一种探测功率范围可调的光电探测器制造技术

本发明专利技术一种探测功率范围可调的光电探测器及其列阵，包括一个可以提供光信号衰减功能的波导型光学衰减器、能对光信号进行探测的波导型光电探测器，其中该波导型光电探测器通过其硅波导层与波导型光学衰减器相连，利用光学衰减器对光信号连续衰减的功能来实现对进入光电探测器的光信号的强度的调节从而实现实现光电探测器的探测功率范围可调，将多个这种类型的光电探测器集成在一块芯片上制成列阵，能够对波分复用系统中不同强度的、多个波长的光信号同时进行功率均衡和探测。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供一种涉及一种探测功率范围的光电探测器，特别是指一种探测功率范围可调的光电探测器及其列阵。可变光学衰减器和光电探测器是波分复用系统中的两个关键器件。可变光学衰减器是用来进行功率衰减和均衡的器件。光电探测器的主要功能是将光信号转换为电信号，使信息处理更为方便。波分复用系统的发展要求器件向小型化和集成化的方向发展。本专利技术一种探测功率范围可调的光电探测器及其列阵，包括一个可以提供光信号衰减功能的波导型光学衰减器、能对光信号进行探测的波导型光电探测器，其特征在于，其中该波导型光电探测器通过其硅波导层与波导型光学衰减器相连，利用光学衰减器对光信号连续衰减的功能来实现对进入光电探测器的光信号的强度的调节从而实现实现光电探测器的探测功率范围可调，将多个这种类型的光电探测器集成在一块芯片上制成列阵，能够对波分复用系统中不同强度的、多个波长的光信号同时进行功率均衡和探测。光学衰减器必须采用波导型光学衰减器的结构，光电探测器必须采用波导型光电探测器的结构。光学衰减器直接形成于SOI(SOI在半导体领域没有相应的中文解释)材料的硅波导层上，光学衰减器之上还要形成上包层，光电探测器的光电探测层生长于SOI材料的硅波导层上，利用SOI材料的硅波导层来形成光电探测器与光学衰减器集成的结构，并提供光信号进入光电探测层的耦合结构。光电探测器的光电探测层可以是硅锗合金结构或者是硅锗/硅多量子阱结构。无论是采用硅锗合金结构还是硅锗/硅多量子阱结构，该光电探测器的光电探测层的厚度要满足以下要求，一方面，要保证对入射光信号的充分吸收，另一方面，要保证在SOI材料硅波导层上生长的硅锗合金和硅锗/硅多量子阱结构的晶格完整性。用于调节入射光信号功率的可变光学衰减器可以是Y分支型结构、定向耦合器型结构、多模干涉型结构。可以用热光效应或者等离子体色散效应来提供光学衰减器实现衰减功能所需要的位相差；对于采用热光效应的光学衰减器，上包层二氧化硅材料的厚度必须首先保证金属加热电极及电极引线的存在不引起光信号额外的传输损耗，还要保证金属加热电极产生的热量能尽可能快地传到硅波导层，提高光学衰减器的响应速度。整个器件的后端面的倾角要大于90度，该倾角要保证从其端面反射的光信号正好投射到光电探测器的光电探测层的底部，并在其上镀上一层增反膜，保证未进入光电探测器光电探测层的光信号能够被反射回去，保证光电探测器对入射光信号高的量子效率。光电探测器的光电探测层的长度应该选择合适，保证光电探测器的响应速度能满足通信网络的要求。请参阅附图说明图1所示，其是多模干涉型光学衰减器的立体示意图，多模干涉型光学衰减器在水平方向由三部分组成1×2光学分束器104，相位调制区105，2×1光学合束器106。在垂直方向上主要有四层硅衬底层101、掩埋二氧化硅层102、硅波导层103，为了减小器件的传输损耗和外界信号的干扰，在硅波导层103之上还要再沉积一层上包层，一般采用二氧化硅作为上包层材料。对于采用热光效应的光学衰减器，在二氧化硅层之上还要有加热电极和电极引线。由于金属的折射率具有很大的虚部，因而光信号在其中传播时将受到很大的光衰减，所以，为了尽可能减小光信号的传输损耗，要求上包层二氧化硅具有足够的厚度，保证金属加热电极及电极引线的存在不会引起光信号额外的传输损耗。另外，由于二氧化硅的热导率(σSiO2＝0.014W/cm.K)比硅(σSiO2＝1.7W/cm.K)小近100倍，所以上包层SiO2的厚度不能太厚，以保证金属加热电极产生的热量能尽可能快地传到硅波导层103，提高光学衰减器的响应速度。对于采用等离子体色散效应的光学衰减器，还要在硅波导层103上形成P+和N+掺杂，然后还要形成电极引线。在通常情况下，由于光学衰减器与光电探测器所采用的工艺不兼容，所以很难实现光学衰减器与光电探测器的单片集成。从材料性质方面看，硅锗(SiGe)材料的禁带宽度随锗(Ge)组分增加而降低；另一方面，在Si衬底上生长的SiGe层由于应变效应导致带隙收缩，从而引起吸收边红移。利用SiGe这两个方面的特点，可以通过改变组分和调整应力制作探测波长范围在1.1～1.6μm的SiGe光电探测器。但是，由于SiGe材料仍然为间接带隙材料，对光的吸收系数比III-V族半导体材料低3-5个数量级，为了增加光电探测器的量子效率，本专利技术将光学衰减器制成波导型的结构。请参阅图2，其是光电探测器的立体示意图，它包括硅衬底层101，掩埋二氧化硅层102、硅波导层103、光电探测层(可以是SiGe合金结构、SiGe/Si多量子阱结构)201、P+掺杂层202、N+掺杂层203，金属电极层204。光电探测层201位于硅波导层103之上。当有光信号从输入波导进入光电探测器区的硅波导层103时，由于其上SiGe层具有更大的材料折射率(SiGe合金的材料折射率随着Ge组分的增加而增加)，根据导波光学中的折射率定则在一个像波导这样的与光传播方向相平行的多层结构中，光趋向于在折射率最大的区域中传播，光信号将趋向于向光电探测层201中传播，利用这种方式就能够实现对输入光信号的探测功能。通过这种方式实现高效率的耦合，往往需要较长的传播距离，从而增加了光电探测器的面积，使结电容相应增加，而这对光电探测器的响应速度将造成重要影响。我们将光电探测器后的波导区的后端面刨成一定倾角，并在其上镀上一层增反膜301，将输入光信号反射回光电探测器区的硅波导层103中，光电探测器后的波导区的后端面倾角必须保证从该端面反射回去的光信号正好在光电探测器光电探测层的光接收面上。这样，由于光在向回传播的过程中会继续耦合进光电探测层，另外光信号也会直接进入光电探测层。这样就保证了光电探测器对入射光信号高的量子效率。下面来介绍这种集成化器件的工作原理如图3所示，从光学衰减器出来的光信号通过其输出波导进入光电探测器区，光电探测器区的光电探测层201是由SiGe/Si多层膜组成，由于SiGe的材料折射率随着Ge组分的增加而增大，所以，在光电探测器区中不能形成很好的导波，光信号将耦合进入SiGe/Si多层膜中。随着光电探测器区长度的增加，将有更多的光信号能量耦合进入光电探测层201，从而大大提高了光电探测器的量子效率。但是在提高光电探测器量子效率的同时，由于光电探测器长度的增加会增加整个器件的面积，使得结电容相应增大，光电探测器的响应速度会相应地有所下降。为了保证光电探测器既有一定的量子效率，又有一定的响应速度，我们采用如图3所示的结构，首先保证光电探测器具有较高的响应速度，这要求光电探测器的长度比较短，因而，从光学衰减器耦合进来的光信号只有一部分进入到光电探测器的光电探测层201中，另外一部分光信号将进入光电探测器之后的波导区中。我们将波导区的尾端刨成一定的倾角，并镀上一层增反膜301。这样，未耦合进光电探测层的光信号在到达波导区的尾部时将全部被反射回去，返回的光束在经过光电探测层201时，由于导波光学的折射率定则，又有一部分耦合进光电探测层201中。只要端面倾角设计的合适，我们就能使从其端面反射回去的光束全部进入光电探测器的光电探测层201中，从而提高了光电探测器对入射光信号的量子效率。这样，通过本专利技术提供的方法就实现了既具有高的量子效率又具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种探测功率范围可调的光电探测器及其阵列，包括一个可以提供光信号衰减功能的波导型光学衰减器、能对光信号进行探测的波导型光电探测器，其特征在于，其中该波导型光电探测器通过其硅波导层与波导型光学衰减器相连，利用光学衰减器对光信号连续衰减的功能来实现对进入光电探测器的光信号的强度的调节从而实现实现光电探测器的探测功率范围可调，将多个这种类型的光电探测器集成在一块芯片上制成阵列，能够对波分复用系统中不同强度的、多个波长的光信号同时进行功率均衡和探测。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨林，刘育梁，王启明，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]