具有諧振腔增強(qiáng)效應(yīng)柵格陣列型的soi光電探測器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種具有諧振腔增強(qiáng)效應(yīng)柵格陣列型的SOI光電探測器，已有CMOS光電探測器結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體CMOS工藝限制了器件結(jié)構(gòu)與電學(xué)特性的改善。本實用新型包括p型半導(dǎo)體襯底、埋氧化層、n型摻雜區(qū)、p型歐姆接觸區(qū)、環(huán)形地電極、環(huán)形電壓極、n型歐姆接觸區(qū)、輸出電極、柵格陣列型的PCOMP、頂層氧化層和多晶硅?；本實用新型解決了量子效率和響應(yīng)度之間因為吸收層厚度的原因而相互制約的問題，使得光電探測器的性能大大提高，應(yīng)用領(lǐng)域也大大拓寬，減小了光電系統(tǒng)體積、降低系統(tǒng)重量、提高系統(tǒng)性能與可靠性，同時有利于節(jié)省資源。
【專利說明】具有諧振腔增強(qiáng)效應(yīng)柵格陣列型的SOI光電探測器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種具有諧振腔增強(qiáng)效應(yīng)柵格陣列型的SOI光電探測器。

【背景技術(shù)】
[0002]由于光纖通信、紅外遙感和軍事應(yīng)用需求的不斷增長促進(jìn)了半導(dǎo)體件及其光電路的發(fā)展。隨著光電路系統(tǒng)強(qiáng)大優(yōu)勢的不斷體現(xiàn)，光電器件及其電路在計算系統(tǒng)、自由空間衛(wèi)星系統(tǒng)、光盤存儲應(yīng)用、成像系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用?？紤]到CMOS工藝的兼容性，傳統(tǒng)的Si基光電探測器是在Si襯底上進(jìn)行η型離子的注入形成η阱區(qū)(n-well)，在襯底頂部臨近η阱區(qū)之間形成P的源區(qū)，在源區(qū)頂部引出電極的金屬引線；在η阱區(qū)中按柵格陣列型進(jìn)行P型離子注入形成柵格陣列狀的PC0MP，在PCOMP和η阱區(qū)邊緣的部分生成η的歐姆接觸區(qū)，并在歐姆接觸區(qū)頂部引出電極的金屬引線；在每個PCOMP頂部形成P的歐姆接觸區(qū)，并在歐姆接觸區(qū)的頂部引出電極的金屬引線。傳統(tǒng)CMOS光電探測器由于Si的吸收系數(shù)較低，從而量子效率低，若靠增加吸收層厚度來提高量子效率，則會使帶寬大大降低，不利于提高器件和系統(tǒng)的綜合特性。隨著半導(dǎo)體技術(shù)與TCAD的發(fā)展，采用空間調(diào)制(SML)、橫向PIN等結(jié)構(gòu)的CMOS光電探測器受CMOS工藝限制，響應(yīng)度和帶寬無法進(jìn)一步滿足超高速短距離等光互連的需求。為了實現(xiàn)更高響應(yīng)度和帶寬的光電探測器，研究人員還提出了基于硅CMOS工藝的雪崩擊穿光電探測器(APD)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的響應(yīng)度和頻率帶寬等性能都較好，不足之處在于光電探測器需要施加高的反向偏壓，極大的限制了光電探測器應(yīng)用范圍。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有諧振腔增強(qiáng)效應(yīng)柵格陣列型的SOI光電探測器，通過引入法布里一羅布腔，同時利用柵格陣列型結(jié)構(gòu)，增大耗盡區(qū)面積，使得量子效率大大增加，同時不會使得帶寬降低，該器件能夠在SOI CMOS工藝上進(jìn)行實現(xiàn)，具體很好的工藝兼容性，能夠與普通CMOS器件集成在一起從而形成光電集成電路芯片或片上光電系統(tǒng)；同時相比其他兼容CMOS光電探測器，具有高量子效率、高響應(yīng)度和高帶寬特點(diǎn)。
[0004]本實用新型一種具有柵格陣列型PCOMP的諧振腔增強(qiáng)型光電探測器，包括P型半導(dǎo)體襯底、埋氧化層、η型n-well阱區(qū)、p型歐姆接觸區(qū)、環(huán)形地電極、環(huán)形電壓極、η型歐姆接觸區(qū)、輸出電極、柵格陣列形的PC0MP、頂層氧化層和多晶硅；
[0005]距離P型半導(dǎo)體襯底表面2 um處設(shè)置有埋氧化層，P型半導(dǎo)體襯底上表面設(shè)有η型n-well阱區(qū)，環(huán)形P型歐姆接觸區(qū)設(shè)置在P型半導(dǎo)體襯底上表面且位于η型n-well阱區(qū)外側(cè)，環(huán)形地電極設(shè)置在環(huán)形P型歐姆接觸區(qū)上，在環(huán)形的η型歐姆接觸區(qū)設(shè)置在P型半導(dǎo)體襯底上表面且位于η型n-well阱區(qū)內(nèi)側(cè)，環(huán)形電壓極設(shè)置在環(huán)形η型歐姆接觸區(qū)上，在P型半導(dǎo)體襯底上表面且位于環(huán)形電壓極內(nèi)側(cè)設(shè)置有柵格陣列形的PCOMP ;柵格陣列形的PCOMP上設(shè)置柵格陣列型的輸出電極；在P型半導(dǎo)體襯底I上表面各個電極之間覆蓋一層氧化層，在氧化層的表面覆蓋一層多晶硅；
[0006]所述的P型半導(dǎo)體襯底為藍(lán)寶石襯底或娃襯底；
[0007]所述的埋氧化層厚度為140nm ；
[0008]所述的η型n-well講區(qū)厚度為1.5um ；
[0009]所述的柵格陣列形的PCOMP厚度為Ium ；
[0010]所述的頂層的氧化層厚度為140nm ；
[0011]所述的多晶硅厚度為60nm ;
[0012]所述的環(huán)形地電極、環(huán)形電壓極和輸出電極的材料分別為Al或者Cu的一種；
[0013]所述的各PCOMP間的距離為lum。
[0014]所述的埋氧化層、η型n-well阱區(qū)、柵格陣列形的PC0MP、環(huán)形p型歐姆接觸區(qū)和η型歐姆接觸區(qū)的外延生長方式為注氧隔離(SIM0X)。
[0015]本實用新型通過引入法布里一羅布腔，使得光波在腔體內(nèi)往復(fù)運(yùn)動，從而使得光波多次通過吸收層達(dá)到光電增強(qiáng)效應(yīng)，器件可獲得較高的量子效率。利用柵格陣列型結(jié)構(gòu)，增大耗盡區(qū)面積，同時由于吸收層較薄，光生載流子產(chǎn)生的電子-空穴對在吸收層中的渡越時間較小，可使器件獲得較高的帶寬，解決了光電探測器的量子效率和帶寬之間相互制約的問題。
[0016]本實用新型方法中外延生長為注氧隔離(SIMOX)方式，本實用新型的實用新型點(diǎn)在于基于SOI CMOS工藝對光電探測器橫向、縱向(三維)結(jié)構(gòu)的改變。
[0017]有益效果:本實用新型通過改變光電探測器橫向、縱向(三維)結(jié)構(gòu)，使得這種新型器件在作為光電探測器工作時具有更高的響應(yīng)度和帶寬。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為圖1的俯視圖；
[0020]圖3為圖1的A-A截面示意圖；
[0021]圖4為圖1的B-B截面示意圖。

【具體實施方式】
[0022]如圖1、2、3和4所示，一種具有諧振腔增強(qiáng)效應(yīng)柵格陣列型的SOI光電探測器，包括P型半導(dǎo)體襯底1、埋氧化層2、η型n-well阱區(qū)3、p型歐姆接觸區(qū)4、環(huán)形地電極5、環(huán)形電壓極6、n型歐姆接觸區(qū)7、輸出電極8和柵格陣列形的PCOMP 9、頂層氧化層11和多晶娃10 ；
[0023]距離P型半導(dǎo)體襯底I表面2 um處設(shè)置有厚度為140nm的埋氧化層2，p型半導(dǎo)體襯底I上表面設(shè)有厚度為1.5um的η型n-well阱區(qū)3，環(huán)形p型歐姆接觸區(qū)4設(shè)置在p型半導(dǎo)體襯底上表面且位于η型n-well阱區(qū)外側(cè)，環(huán)形地電極5設(shè)置在環(huán)形p型歐姆接觸區(qū)上，環(huán)形的η型歐姆接觸區(qū)7設(shè)置在P型半導(dǎo)體襯底上表面且位于η型n-well阱區(qū)內(nèi)側(cè)，環(huán)形電壓極6設(shè)置在環(huán)形η型歐姆接觸區(qū)上，在P型半導(dǎo)體襯底上表面且位于環(huán)形電壓極6內(nèi)側(cè)設(shè)置有厚度為Ium的柵格陣列形的PCOMP 9 ;柵格陣列形的PCOMP上設(shè)置網(wǎng)格型的輸出電極8 ;在P型半導(dǎo)體襯底I上表面各個電極之間覆蓋一層厚度為140nm的氧化層11,在氧化層的表面覆蓋一層厚度為60nm的多晶硅10。
[0024]所述的P型半導(dǎo)體襯底為娃襯底；
[0025]所述的各PCOMP間的距離為Ium ；
[0026]所述的環(huán)形地電極、環(huán)形電壓極和輸出電極的材料都為者Cu ；
[0027]所述的埋氧化層、η型n-well阱區(qū)、柵格陣列形的PC0MP、環(huán)形p型歐姆接觸區(qū)和η型歐姆接觸區(qū)的外延生長方式為注氧隔離技術(shù)。
[0028]光子入射到光敏器材的表面時，被吸收的那部分光子會激發(fā)光敏材料產(chǎn)生電子-空穴對，形成電流，稱為光電效應(yīng)，此時產(chǎn)生的電子與所有入射的光子數(shù)之比稱為量子效率。普通光電探測器的量子效率計算公式^=(1-,諧振腔型光電探測器的量子效率的計算公式?ΚΗ2)/(1+Γ?-2“-(Ι-f勺.(1+A-W),其中r1、r2為諧振腔上下鏡面的反射系數(shù)力材料的吸收系數(shù)，L為耗盡層厚度。在諧振腔中，由于選取合適的上下鏡，反射系數(shù)變大，同時柵格陣列型的結(jié)構(gòu)可增大耗盡層的有效面積，但對于載流子的運(yùn)動卻不會造成延遲，從而可以在薄的耗盡層時得到較大的量子效率，同時保證帶寬不會變窄。當(dāng)頂鏡為一對S1-Si02，底鏡為三對S1-Si02時，可由公式計算[i ” =0.325，是普通光電探測器的2-3倍。這是從理論上支持了用柵格陣列型的諧振腔結(jié)構(gòu)來提高器件量子效率的方法，使得器件用于光互連時具有更高的響應(yīng)度。
【權(quán)利要求】
1.具有諧振腔增強(qiáng)效應(yīng)柵格陣列型的SOI光電探測器，包括P型半導(dǎo)體襯底、埋氧化層、η型n-well阱區(qū)、p型歐姆接觸區(qū)、環(huán)形地電極、環(huán)形電壓極、η型歐姆接觸區(qū)、輸出電極、柵格陣列型的PC0MP、頂層氧化層和多晶硅； 其特征在于:距離P型半導(dǎo)體襯底表面2 um處設(shè)置有埋氧化層，P型半導(dǎo)體襯底上表面設(shè)有η型n-well阱區(qū)，環(huán)形p型歐姆接觸區(qū)設(shè)置在P型半導(dǎo)體襯底上表面且位于η型n-well阱區(qū)外側(cè)，環(huán)形地電極設(shè)置在不環(huán)形P型歐姆接觸區(qū)上，在環(huán)形的η型歐姆接觸區(qū)設(shè)置在P型半導(dǎo)體襯底上表面且位于η型n-well阱區(qū)內(nèi)側(cè)，環(huán)形電壓極設(shè)置在環(huán)形η型歐姆接觸區(qū)上，在P型半導(dǎo)體襯底上表面且位于環(huán)形電壓極內(nèi)側(cè)設(shè)置有柵格陣列形的PCOMP ；柵格陣列形的PCOMP上設(shè)置網(wǎng)格型的輸出電極；在P型半導(dǎo)體襯底I上表面各個電極之間覆蓋一層氧化層，在氧化層的表面覆蓋一層多晶硅。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有諧振腔增強(qiáng)效應(yīng)柵格陣列型的SOI光電探測器，其特征在于:所述的P型半導(dǎo)體襯底為藍(lán)寶石襯底或硅襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有諧振腔增強(qiáng)效應(yīng)柵格陣列型的SOI光電探測器，其特征在于:所述的埋氧化層厚度為140nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有諧振腔增強(qiáng)效應(yīng)柵格陣列型的SOI光電探測器，其特征在于:所述的η型n-well講區(qū)厚度為1.5um。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有諧振腔增強(qiáng)效應(yīng)柵格陣列型的SOI光電探測器，其特征在于:所述的柵格陣列形的PCOMP厚度為lum。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有諧振腔增強(qiáng)效應(yīng)柵格陣列型的SOI光電探測器，其特征在于:所述的頂層的氧化層厚度為140nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有諧振腔增強(qiáng)效應(yīng)柵格陣列型的SOI光電探測器，其特征在于:所述的多晶硅厚度為60nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有諧振腔增強(qiáng)效應(yīng)柵格陣列型的SOI光電探測器，其特征在于:所述的環(huán)形地電極、環(huán)形電壓極和輸出電極的材料分別為Al或者Cu的一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有諧振腔增強(qiáng)效應(yīng)柵格陣列型的SOI光電探測器，其特征在于:各PCOMP間的距離為lum。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有諧振腔增強(qiáng)效應(yīng)柵格陣列型的SOI光電探測器，其特征在于:所述的埋氧化層、η型n-well阱區(qū)、柵格陣列形的PC0MP、環(huán)形p型歐姆接觸區(qū)和η型歐姆接觸區(qū)的外延生長方式采用注氧隔離方法實現(xiàn)。
【文檔編號】H01L27/14GK203983282SQ201420408915
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】洪慧, 李夢, 劉倩文 申請人:杭州電子科技大學(xué)