硅基集成光电探测器及其制备方法技术

本申请提供一种硅基集成光电探测器及其制备方法，包括硅光波导、波长转换波导和硅光电探测器，硅光波导用于接收并传输入射光，入射光其波长大于1100nm；波长转换波导设置于硅光波导的后方，用于波长下转换，将入射光转换为波长小于1100nm的转换光；硅光电探测器设置于波长转换波导的后方，用于将接收到的光信号转换为电信号。该结构可实现通信波段硅基集成光电探测，且由于硅材料晶格完整，探测的灵敏度高。度高。度高。

【技术实现步骤摘要】
硅基集成光电探测器及其制备方法


[0001]本申请实施例涉及半导体光电子器件
，尤其涉及一种硅基集成光电探测器及其制备方法。

技术介绍

[0002]光子是量子信息技术中理想的信息载体，对光子的探测决定了量子信息系统的性能。与经典光子学相似，光量子集成是提高性能和稳定性、降低功耗和体积的关键技术，是将量子信息技术稳健地从实验室推向实际应用的重大挑战。
[0003]目前常用的单光子探测器主要有超导纳米线单光子探测器和半导体单光子探测器。其中，超导纳米线单光子探测器具有高灵敏度、高探测效率、低噪声等优势，然而该器件需要在4K的低温下工作，庞大的制冷系统限制了其应用，导致系统昂贵，体积大、笨重，不利于小型化和集成。而半导体单光子探测器为分立器件，不易于系统集成。为了解决上述单光子探测器难以片上集成的问题，在相关技术中提出了硅基光互连技术，硅基集成的半导体探测器材料包括锗(Germanium，元素符号Ge)和铟镓砷(InGaAs)，硅基锗探测器、硅基InGaAs探测器实现了红外波段的光信号探测。
[0004]然而，由于硅基锗探测器和硅基InGaAs探测器存在晶格失配问题，在器件制备过程中，外延和键合工艺在材料中引入了大量的位错密度，导致硅基锗探测器和硅基InGaAs探测器的暗电流显著增加，信噪比低，以使硅基锗探测器和硅基InGaAs探测器探测的灵敏度较低。

技术实现思路

[0005]本申请实施例提供一种硅基集成光电探测器及其制备方法，用以解决硅基集成的半导体探测器材料存在暗电流较多，信噪比低的技术问题。
[0006]本申请实施例为解决上述技术问题提供如下技术方案：
[0007]本申请实施例提供了一种硅基集成光电探测器，包括：
[0008]硅光波导，所述硅光波导用于接收并传输入射光，所述入射光的波长大于1100nm；
[0009]波长转换波导，所述波长转换波导设置于所述硅光波导的后方，用于接收所述硅光波导传输来的入射光，并将所述入射光转换为波长小于1100nm的转换光；
[0010]硅光电探测器，所述硅光电探测器设置于所述波长转换波导的后方，用于将接收的光信号转换为电信号。
[0011]本申请实施例的有益效果：本申请实施例提供的硅基集成光电探测器包括硅光波导、波长转换波导和硅光电探测器，结构简单，且硅光波导、波长转换波导和硅光电探测器可以集成于同一衬底上，使得本申请实施例提供的硅基集成光电探测器能够满足集成化、小型化光电器件的需求；其次，通常硅基波导用于通信领域，工作波长为1310nm和1550nm。然而受禁带宽度限制，使得硅光电探测器无法对大于1100nm通信波段的光进行探测。本申请实施例提供了一种硅基片上集成光电探测方法，通信波段的光可在硅波导中无损传输，
经过波长下转换，利用硅材料晶格完整的优势，实现高灵敏光电探测。本申请实施例提供的片上硅基集成光电探测器通过波长下转换可突破硅禁带宽度限制，实现对通信波段探测，而且相较于硅基锗探测器、硅基InGaAs探测器，暗电流小，灵敏度高。
[0012]在一种可能的实施方式中，硅基集成光电探测器还包括模斑转换结构，所述模斑转换结构设置于所述硅光波导和所述波长转换波导之间，用于转换所述硅光波导的模斑尺寸。
[0013]在一种可能的实施方式中，所述模斑转换结构为楔形模斑转换结构，所述楔形模斑转换结构具有输入端和输出端，所述输入端的尺寸小于输出端的尺寸，所述楔形模斑转换结构的输出端与所述波长转换波导的一端耦合。
[0014]在一种可能的实施方式中，所述硅光波导和所述楔形模斑转换结构由同一个硅衬底制备获得；
[0015]所述硅光波导和所述楔形模斑转换结构均包括芯层和包裹所述芯层的包层，所述芯层为硅，所述包层为二氧化硅。
[0016]在一种可能的实施方式中，所述波长转换波导为周期性极化铌酸锂波导或硼酸铒单晶波导。
[0017]在一种可能的实施方式中，所述入射光的波长为1550nm。
[0018]在一种可能的实施方式中，所述硅光电探测器为PIN探测结构，包括吸收区、P型欧姆接触区、N型欧姆接触区、P型欧姆接触电极和N型欧姆接触电极；
[0019]在一种可能的实施方式中，所述硅光电探测器为雪崩探测结构，包括雪崩区、吸收区、P型欧姆接触区、N型欧姆接触区、P型欧姆接触电极和N型欧姆接触电极；
[0020]所述P型欧姆接触电极设置于所述P型欧姆接触区的上方，所述N型欧姆接触电极设置于所述N型欧姆接触区的上方；
[0021]所述P型欧姆接触区、所述雪崩区、所述吸收区、所述N型欧姆接触区沿第一方向依次排列，所述第一方向与所述转换光的传输方向垂直。
[0022]在一种可能的实施方式中，所述硅光电探测器包括P型欧姆接触电极、P型欧姆接触区、本征区、N型欧姆接触区、N型欧姆接触电极。
[0023]本申请实施例还提供了一种硅基集成光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
[0024]沿硅衬底的长度方向，将硅衬底分为第一部分、第二部分和第三部分，所述硅衬底包括依次堆叠设置的第一硅层、第一二氧化硅层和第二硅层；
[0025]对所述第一部分进行处理，以使所述第一部分形成硅光波导的局部结构；
[0026]在所述第二硅层的上部沉积一层二氧化硅层形成第二二氧化硅层，经处理后的所述第一部分与沉积于所述第一部分上的第二二氧化硅层配合形成硅光波导；
[0027]去除位于所述第二部分上部的第二二氧化硅层以及去除所述第二部分的第二硅层，形成第一凹槽；
[0028]在所述第一凹槽内形成波长转换波导；
[0029]对所述第三部分及位于第三部分上部的第二氧化硅层进行处理，以在所述第三部分处形成硅光电探测器。
[0030]本申请实施例的硅基集成光电探测器的制备方法的有益效果：本申请实施例的制备方法通过在一个衬底上制备硅基集成光电探测器，制备方式简单，能够有效、快速的制备
获得上述的硅基集成光电探测器。
[0031]在一种可能的实施方式中，沿硅衬底的长度方向，所述第一部分包括第一区段和第二区段，分别对所述第一区段和所述第二区段进行加工，以使所述第一区段形成硅光波导的局部结构，使所述第二区段形成楔形模斑转换结构的局部结构；
[0032]在所述第二硅层的上部沉积一层二氧化硅层形成第二二氧化硅层，以使经加工后的所述第一区段形成硅光波导，使经加工后的所述第二区段形成楔形模斑转换结构。
[0033]在一种可能的实施方式中，所述波长转换波导为周期性极化铌酸锂波导，所述周期性极化铌酸锂波导的制备方法包括如下步骤：
[0034]在去除位于所述第二部分上部的第二二氧化硅层以及去除所述第二部分的第二硅层之前，在所述第二二氧化硅层的上部生长一层氮化硅层；
[0035]所述氮化硅层形成后，通过光刻和刻蚀的工艺去除所述第二部分上部的氮化硅层、第二二氧化硅层以及去除所述第二部分的第二硅层，形成第一凹槽；
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅基集成光电探测器，其特征在于，包括：硅光波导，所述硅光波导用于接收并传输入射光，所述入射光的波长大于1100nm；波长转换波导，所述波长转换波导设置于所述硅光波导的后方，用于接收所述硅光波导传输来的入射光，并将所述入射光转换为波长小于1100nm的转换光；硅光电探测器，所述硅光电探测器设置于所述波长转换波导的后方，用于将接收的光信号转换为电信号。2.根据权利要求1所述的硅基集成光电探测器，其特征在于，还包括模斑转换结构，所述模斑转换结构设置于所述硅光波导和所述波长转换波导之间，用于转换所述硅光波导的模斑尺寸。3.根据权利要求2所述的硅基集成光电探测器，其特征在于，所述模斑转换结构为楔形模斑转换结构，所述楔形模斑转换结构具有输入端和输出端，所述输入端的尺寸小于输出端的尺寸，所述楔形模斑转换结构的输出端与所述波长转换波导的一端耦合。4.根据权利要求1所述的硅基集成光电探测器，其特征在于，所述波长转换波导为周期性极化铌酸锂波导或硼酸铒单晶波导。5.根据权利要求1所述的硅基集成光电探测器，其特征在于，所述硅光电探测器包括雪崩区、吸收区、P型欧姆接触区、N型欧姆接触区、P型欧姆接触电极和N型欧姆接触电极；所述P型欧姆接触电极设置于所述P型欧姆接触区的上方，所述N型欧姆接触电极设置于所述N型欧姆接触区的上方；所述P型欧姆接触区、所述雪崩区、所述吸收区、所述N型欧姆接触区沿第一方向依次排列，所述第一方向与所述转换光的传输方向垂直。6.根据权利要求1所述的硅基集成光电探测器，其特征在于，所述硅光电探测器包括P型欧姆接触电极、P型欧姆接触区、本征区、N型欧姆接触区、N型欧姆接触电极。7.一种硅基集成光电探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：沿硅衬底的长度方向，将硅衬底分为第一部分、第二部分和第三部分，所述硅衬底包括依次堆叠设置的第一硅层、第一二氧化硅层和第二硅层；对所述第一部分进行处理，以使所述第一部分形成硅光波导的局部结构；在所述第二硅层的上部沉积一层二氧化硅层形成第二二氧化硅层，经处理后的所述第一部分与沉积于所述第一部分上的第二二氧化硅层配合形成硅光波导；去除位于所述第二部分上部的第二二氧化硅层以及去除所述第二部分的第二硅层，形成第一凹槽；在所述第一凹槽内形...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘巧莉，陈年域，胡安琪，郭霞，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：