本发明专利技术涉及一种光电检测器，其具有在绝缘衬底上外延硅（ＳＯＩ）结构上形成的相对较薄（亚微米）的硅质光波导管，上述ＳＯＩ结构包含一层多晶锗层，所设置的多晶锗层用于耦合至少部分沿着硅光波导管传播的光信号。光信号被严格限定在波导结构中，使得能够有效地迅速衰减耦合到多晶锗检测器中。硅质光波导可以包含任何所希望的几何形状，多晶锗检测器或者覆盖部分波导管，或者对接耦合到波导管的一端部。在覆盖部分波导管时，多晶锗检测器可以包含“包裹覆盖”的形状来覆盖光波导管的侧面和顶面，并在检测器的相对的两端上形成电接点。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及光检测器，特别涉及集成于绝缘衬底上外延硅(silicon-on-insulator，简称SOI)薄板上的多晶锗基波导检测器。
技术介绍
在SOI基的光电基板中，相对较薄(例如，＜1μm)的硅质波导管被用来分配穿过整个晶片的光线，并提供多种光学功能(例如，分割/结合、调制、开关、多路传输/分路传输、增溢/衰减、均衡和色散补偿)。在SOI平台上的薄波导管内光耦合能力和操控能力能够在单一硅晶片上真正实现光学部件和微电子元件的集成。在光通讯行业中导致高成本、高功率消耗和光学元件/系统的大形状系数(form factors)的原因之一就是缺乏可用的部件集成。现今的光电子行业依赖于分散的组件和各种元件的混合集成，与上世纪60年代的IC行业类似，这些分散的元器件是开环的，其中，环路最终由外部来闭合(例如使用外部的光学部件和电子元件)，导致高成本和低产出。使用晶片上(on-chip)反馈控制技术，模拟IC能以很低的成本满足高精度的要求，尽管运行条件明显改变。由光子向电子的转换，对于微光子学与微电子学的成功集成来说是必不可少的。InGaAs基的PIN光电检测器，由于其高的响应率和速度通常被用于远程通讯应用中。InGaAs基检测器大多是正入射式检测器，将这样的器件集成于硅表面的成本很高。此外，集成高速InGaAs检测器需要特殊的光学部件将光聚焦于小的活性面积区，现已发现，这将影响器件的工作特性。锗基区域检测器是现有技术中人们所公知的。锗检测器提供较InGaAs基检测器更高的暗电流，这使锗检测器在远程通讯行业中的应用受到限制。近年来，人们已经进行了许多努力来改善多晶锗基检测器在这些应用中的表现。在题为“Efficient high-speed near-infrared Ge photodetectors integrated on Sisubstrates”的文章中讨论了一个现有技术的多晶锗检测器，该文章由L.Colace等发表于Applied Physics Letters，Vol.76，p1231，2000。鉴于以上所述，目前仍然需求实现低成本、有效的光/电转换的机构，以简化在单一硅基晶片上集成光学和电子学功能。
技术实现思路
本专利技术解决了现有技术中存在的上述需求，本专利技术涉及光学检测器，特别是涉及集成于绝缘衬底上外延硅(SOI)薄板上的多晶锗基波导检测器。特别是，本专利技术涉及多种不同的多晶锗基的光电检测器结构，这些结构与SOI平台中形成的相对较薄的硅质波导管单片集成。多晶锗可以用多种方法形成，例如物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)，但并不限于这些方法。在SOI基的薄型硅质波导管中，由于折射率衬比(index contrast)较大(nSi＝3.5，nSiO2＝1.5)，使得光学模受到严格限制。根据本专利技术，在硅质波导管中传播的光，当到达被多晶锗层覆盖的区域时，光被吸收到多晶锗层中。锗的带隙(band gap)(～0.72eV)确保了有效地吸收近红外波长的光。使用在多晶锗层上制备的适当的电极结构，可以有效地收集由于吸收光而产生的电子—空穴对。通过多晶锗层的物理尺度(例如高度、宽度和长度)可以控制吸收光的量。在本专利技术的多晶锗检测器的一个优选实施方式中，检测器层是一个包裹覆盖的几何体(wrap-around geometry)，位于在SOI板上形成的硅带波导管上面，带有在硅带的两个侧面中任一侧上形成的接点用于对检测器加偏压。波导管横向尺度狭窄(～1μm)，使得可以进行高速、低暗电流的高响应性的操作，因为与正入射式检测器相比其面积明显变小。在另一个实施方式中，多晶锗层直接形成于板状硅波导管上，使用在硅层中设置的聚焦元件(例如反射镜、透镜或凹面光栅)将光聚焦在多晶锗检测器上。那么在硅中因其高折射率而可以产生的聚焦点的尺寸为 Wmin=(0.6λSiNA)]]>式中，Wmin是光束最小直径，λSi是硅中的光束波长，NA是聚焦元件的数值孔径。硅中的光束波长远小于在自由空间中的，这使得光可以非常狭窄地聚焦在薄的硅波导管中。因而，检测区域可以非常小(例如10μm2)，可以进行检测器的高速运作。另外，多晶锗检测器层的形状可以被修整以使反射损失最小化和/或使光线在检测器中准确聚焦。在本专利技术的又一个实施方式中，多晶锗检测器形成在一个狭窄的硅质梁(rib)状波导管上，这样光束沿着梁状波导管传播，在波导管的整个长度上与多晶锗层发生相互作用。这导致在吸收长度上没有缺陷，使得光线被全部吸收，并且和载流子收集长度是相同的(与正入射型检测器相同)。在本专利技术的这种配置中，载流子收集长度保持一样，而光的吸收通过多晶锗检测器的长度单独进行控制。附图简要说明附图说明图1显示现有技术的正入射式光电检测器的横断面示意图。图2是本专利技术的多晶锗光电检测器可以在其上面形成的典型SOI结构的横断面示意图。图3(a)和(b)分别是含有板状波导管的典型SOI结构的横断面示意图和等角图。图4(a)和(b)分别是图3中所示的在板状波导管的SOI结构上形成的多晶锗检测器的横断面示意图和等角图。图5(a)和(b)分别为图4所示的配置的另一实施方式的横断面示意图和等角图，其中在波导管和检测器之间存在电介质层。图6(a)和(b)分别为含有带状波导管的典型SOI结构的横断面图和等角图。图7(a)和(b)分别是在图6的带状波导管SOI结构上形成的多晶锗检测器的横断面图和等角图。图8(a)和(b)分别是图7所示的配置的另一实施方式的横断面图和等角图，其中在波导管和检测器之间存在电介质层。图9(a)和(b)分别是含有梁状波导管的典型SOI结构的横断面图和等角图。图10(a)和(b)分别是图9所示梁状波导管SOI结构上形成的多晶锗检测器的横断面图和等角图。图11(a)和(b)分别是图10所示的配置的另一实施方式的横断面图和等角图，其中包括在板状波导层和梁状波导结构之间存在的电介质层。图12是SOI基的带状波导管配置的侧视图，其包括本专利技术的多晶锗检测器，该检测器形成于沿着SOI结构上表面的带状波导管的终端。图13是SOI基的梁状波导管配置的侧视图，其包括本专利技术的多晶锗检测器，该检测器形成于沿着SOI结构上表面的梁状波导管的终端。图14是多晶硅梁状波导管的侧视图，其形成于多晶硅带状波导管之上，多晶硅带状波导管通过一介电绝缘层与之相分隔，所述的多晶锗检测器具有在和带状波导管相耦合的波导管的末端形成的接点。图15是多晶硅梁状波导管的侧视图，其形成于之上，硅质带状波导管通过一电介质绝缘层与在硅质带状波导管的末端之上形成的多晶锗检测器相分隔。图16(a)～(e)是使用本专利技术的多晶锗检测器的各种光电系统的示意图。图17是锗的吸收量的示意曲线图。具体实施例方式在详述本专利技术的多晶锗SOI基光电检测器之前，有必要简单介绍常规的正入射式光电检测器。图1表示一种以往的传统检测器1的横断面图。检测器1被认为是“正”入射式光电检测器，因为入射光束的方向垂直于冲击表面的平面，在该情况下冲击表面是AR涂层2。检测器1是p-i-n型光电检测器，包含p型掺杂的多晶锗层3、本征掺杂层4和n型掺杂层5。如图所示，在检测器1的相对的面上形成接点，即底面触点6和顶面的环状触点7。本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于绝缘衬底上外延硅（ＳＯＩ）平台的光电检测器结构，其特征在于，所述光电检测器结构包括： 包含有顶部主表面的硅衬底； 配置成覆盖所述硅衬底的顶部主表面的埋置的氧化物层，所述埋置的氧化物层包含有顶部主表面； 配置成覆盖所述埋置的氧化物层顶部主表面的至少一部分的、亚微米厚度的硅质光波导层； 配置成接触所述硅质光波导层的一部分的多晶锗检测器层；以及 配置在所述多晶锗检测器层的横向相对的末端的一对电接点，其中，所述多晶锗检测器层具有适合于吸收沿着亚微米厚度硅质光波导层传播的光信号的带隙，并在上述电接点对之间产生电输出信号。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-3-31 60/459,348;US 2004-2-5 10/772,7241.基于绝缘衬底上外延硅(SOI)平台的光电检测器结构，其特征在于，所述光电检测器结构包括包含有顶部主表面的硅衬底；配置成覆盖所述硅衬底的顶部主表面的埋置的氧化物层，所述埋置的氧化物层包含有顶部主表面；配置成覆盖所述埋置的氧化物层顶部主表面的至少一部分的、亚微米厚度的硅质光波导层；配置成接触所述硅质光波导层的一部分的多晶锗检测器层；以及配置在所述多晶锗检测器层的横向相对的末端的一对电接点，其中，所述多晶锗检测器层具有适合于吸收沿着亚微米厚度硅质光波导层传播的光信号的带隙，并在上述电接点对之间产生电输出信号。2.权利要求1所述的光电检测器结构，其中，所述光电检测器结构还包含一个设置在亚微米厚度的硅质光波导层和多晶锗检测器层之间的电介质层。3.权利要求2所述的光电检测器结构，其中，所述电介质层包含一个生长出的SiO2层。4.权利要求1所述的光电检测器结构，其中，所述亚微米厚度的硅质光波导层是板状形状，所设置的多晶锗检测器层覆盖所述板状波导层的顶部主表面部分。5.权利要求1所述的光电检测器结构，其中，所述亚微米厚度的硅质光波导层是带状形状，所设置的多晶锗检测器层共形地覆盖所述被埋置的氧化物层的顶部主表面的一部分，以及所述硅质带状波导层的侧面和顶面。6.权利要求5所述的光电检测器结构，其中，所述的一对电接点设置在多晶锗层的与下面的被埋置的氧化物层直接接触的那些部分上。7.权利要求6所述的光电检测器结构，其中，所述光电检测器结构还包括设置在亚微米的硅质带状光波导层和多晶锗层之间的电介质层。8.权利要求6所述的光电检测器结构，其中，硅质带状波导是长方形形状。9.权利要求6所述的光电检测器结构，其中，硅质带状波导的几何形状包括Y-分束器、环状共振腔和/或耦合波导管之类的元件。10.权利要求6所述的光电检测器结构，其中，多晶锗检测器层设置在硅质带状波导...
【专利技术属性】
技术研发人员：普拉卡什约托斯卡，马格利特吉龙，威普库马帕特尔，罗伯特凯斯蒙特哥莫里，卡尔潘都夏斯特里，索哈姆帕塔克，凯瑟琳A亚努舍弗斯奇，
申请(专利权)人：斯欧普迪克尔股份有限公司，普拉卡什约托斯卡，马格利特吉龙，威普库马帕特尔，罗伯特凯斯蒙特哥莫里，卡尔潘都夏斯特里，索哈姆帕塔克，凯瑟琳A亚努舍弗斯奇，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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