高带宽高响应度的锗硅光电探测器.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911357237.4 (22)申请日 2019.12.25 (71)申请人 武汉邮电科学研究院有限公司 地址 430074 湖北省武汉市洪山区邮科院 路88号 申请人 武汉光谷信息光电子创新中心有限 公司 (72)发明人 陈代高肖希王磊张宇光 胡晓余少华 (74)专利代理机构 武汉智权专利代理事务所 (特殊普通合伙) 42225 代理人 陈文净 (51)Int.Cl. H01L 31/0352(2006.01) H01L 31/109(2006.01) (54)发明名称 。

2、一种高带宽高响应度的锗硅光电探测器 (57)摘要 本发明公开了一种高带宽高响应度的锗硅 光电探测器， 涉及光电探测技术领域， 包括硅波 导、 硅衬底、 轻掺杂硅区、 重掺杂硅区、 锗吸收区、 外延硅区、 外延硅掺杂区、 第一电极和第二电极； 硅波导用于传播入射光； 硅衬底用于接收硅波导 传播的入射光； 轻掺杂硅区设于硅衬底中； 重掺 杂硅区设于轻掺杂硅区中； 锗吸收区设于轻掺杂 硅区上， 且锗吸收区包括远离硅波导的第一部 分， 第一部分在轻掺杂硅区上的投影面为圆弧 状； 外延硅区环绕并覆盖于锗吸收区上； 外延硅 掺杂区覆盖于锗吸收区的顶部； 第一电极设于重 掺杂硅区上， 且形状与重掺杂硅区匹配。

3、； 第二电 极设于外延硅掺杂区上。 本发明提供的锗硅光电 探测器， 具有高响应度和较高带宽。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 111048606 A 2020.04.21 CN 111048606 A 1.一种高带宽高响应度的锗硅光电探测器， 其特征在于， 包括： 硅波导(1)， 其用于传播入射光； 硅衬底(2)， 其用于接收所述硅波导(1)传播的入射光； 轻掺杂硅区(3)， 其设于所述硅衬底(2)中， 所述轻掺杂硅区(3)由所述硅衬底(2)的表 面掺杂扩散至硅衬底(2)的内部； 重掺杂硅区(4)， 其设于所述轻掺杂硅区(3)中， 所述重掺杂硅区(4)由轻掺杂硅区(3) 的表面掺杂。

4、扩散至轻掺杂硅区(3)的内部； 锗吸收区(5)， 其设于所述轻掺杂硅区(3)上， 且所述锗吸收区(5)包括远离所述硅波导 (1)的第一部分， 所述第一部分在所述轻掺杂硅区(3)上的投影面为圆弧状； 外延硅区(6)， 其环绕并覆盖于所述锗吸收区(5)上； 外延硅掺杂区(7)， 其设于所述外延硅区(6)中， 所述外延硅掺杂区(7)由外延硅区(6) 的表面掺杂扩散至外延硅区(6)的底部； 第一电极(8)， 其设于所述重掺杂硅区(4)上， 且形状与所述重掺杂硅区(4)匹配； 第二电极(9)， 其设于所述外延硅掺杂区(7)上。 2.如权利要求1所述的高带宽高响应度的锗硅光电探测器， 其特征在于： 所述锗。

5、吸收区 (5)为圆台状或圆柱状。 3.如权利要求1所述的高带宽高响应度的锗硅光电探测器， 其特征在于： 所述锗吸收区 (5)包括靠近所述硅波导(1)的第二部分， 所述第二部分在所述轻掺杂硅区(3)上的投影面 为方形。 4.如权利要求3所述的高带宽高响应度的锗硅光电探测器， 其特征在于： 所述硅波导 (1)的中心线偏向所述第二部分。 5.如权利要求1所述的高带宽高响应度的锗硅光电探测器， 其特征在于： 所述第一电极 (8)为与所述重掺杂硅区(4)匹配的U形结构， 且所述第一电极(8)在所述硅衬底(2)上的投 影面积小于所述重掺杂硅区(4)在所述硅衬底(2)上的投影的面积。 6.如权利要求5所述的。

6、高带宽高响应度的锗硅光电探测器， 其特征在于： 所述第一电极 (8)外侧为方形， 内侧具有与所述锗吸收区(5)的第一部分匹配的圆弧面。 7.如权利要求1所述的高带宽高响应度的锗硅光电探测器， 其特征在于： 所述重掺杂硅 区(4)在所述轻掺杂硅区(3)上的投影面为U形结构， 且所述锗吸收区(5)位于所述重掺杂硅 区(4)的U形槽内。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111048606 A 2 一种高带宽高响应度的锗硅光电探测器 技术领域 0001 本发明涉及光电探测技术领域， 具体涉及一种高带宽高响应度的锗硅光电探测 器。 背景技术 0002 硅基光子芯片具备与标准半导体工艺兼容， 成本低， 。

7、集成度高的优点， 逐渐被业界 广泛采用。 在光通信领域， 硅基光子的接收端通常使用到的器件为波导型锗硅光电探测器。 0003 目前的波导型锗硅光电探测器都是采用方形结构， 光从一端入射， 从对应的另一 端出射， 经历单程吸收， 所以要尽可能多的吸收光， 即大的响应度， 就需要比较长的锗吸收 区。 但是长的吸收区会增加器件的寄生参数， 从而使器件的光电带宽下降。 以上可以看出， 目前的这种方形锗硅光电探测器的响应度和光电带宽之间存在相互制约的关系。 发明内容 0004 针对现有技术中存在的缺陷， 本发明的目的在于提供一种高带宽高响应度的锗硅 光电探测器， 不仅保证在较小的锗吸收区内光可以被充分吸。

8、收， 获得高的响应度， 而且器件 尺寸较小， 寄生参数很小， 具有较高带宽。 0005 为达到以上目的， 本发明采取的技术方案是： 0006 一种高带宽高响应度的锗硅光电探测器， 包括： 0007 硅波导， 其用于传播入射光； 0008 硅衬底， 其用于接收所述硅波导传播的入射光； 0009 轻掺杂硅区， 其设于所述硅衬底中， 所述轻掺杂硅区由所述硅衬底的表面掺杂扩 散至硅衬底的内部； 0010 重掺杂硅区， 其设于所述轻掺杂硅区中， 所述重掺杂硅区由轻掺杂硅区的表面掺 杂扩散至轻掺杂硅区的内部； 0011 锗吸收区， 其设于所述轻掺杂硅区上， 且所述锗吸收区包括远离所述硅波导的第 一部分， 。

9、所述第一部分在所述轻掺杂硅区上的投影面为圆弧状； 0012 外延硅区， 其环绕并覆盖于所述锗吸收区上； 0013 外延硅掺杂区， 其设于所述外延硅区中， 所述外延硅掺杂区由外延硅区的表面掺 杂扩散至外延硅区的底部； 0014 第一电极， 其设于所述重掺杂硅区上， 且形状与所述重掺杂硅区匹配； 0015 第二电极， 其设于所述外延硅掺杂区上。 0016 在上述技术方案的基础上， 所述锗吸收区为圆台状或圆柱状。 0017 在上述技术方案的基础上， 所述锗吸收区包括靠近所述硅波导的第二部分， 所述 第二部分在所述轻掺杂硅区上的投影面为方形。 0018 在上述技术方案的基础上， 所述硅波导的中心线偏向。

10、所述第二部分。 0019 在上述技术方案的基础上， 所述硅波导在所述硅衬底上的投影全部位于所述锗吸 说明书 1/4 页 3 CN 111048606 A 3 收区的正下方。 0020 在上述技术方案的基础上， 所述第一电极为与所述重掺杂硅区匹配的U形结构， 且 所述第一电极在所述硅衬底上的投影面积小于所述重掺杂硅区在所述硅衬底上的投影的 面积。 0021 在上述技术方案的基础上， 所述第一电极外侧为方形， 内侧具有与所述锗吸收区 的第一部分匹配的圆弧面。 0022 在上述技术方案的基础上， 所述重掺杂硅区在所述轻掺杂硅区上的投影面为U形 结构， 且所述锗吸收区位于所述重掺杂硅区的U形槽内。 0。

11、023 与现有技术相比， 本发明的优点在于： 本发明实施例的高带宽高响应度的锗硅光 电探测器中， 由于锗吸收区的第一部分在所述轻掺杂硅区上的投影面为圆弧状， 相比于方 形结构的锗吸收区， 一方面， 圆弧状的锗吸收区可以使光被限制在锗吸收区内做环形传输， 保证了在较小的锗吸收区内光可以被充分吸收， 获得高的响应度； 另一方面， 由于圆形的锗 吸收区的直径可以很小， 器件尺寸较小， 器件的寄生参数就会很小， 使得该锗硅光电探测器 具有较高带宽， 因此， 使得该锗硅光电探测器可以同时兼顾高带宽和高响应度， 具有明显优 势。 附图说明 0024 图1为本发明实施例一中高带宽高响应度的锗硅光电探测器的俯。

12、视图； 0025 图2为图1中沿A-A方向的截面图； 0026 图3为图1中沿B-B方向的截面图； 0027 图4为本发明实施例二中高带宽高响应度的锗硅光电探测器的俯视图。 0028 图中： 1-硅波导， 2-硅衬底， 3-轻掺杂硅区， 4-重掺杂硅区， 5-锗吸收区， 6-外延硅 区， 7-外延硅掺杂区， 8-第一电极， 9-第二电极。 具体实施方式 0029 以下将结合附图对本发明中各实施例的技术方案进行清楚、 完整的描述， 显然， 所 描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于本发明的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例。

13、， 都属于本 发明所保护的范围。 0030 在本发明的描述中， 需要说明的是， 术语 “中心” 、“上” 、“下” 、“左” 、“右” 、“竖直” 、 “水平” 、“内” 、“外” 等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系， 仅是为了 便于描述本发明和简化描述， 而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本发明的限制。 此外， 术语 “第一” 、“第二” 、 “第三” 仅用于描述目的， 而不能理解为指示或暗示相对重要性。 0031 在本发明的描述中， 需要说明的是， 除非另有明确的规定和限定， 术语 “安装” 、“相 连” 、“。

14、连接” 应做广义理解， 例如， 可以是固定连接， 也可以是可拆卸连接， 或一体地连接； 可 以是机械连接， 也可以是电连接； 可以是直接相连， 也可以通过中间媒介间接相连， 可以是 两个元件内部的连通。 需要指出的是， 所有附图均为示例性的表示。 对于本领域的普通技术 人员而言， 可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 说明书 2/4 页 4 CN 111048606 A 4 0032 下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。 0033 实施例一 0034 参见图1至图3所示， 本发明实施例提供一种高带宽高响应度的锗硅光电探测器， 包括硅波导1、 硅衬底2、 轻掺杂。

15、硅区3、 重掺杂硅区4、 锗吸收区5、 外延硅区6、 外延硅掺杂区 7、 第一电极8和第二电极9。 0035 硅波导1用于传播入射光； 硅衬底2用于接收所述硅波导1传播的入射光并传播至 锗吸收区5； 轻掺杂硅区3其设于所述硅衬底2中， 所述轻掺杂硅区3由所述硅衬底2的表面掺 杂扩散至硅衬底2的内部； 重掺杂硅区4其设于所述轻掺杂硅区3中， 所述重掺杂硅区4由轻 掺杂硅区3的表面掺杂扩散至轻掺杂硅区3的内部； 锗吸收区5设于所述轻掺杂硅区3上， 且 所述锗吸收区5包括远离所述硅波导1的第一部分， 所述第一部分在所述轻掺杂硅区3上的 投影面为圆弧状； 外延硅区6环绕并覆盖于所述锗吸收区5上； 外延。

16、硅掺杂区7其设于所述外 延硅区6中， 所述外延硅掺杂区7由外延硅区6的表面掺杂扩散至外延硅区6的底部； 第一电 极8设于所述重掺杂硅区4上， 且形状与所述重掺杂硅区4匹配； 第二电极9设于所述外延硅 掺杂区7上。 0036 优选地， 在本发明实施例中， 所述锗吸收区5可以为圆台状或圆柱状， 所述锗吸收 区5在所述轻掺杂硅区3上的投影面为圆形， 结构设计更加简单， 效果较好。 并且， 硅波导1的 中心线可以在所述锗吸收区5中心线的两侧， 也可以重合， 根据实际情况而定即可。 0037 更近一步地， 在本发明实施例中， 所述第一电极8为与所述重掺杂硅区4匹配的U形 结构。 具体地， 所述第一电极8。

17、外侧为方形， 内侧具有与所述锗吸收区5的第一部分匹配的圆 弧面， 可以使得第一电极8三面环绕锗吸收区5， 可以使各个区域吸收产生的电子或空穴都 有较小的漂移距离， 进而使得该锗硅光电探测器的性能更优。 0038 更近一步地， 在本发明实施例中， 所述重掺杂硅区4在所述轻掺杂硅区3上的投影 面为U形结构， 且所述锗吸收区5位于所述重掺杂硅区4的U形槽内。 0039 为更好地实现上述方案， 所述硅波导1的中心线偏向所述第二部分， 可以使得入射 光更好地被锗吸收区5吸收， 效果更优。 0040 更进一步地， 在本发明实施例中， 所述轻掺杂硅区3在所述硅衬底2上的投影全部 位于所述锗吸收区5的正下方，。

18、 且在俯视平面上来看， 所述轻掺杂硅区3的面积大于所述锗 吸收区5的面积， 可以降低器件串联电阻， 否则器件带宽不会很高。 0041 本发明实施例的高带宽高响应度的锗硅光电探测器的工作原理为： 入射光从硅波 导1进入硅衬底2内， 然后再进入到锗吸收区5内， 并在锗吸收区5内完成光电转换， 生成电子 空穴， 由于锗吸收区5的第一部分在所述轻掺杂硅区3上的投影面为圆弧状， 折射率也比周 围材料高， 使得光被限制在锗吸收区5内做环形传输直至吸收完全， 产生的电子空穴在电场 作用下分别进入轻掺杂硅4和外延硅掺杂区7； 其中进入轻掺杂硅4的电子或空穴再在电场 作用下进入重掺杂硅4， 然后被重掺杂硅4上的。

19、通孔电极8收集； 而进入外延硅掺杂区7的空 穴或者电子， 被掺杂多晶硅7上的电极9收集。 0042 本发明实施例的高带宽高响应度的锗硅光电探测器中， 由于锗吸收区5的第一部 分在所述轻掺杂硅区3上的投影面为圆弧状， 相比于方形结构的锗吸收区5， 一方面， 圆弧状 的锗吸收区5可以使光被限制在锗吸收区5内做环形传输， 保证了在较小的锗吸收区5内光 可以被充分吸收， 获得高的响应度； 另一方面， 由于圆形的锗吸收区5的直径可以很小， 器件 说明书 3/4 页 5 CN 111048606 A 5 尺寸较小， 器件的寄生参数就会很小， 使得该锗硅光电探测器具有较高带宽， 因此， 使得该 锗硅光电探测。

20、器可以同时兼顾高带宽和高响应度， 具有明显优势。 0043 实施例二 0044 参见图4所示， 本发明实施例与实施例一的区别在于： 所述锗吸收区5包括靠近所 述硅波导1的第二部分， 所述第二部分在所述轻掺杂硅区3上的投影面为方形， 使得入射光 在锗吸收区5有更大的入射吸收截面， 更多光进入锗吸收区5， 提高响应度。 0045 本发明不局限于上述实施方式， 对于本技术领域的普通技术人员来说， 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， 这些改进和润饰也视为本发明的保护 范围之内。 本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。 说明书 4/4 页 6 CN 111048606 A 6 图1 图2 说明书附图 1/2 页 7 CN 111048606 A 7 图3 图4 说明书附图 2/2 页 8 CN 111048606 A 8 。