一种倏逝波耦合的波导型探测器的制作方法

本发明涉及探测器技术领域，尤其涉及一种倏逝波耦合的波导型探测器。

背景技术：

近些年来光电探测器朝着高速、大容量的方向发展；其中具有低暗电流、高量子效率的pin型光电探测器得到了长足的发展，从垂直光照明到侧面入射照明，再到侧面照明的倏逝波耦合的波导型光电探测器，逐步解决了量子效率与响应速度相矛盾以及光吸收不均匀导致无法大功率工作的问题。iii-v族半导体材料中基于inp/ingaas材料体系的pin光电探测器能够覆盖光纤通信的1310nm和1550nm两个的窗口，这些年来inp/ingaas基的光电探测器得到了最广泛的研究和应用。

针对未来对光电探测器更高速的需求，倏逝波耦合的波导型探测器是解决这一需求的关键技术。目前，应用在光纤通信中1310nm和1550nm窗口的倏逝波耦合的波导探测器基本是采用inp/ingaas基的材料体系，其采用与inp晶格匹配的四元ingaasp材料作为过渡层，inp材料作为衬底，ingaasp与inp(1.35ev)周期性交替排列构成稀释波导层，稀释波导的作用是增大波导的光场分布，减少光纤与稀释波导的模式失配损耗，再采用一层或两层ingaasp材料作为光学匹配层。

对于波导型光电探测器，光从光纤进入到稀释波导后经过光学匹配层逐渐耦合到光吸收层，与垂直入射的探测器相比，量子效率比较低。因为波导型光电探测器的光是需要从倏逝波导耦合到吸收层的，光耦合的效率直接制约了探测器的量子效率。对于光在两个波导之间的耦合，当两个波导对应的模式的传播常数相等时有最大的耦合效率，波导之间折射率差值越小耦合效率越高。

传统倏逝波耦合的波导探测器中吸收层材料为in0.53ga0.47as，稀释波导由一种固定组分的ingaasp和inp(1.35ev)材料交替排列组成，在1310nm波段，inp材料的折射率为3.202，吸收层in0.53ga0.47as的折射率为3.601，在1550nm波段，inp材料的折射率为3.167，吸收层in0.53ga0.47as的折射率为3.560，inp与in0.53ga0.47as的折射率相差很大，光在两种材料之间耦合效率很低，虽然采用ingaasp与inp交替排列构成稀释波导使得稀释波导的等效折射率提高，但与吸收层折射率差别依旧很大，这极大地限制了光波导的耦合效率，进而影响了器件的关键指标-量子效率。因此选取新的材料体系，降低稀释波导层和吸收层的折射率差，通过对稀释波导以及整个器件的折射率更精细的调控，提高波导耦合效率，实现对器件关键性能量子效率的提升。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题在于提供一种耦合效率和量子效率显著提高的倏逝波耦合波导探测器。

有鉴于此，本申请提供了一种倏逝波耦合的波导型探测器，包括依次叠加设置的衬底、过渡层、吸收层、包层和p型层，所述衬底的材料为gaas材料或inp材料；其特征在于，所述吸收层的材料选自inas材料、gasb材料、in0.53ga0.47as材料、in1-x-ygayalxas,材料、alaga1-aasbsb1-b材料或alcin1-casdsb1-d材料，所述过渡层的材料选自与所述吸收层的材料晶格相匹配的多种三元材料和/或四元材料；

其中，0<x<1，0<y<1且0<x+y<1；

0<a<1，0<b<1；

0<c<1，0<d<1。

优选的，所述吸收层的材料选自inas材料，所述过渡层选自alega1-easfsb1-f非组分渐变材料、in1-galgashsb1-h非组分渐变材料、aliga1-ipjsb1-j非组分渐变材料、alkin1-kplsb1-l非组分渐变材料、alega1-easfsb1-f组分渐变材料、in1-galgashsb1-h组分渐变材料、aliga1-ipjsb1-j组分渐变材料和alega1-easfsb1-f组分渐变材料中的一种或多种；在所述非组分渐变材料和组分渐变材料同时选择时，所述非组分渐变材料的元素组成与组分渐变材料的元素组成不同；

其中0＜e＜1，0＜f＜1；0＜g＜1，0＜h＜1；0＜i＜1，0＜j＜1；0＜k＜1，0＜l＜1。

优选的，所述吸收层为gasb材料，所述过渡层选自alega1-easfsb1-f非组分渐变材料、aliga1-ipjsb1-j非组分渐变材料、in1-galgashsb1-h非组分渐变材料、alkin1-kplsb1-l非组分渐变材料、alega1-easfsb1-f组分渐变材料、aliga1-ipjsb1-j组分渐变材料、in1-galgashsb1-h组分渐变材料或alkin1-kplsb1-l组分渐变材料；在所述非组分渐变材料和组分渐变材料同时选择时，所述非组分渐变材料的元素组成与组分渐变材料的元素组成不同；

其中0＜e＜1，0＜f＜1；0＜g＜1，0＜h＜1；0＜i＜1，0＜j＜1；0＜k＜1，0＜l＜1。

优选的，所述吸收层为in0.53ga0.47as材料，所述过渡层选自in0.52al0.48as非组分渐变材料、in1-e-fgafaleas非组分渐变材料、in1-igaias1-jpj非组分渐变材料、in1-galgashsb1-h非组分渐变材料、in1-e-fgafaleas组分渐变材料、in1-igaias1-jpj组分渐变材料或in1-galgashsb1-h组分渐变材料；在所述非组分渐变材料和组分渐变材料同时选择时，所述非组分渐变材料的元素组成与组分渐变材料的元素组成不同；

其中0＜e＜1，0＜f＜1，0＜e+f＜1；0＜g＜1，0＜h＜1；0＜i＜1，0＜j＜1。

优选的，所述吸收层为in1-x-ygayalxas材料，所述过渡层选自in1-x-ygayalxas组分渐变材料；其中0<x<1，0<y<1且0<x+y<1。

优选的，所述吸收层为alaga1-aasbsb1-b材料，所述过渡层选自alaga1-aasbsb1-b组分渐变材料；其中0<a<1，0<b<1。

优选的，所述吸收层为alcin1-casdsb1-d材料，所述过渡层选自alcin1-casdsb1-d组分渐变材料，其中0<c<1，0<d<1。

优选的，所述组分渐变材料的渐变方式采用组分渐变、能带或折射率线性渐变、二次型渐变或不连续的阶跃渐变的方式。

优选的，所述过渡层包括近衬底端的稀释波导层和近吸收层端的光学匹配层。

本申请提供了一种倏逝波耦合的波导型光电探测器，其吸收层的材料选自inas材料、gasb材料、in0.53ga0.47as材料、in1-x-ygayalxas,材料、alaga1-aasbsb1-b材料或alcin1-casdsb1-d材料，过渡层的材料选自与吸收层的材料晶格相匹配的多种三元材料和/或四元材料；本发明采用新的材料体系，过渡层采用了多种材料代替传统中单一过渡层材料的方式，改善了传统方式中inp材料与吸收层ingaas材料折射率差别太大不利于光从波导到吸收层耦合的缺点，选择多层过渡层材料，逐层降低波导与吸收层材料的折射率差值，增大光从下层波导传播到上层吸收层的耦合效率，实现对探测器的稀释波导层、光学匹配层等结构的折射率更为精细的控制和调整，从而实现了探测器波导耦合效率和量子效率的提高。

附图说明

图1为本发明实施例波导探测器外延结构侧面示意图；

图2为本发明实施例波导探测器外延结构正面示意图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

鉴于稀释波导层和吸收层折射率差影响波导耦合率、量子效率的问题，本申请提供了一种倏逝波耦合的波导型探测器，该探测器对波导以及整个器件的折射率进行了优化，采用新型iii-v族材料体系取代传统的inp/ingaas材料体系，通过调控材料的种类和组分获得禁带宽度(eg)和折射率(n)满足要求的吸收层和过渡层材料，具体是采用多种过渡层材料代替传统波导中单一材料的方式实现对稀释波导层、光学匹配层以及整个器件折射率更为精细的调控，获得具更高耦合效率的器件结构，最终实现应用在光纤通信1310nm或1550nm窗口下具有更高量子效率的高速波导型探测器。具体的，本申请提供了一种倏逝波耦合的波导性探测器，包括依次叠加设置的衬底、过渡层、吸收层、包层和p型层，所述衬底的材料为gaas材料或inp材料；其特征在于，所述吸收层的材料选自inas材料、gasb材料、in0.53ga0.47as材料、in1-x-ygayalxas,材料、alaga1-aasbsb1-b材料或alcin1-casdsb1-d材料，所述过渡层的材料选自与所述吸收层的材料晶格相匹配的多种三元材料和/或四元材料；

其中，0<x<1，0<y<1且0<x+y<1；

0<a<1，0<b<1；

0<c<1，0<d<1。

本领域技术人员熟知的，倏逝波耦合的波导型探测器的外延结构，如图1、图2所示，从下至上包括依次叠加设置的衬底、稀释波导层、光学匹配层、光吸收层、包层和p层，其中稀释波导层和所述光学匹配层称之为过渡层，在本申请中，所述衬底的材料由gaas材料或inp材料构成；光吸收层材料选择上改变了传统倏逝波耦合的波导探测器中采用ingaas材料的方式，而是选自inas材料、gasb材料、in0.53ga0.47as材料、in1-x-ygayalxas材料、alaga1-aasbsb1-b材料或alcin1-casdsb1-d材料，所述过渡层的材料选自与所述吸收层的材料晶格相匹配的多种三元材料和/或四元材料，即所述过渡层中的稀释波导层和光学匹配层的材料分别选自与所述吸收层的材料晶格相匹配的多种三元材料和/或四元材料；更具体地，在与所述吸收层的材料晶格相匹配的基础上，所述稀释波导层的材料选自一种以上的三元材料的组合、一种以上的四元材料的组合、或一种或以上的三元材料和一种或以上的四元材料的组合，所述光学匹配层的材料选自一种以上的三元材料的组合、一种以上的四元材料的组合、或一种或以上的三元材料和一种或以上的四元材料的组合。

在本申请中，所述吸收层与所述过渡层的晶格匹配具体体现在：1)晶格常数的匹配；2)能带的匹配：吸收层的能带宽度(pl谱)要小于应用的波段，过渡层的能带宽度(pl谱)要大于应用的波段，同时过渡层的能带宽度是渐变的，起到平滑异质结能带差的作用；3)折射率的匹配：吸收层折射率最大，从吸收层向上到包层折射率是递减的，从吸收层向下到光学匹配层再到倏逝波导层折射率是递减的：包层和光学匹配层和倏逝波导层可以是一种材料或者组分渐变的一种材料或者多种材料，渐变的方式可以是组分x(或者y)、能带或折射率线性渐变、二次型渐变或不连续的阶跃渐变的方式；对于四元材料满足晶格匹配条件后x与y有确定的关系表达式，因此x与y只有一个变量的自由度；材料的能带和折射率与材料的组分x(或y)有对应的关系，如果采用折射率或者能带渐变的方式，就可以通过折射率或者能带渐变的关系式算出组分x(或y)的关系，进而进行外延的生长。

更具体地，所述吸收层的材料选自inas材料，所述过渡层选自alega1-easfsb1-f非组分渐变材料、in1-galgashsb1-h非组分渐变材料、aliga1-ipjsb1-j非组分渐变材料、alkin1-kplsb1-l非组分渐变材料、alega1-easfsb1-f组分渐变材料、in1-galgashsb1-h组分渐变材料、aliga1-ipjsb1-j组分渐变材料和alega1-easfsb1-f组分渐变材料中的一种或多种；在所述非组分渐变材料和组分渐变材料同时选择时，所述非组分渐变材料的元素组成与组分渐变材料的元素组成不同；其中0＜e＜1，0＜f＜1；0＜g＜1，0＜h＜1；0＜i＜1，0＜j＜1；0＜k＜1，0＜l＜1。

对于上述吸收层inas材料，所述过渡层具体可选自多种非组分渐变材料的组合、一种或多种的非组分渐变材料和组分渐变材料的组合、或组分渐变材料和组分渐变材料的组合，对于多种非渐变材料的组合材料所含元素不同，对于非组分渐变材料和组分渐变材料的组合所述非组分渐变材料和所述组分渐变材料的元素不同。无论上述哪种组合方式，均需要保证与inas材料形成晶格匹配。

所述吸收层为gasb材料，所述过渡层选自alega1-easfsb1-f非组分渐变材料、aliga1-ipjsb1-j非组分渐变材料、in1-galgashsb1-h非组分渐变材料、alkin1-kplsb1-l非组分渐变材料、alega1-easfsb1-f组分渐变材料、aliga1-ipjsb1-j组分渐变材料、in1-galgashsb1-h组分渐变材料或alkin1-kplsb1-l组分渐变材料；在所述非组分渐变材料和组分渐变材料同时选择时，所述非组分渐变材料的元素组成与组分渐变材料的元素组成不同；

其中0＜e＜1，0＜f＜1；0＜g＜1，0＜h＜1；0＜i＜1，0＜j＜1；0＜k＜1，0＜l＜1。

同样，对于上述吸收层gasb材料，所述过渡层具体可选自多种非组分渐变材料的组合、一种或多种的非组分渐变材料和组分渐变材料的组合、或组分渐变材料和组分渐变材料的组合，对于多种非渐变材料的组合材料所含元素不同，对于非组分渐变材料和组分渐变材料的组合所述非组分渐变材料和所述组分渐变材料的元素不同。无论上述哪种组合方式，均需要保证与gasb材料形成晶格匹配。

所述吸收层为in0.53ga0.47as材料，所述过渡层选自in0.52al0.48as非组分渐变材料、in1-e-fgafaleas非组分渐变材料、in1-igaias1-jpj非组分渐变材料、in1-galgashsb1-h非组分渐变材料、in1-e-fgafaleas组分渐变材料、in1-igaias1-jpj组分渐变材料或in1-galgashsb1-h组分渐变材料；在所述非组分渐变材料和组分渐变材料同时选择时，所述非组分渐变材料的元素组成与组分渐变材料的元素组成不同；

其中0＜e＜1，0＜f＜1，0＜e+f＜1；0＜g＜1，0＜h＜1；0＜i＜1，0＜j＜1。

同样，对于上述吸收层in0.53ga0.47as材料，所述过渡层具体可选自多种非组分渐变材料的组合、一种或多种的非组分渐变材料和组分渐变材料的组合、或组分渐变材料和组分渐变材料的组合，对于多种非渐变材料的组合材料所含元素不同，对于非组分渐变材料和组分渐变材料的组合所述非组分渐变材料和所述组分渐变材料的元素不同。无论上述哪种组合方式，均需要保证与in0.53ga0.47as材料形成晶格匹配。

所述吸收层为in1-x-ygayalxas材料，所述过渡层选自in1-x-ygayalxas组分渐变材料；其中0<x<1，0<y<1且0<x+y<1。

所述吸收层为alaga1-aasbsb1-b材料，所述过渡层选自alaga1-aasbsb1-b组分渐变材料；其中0<a<1，0<b<1。

所述吸收层为alcin1-casdsb1-d材料，所述过渡层选自alcin1-casdsb1-d组分渐变材料，其中0<c<1，0<d<1。

在本申请中，上述组分渐变材料具体可采用组分渐变、能带或折射率线性渐变、二次型渐变或不连续的阶跃渐变；以四元材料为例，在满足晶格匹配的条件下，x与y有对应关系，因此只有x(或y)一个变量。组分x渐变，可以是x＝0.1、0.2、0.3、0.4、0.5这种线性渐变的方式，也可以是x＝0.1、0.4、0.9这种二次型渐变(或者别的二次型)，也可以是x＝0.1、0.2、0.5、0.7这种不连续的阶跃渐变。渐变其实取值上有离散取值和连续取值，在实际应用中，渐变方式都是离散的取值；无论是线性渐变、二次型渐变或者不连续的阶跃渐变都是属于渐变式范畴。能带eg和折射率n也可以采取上述的渐变方式。对于能带，比如，可以取eg＝0.9ev到eg＝2.0ev之间的值进行线性渐变、二次型渐变或者不连续的阶跃渐变；对于折射率，比如，可以取n＝3.1到n＝3.5之间的值进行线性渐变、二次型渐变或者不连续的阶跃渐变。对于每一种材料，其能带eg和折射率n都与组分x有对应关系，确定了能带eg或折射率n的渐变方式以后可以根据对应关系推导出组分x(或y)的渐变方式，之后进行外延的生长和器件的制备。

本申请中，上述吸收层的材料与上述过渡层的材料的来源本申请不进行特别的限制，按照本领域技术人员熟知的方式获得即可。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的倏逝波耦合的波导型探测器进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

本专利对倏逝波耦合的波导型探测器的材料体系进行了更改，选择适用在1310nm和1550nm光通信窗口不同于inp/ingaas基的新型材料体系。

图1为波导探测器外延结构侧面示意图，如图1所示，本发明实施例中的外延结构包含衬底，衬底上方的缓冲层，缓冲层上方的稀释波导层，稀释波导层上方的光学匹配层，光学匹配层上方的吸收层，吸收层上方的包层以及包层上方的p型层；图2为波导探测器外延结构正面示意图。光从侧面入射后沿稀释波导层和光学匹配层逐渐向上耦合到吸收层；对于不同的材料体系波导探测器的结构都如图1和图2所示，下面为实施例外延结构的说明：

实施例1

吸收层为gasb材料，gasb的能带宽度为0.72ev，在1550nm波段具有较大的吸收因子，能够作为1550nm探测波段的吸收层；衬底由gaas材料构成；

稀释波导层由alxga1-xasysb1-y(0<x<1,0<y<1)组分渐变材料、alxga1-xpysb1-y(0<x<1,0<y<1)组分渐变材料、alxin1-xasysb1-y(0<x<1,0<y<1)组分渐变材料和alxin1-xpysb1-y(0<x<1,0<y<1)组分渐变材料中的一种构成；这四种四元材料随着al组分x(x＝0时为光吸收层材料gasb)的增大，其折射率降低；选择10层厚度均为200nm，组分x从下到上递增的alxga1-xasysb1-y组分渐变材料或者alxga1-xpysb1-y组分渐变材料或者alxin1-xasysb1-y组分渐变材料或者alxin1-xpysb1-y组分渐变材料，上述任一种组分渐变材料的x值取线性变化分别为0.95、0.9、0.85、0.8、0.75、0.7、0.65、0.6、0.55、0.5；

稀释波导层上方的光学匹配层由五层alxga1-xasysb1-y(0<x<1,0<y<1)组分渐变材料或者alxga1-xpysb1-y(0<x<1,0<y<1)组分渐变材料或者alxin1-xasysb1-y(0<x<1,0<y<1)组分渐变材料或alxin1-xpysb1-y(0<x<1,0<y<1)组分渐变材料构成，取其中一种组分渐变材料的5种不同组分，五层厚度均为150nm的组分从下到上递减依次为0.45，0.4，0.35，0.3，0.25；或者从下到上选取两层组分x分别为0.45，0.4的alxga1-xasysb1-y组分渐变材料，三层组分为alxga1-xpysb1-y材料(x＝0.35)、alxin1-xasysb1-y材料(x＝0.3)和alxin1-xpysb1-y材料(x＝0.25)，五层厚度均为150nm。

通过上述组分渐变的方式，更加缓慢的调整相邻层之间的折射率梯度，提高相邻层之间的耦合效率，进而提高光耦合到吸收层的效率，获得高量子效率的器件。具有上述过渡层器件的耦合效率在1550nm波段；当分别选取四种组分渐变材料或者同时选取四种材料作为光学匹配层时，耦合效率均能达到了85％以上，量子效率提高了10％左右。

实施例2

吸收层为in1-x-ygayalxas材料，衬底为inp材料；与inp晶格匹配的in1-x-ygayalxas可写为(alxga1-x)0.47in0.53as(0<x<1)的形式，(alxga1-x)0.47in0.53as在1310nm波长下折射率随着x从0增加到1，折射率从3.60降到3.25；

选择(alxga1-x)0.47in0.53as材料同时作为吸收层和过渡层材料；对于(alxga1-x)0.47in0.53as材料，其禁带宽度和组分x具有关系：eg＝0.75+0.68x+0.06x²(ev)，(0.75ev<eg<1.49ev)；四元(alxga1-x)0.47in0.53as材料随着al组分x的增大，禁带宽度增加，折射率降低；选择组分x＝0.15的(alxga1-x)0.47in0.53as作为吸收层；选择pl谱小于1310nm(较大x值，x>0.3)的(alxga1-x)0.47in0.53as作为过渡层，过渡层中的稀释波导层由10层厚度均为200nm的不同组分的(alxga1-x)0.47in0.53as组成，从下到上10层(alxga1-x)0.47in0.53as的组分x分别为0.95，0.9，0.85，0.8，0.75，0.7，0.65，0.6，0.55，0.5，上边的光学匹配层为厚度均为150nm的五层(alxga1-x)0.47in0.53as构成，组分x从与稀释波导的交界面到上面与吸收层的交界面线性渐变，x分别为0.45，0.4，0.35，0.3，0.25，光学匹配层延伸出来的长度为20μm，吸收层的长度为20μm。

通过降低相邻层之间的折射率差，使得折射率从下面波导到光学匹配层再到吸收层更缓慢的变化，在1310nm波段器件的耦合效率可以达到82％以上，量子效率提升8％左右。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。