申请/专利权人：三明学院

申请日：2018-10-25

公开（公告）日：2020-10-13

公开（公告）号：CN109545882B

主分类号：H01L31/103(20060101)

分类号：H01L31/103(20060101);H01L31/18(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.10.13#授权;2019.04.23#实质审查的生效;2019.03.29#公开

摘要：本发明提供了一种电容式光电探测器包括：第一电极；第二电极，与所述第一电极相对设置；光吸收层，设置于所述第一电极与所述第二电极之间；绝缘层，设置于所述第一电极与所述光吸收层以及所述第二电极与所述光吸收层之间，并覆盖所述光吸收层；基于本发明，通过绝缘材料隔断两个电极，使之内部无法形成回路，使得外部加电压的情况下，电容式光电探测器内部暗电流为零，从而减小了系统的误码率，有效的提高了器件的工作频率。

主权项：1.一种电容式光电探测器，其特征在于，包括：第一电极；第二电极，与所述第一电极相对设置；光吸收层，设置于所述第一电极与所述第二电极之间，其中，所述光吸收层为PN结结构；绝缘层，设置于所述第一电极与所述光吸收层以及所述第二电极与所述光吸收层之间，并覆盖所述光吸收层；第一本征硅区、第二本征硅区以及第三本征硅区，其中，所述第一本征硅区、所述第二本征硅区以及所述第三本征硅区互不相连，且所述第二本征硅区位于所述第一本征硅区、所述第二本征硅区之间，所述第一电极设置在所述第一本征硅区上，所述第二电极设置在所述第二本征硅区，在所述第一本征硅区、所述第二本征硅区以及第三本征硅区以及第一电极、第二电极之间填充有所述绝缘层。

全文数据：一种电容式光电探测器及制作工艺技术领域本发明设计光电领域，特别涉及一种电容式光电探测器。背景技术近年来，随着物联网的迅猛发展，光纤通信系统作为物联网的重要依托，其发展受到更多的重视。在长途骨干网领域，随着光传输技术的成熟和发展，世界范围内出现了干线传输网络的建设热潮，传输带宽、传输容量快速发展。随着光纤通信系统的发展，光器件的发展也同样面临着机遇和挑战，如何开发出性能优良、价格低廉的光器件已经成为人们所面临的首要问题。硅基光电子器件具有易于集成、工艺成本低等优点，近些年来引起研究人员的广泛关注。硅Si材料作为微电子领域的传统材料，在加工工艺和制作成本上有着其他材料无可比拟的优势，硅基光电子集成技术应运而生。作为硅基光电集成技术中的重要的代表元件之一的光电探测器，它的作用就是把入射的光信号转化为电信号，以便后续的信号处理电路进行分析。硅基锗光电探测器经过十几年的发展，在结构上不断优化，性能进一步提高。近年来，在学术界和工业界的持续创新努力下，各种高性能指标的波导集成的硅基锗光电探测器不断被提出，部分指标已经达到了商用三五族探测器的水平。由于锗硅材料存在晶格常数失配、热失配的问题，并且器件的加工工艺并没有达到完美的水平，因此Ge-on-Si探测器存在大的暗电流。探测器的暗电流特性为器件的关键指标，是探测器的主要噪声来源，探测器暗电流的大小直接影响了接收的误码率，大的暗电流会导致大的误码率。发明内容为了克服锗硅材料探测器的晶格常数失配、热失配的问题而纯在较大的暗电流，本发明公开了一种电容式光电探测器及制作工艺，将暗电流降为零，有效降低探测器在系统的中的误码率。本发明第一实施例提供了一种电容式光电探测器，包括：第一电极；第二电极，与所述第一电极相对设置；光吸收层，设置与于所述第一电极与所述第二电极之间；绝缘层，设置于所述第一电极与所述光吸收层以及所述第二电极与所述光吸收层之间，并覆盖所述光吸收层。优选地，还包括bias-T电流信号提取装置，所述bias-T电流信号提取装置设有RF端与DC端，所述第一电极与RF端相连，所述第二电级与DC端相连。优选地，还包括电压源，所述第一电极外接电压源的第一端，所述电压源的第二端与第二电极连接。优选地，光吸收层为PN结结构。优选地，所述绝缘层的材料为二氧化硅。本发明实施例还提供了一种如上所述电容式光电探测器的制作工艺，包括：准备SOI衬底；在SOI衬底上通过刻蚀制备出锗的生长窗口，并隔断SOI衬底的本征硅，获得互不相连的第一本征硅区、第二本征硅区以及第三本征硅区；所述第二本征硅区位于所述第一本征硅区与第三本征硅区之间；通过异质外延将锗吸收层生长在第二本征硅区上，并对锗吸收层实施N掺杂；将金属电极生长在锗吸收层的两侧的第一本征硅区与第三本征硅区上，获得第一电极以及第二电极；用绝缘层覆盖整个器件。优选地，所述第一电极垂直生长在第一本征硅层上，所述第二电极垂直生长在第三本征硅层上。基于本发明，通过绝缘材料隔断两个电极，使之内部无法形成回路，使得外部加电压的情况下，电容式光电探测器内部暗电流为零，从而减小了系统的误码率，有效的提高了器件的工作频率。附图说明图1是本发明实施例电容式光电探测器的结构示意图。图2是本发明实施例电容式光电探测器的PN结结构示意图。图3是本发明实施例电容式光电探测器的工艺流程示意图。具体实施方式为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。请参阅图1，本发明第一实施例提供了一种电容式光电探测器，包括：第一电极10；第二电极20，与所述第一电极20相对设置；光吸收层30，设置与于所述第一电极10与所述第二电极20之间；绝缘层70，设置于所述第一电极10与所述光吸收层以及所述第二电极20与所述光吸收层30之间，并覆盖所述光吸收层30。当信号光入射在所述光吸收层上，即信号光由“0”变为“1”时，所述光吸收层上的半导体材料内部产生光生载流子，所述光生载流子在外加电场的作用下，所述光生载流子向所述半导体材料内部两侧移动，从而形成电场，所述半导体材料内部形成的电场会抵消电容的平行金属板之间的电场，从而增加了电容的电容量，当信号光由“0”变为“1”时，电容的数值变大，产生一个充电的过程，从而产生一个充电电流。当信号光由“1”变为“0”时，所述半导体材料内部所产生光生载流子会复合掉，之前半导体内部产生电场消失，电容的电容量减小，产生一个放电电流。设t1时刻对应的光电流为探测器中信号光由“0”变为“1”时探测器的充电电流。当信号光进入探测器很短的时间内光电流达到最大，然后随着时间的推移光电流逐渐减小，且减小的速率越来越慢。设t2时刻对应的光电流为探测器中信号光由“1”变为“0”时探测器的放电电流，在入射光不再进入探测器很短的时间内光电流达到最大，然后随着时间的推移光电流逐渐减小，且减小的速率同样越来越慢。电容的充电时间主要取决于电容充电的固有时间及载流子的迁移时间。电容的充放电的固有时间主要取决于电容的RC常数，载流子的迁移时间主要取决于电容探测器中间吸收区的厚度及载流子饱和迁移时间。设C1为电容的初始值，C2为电容改变之后的电容值，Ct为t时刻的电容值，则Ct＝C1+C2-C1*[1-exp-tRC]；通过变换后得到：tc＝RC*Ln[C2-C1C2-Ct]；电容的放电时间主要取决于电容放电的固有时间及载流子的寿命。在材料内部，在光照的情况下会产生光生载流子，光生载流子为非平衡载流子，当停止光照的时候，光生非平衡载流子会复合掉。然而光生非平衡载流子的复合并非一瞬间完成的，而是需要一定的复合过程。光生非平衡载流子的复合时间与材料及掺杂浓度有关。优选地，还包括bias-T电流信号提取装置，所述bias-T电流信号提取装置设有RF端与DC端，所述第一电极10与RF端相连，所述第二电级20与DC端相连。当信号光入射在电容的内的半导体材料上时，电容的电量增大，产生一个瞬间的充电电流，所述bias-T电流信号提取装置的RF端接在所述第一电极10上、DC端接在所述第二电极20上，用以提取所述瞬间的充电电流。器件的带宽主要取决于其RC常数以及载流子的迁移时间。对于电容式结构的探测器，其电阻为无穷大，因此其电阻主要等效于外部匹配电阻50Ω。其电容可以根据其计算公式来计算：C＝εS4kπd；其中为电介质的介电常数，S为两个平行板的距离，k静电力常亮k＝8.988*10NmC，d为两电极板的距离。根据上述上式可以计算该电容器的电容为12.5fF。因此其RC常数为6.25*10-13。因此根据公式：f＝12πRC；可知，由RC决定的带宽可以达到255GHz。在电容式结构的探测器中，决定其带宽特性的因素主要包括电容的大小、系列电阻、载流子的迁移时间、光生非平衡载流子的寿命。优选地，还包括电压源，所述第一电极10外接电压源的第一端，所述电压源的第二端与第二电极20连接。所述电压源的第一端及第二端分别与所述第一电极10及所述第二电极相连，使得电容两端的电压与所述电压源的电压一致。优选地，光吸收层30为PN结结构。请参阅图2，当信号入射在PN结构上时，将产生电子空穴对，多数载流子一般改变很小，少数载流子浓度改变很大。由于PN结势垒区存在较强的内建电场，结两边的少数载流子在该电场的作用，各自向相反方向运动，p区的电子穿过PN结进入N区，N区的空穴进入P区，这样就使得PN结内建电场增大，势垒区变宽，电容增大。优选地，所述绝缘层70的材料为二氧化硅。二氧化硅的相对介电常数为3.9，硅的相对介电常数为11.9，在同样的宽度的电容中，二氧化硅介质的平行板电容器比真空电容器容量大3.9倍，二氧化硅介质中电场的强度是真空介质中的13.9倍，因此，用二氧化介做绝缘介质，相比于真空，在同样的电容下，可以有更宽的介质宽度。本发明实施例还提供了一种如上所述电容式光电探测器的制作工艺，包括：准备SOI衬底；在SOI衬底上通过刻蚀制备出锗的生长窗口，并隔断SOI衬底的本征硅，获得互不相连的第一本征硅区40、第二本征硅区60以及第三本征硅区50；所述第二本征硅区60位于所述第一本征硅区40与第三本征硅区60之间；通过异质外延将锗吸收层生长在第二本征硅区60上，并对锗吸收层实施N掺杂；将金属电极生长在锗吸收层的两侧的第一本征硅区40与第三本征硅区上50，获得第一电极10以及第二电极20；用绝缘层覆盖整个器件。在电容式光电探测器中的两个金属极板之间有两种介质材料，一种是作为光吸收的半导体材料，另外一种是作为介质的绝缘材料。半导体材料具有一定的导电特性，因此内部可以形成电流。然而将半导体材料隔断，采用二氧化硅填充，在外加电压的情况下无法有效的形成回路，因此不存在暗电流，电容式光电探测器的暗电流可以达到零。优选地，所述第一电极10垂直生长在第一本征硅层上，所述第二电极20垂直生长在第三本征硅层上。请参阅图3，首先准背一层准备SOI衬底材料，在所述SOI上覆盖一层二氧化硅，在所述SOI衬底上通过刻蚀制备出锗的生长窗口，将本征硅隔断；获得互不相连的第一本征硅区40、第二本征硅区60以及第三本征硅区50；所述第二本征硅区60位于所述第一本征硅区40与第三本征硅区60之间；通过异质外延将锗吸收层生长在第二本征硅区60上，并对锗吸收层实施N掺杂；将金属电极生长在锗吸收层的两侧的第一本征硅区40与第三本征硅区上50，获得第一电极10以及第二电极20；所述第一电极10及第二电机20用以连接外加电压。最后用二氧化硅覆盖整个器件，为整个器件提供保护。基于本发明，通过绝缘材料隔断两个电极，使之内部无法形成回路，使得外部加电压的情况下，电容式光电探测器内部暗电流为零，从而减小了系统的误码率，有效的提高了器件的工作频率。以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

权利要求：1.一种电容式光电探测器，其特征在于，包括：第一电极；第二电极，与所述第一电极相对设置；光吸收层，设置于所述第一电极与所述第二电极之间；绝缘层，设置于所述第一电极与所述光吸收层以及所述第二电极与所述光吸收层之间，并覆盖所述光吸收层。2.根据权利要求1所诉的一种电容式光电探测器，其特征在于，还包括bias-T电流信号提取装置，所述bias-T电流信号提取装置设有RF端与DC端，所述第一电极与RF端相连，所述第二电级与DC端相连。3.根据权利要求1所诉的一种电容式光电探测器，其特征在于，还包括电压源，所述第一电极外接电压源的第一端，所述电压源的第二端与第二电极连接。4.根据权利要求1所诉的一种电容式光电探测器，其特征在于，光吸收层为PN结结构。5.根据权利要求1所诉的一种电容式光电探测器，其特征在于，所述绝缘层的材料为二氧化硅。6.一种如权利要求1至5任意一项的电容式光电探测器的制作工艺，其特征在于，包括：准备SOI衬底；在SOI衬底上通过刻蚀制备出锗的生长窗口，并隔断SOI衬底的本征硅，获得互不相连的第一本征硅区、第二本征硅区以及第三本征硅区；所述第二本征硅区位于所述第一本征硅区与第三本征硅区之间；通过异质外延将锗吸收层生长在第二本征硅区上，并对锗吸收层实施N掺杂；将金属电极生长在锗吸收层的两侧的第一本征硅区与第三本征硅区上，获得第一电极以及第二电极；用绝缘层覆盖整个器件。7.根据权利要求6所诉的一种电容式光电探测器制作工艺，其特征在于，所述第一电极垂直生长在第一本征硅层上，所述第二电极垂直生长在第三本征硅层上。

百度查询： 三明学院 一种电容式光电探测器及制作工艺

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