一种集成有双吸收区的光电探测器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及集成芯片领域，公开了一种集成有双吸收区的光电探测器及其制备方法，形成于基底上水平方向依次设置的第一吸收有源区、第一光传输波导区、第二光传输波导区和第二吸收有源区；第一吸收有源区中，第一P+掺杂区与第一N+掺杂区之间通过所述第一本征I区电性连接；第二吸收有源区中，第二P+掺杂区与第二N+掺杂区之间通过第二本征I区电性连接；其中，第一N+掺杂区与第二N+掺杂区电性连接；第一P++掺杂区上设置有第一金属电极，第二P++掺杂区上设置有第二金属电极。本光电探测器具有两个不同的光吸收区，能够探测出高功率和多波段的光信号，响应度较高，光

【技术实现步骤摘要】
一种集成有双吸收区的光电探测器及其制备方法
[0001]

[0002]本专利技术涉及集成芯片领域，特别涉及一种集成有双吸收区的光电探测器及其制备方法。

技术介绍

[0003]光
‑
电探测器一般被用于探测光或其他电磁能量。目前探测器在有线或无线通信、传感、监控、国家安全领域等方面具有重要实际应用。具体在光
‑
电子集成芯片中，光
‑
电探测器是接收端核心芯片之一，它将高速光数据转换成电信号。光
‑
电探测器一般来说是利用材料具有热电效应、光电效应、电吸收效应，来探测光的强度大小。在光通信波段，目前基于的主要材料体系有III
‑
V族材料、锗（Ge）、硅（Si）。虽然基于这些材料体系的探测器取得具有良好的性能并且实现商用化，还是有诸多不足之处，例如，光学响应波长单一，器件尺寸较大，制备工艺复杂，成本较高等。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种集成有双吸收区的光电探测器及其制备方法，该光电探测器具有2个不同的光吸收区，能够探测出高功率和多波段的光信号，响应度较高，光
‑
电响应带宽较大。
[0005]技术方案：本专利技术提供了一种集成有双吸收区的光电探测器及其制备方法，包括：基底，形成于所述基底上且按照水平方向依次设置的第一吸收有源区、第一光传输波导区、第二光传输波导区和第二吸收有源区；所述第一吸收有源区包括第一P++掺杂区、第一P+掺杂区、不掺杂的第一本征I区和第一N+掺杂区；所述第一P+掺杂区与所述第一N+掺杂区之间通过所述第一本征I区电性连接；第二吸收有源区包括第二P++掺杂区、第二P+掺杂区、不掺杂的第二本征I区和第二N+掺杂区；所述第二P+掺杂区与所述第二N+掺杂区之间通过所述第二本征I区电性连接；其中，所述第一N+掺杂区与所述第二N+掺杂区电性连接；所述第一P++掺杂区上设置有第一金属电极，所述第二P++掺杂区上设置有第二金属电极。
[0006]进一步地，所述第一光传输波导区和所述第二光传输波导区的起始端通过一个光分束器连接，末端通过一个弯曲波导连接。弯曲波导实现光的传输方向的改变，具有较低弯曲损耗，类似实现车子180
°
转弯。
[0007]进一步地，部分所述第一P+掺杂区、所述第一本征I区以及部分所述第一N+掺杂区形成第一光吸收区；部分所述第二P+掺杂区、所述第二本征I区以及部分所述第二N+掺杂区形成第二光吸收区；所述第一光吸收区、所述第一光传输波导区、所述第二光传输波导区以及所述第二光吸收区横向依次设置。
[0008]优选地，所述第一光传输波导区与所述第一吸收区的间距d1为100nm~600nm；和/或，所述第二光传输波导区与所述第二吸收区的间距d2为100nm~600nm。第一光传输波导区
与第一光吸收区之间的间距以及第二光传输波导区与第二光吸收区之间的间距会影响探测器的探测效率和光功率探测范围，间距过大导致光耦合进入吸收区能量较少，降低探测效率，过小会导致高功率入射下，光吸收区容易发生饱和现象，导致探测光功率范围表变小，将二者的间距控制在大于1.2微米有助于实现高效率和高光功率探测。
[0009]优选地，所述第一光传输波导区与所述第二光传输波导区的宽度不同。将第一光传输波导区与第二光传输波导区的宽度设计为不同，是因为
·
第一光传输波导区和第二光传输波导区内传输的光的波长不同，所以需要对应的宽度，以实现较低的光传输损耗和较高耦合效率。
[0010]优选地，所述第一光传输波导区的宽度为300~800nm，所述第二光传输波导区的宽度为400~1000nm。
[0011]优选地，所述第一本征I区的宽度为50~400nm；和/或，所述第二本征I区的宽度为50~400nm。第一本征I区和第二本征I区的宽度会影响探测器的3dB带宽和探测量子效率，宽度过宽导致3dB带宽下降，过窄会导致探测的量子效率下降，将二者的宽度控制在50~400nm能够获得合适的3dB带宽和探测量子效率。优选50nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0012]优选地，所述第一光传输波导区的材料为氮化硅、氮化铝或铌酸锂；和/或，所述第二光传输波导区的材料为氮化硅、氮化铝或铌酸锂；优选地，所述第一本征I区为硅材料；优选地，所述第二本征I区为锗材料。
[0013]优选地，所述第一P++掺杂区和所述第二P++掺杂区的掺杂浓度范围为1
×
10
20
/cm3~8
×
10
20
/cm3；和/或，所述第一P+掺杂区、所述第二P+掺杂区、所述第一N+掺杂区、所述第二N+掺杂区的掺杂浓度范围均为1
×
10
18
/cm3~6
×
10
18
/cm3。
[0014]本专利技术还提供了一种集成有双吸收区的光电探测器的制备方法，所述制备方法如下：1）在衬底上沉积绝缘层形成基底，并在所述基底的绝缘层上沉积有源区薄膜； 2）对所述有源区薄膜进行曝光、刻蚀后，依次进行P++掺杂和P+掺杂，形成第一P++掺杂区、第二P++掺杂区、第一P+掺杂区和第二P+掺杂区；3）在所述第一P+掺杂区沉积第一本征I区，在所述第二P+掺杂区沉积第二本征I区； 4）沉积绝缘层并平坦化处理，曝光开窗口，沉积制备第一光传输波导区和第二光传输波导区；5）沉积绝缘层并平坦化处理，曝光开窗口，沉积制备N+掺杂区薄膜；6）对第一本征I区和第二本征I区上方的所述N+掺杂区薄膜进行N+型掺杂，分别形成第一N+掺杂区和第二N+掺杂区；7）在所述第一P++掺杂区上沉积形成第一金属电极；在所述第二P++掺杂区上沉积形成第二金属电极。
[0015]有益效果：本专利技术中的集成有双吸收区的光电探测器中，光经过光传输波导区，分别耦合至第一光吸收区和第二光吸收区，得益于第一、第二光吸收区中不同吸收波段的配置，能够探测宽谱光信号；由于第一、第二光吸收区的有源区结构是PNNP，且在两个P之间通过第一金属电极和第二金属电极加载偏置电压，实现光生载流子抽取，产生电信号。
[0016]本光电探测器可以通过偏置电压的正负，让第一、第二光吸收区分别独立工作（工作原理详见摘要附图），实现可集成化。工作原理如下：本光电探测器是2个PIN和NIP通过N连接一起串联而成的结构；当在2个P之间施加电压时，2个PN结必将是一个工作在正偏，一个工作在反偏（PN结基本原理）；探测器要工作在反偏状态下才能抽取光生载流子实现信号检测；举例来说，当入射光波长为λ1时，耦合至
第一光吸收区，需要第一个PIN结工作在反偏，那么第二个PIN结就会工作正偏（不能实现探测）；当入射光波长为λ2时，耦合至第二光吸收区，需要第二个PIN结工作在反偏（可通过调节电压V...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成有双吸收区的光电探测器，其特征在于，包括：基底（1），形成于所述基底（1）上且按照水平方向依次设置的第一吸收有源区、第一光传输波导区（2）、第二光传输波导区（3）和第二吸收有源区；所述第一吸收有源区包括第一P++掺杂区（4）、第一P+掺杂区（5）、不掺杂的第一本征I区（6）和第一N+掺杂区（7）；所述第一P+掺杂区（5）与所述第一N+掺杂区（7）之间通过所述第一本征I区（6）电性连接；第二吸收有源区包括第二P++掺杂区（8）、第二P+掺杂区（9）、不掺杂的第二本征I区（10）和第二N+掺杂区（11）；所述第二P+掺杂区（9）与所述第二N+掺杂区（11）之间通过所述第二本征I区（10）电性连接；其中，所述第一N+掺杂区（7）与所述第二N+掺杂区（11）电性连接；所述第一P++掺杂区（4）上设置有第一金属电极（12），所述第二P++掺杂区（8）上设置有第二金属电极（13）。2.根据权利要求1所述的一种集成有双吸收区的光电探测器，其特征在于，所述第一光传输波导区（2）和所述第二光传输波导区（3）的起始端通过一个光分束器（14）连接，末端通过一个弯曲波导（15）连接。3.根据权利要求1所述的一种集成有双吸收区的光电探测器，其特征在于，部分所述第一P+掺杂区（5）、所述第一本征I区（6）以及部分所述第一N+掺杂区（7）形成第一光吸收区；部分所述第二P+掺杂区（9）、所述第二本征I区（10）以及部分所述第二N+掺杂区（11）形成第二光吸收区；所述第一光吸收区、所述第一光传输波导区（2）、所述第二光传输波导区（3）以及所述第二光吸收区横向依次设置。4.根据权利要求3所述的一种集成有双吸收区的光电探测器，其特征在于，所述第一光传输波导区（2）与所述第一吸收区的间距d1为100nm~600nm；和/或，所述第二光传输波导区（3）与所述第二吸收区的间距d2为100nm~600nm。5.根据权利要求1所述的一种集成有双吸收区的光电探测器，其特征在于，所述第一光传输波导区（2）与所述第二光传输波导（3）区的宽度不同。6.根据权利要求5所述的一种集成有双吸收区的光电探测器，其特征在于，所述第一光传输波导区（2）的宽度w1为300~800nm，所述第二光传输波导区（3）的宽度w2为400~1000nm。7.根据权利要求1至6中任一项所述的一种集成有双...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋青松，谢中祺，吴岳，庄众，杨潇，张宇林，曹苏群，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：