一种用于2微米波段的片上加热式锗光电探测器

1.本发明涉及光电探测器技术领域，尤其涉及一种用于2微米波段的片上加热式锗光电探测器。


背景技术：

[0002] 随着现代通信技术的不断发展，人们对于通信链路高速、高带宽、低延时的要求越来越高，对于光通信发展而言，突破由传统通信波段带来的通信容量限制至关重要。目前传统c波段波分复用的波长通道已饱和，而掺铥光纤具有1700nm-2100nm的增益谱宽，可以提供宽带光放大，而c波段的掺饵光纤不具备这么宽的增益谱，且2μm波段的光纤损耗可以做到和标准单模光纤同一水平。将通信窗口由光通信常用的c波段拓展到具有1700nm-2100nm 通信波长范围的2μm波段成为目前光通信重要的研究方向。对于目前的2μm波段硅基片上光通信器件而言，除了光电探测器，其他器件性能均能满足通信链路需要，且随着半导体制造技术的发展，基于硅基的光电子芯片得到了极大发展。
[0003]
然而，对于实现2μm波段片上硅基光电探测器而言，其主要难点在于硅基片上材料对2μm波段几乎是透明的，亦即对2μm波段几乎不存在光吸收，不能实现高响应度的光探测。目前有方法利用ingaas等 2μm波段强光吸收材料作为吸收区，再采用异质或键合集成等技术集成在硅上，严格来说，这种集成方式不能与硅基coms (complementary metal
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oxide
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semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺相兼容，这会大大减小集成器件的密度。我们迫切需要一种能与硅基coms相兼容的，具有高响应度的2μm探测器。


技术实现要素：

[0004]
针对以上技术问题，本发明公开了一种用于2微米波段的片上加热式锗光电探测器，解决现有2μm通信波段片上光电探测器集成度差、响应度低的问题，器件具有结构紧凑、响应度高、能与硅基cmos工艺相兼容、兼容常规的mpw流片工艺的优点。
[0005]
对此，本发明采用的技术方案为：一种用于2微米波段的片上加热式锗光电探测器，其采用横向pn结结构，所述用于2微米波段的片上加热式锗光电探测器包括：两个电极、两个tin加热电极、tin加热层、n重掺杂硅层、p重掺杂硅层、锗吸收层、硅本征层、硅倍增层、p轻掺杂硅电荷层；所述n重掺杂硅层、p重掺杂硅层位于器件的两侧、且分别与两个电极连接，所述硅倍增层、p轻掺杂硅电荷层、硅本征层依次位于n重掺杂硅层、p重掺杂硅层之间，所述锗吸收层设于硅本征层的上方并相连，所述tin加热层位于锗吸收层的上方，所述tin加热层与tin加热电极连接，所述锗吸收层与tin加热层、tin加热电极之间通过填充物隔离。进一步的，所述电极的材质优选为铝。
[0006]
其中，光从硅本征层入射，进入锗吸收层，此时给tin加热电极加电，可以使得tin加热层产生热量，进而对锗吸收层加热，使得锗材料在升温过程中发生带隙缩减，从而提高锗在2μm波段光吸收；硅倍增层在n重掺杂层的内侧，使得碰撞电离率较高的电子在反偏工
作时抽入倍增区进行雪崩倍增；p轻掺杂硅电荷层在硅倍增层的内侧，从而进一步增强倍增区发生雪崩效应时的电场，增强tin加热层升温后锗吸收层产生的光生电子在倍增层发生雪崩倍增的强度，进一步提高器件响应度。
[0007]
总的来说，此技术方案为在sacm (separate absorption charge multiplication，倍增层分离结构)结构的基础上，引入tin加热电极的、2μm片上锗雪崩光电探测器，将锗作为雪崩光电探测器光吸收介质，利用tin加热电极对其加热，降低能带间隙，提高对2μm波段光吸收，将探测器吸收层和倍增层分离，减小隧穿暗电流，并设置p型轻掺杂电荷区，以提高雪崩区的电场强度，增大雪崩倍增系数；充分利用分离吸收区、倍增区、电荷区的结构，提高经tin加热电极加热后锗吸收层产生的光电流，极大的提升探测器在2μm波段探测性能和响应度。
[0008]
作为本发明的进一步改进，所述雪崩硅倍增层与锗吸收层分离设置，其位于n重掺杂层的内侧，使得在器件在反偏工作状态下从tin加热层加温后锗吸收层产生的光生电子在硅倍增层雪崩倍增，相比于吸收层和倍增层不分离的结构，此结构能够减小吸收层产生的隧穿暗电流。
[0009]
作为本发明的进一步改进，所述n重掺杂硅层与p重掺杂硅层之间、且在所述锗吸收层与tin加热层、tin加热电极之间通过二氧化硅进行填充隔离。
[0010]
作为本发明的进一步改进，所述tin加热电极通过通孔结构连接到tin加热层。给tin加热电极加直流电压，使得tin加热电极产生热量，进而对锗吸收层加热。其中，tin加热电极的材质优选为铝。
[0011]
作为本发明的进一步改进，所述两个电极分别通过通孔结构与n重掺杂硅层、p重掺杂硅层连接。器件在反偏状态下工作，n重掺杂硅层上方接正电压，p重掺杂硅层上方接负电压。
[0012]
作为本发明的进一步改进，所述n重掺杂硅层、p重掺杂硅层的宽度不小于1μm，且与锗吸收层的距离均不小于1μm。
[0013]
作为本发明的进一步改进，所述锗吸收层的宽度不小于500nm。
[0014]
作为本发明的进一步改进，所述p轻掺杂硅电荷层宽度根据所需响应度和暗电流特性加以设计，电荷层宽度和响应度成正比、和暗电流大小亦成正比。所述p轻掺杂硅电荷层的宽度为50-300nm。
[0015]
进一步地，所述硅倍增层宽度根据所需响应度和带宽特性加以设计，倍增层宽度和响应度成正比、和带宽成反比，倍增层宽度设计为200-1000nm。
[0016]
作为本发明的进一步改进，所述硅本征层的宽度不小于0.6μm。
[0017]
作为本发明的进一步改进，所述电极与锗吸收层之间的距离不小于1.5μm。
[0018]
作为本发明的进一步改进，所述硅倍增层结构的宽度可根据所需响应度和带宽特性加以灵活设计，硅倍增层宽度和响应度成正比、和带宽成反比。进一步的，所述硅倍增层宽度为200-1000nm。
[0019]
作为本发明的进一步改进，所述p轻掺杂硅电荷层结构根据所需响应度和暗电流特性可加以灵活设计，电荷层宽度和响应度成正比、和暗电流大小亦成正比。
[0020]
作为本发明的进一步改进，所述硅本征层通过与片上波导之间的taper层相连，可以将光耦合到锗吸收层上，其宽度需不小于0.6μm。
[0021]
进一步地，所述硅本征层可与通过与片上波导之间的taper层相连，可以将光耦合到锗吸收层上。
[0022]
进一步地，所述硅本征层的宽度是根据锗吸收层的尺寸定义的，硅本征层的宽度可小至0.6μm。
[0023]
进一步地，所述硅本征层的厚度为220nm。
[0024]
制作本发明技术方案的光电探测器的材料为绝缘体上硅（soi）、锗、铝、tin。
[0025]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：第一，采用本发明的技术方案，整体器件采用横向pn结结构，将锗作为雪崩光电探测器光吸收介质，利用tin电极对锗进行加热，减小锗材料带隙，从而提高在2μm波段光吸收；此外将倍增层和吸收层进行分离，从而减小器件的隧穿暗电流，进一步设立电荷区增加雪崩倍增区的电场强度，增大雪崩倍增系数，提高了雪崩倍增强度。
[0026]
第二，本发明的技术方案利用分离吸收区、倍增区、电荷区的结构提高经tin加热电极加热后锗吸收层产生的光电流，该设计将会极大的提升探测器在2μm波段探测性能；同时可根据需求调节不同功能层的宽度实现器件响应度和带宽性能的平衡。
[0027]
第三，本发明的技术方案的器件具有结构紧凑、响应度高、能与硅基cmos工艺相兼容、兼容通用的mpw流片工艺的优点。
附图说明
[0028]
图1为本发明提出的一种用于2微米波段的片上加热式锗光电探测器的三维视图。
[0029]
图2为本发明提出的一种用于2微米波段的片上加热式锗光电探测器截面示意图。
[0030]
图3为锗直接带隙和其跃迁对应的发光波长与温度的关系。
[0031]
图4为本发明提出的sacm探测器结构与常规的不分离吸收区、倍增区、电荷区的雪崩探测器结构响应度对比。
[0032]
其中：1-铝电极，2-tin加热电极，3-tin加热层，4-二氧化硅层，5-n重掺杂硅层，6-硅倍增层，7-p轻掺杂硅电荷层，8-硅本征层，9-p重掺杂硅层，10-锗吸收层。
具体实施方式
[0033]
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
[0034]
如图1和图2所示，一种用于2μm波段的片上加热式锗光电探测器，其采用横向pn结结构，该探测器包括：两个铝电极1、两tin加热电极2、tin加热层3、n重掺杂硅层5、p重掺杂硅层9、锗吸收层10、硅本征层8、硅倍增层6、p轻掺杂硅电荷层7结构。
[0035]
所述n重掺杂硅层5、p重掺杂硅层9位于两侧，且其上方分别与两个铝电极连接，所述硅倍增层6、p轻掺杂硅电荷层7、硅本征层8依次相连、横向位于n重掺杂硅层5、p重掺杂硅层9之间，所述锗吸收层10生长于硅本征层8的上方，所述tin加热层3以及tin加热电极2位于锗吸收层10的上方，所述tin加热层3与tin加热电极2连接，所述n重掺杂硅层5与p重掺杂硅层9之间、锗吸收层10与tin加热层3、tin加热电极2之间通过二氧化硅层4填充隔离。
[0036]
在实施例探测器的制作材料可以为绝缘体上硅（soi）、锗、tin、铝。
[0037]
进一步的，所述铝电极1通过通孔结构分别与n重掺杂硅层5、p重掺杂硅层9连接。tin加热电极2通过通孔结构连接到tin加热层3。
[0038]
进一步的，所述n重掺杂硅层5、p重掺杂硅层9的宽度不小于1μm，且与锗吸收层10的距离不小于1μm。
[0039]
进一步的，所述锗吸收层10的宽度不小于500nm。
[0040]
进一步的，所述p轻掺杂硅电荷层7的宽度为50-300nm。
[0041]
进一步的，所述硅倍增层6的宽度为200-1000nm。
[0042]
进一步的，所述锗吸收层10到p重掺杂硅层9距离应不小于1μm，两者之间如果距离过小，载流子吸收和金属吸收将加剧光传输损耗。
[0043]
进一步的，所述硅本征层8的宽度不小于0.6μm。
[0044]
进一步的，所述铝电极1与锗吸收层10之间的距离不小于1.5μm。
[0045]
进一步的，所述硅本征层8的厚度为220nm。
[0046]
在实施例中，tin加热层3的宽度根据传热效率以及载流子加热所造成的负面效益加以权衡，tin加热层3过宽会减小其电阻，提高传热效率，但过宽的tin加热层3将会使得加热区域过大，使得器件产生不必要的载流子热噪声，作为权衡，应使得tin加热层3的宽度处于锗吸收层10宽度的0.5-2倍之间。
[0047]
进一步的，倍增层宽度根据所需响应度和带宽特性加以灵活设计，倍增层宽度和响应度成正比、和带宽成反比。
[0048]
进一步的，电荷层宽度根据所需响应度和暗电流特性加以灵活设计，电荷层宽度和响应度成正比、和暗电流大小亦成正比。
[0049]
进一步的，锗吸收层10的宽度可以根据光传输损耗和模式特性加以灵活设计，不额外占用器件面积。
[0050]
进一步的，硅本征层8的宽度可以根据光传输损耗和器件带宽特性加以灵活设计。
[0051]
本实施例的目的是提高锗材料在2μm波段的光吸收率，进而提高器件的响应度，最终将其应用到2μm波段硅光通信芯片上。另外，在硅基雪崩光电探测器的基础上，为了提高锗材料在2μm波段的吸收，额外设计了对锗吸收层进行升温的tin加热层，并将器件的吸收区和倍增区进行了分离，设计p掺杂电荷区增加雪崩倍增区的电场，结构设计采用横向pn结结构，使其通用于常用常规mpw工艺。
[0052]
通过实验，获得锗直接带隙和其跃迁对应的发光波长与温度的关系，结果如图3所示，可见，随着温度的升高，锗材料的直接带隙宽度变窄，对应直接带隙跃迁产生的光生电子中心波长变长，会增强锗在2μm波段的光吸收率，提高器件响应度。
[0053]
图4为本实施例的sacm结构与常规的不分离吸收区、倍增区、电荷区的探测器结构都响应度对比，可见，在器件接近和达到击穿电压后，本实施例的sacm结构的探测器较常规结构会具有更优良的响应度性能。
[0054]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。