一种单行载流子光电探测器及其制作方法技术

本申请提供一种单行载流子光电探测器及其制作方法，在吸收层附近引入表面等离激元结构，利用局域的场增强以及传输中的近场增强与散射等特性增加吸收层的吸收，提高吸收层的光电转化效率，使得厚度较薄的吸收层具有较高的吸收性能，从而使得单行载流子光电探测器在较薄厚度的吸收层也能具有较高的响应度特性，进而在高速单行载流子探测器设计过程中，能够在不牺牲器件响应度特性指标的前提下，降低吸收层厚度，进而降低器件的载流子渡越时间，提升器件的高频带宽特性，也即实现了同时具有高响应度和高频带宽特性的器件。

【技术实现步骤摘要】
一种单行载流子光电探测器及其制作方法
本专利技术设计光电探测
，尤其设计一种单行载流子光电探测器及其制作方法。
技术介绍
随着高速光通信光检测器的迅速发展，在其中发挥重要作用的光检测器正在朝着更高的效率和更高的带宽进行设计。半导体光电二极管作为一种基于内部光电效应的光电检测器，由于其体积小，噪声低，检测速度快和检测效率高等优点，已成为光通信系统中使用的光电检测器的主要类型。基于InGaAs材料的能带为0.73eV的光电二极管是目前在光通信波导1550nm使用最广泛的商用光通信光电探测器。作为光电探测器中最典型且使用最广泛的p-i-n型检测器，与其他类型的内部光电效应检测器(例如：光电导，肖特基和热载流子)相比，暗电流更低，量子效率更高。但是，它也引入了结电容器，以使p-i-n光电探测器具有较低的带宽特性。为了改善p-i-n型光电探测器的带宽，提出了单行进载流子光电探测器，该方案将吸收区(对应吸收层)与耗尽区(对应收集层)完全分开，并保持作为耗尽区的收集层具有一定的厚度(＞＞吸收层厚度)，以保持结电容较小。通过能带的设计，仅将更快的电子作为载流子，这进一步缩短了载流子的传播时间。但单行载流子光电探测器的高频带宽与器件响应度之间具有矛盾，无法得到高响应度和高频带宽的器件。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种单行载流子光电探测器及其制作方法，以解决现有技术中高频带宽与器件响应度之间具有矛盾，无法得到高响应度和高频带宽器件的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种单行载流子光电探测器，包括：衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面和第二表面；且所述第一表面包括第一区域、第二区域和第三区域，位于所述衬底第一区域，且沿背离所述衬底的方向依次设置的第一接触层、收集层、过渡层、吸收层、阻隔层和第二接触层；位于所述衬底第二区域，且沿背离所述衬底的方向依次设置的第一接触层、收集层、过渡层、吸收层，以及位于所述吸收层背离所述衬底一侧的表面等离激元结构。优选地，所述表面等离激元结构位于所述吸收层表面。优选地，所述表面等离激元结构和所述吸收层之间还包括介质膜。优选地，所述介质膜的厚度为0-20nm，包括端点值20nm，不包括0。优选地，所述介质膜材质为氧化铝，氧化硅、氮化硅或氧化钛。优选地，所述表面等离激元结构为表面等离激元亚波长金属结构，所述表面等离激元亚波长金属结构为光学纳米天线、纳米天线二聚体或纳米天线多聚体；所述光学纳米天线包括纳米球、纳米环、纳米圆盘、纳米棒、纳米三角形、纳米C型天线或纳米V型天线。优选地，所述吸收层为30nm厚的InGaAs材料，所述表面等离子激元结构为直径为160nm，材料为金的金属圆盘阵列，阵列周期为200nm-800nm，包括端点值，圆盘的高度为20nm-150nm，包括端点值。优选地，所述表面等离激元结构的材质为金、银、铝、铜或钨。优选地，所述收集层和所述过渡层之间还包括崖层。本专利技术还提供一种单行载流子光电探测器制作方法，用于制作形成上面任意一项所述的单行载流子光电探测器，所述制作方法包括：提供衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面和第二表面；且所述第一表面包括第一区域、第二区域和第三区域；在所述衬底的第一区域和第二区域依次外延生长第一接触层、收集层、过渡层、吸收层、阻隔层和第二接触层；对所述第二区域的阻隔层和第二接触层进行刻蚀，暴露出所述吸收层；在所述吸收层背离所述衬底的一侧制作形成表面等离激元结构。经由上述的技术方案可知，本专利技术提供的单行载流子光电探测器，在吸收层附近引入表面等离激元结构，利用局域的场增强以及传输中的近场增强与散射等特性增加吸收层的吸收，提高吸收层的光电转化效率，使得厚度较薄的吸收层具有较高的吸收性能，从而使得单行载流子光电探测器在较薄厚度的吸收层也能具有较高的响应度特性，进而在高速单行载流子探测器设计过程中，能够在不牺牲器件响应度特性指标的前提下，降低吸收层厚度，进而降低器件的载流子渡越时间，提升器件的高频带宽特性，也即实现了同时具有高响应度和高频带宽特性的器件。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种单行载流子光电探测器剖面结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种单行载流子光电探测器俯视结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的另一种单行载流子光电探测器剖面结构示意图；图4为本专利技术实施例提供的一种表面等离子激元结构的俯视结构示意图；图5为图4所示的表面等离激元结构形成高速单行载流子光电探测器的具体实例的吸收率变化对比值；图6为本专利技术实施例提供的一种单行载流子光电探测器制作方法流程图。具体实施方式正如
技术介绍
部分所述，现有技术中高频带宽与器件响应度之间具有矛盾，无法得到高响应度和高频带宽的器件。专利技术人发现，出现上述现象的原因是，为了使得光电探测器具有更高的带宽，吸收层的厚度需要越来越薄，而吸收层厚度减薄意味着光入射光路越短，造成器件响应度越低，也即，光电探测器的高频带宽与高响应度是一对矛盾。而为了解决高频带宽和器件响应度的矛盾，现有技术中提出了波导光电探测器和谐振腔增强(RCE)光电探测器。但是，RCE光电检测器具有复杂的制造工艺并且入射角范围有限，这限制了其实用性。波导光电检测器促进了光子芯片互连的集成，而其复杂的制造过程和高的空间光插入损耗限制了其对光纤光的检测性能。另外，将来对于更高带宽的检测器，当结面积足够小时，波导光电检测器在量子效率方面的优势并不是那么明显。对于未来所需求的更高带宽的探测器，需要新的设计方案解决响应度和器件高频3Db带宽的设计矛盾。基于此，本专利技术提供一种单行载流子光电探测器，包括：衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面和第二表面；且所述第一表面包括第一区域、第二区域和第三区域，位于所述衬底第一区域，且沿背离所述衬底的方向依次设置的第一接触层、收集层、过渡层、吸收层、阻隔层和第二接触层；位于所述衬底第二区域，且沿背离所述衬底的方向依次设置的第一接触层、收集层、过渡层、吸收层，以及位于所述吸收层背离所述衬底一侧的表面等离激元结构。也即，本专利技术提供了一种基于表面等离激元增强的单行载流子高速光电探测器。这种基于表面等离激元增强的探测器，利用表面等离激元的场局域，场增强以及散射特性，在较薄的吸收层实现较高的光学吸收，进而解决高带宽的较薄吸收层的低响应度的设计矛盾，提升器件响应度的同时降低吸收层的厚度设计需求，进而提升器件的高频带宽特性。下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单行载流子光电探测器，其特征在于，包括：/n衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面和第二表面；且所述第一表面包括第一区域、第二区域和第三区域，/n位于所述衬底第一区域，且沿背离所述衬底的方向依次设置的第一接触层、收集层、过渡层、吸收层、阻隔层和第二接触层；/n位于所述衬底第二区域，且沿背离所述衬底的方向依次设置的第一接触层、收集层、过渡层、吸收层，以及位于所述吸收层背离所述衬底一侧的表面等离激元结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种单行载流子光电探测器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面和第二表面；且所述第一表面包括第一区域、第二区域和第三区域，
位于所述衬底第一区域，且沿背离所述衬底的方向依次设置的第一接触层、收集层、过渡层、吸收层、阻隔层和第二接触层；
位于所述衬底第二区域，且沿背离所述衬底的方向依次设置的第一接触层、收集层、过渡层、吸收层，以及位于所述吸收层背离所述衬底一侧的表面等离激元结构。


2.根据权利要求1所述的单行载流子光电探测器，其特征在于，所述表面等离激元结构位于所述吸收层表面。


3.根据权利要求1所述的单行载流子光电探测器，其特征在于，所述表面等离激元结构和所述吸收层之间还包括介质膜。


4.根据权利要求3所述的单行载流子光电探测器，其特征在于，所述介质膜的厚度为0-20nm，包括端点值20nm，不包括0。


5.根据权利要求4所述的单行载流子光电探测器，其特征在于，所述介质膜材质为氧化铝，氧化硅、氮化硅或氧化钛。


6.根据权利要求1-5任意一项所述的单行载流子光电探测器，其特征在于，所述表面等离激元结构为表面等离激元亚波长金属结构，所述表面等离激元亚波长金属结构为光学纳米天线、纳米天线二聚体或纳米天...

【专利技术属性】
技术研发人员：张博健，王亮，王方莉，郭松坡，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34