高效率频宽乘积锗光探测器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种高效率频宽乘积锗光探测器，通过在硅基板上蚀刻一开口向下的凹槽，并于凹槽内部周缘镀制一金属反射镜面层，再于光探测器上加一介电质反射镜面层，且于金属反射镜面层与介电质反射镜面层间夹置一锗吸光层，其可为P-I-N结构或其它类型结构；通过上述结构配上共振腔的临界耦合公式调整，可将所有入射光完全闭锁于金属反射镜面层与介电质反射镜面层之间的腔体构造内而达成临界耦合，可具有接近百分之百吸收效率而不漏光，进而可在临界耦合的基础上突破频宽与效率之间的取舍而达到超过50GHz的高响应度与高频宽的目的，以增加光转电吸收的效率。
【专利说明】高效率频宽乘积锗光探测器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光探测器，尤其涉及一种高效率频宽乘积锗光探测器，特别指经由上、下反射镜可将所有入射光完全闭锁于其间的腔体构造内而达成临界耦合，可具有接近百分之百吸收效率而不漏光，进而可在临界耦合的基础上突破频宽与效率之间的取舍而达到高响应度与高频宽的目的，以增加光转电吸收的效率。
【背景技术】
[0002]目前，光探测器技术已发展成熟，且运用于多种光通讯产品。在半导体光探测器中，光探测器暴露于光源时经由感测体吸收光能并转换成电子信号而输出电流，可通过此用于光通讯及光探测。
[0003]在光学期刊《OPTICS EXPRESS》18，16474，2010中标题为“高灵敏度的IOGbps硅上锗光接收器操作在λ 一 1.55 微米” (Jiho Joo, “High-sensitivitylOGbps Ge-on-Siphotoreceiver operating at λ~1.55μ?η_”，OPTICS EXPRESS16479, 2010)—文中提出了一种以垂直面照式硅上锗光探测器为基础的高灵敏度光接收器。制作具有90 μ m直径台面的PIN光探测器的-3dB频宽为7.7GHz,以及在λ — 1.55μη?，对应于72%的外部量子效率为0.9A/W的响应度。一 TO-can封装锗光接收器在IOGbps的数据率为10-12的BER展现-18.5dBm的灵敏度。该结果证明符合成本效益的硅上锗光接收器，及可以随时替换II1-V相对物而用于光通信的能力。然而，此已用技术虽有较高的响应度，但频宽较低。
[0004]且在应用物理通信《APPLIEDPHYSICS LETTERS》95, 151116，2009 中标题为“40Gb/s 的面照射式娃上错光探测器”(Johann Osmond, 40Gb/ssurface-1Iluminated Ge-on-Siphotodetectors, APPLIED PHYSICS LETTERS95, 151116，2009)—文中提出了一种描述单芯片整合在硅基板上并在C与L波段操作的面照式锗光探测器。无偏压锗台式直径范围从10—25卜1111，分别在波长为1.5μπι的范围从0.08 — 0.21 A/W的响应。在波长为1.5μπι的一 5V的反偏压下测得的_3dB截止频率高达49GHz。另展示一个开放高达40Gb/s的眼图。此已用制作具有15 μ m直径台面的`PIN光探测器的-3dB频宽为40GHz，以及在λ — ].5μπ?,对应于10%的外部量子效率为0.12A/W的响应度，虽然可通过此提高频宽，但在频宽被改善而提闻时，响应度却下降。
[0005]另外，在高速光纤网络的市场中，垂直共振腔面射型激光(Vertical CavitySurface Emitting Laser, VCSEL)的结构中虽有提出于发光层上下使用多层膜反射层(Distributed Bragg Reflector, DBR),但VCSEL为一种发光组件结构，而光探测器则是一种吸光组件的结构，两者不同的原理有不同的作用，VCSEL中的DBR虽是被当作共振腔两面的反射镜使用，但其材料为非金属材料，因此无论在材料的选择与结构的设计上均不相同，非相似技术。
[0006]再者，如图4所示，其为一种已用光探测器可整合的光耦合装置，其在基板300下方蚀刻一斜面，并镀上一第一全反射表面353，而另一斜面镀上一第二全反射表面354，当三于提供一种高效率频宽乘积锗光探测器，X舍而提高响应度与频宽。
案是这样实现的:
1: 一娃基板，具有一开口向下的凹槽；一金置而具有开口向下的结构；一吸收层，设置结构，该结构具有一 ？型非晶娃层、一射镜面层，设置在该吸收层之上，搭配该金辰腔；其中，该介电质反射镜面层与该金属率，通过共振腔的临界耦合，使所有入射光碧之间的共振腔内，达到百分之百的吸收效
镜面层之间设置有一埋入氧化层。
表面形式设置在该吸收层之下。
分布式布拉格反射镜。
径大于该介电质反射镜面层。
层的厚度介于200?300鹽范围。`频宽与效率之间的取舍而达到高响应度与
I图；
I图；
I合装置示意图。`[0049]光探测器360。
【具体实施方式】
[0050]请参阅图1及图2所示，分别为本发明的结构示意图以及本发明运用时的光闭锁状态示意图。如图所示:本发明一种高效率频宽乘积锗光探测器，其至少包括一硅基板11、一金属反射镜面层(Metal Mirror) 12、一埋入氧化层(Buried Oxide, BOX) 13、一吸收层14以及一介电质反射镜面层(Dielectric Mirror) 15所组成。
[0051]该硅基板11具有一开口向下的倒U字型凹槽111。
[0052]该金属反射镜面层12沿着该硅基板11的倒U字型凹槽111内部周缘设置而具有开口向下的倒U字型结构。
[0053]该埋入氧化层13设置在该金属反射镜面层12之上。
[0054]该吸收层14设置在该埋入氧化层13之上，该吸收层14具有一 PIN结构，该PIN结构包含有一 P型非晶硅层(a-Si) 141、一 I型锗层142以及一 N型磊晶硅层(印i_Si) 143。
[0055]该介电质反射镜面层15设置在该吸收层14之上，配合该金属反射镜面层12形成一使光线产生多次反射的共振腔。
[0056]上述所提的金属反射镜面层12的直径大于该介电质反射镜面层15，且该金属反射镜面层12的形状结构也可以平表面形式设置，如图2所示的金属反射镜面层12a。
[0057]本发明通过由下列公式达成共振腔的临界I禹合(Resonance-CriticalCoupling),使该介电质反射镜面层15与该金属反射镜面层12的反射率比值等于共振腔内的吸收率，使所有入射光闭锁于该金属反射镜面层12与该介电质反射镜面层15之间的共振腔内，达到理论上百分之百吸收效率，如图2所示的光闭锁状态。该公式为:
【权利要求】
1.一种高效率频宽乘积锗光探测器，其特征在于，包括: -娃基板，具有一开口向下的凹槽； 一金属反射镜面层，沿着该硅基板的凹槽内部周缘设置而具有开口向下的结构； 一吸收层，设置在该金属反射镜面层之上，该吸收层具有一 PIN结构，该PIN结构具有一 P型非晶硅层、一 I型锗层以及一 N型磊晶硅层；以及 一介电质反射镜面层，设置在该吸收层之上，搭配该金属反射镜面层形成一使光线产生多次反射的共振腔； 其中，该介电质反射镜面层与该金属反射镜面层的反射率比值等于共振腔内的吸收率，通过共振腔的临界耦合，使所有入射光闭锁于该金属反射镜面层与该介电质反射镜面层之间的共振腔内，达到百分之百的吸收效率。
2.根据权利要求1所述的高效率频宽乘积锗光探测器，其特征在于，该吸收层与该金属反射镜面层之间设置有一埋入氧化层。
3.根据权利要求1所述的高效率频宽乘积锗光探测器，其特征在于，该金属反射镜面层以平表面形式设置在该吸收层之下。
4.根据权利要求1所述的高效率频宽乘积锗光探测器，其特征在于，该介电质反射镜面层为分布式布拉格反射镜。
5.根据权利要求1所述的高效率频宽乘积锗光探测器，其特征在于，该金属反射镜面层的直径大于该介电质反射镜面层。
6.根据权利要求1所述的高效率频宽乘积锗光探测器，其特征在于，该吸收层中N型磊晶硅层的厚度介于200~300nm范围。
7.根据权利要求1所述的高效率频宽乘积锗光探测器，其特征在于，该共振腔的临界耦合经由下列公式使该介电质反射镜面层与该金属反射镜面层的反射率比值等于共振腔内的吸收率，使其在此条件下达到理论上百分之百吸收效率:
8.根据权利要求1所述的高效率频宽乘积锗光探测器，其特征在于，该P型非晶硅层的部分区域设置一 P型欧姆接触层。
9.根据权利要求8所述的高效率频宽乘积锗光探测器，其特征在于，该P型欧姆接触层上更进一步包含一金属导电层。
10.根据权利要求1所述的高效率频宽乘积锗光探测器，其特征在于，该N型磊晶硅层的部分区域设置一 N型欧姆接触层。
11.根据权利要求10所述的高效率频宽乘积锗光探测器，其特征在于，该N型欧姆接触层上更进一步包含一金属导电层。
12.—种高效率频宽乘积锗光探测器，其特征在于，包括: 一第一反射层，包含分布式布拉格反射镜结构； 一第二反射层，包含一金属反射镜面层；一吸收层包含一锗层，分布于所述第一反射层及所述第二反射层中，形成一共振腔；其中，该第一反射层与该第二反射层的反射率比值等于共振腔内的吸收率，通过共振腔的临界耦合，使所有入射光闭锁于该第二反射层与该第一反射层之间的共振腔体内，达到百分之百的吸收效率。
13.根据权利要求12所述的高效率频宽乘积锗光探测器，其特征在于，该吸收层与该第二反射层之间设置有一埋入氧化层。
14.根据权利要求12所述的高效率频宽乘积锗光探测器，其特征在于，该吸收层包含一 PIN结构,该PIN结构具有一 P型非晶娃层、一 I型锗层以及一 N型嘉晶娃层。
【文档编号】H01L31/109GK103840033SQ201310617114
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2012年11月27日
【发明者】那允中 申请人:光引研创股份有限公司