一种可见光及近红外波段硅基光波导集成光电探测器的制作方法

本发明涉及一种硅基光电探测器，尤其是涉及一种可见光及近红外波段硅基光波导集成光电探测器。

背景技术：

在药物开发、环境监测、食品安全检测等领域，可靠的测试手段不可缺少，而传感技术正是其核心技术。利用先进传感技术，可以对物质成分/浓度等进行实行定性或定量分析。光学传感是传感技术的重要分支，通常包括传感单元和光电探测器两部分。

对于一个集成光波导传感系统，光电探测器是其必不可少的部件，用于将光信号转化为电信号，以便进行后续的信号处理。对于可见光及近红外波段，硅基光电探测器是一个很好的选择，其结构包含无源输入光波导、光吸收区域两部分。为了提高集成光波导传感系统可靠性，可将光波导传感单元和光电探测器的无源输入光波导相连接，从而使光波导传感单元和光电探测器两者有机地单片集成于一体。然而这种单片集成并非易事，其困难之处在于：对于传感单元、及光电探测器的无源输入光波导，其光波导缓冲层必须足够厚以防止硅衬底泄漏损耗；而对于光电探测器的光吸收区域，其光波导缓冲层应尽可能小，从而使得光场能迅速泄漏到衬底而被硅衬底吸收形成光电流。因此，若采用传统光波导技术，缓冲层厚度的差异使得光波导集成光电探测器结构和工艺比较复杂，难以实现集成化和低成本化。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种在可见光及近红外波段使用的硅基光波导集成光电探测器。将基于光波导的无源部分与硅光电探测器的有源光吸收部分完美地集成为一体，从而可以极大的降低成本，并提高其可靠性。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括无源输入光波导和有源光吸收区域；无源输入光波导包括第一硅衬底以及从下到上依次层叠在第一硅衬底上的无源区波导下包层、芯层条形型波导和无源区波导上包层，无源区波导上包层包覆芯层条形型波导；有源光吸收区域包括第二硅衬底，从下到上依次层叠覆于第二硅衬底上的衍射层叠结构、覆于衍射层叠结构上的金属反射镜面以及覆于衍射层叠结构两侧的第二硅衬底上的金属电极。

所述的衍射层叠结构包括从下到上依次层叠覆于第二硅衬底上的有源区波导下包层、衍射光栅和有源区波导上包层，有源区波导上包层包覆衍射光栅，有源区波导下包层、衍射光栅和有源区波导上包层分别对应于无源输入光波导的无源区波导下包层、芯层条形型波导和无源区波导上包层并相连接，衍射光栅沿芯层条形型波导延伸方向布置；所述金属反射镜面置于位于衍射光栅正上方的有源区波导上包层上表面，金属反射镜面反射面朝下，金属电极置于有源区波导下包层沿芯层条形型波导延伸方向两侧方的第二硅衬底上。

所述的芯层条形型波导的光经衍射光栅衍射后，一部分光透过有源区波导下包层散射到第二硅衬底上，一部分光透过有源区波导上包层经金属反射镜面反射到第二硅衬底上，两部分均被第二硅衬底吸收；两侧的金属电极施加电场使得第二硅衬底吸收光产生光生载流子，形成光电流。

所述的无源区波导下包层、芯层条形型波导、无源区波导上包层和衍射层叠结构均为不同于第一硅衬底和第二硅衬底的材料且为在硅材料吸收波段具有透明特性的光学材料。

所述无源输入光波导中的芯层条形波导和所述有源光吸收区域的衍射光栅为同一材料，采用单片集成制作。

本发明在有源光吸收区利用衍射光栅的色散作用可以有效地将光信号向上下方向散射，有源吸收光区域位于上包层上的金属镜面可将衍射光栅向上散射的信号光反射回硅衬底，增强了以第二硅衬底作为探测器光敏面接收到的光强。因此本发明向上散射的光遇到位于波导上包层上的金属反射镜后向下反射，使得硅衬底能吸收大部分光，具有高响应度，解决了传统光波导技术所面临的缓冲层厚度差异带来的一系列问题。

本发明具有的有益效果是：

1.本发明结构简单、设计方便、制作简便，可显著降低器件制作成本。

2.便于将光电探测器与无源功能器件单片集成，可极大地提高其可靠性，并有利于降低器件封装成本。

3.采用带有金属反射镜的衍射光栅设计，使得93％左右的光能被硅衬底吸收。且器件尺寸小，获得了20GHz/s的高响应速度。

4.衍射光栅采用啁啾光栅的形式，扩大了探测器带宽，1dB带宽约为650-950nm。

附图说明

图1是本发明结构俯视图。

图2是本发明结构正视图。

图3是图1的A-A’剖视图。

图4是图1的B-B’剖视图。

图5是图1的C-C’剖视图。

图中：1、无源输入光波导，11、第一硅衬底，12、无源区波导下包层，13、条形波导，14、无源区波导上包层，2、有源光吸收区域，21、第二硅衬底，22有源区波导下包层，23、衍射光栅，24、有源区波导上包层，25、金属发射镜面，26、金属电极，3输入光，4向下散射光，5向上散射光。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，本发明包括无源输入光波导1和有源光吸收区域2；其中：

如图3所示，无源输入光波导1包括第一硅衬底11以及从下到上依次层叠在第一硅衬底11上的无源区波导下包层12、芯层条形型波导13和无源区波导上包层14，无源区波导上包层14包覆芯层条形型波导13。

如图4、图5所示，有源光吸收区域2包括第二硅衬底21，从下到上依次层叠覆于第二硅衬底21上的衍射层叠结构、覆于衍射层叠结构上的金属反射镜面25以及覆于衍射层叠结构两侧的第二硅衬底21上的金属电极26。

衍射层叠结构包括从下到上依次层叠覆于第二硅衬底21上的有源区波导下包层22、衍射光栅23和有源区波导上包层24，有源区波导上包层24包覆衍射光栅23，衍射光栅23沿芯层条形型波导13延伸方向布置；所述金属反射镜面25置于位于衍射光栅23正上方的有源区波导上包层24上表面，金属反射镜面25反射面朝下，金属电极26置于有源区波导下包层22沿芯层条形型波导13延伸方向两侧方的第二硅衬底21上，金属电极26与第二硅衬底21接触。

如图1所示，有源光吸收区域2的有源区波导下包层22、衍射光栅23和有源区波导上包层24分别对应于无源输入光波导1的无源区波导下包层12、芯层条形型波导13和无源区波导上包层14并相连接，无源输入光波导1和有源光吸收区域2通过对准的条形波导和衍射光栅相连接。

本发明的工作原理过程为：

光沿着无源输入光波导1以3的方向传播。由于上下包层的隔离作用，光在无源输入光波导中传输无泄漏。光随后进入有源光吸收区域2的衍射光栅区后，由于波导衍射光栅的色散作用，光穿过波导上下包层向上下方向散射，向上散射光4散射到第二硅衬底，向上散射光5遇到位于波导上包层上的金属反射镜后向下反射到第二硅衬底，方向发生改变，如图2所示。向上散射光4和向上散射光5到第二硅衬底后，被硅吸收，形成光生载流子，并通过在金属电极上分别施加正负的外加电场来收集所产生的光生载流子，从而形成光电流。

下面给出两种硅基光波导集成光电探测器具体实施例。

实施例1

在此实施例中，选用Si3N4作为条形波导13、衍射光栅23材料。其制作工艺过程是：利用高温氧化工艺在硅衬底上生长一层约3μm厚的SiO₂薄膜，此芯层无需掺杂，因而可采用简单的热氧化工艺，而该工艺适合于大批量生产，故成本很低。再形成0.25μm厚的氮化硅。对于无源区，采用光刻、干法刻蚀的工艺制作条形波导。

而对于光电探测器的有源光吸收区域2，采用光刻、干法刻蚀的工艺将条形波导刻蚀为一定周期的衍射光栅23，然后沉积约1.2μm厚的上包层14、24，并在上包层溅射反射镜面Au，厚度为100nm，在有源光吸收区域2的衍射光栅23两侧，利用干法或湿法工艺去除SiO₂薄膜，进而沉积金或Ti-Au-Ti电极26，其中Ti厚5nm，Au厚度为100nm，使之与第二硅衬底21形成肖特基，获得金属-半导体-金属结构的光电探测结构。

当光经过无源输入光波导1进入到有源光吸收区域2后，很容易被硅吸收，形成光生载流子，在外加偏压的作用下，形成光电流。为了获得高响应度，有源光吸收区域的长度需足够长，以完全吸收入射光。

经过计算，由于本发明结构的有源光吸收区具有高效率的衬底泄漏，有源光吸收区域的长度仅需10～10²μm，有利于实现芯片的小型化。而且，实施例由于有源光吸收区波导上包层上方的金属镜面的反射作用，93％左右的光能都能被硅衬底吸收，保证一定的光强，获得了20GHz/s的高响应速度，1dB带宽约为650-950nm。此外，有源光吸收区衍射光栅是由芯区条形光波导直接刻蚀而成，实现了单片集成的光传感器系统。

实施例2

在此实施例中，选用聚合物材料SU-8条形波导13、衍射光栅23材料。其制作工艺过程是：在硅衬底利用高温氧化工艺在硅衬底上生长一层SiO₂薄膜，此芯层无需掺杂，通过旋涂工艺形成SU-8平板，并利用光刻工艺，形成无源输入光波导13。

而对于光电探测器的有源光吸收区域2，采用光刻、干法刻蚀的工艺将条形波导刻蚀为一定周期的衍射光栅23，然后沉积约0.2μm厚的上包层14、24，并在上包层24溅射金反射镜面，Au厚度为100nm，在有源光吸收区域2衍射光栅23两侧，利用干法或湿法工艺去除SiO₂薄膜，进而沉积金或Ti-Au-Ti电极26，其中Ti厚5nm，Au厚度为100nm，使之与第二硅衬底21形成肖特基接触，获得金属-半导体-金属结构的光电探测结构。

当光经过无源输入光波导1进入到有源光吸收区域2后，很容易被硅吸收，形成光生载流子，在外加偏压的作用下，形成光电流。为了获得高响应度，有源光吸收区域的长度需足够长，以完全吸收入射光。

经过计算，由于本发明结构的有源光吸收区具有高效率的衬底泄漏，有源光吸收区域的长度仅需10～10²μm，有利于实现芯片的小型化。而且，实施例由于有源光吸收区波导上包层上方的金属镜面的反射作用，93％左右的光能都能被硅衬底吸收，保证一定的光强，获得了20GHz/s的高响应速度，1dB带宽约为650-950nm。此外，有源光吸收区衍射光栅是由芯区条形光波导直接刻蚀而成，实现了单片集成的光传感器系统。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。