光检测器和光集成器件制造技术

本申请涉及光检测器和光集成器件。一种光检测器具有：基板；光输入层，在基板上方由第一半导体形成，该第一半导体对于正被使用的波长是透明的；以及光吸收层，其在光输入层上由第二半导体形成，该第二半导体的能带隙小于第一半导体的能带隙。该光吸收层具有掺杂有第一导电类型杂质的第一区域、掺杂有不同于第一导电类型杂质的第二导电类型杂质的第二区域、以及处于第一区域与第二区域之间的未掺杂区域。第一区域、未掺杂区域和第二区域沿平行于基板的方向布置。该光吸收层具有这样的区域，该区域的有效折射率高于该光吸收层的处于第一区域与第二区域之间的其余部分的有效折射率。与第二区域之间的其余部分的有效折射率。与第二区域之间的其余部分的有效折射率。

【技术实现步骤摘要】
光检测器和光集成器件


[0001]本文档涉及光检测器和光集成器件。

技术介绍

[0002]为了处理日益增长的数据通信量，对被称为硅光子学的
的研究和开发已经引起了关注。通过在硅(Si)基板或绝缘体上硅(SOI)基板上制造光子电路，可以在同一基板上实现光子电路和电子电路的集成。利用这种光子集成电路，期望改进电信号与光信号之间的转换效率以及实现具有较低功耗的小型且大容量的光收发器。
[0003]在光子集成电路中，涉及光的复用/解复用或调制的波导需要具有不吸收光的光特性以避免过度损耗。另一方面，将光转换成电流的光检测器需要具有良好的光吸收的光特性。满足这两个要求的一种组合是锗(Ge)光检测器和Si波导。具有Ge光检测器和Si波导并且使用波长为1.2μm至1.6μm的近红外光的配置是有前景的。该波长范围内的光对于Si是透明的并且被Ge吸收。
[0004]可以采用图1所例示的配置来从连接至Si波导的Ge光检测器提取光载流子。通过在连接至Ge光检测器(Ge
‑
PD)的Si波导(Si
‑
WG)中掺杂p型杂质并且通过在Ge
‑
PD的上部掺杂n型杂质来实现光载流子(即，电子和空穴)的分离。当将反向偏压施加至p型区域以使得n型区域具有较高电位时，在由Ge中的光吸收生成的光载流子当中，从负电极提取电子并且从正电极提取空穴。这种配置被称为异质结竖向PIN结构，这是因为它在Si与Ge之间具有异质界面并且因为PIN结构是沿垂直于基板的方向形成的。
[0005]在绝缘体上硅(SOI)基板的Si岛上形成的条状Ge光检测器是已知的。例如，参见以下提供的专利文献1。该Ge光检测器包括异质结，在该异质结中高浓度p型杂质区域和n型杂质区域是沿平行于基板的方向设置的。这种配置被称为异质结横向PIN结构。
[0006]上面描述的相关技术文献是
[0007]专利文档1：美国专利No.9035409。

技术实现思路

[0008]技术问题
[0009]在具有横跨异质结的光载流子移动路径的结构中，光载流子穿过能带不连续的异质界面，而不管PIN结构是垂直于基板还是平行于基板。在图1的配置中，当空穴穿过Si/Ge异质界面时，由于价带的能量势垒，空穴的一部分在界面处累积。累积在界面处的空穴将屏蔽外部施加的电压，并导致耗尽层的电场强度下降。结果，光检测器的响应特性劣化，并且阻碍了高速操作。
[0010]本专利技术的目的之一是提供一种对入射光具有令人满意的灵敏度并且能够高速操作的光检测器。
[0011]技术方案
[0012]在实施方式中，一种光检测器具有：基板；光输入层，其在基板上方由第一半导体
形成，该第一半导体对于正被使用的波长是透明的；以及光吸收层，其在光输入层上由第二半导体形成，该第二半导体的能带隙小于第一半导体的能带隙。该光吸收层具有掺杂有第一导电类型杂质的第一区域、掺杂有不同于第一导电类型杂质的第二导电类型杂质的第二区域、以及处于第一区域与第二区域之间的未掺杂区域，第一区域、未掺杂区域和第二区域沿平行于基板的方向布置。该光吸收层具有有效折射率高于该光吸收层的处于第一区域与第二区域之间的其余部分的有效折射率的区域。
[0013]技术效果
[0014]实现了对入射光具有令人满意的灵敏度并且能够高速操作的光检测器。
附图说明
[0015]图1是具有异质结竖向PIN结构的光检测器的示意图；
[0016]图2例示了Si/Ge异质结和异质界面处空穴累积的能带图；
[0017]图3A例示了实际制造的异质结光检测器的光电(O/E)响应特性的评估结果；
[0018]图3B例示了实际制造的异质结光检测器的O/E响应特性的评估结果；
[0019]图4A是例示同质结光检测器中出现的技术问题的示意性截面图；
[0020]图4B是例示同质结光检测器中出现的技术问题的示意性截面图；
[0021]图4C是例示同质结光检测器中出现的技术问题的示意性截面图；
[0022]图4D是例示同质结光检测器中出现的技术问题的示意性截面图；
[0023]图5例示了根据第一实施方式的光检测器的示意性俯视图和示意性截面图；
[0024]图6A是例示图5的配置的有利效果的示意性截面图；
[0025]图6B是例示图5的配置的有利效果的示意性截面图；
[0026]图7A例示了图5的光检测器的制造工艺；
[0027]图7B例示了图5的光检测器的制造工艺；
[0028]图7C例示了图5的光检测器的制造工艺；
[0029]图7D例示了图5的光检测器的制造工艺；
[0030]图7E例示了图5的光检测器的制造工艺；
[0031]图7F例示了图5的光检测器的制造工艺；
[0032]图8是根据第二实施方式的光检测器的示意性截面图；
[0033]图9是根据第三实施方式的光检测器的示意性截面图；
[0034]图10是根据第四实施方式的光检测器的示意性截面图；以及
[0035]图11是使用实施方式的光检测器的收发器的光集成器件的示意性平面图。
具体实施方式
[0036]在描述根据实施方式的光检测器的细节之前，更详细地说明在异质结光检测器中出现的技术问题，然后在下面描述在同质结光检测器中出现的技术问题以便于理解本公开。
[0037]图2是示出在Si/Ge异质界面处空穴累积的能带图。在Si与Ge之间的界面处，价带的能级Ev在Si侧下降并且在Ge侧上升。能带的这种不连续性成为由Ge中的光吸收所生成的空穴的势垒。
[0038]这些空穴中的一些空穴通过量子隧道效应以一定概率越过该势垒，但其余的空穴在界面处累积。累积的空穴屏蔽外部施加的电压，并且耗尽层中的电场强度降低。在稳态下，耗尽层中的光载流子的传输速度几乎与电场强度成比例。电场强度的降低导致耗尽层中的载流子传输速率降低。载流子累积的越多，屏蔽效应越大，从而载流子传输速率越低。最终，载流子传输速率的降低导致光信号到电信号的转换速率降低，并且光检测器的响应特性劣化。
[0039]入射光的强度越高，响应速度越差，这是因为光检测器的响应速度的劣化取决于光载流子的密度。在光相干接收器中，在接收信号光入射的同时，将本地振荡光束引入接收器前端电路，以执行外差或零差检测。本地振荡光的强度趋于增加，以便增加响应度，并且在强光强度的情况下，操作速度的降低成为特别的问题。
[0040]图3A和图3B示出了实际制造的具有图1的配置的异质结光检测器的响应特性的评估结果。水平轴线表示频率(GHz)，垂直轴线表示相对响应强度(dB)。利用多个偏置电压来评估响应特性。响应强度从0GHz频率处或附近的峰值响应强度下降3dB的3dB带宽被称为光检测器的响应带宽。在图中，3dB衰减线由平行于水平轴线的虚线指示。图3A示出了具有较低强度入射光的评估结果，而图3B示出了具有较高强度入射光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光检测器，所述光检测器包括：基板；光输入层，所述光输入层在所述基板上方由第一半导体形成，所述第一半导体对于正被使用的波长是透明的；以及光吸收层，所述光吸收层在所述光输入层上由第二半导体形成，所述第二半导体的能带隙小于所述第一半导体的能带隙，其中，所述光吸收层具有掺杂有第一导电类型杂质的第一区域、掺杂有与所述第一导电类型杂质不同的第二导电类型杂质的第二区域，并且具有处于所述第一区域与所述第二区域之间的未掺杂区域，所述第一区域、所述未掺杂区域以及所述第二区域沿平行于所述基板的方向布置，并且其中，所述光吸收层具有有效折射率高于所述光吸收层的处于所述第一区域与所述第二区域之间的其余部分的有效折射率的区域。2.根据权利要求1所述的光检测器，其中，所述光吸收层的厚度在所述第一区域与所述第二区域之间部分地增加，并且所述光吸收层具有厚度大于所述光吸收层的处于所述第一区域与所述第二区域之间的其余部分的厚度的区域。3.根据权利要求2所述的光检测器，其中，所述光输入层在与厚度大于所述光吸收层的所述其余部分的厚度的区域对应的位置处具有凹部。4.根据权利要求2所述的光检测器，其中，所述光吸收层在与厚度大于所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：下山峰史，
申请(专利权)人：富士通光器件株式会社，
类型：发明
国别省市：