一种集成光敏晶体管制造技术

本发明专利技术公开了一种集成光敏晶体管，该结构将光电三极管、光波导、DBR反射镜单片集成在半绝缘衬底上。本发明专利技术中的光波导具有由衬底材料构成的下包层及由有机聚合物固化后形成的上包层，在光波导的末端存在由半导体和有机聚合物绝缘体构成的DBR反射镜，从而提高光敏晶体管的量子效率，缓解光敏晶体管带宽和量子效率相互制约的基础科学问题。相互制约的基础科学问题。相互制约的基础科学问题。

【技术实现步骤摘要】
一种集成光敏晶体管


[0001]本专利技术涉及光通信及光电子
，更具体的说是涉及一种集成光敏晶体管。

技术介绍

[0002]随着无线通信业务量的不断增长，移动通信系统不断更新换代，至今5G通信已悄然而至。人工智能、工业互联网和物联网等新型基础设施的建设离不开无线通信技术的发展。在陆地上的光载无线通信系统和在空中或海上的激光/微波混合卫星通信系统有望率先实现大容量、高传输速率的无线通信。光电转换器件作为上述两种无线通信系统中的核心部件，要求其同时具有宽带(频率响应覆盖射频到亚太赫兹波)、低功耗、高量子效率(响应度)和高输出功率等性能。由于光电转换器件中的载流子渡越时间和空间电荷效应对其带宽和输出功率存在限制，且光探测器的带宽与输出功率之间、带宽与量子效率之间相互制约。
[0003]因此，如何提供一种兼容性高性能强的集成光敏晶体管是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种集成光敏晶体管，为了解决现有技术中半导体光敏三极管量子效率与带宽之间相互制约的问题，对现有光敏三极管进行了结构改进。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种集成光敏晶体管，包括：半绝缘衬底；
[0007]所述半绝缘衬底上设置有光波导，且所述光波导的末端设置有DBR反射镜；所述光波导从上至下依次包括光波导上包层、光波导芯层和光波导下包层，其中所述光波导下包层由衬底材料刻蚀而成，且所述光波导下包层和所述光波导芯层的结构相同；
[0008]所述光波导芯层上还分别设置有光波导上包层和两个金属薄膜集电极，所述光波导上包层设置于中部区域，两个所述金属薄膜集电极分别设置于所述光波导上包层尾部区域的两侧；
[0009]所述光波导上包层的宽度小于所述光波导芯层的宽度，且紧邻所述光波导上包层的两侧设置有亚集电层，所述亚集电层的上方从下至上依次设置有集电层和基层，其中所述集电层和所述基层的长度小于所述亚集电层的长度；
[0010]所述基层上还分别设置有发射层和两个金属薄膜基电极，两个所述金属薄膜基电极分别设置于所述发射层的两侧；
[0011]所述发射层的上方从下至上依次设置有发射区接触层和金属薄膜发射电极。
[0012]优选的，所述光波导上包层由有机聚合物固化后形成。
[0013]优选的，还包括缓冲层，所述缓冲层设置于所述半绝缘衬底和所述光波导芯层之间，所述缓冲层厚度为0.05μm至0.3μm，所述缓冲层至所述基层之间的所有层所用材料的折射率实部呈递增的趋势，以便使光从光波导消逝到基层中进而被吸收，所有半导体材料的
晶格均与所述半绝缘衬底匹配。
[0014]优选的，所述光波导芯层的厚度为0.5μm至3.0μm，掺杂类型为施主型，掺杂浓度在5
×
10
18
个原子/cm3至2
×
10
19
个原子/cm3之间；
[0015]所述亚集电层的厚度为0.2μm至0.5μm，掺杂类型为施主型，掺杂浓度在1
×
10
18
个原子/cm3至3
×
10
18
个原子/cm3之间；
[0016]所述光波导的光入射端在光入射方向上的几何形状为矩形或者锥形。
[0017]优选的，所述集电层的厚度为0.1μm至1μm，掺杂类型为施主型，掺杂浓度从靠近亚集电层一端1
×
10
17
个原子/cm3至2
×
10
17
个原子/cm3线性渐变到靠近间隔层(6)一端1
×
10
14
个原子/cm3至1
×
10
15
个原子/cm3；
[0018]所述基层和所述集电层之间还设置有间隔层，所述间隔层采用与所述半绝缘衬底晶格匹配的组分带隙线性或梯度渐变材料，相应的禁带宽度由等于所述收集层线性或梯度渐变为等于所述基层，厚度为0.03μm至0.05μm，其中靠近收集层一端0.01μm至0.015μm厚范围内掺入浓度为1.5
×
10
18
个原子/cm3的施主型杂质，靠近基层约0.02μm至0.035μm厚范围内掺入施主型杂质的浓度不高于5
×
10
15
个原子/cm3。
[0019]优选的，所述基层对应的材料禁带宽度小于被探测光子能量，厚度为0.02μm至0.2μm，掺杂类型为受主型，掺杂浓度在1
×
10
18
个原子/cm3至1
×
10
19
个原子/cm3之间；
[0020]所述发射层厚度为0.1μm至1μm，掺杂类型为施主型，掺杂浓度从靠近所述基层一端为1
×
10
16
个原子/cm3至5
×
10
17
个原子/cm3线性渐变到靠近发射区接触层一端为1
×
10
19
个原子/cm3至3
×
10
19
个原子/cm3；发射区接触层的厚度为0.02μm至0.06μm，掺杂类型为施主型，掺杂浓度大于等于3
×
10
19
个原子/cm3。
[0021]优选的，所述金属薄膜集电极的厚度小于集电区厚度，与集电区的间距大于0.08μm；所述金属薄膜基电极的厚度小于发射区厚度，与发射区的间距大于0.05μm；所述金属薄膜发射电极的厚度大于0.5μm；其中亚集电层和集电层构成集电区，发射层和发射区接触层构成发射区。
[0022]优选的，所述光波导下包层的厚度为2μm至4μm，所述光波导上包层的厚度为1μm至3μm。
[0023]优选的，所述DBR反射镜由光刻、蚀刻、有机聚合物旋涂和固化等工艺制备而成，从而实现单片集成；构成所述DBR反射镜的半导体在入射光方向上的厚度等于Nλ/(4n1)，其中N取正奇数，λ为被探测光波长，n1为光波导芯层的折射率实部；构成所述DBR反射镜的固化的有机聚合物在入射光方向上的厚度等于Lλ/(4n2)，其中L取正奇数，λ为被探测光波长，n2为固化的有机聚合物的折射率实部；所述DBR反射镜所含半导体/有机聚合物绝缘体对数由所要达到的光反射率确定。
[0024]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种与DBR反射镜及具有下包层和有机聚合物上包层波导单片集成的光敏晶体管。所设计结构中，一方面，提出以衬底材料通过刻蚀制备光波导下包层、以有机聚合物通过固化制备光波导上包层；另一方面，在光波导的末端制作由半导体和固化的有机聚合物绝缘体构成的DBR反射镜。当光纤与所设计结构耦合时，因光波导包层的存在可以提高光耦合效率及光波导对光能量的束缚能力；光信号耦合进入光波导后，因光波导芯层、集电区、基层的有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成光敏晶体管，其特征在于，包括：半绝缘衬底(1)；所述半绝缘衬底(1)上设置有光波导，且所述光波导的末端设置有DBR反射镜(15)；所述光波导从上至下依次包括光波导上包层(11)、光波导芯层(3)和光波导下包层(10)，其中所述光波导下包层(10)由衬底材料刻蚀而成，且所述光波导下包层(10)和所述光波导芯层(3)的结构相同；所述光波导芯层(3)上还分别设置有光波导上包层(11)和两个金属薄膜集电极，所述光波导上包层(11)设置于中部区域，两个所述金属薄膜集电极分别设置于所述光波导上包层(11)尾部区域的两侧；所述光波导上包层(11)的宽度小于所述光波导芯层(3)的宽度，且紧邻所述光波导上包层(11)的两侧设置有亚集电层(4)，所述亚集电层(4)的上方从下至上依次设置有集电层(5)和基层(7)，其中所述集电层(5)和所述基层(7)的长度小于所述亚集电层(4)的长度；所述基层(7)上还分别设置有发射层(8)和两个金属薄膜基电极，两个所述金属薄膜基电极分别设置于所述发射层(8)的两侧；所述发射层的上方从下至上依次设置有发射区接触层(9)和金属薄膜发射电极(14)。2.根据权利要求1所述的一种集成光敏晶体管，其特征在于，所述光波导上包层(11)由有机聚合物固化后形成。3.根据权利要求1所述的一种集成光敏晶体管，其特征在于，还包括缓冲层(2)，所述缓冲层设置于所述半绝缘衬底(1)和所述光波导芯层(3)之间，所述缓冲层(2)厚度为0.05μm至0.3μm，所述缓冲层(2)至所述基层(7)之间的所有层所用材料的折射率实部呈递增的趋势，以便使光从光波导消逝到基层中进而被吸收，所有半导体材料的晶格均与所述半绝缘衬底(1)匹配。4.根据权利要求1所述的一种集成光敏晶体管，其特征在于，所述光波导芯层(3)的厚度为0.5μm至3.0μm，掺杂类型为施主型，掺杂浓度在5
×
10
18
个原子/cm3至2
×
10
19
个原子/cm3之间；所述亚集电层(4)的厚度为0.2μm至0.5μm，掺杂类型为施主型，掺杂浓度在1
×
10
18
个原子/cm3至3
×
10
18
个原子/cm3之间；所述光波导的光入射端在光入射方向上的几何形状为矩形或者锥形。5.根据权利要求1所述的一种集成光敏晶体管，其特征在于，所述集电层(5)的厚度为0.1μm至1μm，掺杂类型为施主型，掺杂浓度从靠近亚集电层(4)一端1
×
10
17
个原子/cm3至2
×
10
17
个原子/cm3线性渐变到靠近间隔层(6)一端1
×
10
14
个原子/cm3至1
×
10
15
个原子/cm3；所述基...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，
申请(专利权)人：曲靖师范学院，
类型：发明
国别省市：