一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器，包括：衬底；形成于衬底之上的波导，用于光传输并将光场耦合到吸收层，同时作为电荷层对吸收层和倍增层的电场进行调节；位于波导两侧的倍增层，用于提供载流子雪崩倍增效应；位于倍增层两侧并与阴极电极形成欧姆接触的第一接触层；位于波导之上的吸收层，用于吸收光子并将其转化成为电子与空穴，以提供光电流；内嵌于吸收层上方并与阳极电极形成欧姆接触的第二接触层；与电源和第一接触层相连的阴极电极；与电源和第二接触层相连的阳极电极；位于波导末端的Bragg光栅，用于将波导末端出射光场进行反射。通过Bragg光栅与横向波导结合，使得器件响应度较高的同时减小Ge吸收层长度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器
本专利技术属于光探测领域，更具体地，涉及一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器。
技术介绍
信息传输已从电子时代跨入光电子时代。能将光信号转变为电信号的光电探测器成为了光电集成链路中必不可少的元件。现代光通信系统对光电探测器的响应度，灵敏度和制作成本等方面提出了更高的要求。雪崩光电二极管(avalanchephotodiode，APD)器件由于具有灵敏度高、响应度高、体积小和功耗低等优点，在光通信、数据中心、光传感、人工智能和光学成像中得到了广泛的应用。对于传统雪崩光电探测器而言，其响应速度和量子效应是相互制约的，厚的吸收层可以提高量子效率，而薄的吸收层可以提高响应速度。为了解决这一问题，人们提出了波导结构的雪崩光电探测器，波导集成型结构由于其载流子输运方向与光吸收方向互相垂直，避免了载流子渡越时间和响应度之间的制约关系，可以同时具备高响应度和高带宽的优点。近年来，Ge/Si波导型APD已成为了研究热点。在近红外光通信中，利用锗材料的高吸收以及硅材料低的碰撞电离系数比(k值)的特点，以Ge为吸收层，Si为倍增层制备的分离的吸收电荷倍增多层(SeparateAbsorptionChargeMultiplication，SACM)结构理论上具有很高的响应度和增益。同时，锗硅材料能够较好地与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容，相较于传统的三五族APD器件，制备工艺更简单，成本更低，产品良率更高，且更易于与硅基光器件混合集成，适用于低成本光互联芯片系统。波导型SACM雪崩光探测器又包括纵向和横向两种结构：纵向结构中，APD器件的波导层、倍增层、电荷层以及吸收层由下至上向依次排列；横向结构中，倍增层往往位于波导层两侧，锗吸收层直接外延生长于波导层上。相较于较传统的纵向SACM结构，横向结构不需要外延Si作为器件的倍增层，大大简化了器件的工艺制备流程，降低了制作成本。同时，器件整体厚度的减小也有利于增加器件的带宽。近年来，横向SACM结构已成为当前领域的研究热点。然而，无论是横向还是纵向SACM结构，由于生长工艺条件的限制，缺陷和位错会带来较大的暗电流；而且器件的带宽与响应度仍存在一定的制约关系：Ge吸收层长度越长，器件响应度越高，但器件较高的结电容则降低了器件的带宽；具有较短吸收层长度的器件具有较高的带宽，但响应度较低。因而，设计新型的结构以克服吸收层长度对于器件带宽和响应度的制约是十分有意义的。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器，其目的在于解决Ge吸收层长度对APD器件带宽和响应度的制约。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器，包括：衬底；形成于衬底之上的波导，用于光传输并将光场耦合到吸收层，同时作为电荷层对吸收层和倍增层的电场进行调节；位于波导两侧的倍增层，用于提供载流子雪崩倍增效应；位于倍增层两侧并与阴极电极形成欧姆接触的第一接触层；位于波导之上的吸收层，用于吸收光子并将其转化成为电子与空穴，以提供光电流；内嵌于吸收层上方并与阳极电极形成欧姆接触的第二接触层；与电源和第一接触层相连的阴极电极；与电源和第二接触层相连的阳极电极；位于波导末端的Bragg光栅，用于将波导末端出射光场进行反射。进一步地，所述衬底为顶层为Si、掩埋层为SiO2的SOI衬底。进一步地，所述波导刻蚀深度与所述衬底顶层Si的厚度相同，宽度为1.5～2.5μm。进一步地，所述波导进行P型掺杂以达到调节吸收层和倍增层电场的目的，掺杂材料为硼，掺杂浓度范围为4～8×1016cm-3。进一步地，所述倍增层为本征Si材料，杂质浓度不大于5×1015cm-3，刻蚀深度与所述衬底顶层Si的厚度相同，宽度为0.3～0.6μm。进一步地，所述第一接触层为高掺杂的Si，掺杂类型为N型掺杂，掺杂材料为磷，掺杂浓度高于2×1020cm-3，刻蚀深度与所述衬底顶层Si的厚度相同，宽度为0.3～0.5μm。进一步地，所述吸收层为外延生长于波导之上的本征Ge，杂质浓度不大于5×1015cm-3，宽度为1.5～2.5μm，高度为0.3～0.5μm。进一步地，所述第二接触层为高掺杂的Ge，掺杂类型为P型掺杂，掺杂材料为硼，掺杂浓度高于2×1020cm-3，掺杂离子扩散深度为0.05～0.1μm。进一步地，所述阴极电极与阳极电极为Al电极，高度为200～400nm，宽度为0.3～0.5μm。进一步地，所述Bragg光栅是对波导超出吸收层的部分进行周期刻蚀形成的，刻蚀后的光栅由SiO2包覆；所述Bragg光栅刻蚀深度与所述衬底顶层Si的厚度相同，光栅周期为0.4～0.8μm，光栅占空比为0.4～0.6。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：1、本专利技术提供的基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器，一方面，通过对波导末端刻蚀形成Bragg光栅，可以对尚未吸收完全的出射光进行有效的反射，使其重新回到器件中进行二次吸收，从而可以在保证器件响应度较高的同时减小Ge吸收层长度；另一方面，本专利技术中将波导作为电荷层对吸收层和倍增层的电场进行调节，不需要另外设置电荷层，进一步减小了整个器件的尺寸。2、本专利技术提供的基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器，不需要外延Si作为器件的倍增层，仅需要对SOI表面Si层掺杂即可得到接触层、倍增层、电荷层，大大简化了器件的工艺制备流程，降低了制作成本。3、本专利技术提供的基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器，可以对较弱光信号进行探测；APD采用分离吸收电荷倍增区的结构，在倍增区只有电子产生雪崩倍增，从而降低了雪崩过程产生的噪声，实现高灵敏度光探测。4、本专利技术提供的基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器，由于采用横向波导结构，使得光传播方向与载流子输运方向垂直，不仅解决了带宽与响应度相互制约的问题，同时由于Ge折射率高于Si，光场会向折射率高的Ge层聚集，从而使光场耦合于吸收层。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器三维结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器横截面分布图；图3为本专利技术实施例提供的一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器侧视图；图4为本专利技术实施例提供的一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器侧面光场传输分布示意图；图5为本专利技术实施例提供的雪崩光电探测器的光暗电流曲线；其中，光电流曲线分别为具有与不具有Bragg光栅的两种情况；图6为本专利技术实施例提供的雪崩光电探测器的带宽曲线。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：1为衬底，2为波导，3为倍增层，4为第一接触本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器，其特征在于，包括：/n衬底(1)；/n形成于衬底(1)之上的波导(2)，用于光传输并将光场耦合到吸收层(5)，同时作为电荷层对吸收层(5)和倍增层(3)的电场进行调节；/n位于波导(2)两侧的倍增层(3)，用于提供载流子雪崩倍增效应；/n位于倍增层(3)两侧并与阴极电极(7)形成欧姆接触的第一接触层(4)；/n位于波导(2)之上的吸收层(5)，用于吸收光子并将其转化成为电子与空穴，以提供光电流；/n内嵌于吸收层(5)上方并与阳极电极(8)形成欧姆接触的第二接触层(6)；/n与电源和第一接触层(4)相连的阴极电极(7)；/n与电源和第二接触层(6)相连的阳极电极(8)；/n位于波导(2)末端的Bragg光栅(9)，用于将波导(2)末端出射光场进行反射。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器，其特征在于，包括：
衬底(1)；
形成于衬底(1)之上的波导(2)，用于光传输并将光场耦合到吸收层(5)，同时作为电荷层对吸收层(5)和倍增层(3)的电场进行调节；
位于波导(2)两侧的倍增层(3)，用于提供载流子雪崩倍增效应；
位于倍增层(3)两侧并与阴极电极(7)形成欧姆接触的第一接触层(4)；
位于波导(2)之上的吸收层(5)，用于吸收光子并将其转化成为电子与空穴，以提供光电流；
内嵌于吸收层(5)上方并与阳极电极(8)形成欧姆接触的第二接触层(6)；
与电源和第一接触层(4)相连的阴极电极(7)；
与电源和第二接触层(6)相连的阳极电极(8)；
位于波导(2)末端的Bragg光栅(9)，用于将波导(2)末端出射光场进行反射。


2.如权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述衬底(1)为顶层为Si、掩埋层为SiO2的SOI衬底。


3.如权利要求2所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述波导(2)刻蚀深度与所述衬底(1)顶层Si的厚度相同，宽度为1.5～2.5μm。


4.如权利要求1至3任一项所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述波导(2)进行P型掺杂以达到调节吸收层(5)和倍增层(3)电场的目的，掺杂材料为硼，掺杂浓度范围为4～8×1016cm-3。


5.如权利要求2所述的雪崩光电探测器，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪毅，颜旭，邓萌，王旭，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42