區(qū)域時(shí)，光能開(kāi)始耦合到上面的鍺薄膜中，并且隨著光的傳播，因鍺吸收了光能而使能量越來(lái)越弱。
圖5B是一種從前視圖方向來(lái)示意圖3中波導(dǎo)光探測(cè)器，即是鍺包覆硅波導(dǎo)(波導(dǎo)光探測(cè)器)在X和Y方向上的光波傳播的模式剖面圖。黑色輪廓線82和圖3中所示的鍺硅的外輪廓線對(duì)應(yīng)。由圖5B所示的波導(dǎo)模式剖面圖可見(jiàn)，光場(chǎng)能量的大部分分布在鍺材料中。圖6是從側(cè)面來(lái)示意圖4中的波導(dǎo)光探測(cè)器的，即是以微米為測(cè)量單位的Y和Z 方向的光波傳導(dǎo)示意圖。圖6中的直線72表示的是圖1中光探測(cè)器12的最左邊。在直線 72的左側(cè)，硅通道波導(dǎo)M是沒(méi)有被鍺材料覆蓋的，而在直線72的右側(cè)，硅通道波導(dǎo)M是被鍺材料覆蓋的。正如圖6所示，直到直線72的左側(cè)，能量幾乎全部限制在硅通道波導(dǎo)M之中。但是，當(dāng)光傳入硅通道波導(dǎo)M被平板鍺覆蓋的區(qū)域時(shí)，光能迅速耦合到了上方平坦的鍺薄膜中，并且隨著光的傳播，因鍺吸收了光能而使能量迅速的減弱。圖7A-7C是本發(fā)明公開(kāi)的制備工藝過(guò)程中的波導(dǎo)光探測(cè)器截面示意圖。圖7A為起始襯底結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，包括體硅M，在體硅M上方的埋氧層56 (例如二氧化硅)和在埋氧層56上方的硅通道波導(dǎo)24。換句話說(shuō)，硅通道波導(dǎo)M是在包括體硅M和位于其上的埋氧層56的襯底上形成的。硅通道波導(dǎo)M周?chē)粓?chǎng)氧61 (如二氧化硅)環(huán)繞著。另外，間隙36的填充物也是場(chǎng)氧。氧化物薄膜60沉積在硅通道波導(dǎo)M上。如前文所述，間隙36在波導(dǎo)光探測(cè)器制備過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。間隙36能夠封閉RMG工藝中所需的微坩堝，從而有助于形成RMG方所需要的微坩堝。如果沒(méi)有間隙36，熱量就會(huì)沿著硅通道波導(dǎo)M擴(kuò)散， 這就會(huì)導(dǎo)致RMG工藝下形成不良單晶甚至是非單晶。本發(fā)明公開(kāi)的技術(shù)方案改進(jìn)了單晶材料的制備，因此在制備所得的鍺材料中具有更少的缺陷。圖7B描繪了圖7A所示起始結(jié)構(gòu)在沉積多晶鍺薄膜42后的側(cè)視圖。首先生成一個(gè)籽晶窗口 74，如通過(guò)刻蝕或其它適當(dāng)?shù)募夹g(shù)穿過(guò)場(chǎng)氧61和埋氧層56產(chǎn)生一個(gè)小孔或狹縫。然后，多晶鍺薄膜42沉積到籽晶窗口 74中，并沉積在覆蓋硅通道波導(dǎo)M的氧化物薄膜60和部分場(chǎng)氧61的上方。如圖7B所示，只有多晶鍺薄膜42的小部分76在籽晶窗口 74 中與體硅討相接觸。籽晶窗口 74通過(guò)場(chǎng)氧61的一部分與硅通道波導(dǎo)對(duì)隔離。在一些實(shí)施例中，籽晶窗口 74是在光探測(cè)器12的末端的后面(光信號(hào)進(jìn)入方向?yàn)榍懊?。因此，這種籽晶窗口結(jié)構(gòu)不會(huì)影響波導(dǎo)探測(cè)器的運(yùn)作。圖7C為圖7B所示結(jié)構(gòu)在沉積厚氧化層78(如二氧化硅)后的側(cè)視圖。第二次沉積的厚氧化層78厚于第一次沉積的氧化層(如場(chǎng)氧化層61)。正如圖7C所示，除了多晶鍺薄膜42中的小部分76是與體硅M接觸外，多晶鍺薄膜42完全被二氧化硅包裹著，因而形成了 RMG方法所需的微坩堝。應(yīng)該注意到，在現(xiàn)有的RMG工藝中，微坩堝只包裹了沉積的鍺材料。然而，在本發(fā)明公開(kāi)的改進(jìn)的RMG工藝中，由熱絕緣介質(zhì)所形成的微坩堝不僅僅包裹了沉積的鍺材料，還包裹了硅通道波導(dǎo)24。將如圖7C所示的結(jié)構(gòu)放置在爐管中加熱，使鍺融化，而硅保持固態(tài)。然后，將整個(gè)結(jié)構(gòu)快速冷卻，其中外部硅材料最早開(kāi)始降溫。液態(tài)鍺的熱量通過(guò)籽晶窗口 74擴(kuò)散到外部硅材料中。靠近體硅M的液態(tài)鍺42的小部分76首先開(kāi)始冷卻。然后，冷卻通過(guò)鍺材料逐漸擴(kuò)散到遠(yuǎn)離接觸部分76的其他鍺部分。與硅相鄰的小部分76成為結(jié)晶化的籽晶，并且鍺的結(jié)晶就從這里開(kāi)始。間隙36通過(guò)密封微坩堝的方式，來(lái)幫助形成RMG方法所需的微坩禍。在上述改進(jìn)的RMG工藝結(jié)束，單晶鍺形成之后，再在硅通道波導(dǎo)18和M的上面沉積一層多晶硅層，從而形成了圖1和圖2中的多晶硅薄膜波導(dǎo)38。多晶硅的熱導(dǎo)系數(shù)值很大。等到RMG結(jié)晶后才沉積多晶硅，以防止形成不必要的冷卻管道。應(yīng)該注意到，圖7A-7C 中所描述的方法還應(yīng)包括一個(gè)重要的過(guò)程，即光探測(cè)器所需的P型摻雜區(qū)，N型摻雜區(qū)和本征區(qū)的離子注入形成。注入工藝還可能包括快速熱退火(RTA)過(guò)程。因?yàn)殡x子注入所必須的RTA過(guò)程會(huì)影響RMG工藝。RMG的熱處理過(guò)程可能必須等到和RTA過(guò)程一起進(jìn)行。與現(xiàn)有的RMG工藝和集成工藝相比，被隔離的中心硅條(硅通道波導(dǎo)24)也是被包覆在微坩堝中的。所述被隔離的中心硅條用作光探測(cè)器的光輸入波導(dǎo)。由于間隙36中的氧化物將所述中心硅條熱隔絕，所以中心硅條不會(huì)影響RMG所需要的溫度梯度變化，RMG 工藝中冷卻必須從籽晶窗口和SOI晶圓的體硅接觸的根部開(kāi)始的要求也能夠得到滿足。圖8是本發(fā)明公開(kāi)的波導(dǎo)光探測(cè)器的制備工藝的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。在此實(shí)施例中，波導(dǎo)，如圖1中的硅通道波導(dǎo)對(duì)，是在SOI襯底上形成的(100)，例如圖7A所示的包括體硅M和位于其上的埋氧層56的SOI襯底。然后，第一層氧化層，如圖7A中氧化物薄膜 60，沉積在波導(dǎo)，如硅通道波導(dǎo)對(duì)，和襯底上(102)。其次，產(chǎn)生一個(gè)籽晶窗口，例如圖7B所述的籽晶窗口 74，并且該籽晶窗口穿過(guò)第一層氧化層通到SOI襯底上的體硅層(104)。再其次，光探測(cè)器材料，例如圖7B中的鍺薄膜42，沉積到籽晶窗口中和覆蓋波導(dǎo)的第一層氧化層上面(106)。接下來(lái)，第二層氧化層，例如圖7C中厚氧化層78，沉積在光探測(cè)器材料和覆蓋波導(dǎo)和SOI襯底的第一層氧化層上面(108)。最后，加熱整塊材料使光探測(cè)器材料融化 (110)。如上文中圖7C所示，為了促使鍺結(jié)晶，整個(gè)結(jié)構(gòu)將被快速冷卻。在整個(gè)結(jié)構(gòu)冷卻之后，沉積多晶硅層在硅通道波導(dǎo)18和M的上方，從而形成了圖1和圖2中的多晶硅薄膜波導(dǎo)38。以上實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域中普通技術(shù)人員可根據(jù)上述說(shuō)明對(duì)本發(fā)明做出種種變化例。因而，實(shí)施方式中的某些細(xì)節(jié)不應(yīng)構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定，本發(fā)明將以所附權(quán)利要求書(shū)界定的范圍作為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種波導(dǎo)光探測(cè)器的制備方法，依次包括以下步驟 在SOI襯底上形成波導(dǎo)；在所述波導(dǎo)和SOI襯底上沉積第一層氧化層；生成一個(gè)穿過(guò)所述第一層氧化層并通到所述SOI襯底的體硅層的籽晶窗口 ； 在所述籽晶窗口內(nèi)和覆蓋波導(dǎo)的第一層氧化層上方沉積光探測(cè)器材料； 在光探測(cè)器材料和覆蓋波導(dǎo)和SOI襯底的第一層氧化層上方沉積第二層氧化層； 加熱整塊材料使光探測(cè)器材料融化； 冷卻光探測(cè)器材料使其開(kāi)始結(jié)晶化； 在所述波導(dǎo)上方沉積多晶硅層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述光探測(cè)器材料為鍺材料。
3.權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，用光探測(cè)器材料包覆所述波導(dǎo)。
4.權(quán)利要求1所述的方法中，其特征在于，在所述波導(dǎo)上覆蓋平板式的光探測(cè)器材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述籽晶窗口在波導(dǎo)光探測(cè)器末端生成， 從而不影響波導(dǎo)光探測(cè)器的運(yùn)作。
6.一種波導(dǎo)光探測(cè)器，其特征在于，包括， 沿著SOI襯底延伸出第一段硅通道波導(dǎo)； 沿著SOI襯底延伸出第二段硅通道波導(dǎo)；其中，所述第二段硅通道波導(dǎo)包括第一部分，第二部分，上部區(qū)域，第一側(cè)部區(qū)域和第二側(cè)部區(qū)域，其中，第一段硅通道波導(dǎo)和第二段硅通道波導(dǎo)被一個(gè)間隙隔離； 一層波導(dǎo)薄膜沉積在所述第一段硅通道波導(dǎo)的一部分、第二硅通道波導(dǎo)的第一部分和間隙的上方；光探測(cè)器材料沉積在所述第二段硅通道波導(dǎo)的第二部分的上部區(qū)域、第一側(cè)部區(qū)域和第二側(cè)部區(qū)域上，所述光探測(cè)器材料包覆原來(lái)的硅波導(dǎo)，從而形成脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)； 一層絕緣薄膜沉積在所述第二段硅通道波導(dǎo)的第二部分和光探測(cè)器材料之間； 所述第二段硅通道波導(dǎo)的硅材料和SOI襯底的其他硅材料完全不連通。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的波導(dǎo)光探測(cè)器，其特征在于，所述第二段硅通道波導(dǎo)還包括第三部分，其上方既沒(méi)有覆蓋所述波導(dǎo)薄膜也沒(méi)有覆蓋所述光探測(cè)器材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的波導(dǎo)光探測(cè)器，其特征在于，從所述第一段硅通道波導(dǎo)輸入的光信號(hào)沿著所述波導(dǎo)薄膜進(jìn)入所述第二段硅通道波導(dǎo)的第一部分，然后進(jìn)入把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的第二段硅通道波導(dǎo)的第二部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的波導(dǎo)光探測(cè)器，其特征在于，所述第一段硅通道波導(dǎo)包括第一端和第二端，它們各自有其對(duì)應(yīng)的寬度，并且第一段硅通道波導(dǎo)的第一端處的寬度大于其第二端處的寬度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的波導(dǎo)光探測(cè)器，其特征在于，所述第二段硅通道波導(dǎo)包括第一端和第二端，它們各自有其對(duì)應(yīng)的寬度，并且第二段硅通道波導(dǎo)在第二端處的寬度大于其第一端處的寬度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的波導(dǎo)光探測(cè)器，其特征在于，所述波導(dǎo)薄膜包括第一端、覆蓋所述間隙的中間區(qū)域和第二端，它們各自有其對(duì)應(yīng)的寬度；其中，所述波導(dǎo)薄膜的中間區(qū)域的寬度是最大的； 其中，從第一端到中間區(qū)域，所述波導(dǎo)薄膜的寬度是逐漸增加的； 其中，從中間區(qū)域到第二端，所述波導(dǎo)薄膜的寬度是逐漸減小的。
12.—種波導(dǎo)光探測(cè)器，其特征在于，包括沿著襯底延伸出第一段硅通道波導(dǎo)；沿著襯底延伸出第二段硅通道波導(dǎo)，其中，所述第二段硅通道波導(dǎo)包括第一部分，第二部分，上部區(qū)域，第一側(cè)部區(qū)域和第二側(cè)部區(qū)域，其中，所述第一段硅通道波導(dǎo)和第二段硅通道波導(dǎo)被一個(gè)間隙隔離； 一層波導(dǎo)薄膜沉積在所述第一段硅通道波導(dǎo)的一部分、第二段硅通道波導(dǎo)的第一部分和間隙的上方；光探測(cè)器材料沉積在所述第二段硅通道波導(dǎo)第二部分的上部區(qū)域的上方，并且沒(méi)有貼近其第一側(cè)部區(qū)域和第二側(cè)部區(qū)域，其中，所述光探測(cè)器材料形成一個(gè)加載到所述第二段硅通道波導(dǎo)上的平板結(jié)構(gòu)；一層絕緣薄膜沉積在所述第二段硅通道波導(dǎo)的第二部分和光探測(cè)器材料之間； 所述第二段硅通道波導(dǎo)的硅材料和SOI襯底的其他硅材料之間完全不連通。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的波導(dǎo)光探測(cè)器，其特征在于，所述第二段硅通道波導(dǎo)還包括第三部分，其上方既沒(méi)有覆蓋所述波導(dǎo)薄膜也沒(méi)有覆蓋所述光探測(cè)器材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的波導(dǎo)光探測(cè)器，其特征在于，從所述第一段硅通道波導(dǎo)輸入的光信號(hào)沿著所述波導(dǎo)薄膜進(jìn)入所述第二段硅通道波導(dǎo)的第一部分，然后進(jìn)入把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的第二段硅通道波導(dǎo)的第二部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的波導(dǎo)光探測(cè)器，其特征在于，所述第一段硅通道波導(dǎo)包括第一端和第二端，它們各自有其對(duì)應(yīng)的寬度，并且第一段硅通道波導(dǎo)的第一端處的寬度大于其第二端處的寬度。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的波導(dǎo)光探測(cè)器，其特征在于，所述第二段硅通道波導(dǎo)包括第一端和第二端，它們各自有其對(duì)應(yīng)的寬度，并且第二段硅通道波導(dǎo)在第二端處的寬度大于其第一端處的寬度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的波導(dǎo)光探測(cè)器，其特征在于，所述波導(dǎo)薄膜包括第一端、覆蓋所述間隙的中間區(qū)域和第二端，它們各自有其對(duì)應(yīng)的寬度；所述波導(dǎo)薄膜的中間區(qū)域的寬度是最大的；從第一端到中間區(qū)域，所述波導(dǎo)薄膜的寬度是逐漸增加的；從中間區(qū)域到第二端，所述波導(dǎo)薄膜的寬度是逐漸減小的。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的波導(dǎo)光探測(cè)器，其特征在于，所述沉積光探測(cè)器材料使之與SOI體硅層相連的籽晶窗口位于所述波導(dǎo)光探測(cè)器的末端，從而不會(huì)對(duì)波導(dǎo)光探測(cè)器的性能產(chǎn)生影響。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種波導(dǎo)光探測(cè)器及其制備方法。在一個(gè)實(shí)施例中，一種波導(dǎo)光探測(cè)器的制備方法包括首先在SOI(絕緣體上硅)襯底上形成波導(dǎo)，在波導(dǎo)和SOI襯底上沉積第一層氧化層；其次，生成一個(gè)籽晶窗口，使其穿過(guò)第一層氧化層通到SOI襯底的體硅層；然后在籽晶窗口中和覆蓋波導(dǎo)的第一層氧化層上方沉積一層光探測(cè)器材料，并在光探測(cè)器材料和覆蓋了波導(dǎo)與SOI襯底的第一層氧化層上方沉積第二層氧化層；最后，加熱整塊材料來(lái)融化光探測(cè)器材料。
文檔編號(hào)H01L31/0232GK102569513SQ20111046169
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者李冰 申請(qǐng)人:李冰