一种水平拉通型锗硅雪崩光电探测器

1.本发明涉及了光电探测领域的一种光电探测器，尤其涉及一种水平拉通型锗硅雪崩光电探测器。


背景技术：

2.雪崩光电二极管，因其能实现内部增益常用于弱光探测，降低系统整体功耗，被广泛应用于光通信，光学成像等等领域。
3.硅基光电子器件具有与硅基集成电路完全兼容的工艺，同时具有大带宽，低功耗等等优势，在未来具有广阔的应用前景。硅si材料的吸收截止波长为1.1μm，而基于iii-v族材料的器件制作成本高，不易与硅集成。锗ge薄膜可与硅集成，且在1260-1600nm的通信波段内具有较好的吸收，锗ge/硅si雪崩光电二极管在硅基光电子学领域具有独特的优势。
4.目前锗ge/硅si雪崩光电二极管有些能够简单工艺实现，但却牺牲器件工作性能；有些能够实现优良性能，但加工工艺复杂。在未来大规模硅基光电子的集成应用中，迫切需要具有工作性能优良，同时加工工艺简单且与其他硅基器件工艺兼容的锗ge/硅si雪崩光电二极管。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明采用水平设计，引入双层锥形基板，两侧硅浅刻蚀槽和锗嵌入硅等结构提高探测器的响应度，具有工艺简单、高响应度、大带宽、高灵敏度等优点。
6.本发明采用的技术方案是：
7.本探测器包括第一输入条形波导、第一双层锥形基板、第二输入条形波导、第二双层锥形基板、第一电极和第二电极；第一输入条形波导和第二输入条形波导沿同一直线依次连接形成整条输入条形波导，整条输入条形波导的两侧对称设置有第一双层锥形基板、第二双层锥形基板，第一双层锥形基板和第二双层锥形基板均通过自身的一个端面与整条输入条形波导接触连接，且第一双层锥形基板和第二双层锥形基板的另一个端面均小于自身与整条输入条形波导接触连接的端面，第一双层锥形基板、第二双层锥形基板各自在靠近整条输入条形波导一侧的顶面开设有一个平行于整条输入条形波导的条形凹槽，分别作为第一浅刻蚀槽、第二浅刻蚀槽；第一双层锥形基板位于第一浅刻蚀槽外侧的部分作为第一欧姆接触层，第二双层锥形基板位于第二浅刻蚀槽外侧的部分作为第二欧姆接触层，第一双层锥形基板在第一浅刻蚀槽处的部分和整条输入条形波导靠近第一浅刻蚀槽处的部分共同构成第一电荷收集区，第二双层锥形基板在第二浅刻蚀槽处的部分和整条输入条形波导靠近第二浅刻蚀槽处的部分沿从第二欧姆接触层到整条输入条形波导的方向依次分为第二电荷收集区和电荷区/雪崩倍增区；所述第一欧姆接触层、第一电荷收集区、硅本征区、电荷区/雪崩倍增区、第二电荷收集区和第二欧姆接触层的两端均分别与第一双层锥形基板远离整条输入条形波导的端面的两端齐平，整条输入条形波导在第一电荷收集区和电荷区/雪崩倍增区之间的部分作为硅本征区，所述第一双层锥形基板和第二双层锥形基板
的两侧的端部均为三角形，且所述第一双层锥形基板两侧的端部均通过三角形部分分别与第一输入条形波导和第二输入条形波导过渡连接，且所述第二双层锥形基板两侧的端部均通过三角形部分分别与第一输入条形波导和第二输入条形波导过渡连接，所述第一双层锥形基板靠近第一输入条形波导的三角形部分、所述第二双层锥形基板靠近第一输入条形波导的三角形部分以及第一双层锥形基板靠近第一输入条形波导的三角形部分与第二双层锥形基板靠近第一输入条形波导的三角形部分之间的第一输入条形波导部分构成第一锥形模式转换区，所述第一双层锥形基板靠近第二输入条形波导的三角形部分、所述第二双层锥形基板靠近第二输入条形波导的三角形部分以及第一双层锥形基板靠近第二输入条形波导的三角形部分与第二双层锥形基板靠近第二输入条形波导的三角形部分之间的第二输入条形波导部分构成第二锥形模式转换区，第一欧姆接触层、第一电荷收集区、电荷区/雪崩倍增区、第二电荷收集区和第二欧姆接触层均通过离子注入掺杂制备形成，且离子注入掺杂的离子浓度不同；硅本征区、第一锥形模式转换区和第二锥形模式转换区均未进行离子注入掺杂处理；硅本征区顶面开设有一个平行于整条输入条形波导的第二条形凹槽，第二条形凹槽内布置锗材料形成锗吸收区，所述第一电极和第二电极分别设置在第一欧姆接触层和第二欧姆接触层的顶面。
8.第一欧姆接触层的离子浓度大于第一电荷收集区的离子浓度，第二欧姆接触层的离子浓度大于第二电荷收集区的离子浓度，第一电荷收集区的离子浓度大于电荷区/雪崩倍增区的离子浓度，第二电荷收集区的离子浓度大于电荷区/雪崩倍增区的离子浓度。
9.整条输入条形波导在硅本征区所在槽两侧的部分的上表面分别形成高于第一浅刻蚀槽和第二浅刻蚀槽的台阶，两个所述台阶的宽度均为50-100nm。
10.第一电荷收集区和锗吸收区之间直接连接布置。
11.所述的硅本征区的槽内向上外延生长锗而形成锗吸收区。
12.所述第一电荷收集区、电荷区/雪崩倍增区和第二电荷收集区的宽度根据各自的离子浓度的设定而定。
13.所述第一输入条形波导和第一锥形模式转换区构成第一无源区；第一欧姆接触层、第一电极、第一电荷收集区、锗吸收区、硅本征区、电荷区/雪崩倍增区、第二电荷收集区、第二欧姆接触层和第二电极构成有源区；第二锥形模式转换区和第二输入条形波导构成第二无源区，所述第一无源区通过有源区连接到第二无源区，待输入光源从所述的第一无源区输入或第二无源区输入，或者从第一无源区和第二无源区同时输入。
14.所述锗吸收区位于有源区中心位置。
15.所述第一欧姆接触层、第一电荷收集区、硅本征区、电荷区/雪崩倍增区、第二电荷收集区和第二欧姆接触层平行于整条输入条形波导方向的长度均相同，且所述锗吸收区平行于整条输入条形波导方向的长度小于硅本征区的长度，所述锗吸收区的一端与相邻的硅本征区的一端的距离等于所述锗吸收区的另一端与相邻的硅本征区的另一端的距离，所述距离为50-100nm。
16.所述第一欧姆接触层、第一电荷收集区和电荷区/雪崩倍增区均采用p型离子注入掺杂，第二电荷收集区和第二欧姆接触层均采用n型离子注入掺杂。
17.本发明的有益效果是：
18.本发明通过引入双层锥形基板，两侧硅浅刻蚀槽和锗嵌入硅等结构，提升锗硅雪
崩光电探测器的响应度。
19.本发明通过引入水平电荷区/雪崩倍增区的拉通型锗硅结构，能够实现大电光带宽，高增益带宽积的锗硅雪崩光电探测器。
20.本发明实现了加工工艺简单且与硅基平台其他器件工艺兼容的一种水平拉通型锗硅雪崩光电探测器，具有与其他器件大规模集成的潜力。
附图说明
21.图1是水平拉通型锗硅探测器的整体结构示意图；
22.图2是水平拉通型锗硅探测器俯视图；
23.图3是水平拉通型锗硅探测器有源区截面图；
24.图4是水平拉通型锗硅探测器左视图；
25.图5是水平拉通型锗硅探测器响应度随电压及输入光功率变化曲线图；
26.图6是水平拉通型锗硅探测器频率响应随电压变化图；
27.图7水平拉通型锗硅探测器带宽/增益带宽积随增益变化图。
28.图中：1.第一输入条形波导；2.第一双层锥形基板；3.第一欧姆接触层；4.第一电极；5.第一电荷收集区；6.锗吸收区；7.第二输入条形波导；8.第二双层锥形基板；9.电荷区/雪崩倍增区；10.第二电荷收集区；11.第二电极；12.第二欧姆接触层；13.硅本征区；14.第一浅刻蚀槽；15.第二浅刻蚀槽。
具体实施方式
29.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
30.如图1所示，本探测器包括第一输入条形波导1、第一双层锥形基板2、第二输入条形波导7、第二双层锥形基板8、第一电极4和第二电极11；第一输入条形波导1和第二输入条形波导7沿同一直线依次连接形成整条输入条形波导，整条输入条形波导的两侧对称设置有第一双层锥形基板2、第二双层锥形基板8，第一双层锥形基板2和第二双层锥形基板8均通过自身的一个端面与整条输入条形波导接触连接，且第一双层锥形基板2和第二双层锥形基板8的另一个端面均小于自身与整条输入条形波导接触连接的端面，第一双层锥形基板2、第二双层锥形基板8各自在靠近整条输入条形波导一侧的顶面开设有一个平行于整条输入条形波导的槽面宽度为1μm条形凹槽，分别作为第一浅刻蚀槽14、第二浅刻蚀槽15；第一双层锥形基板2位于第一浅刻蚀槽14外侧的部分作为第一欧姆接触层3，第二双层锥形基板8位于第二浅刻蚀槽15外侧的部分作为第二欧姆接触层12，第一双层锥形基板2在第一浅刻蚀槽14处的部分和整条输入条形波导靠近第一浅刻蚀槽14处的部分共同构成第一电荷收集区5，第二双层锥形基板8在第二浅刻蚀槽15处的部分和整条输入条形波导靠近第二浅刻蚀槽15处的部分沿从第二欧姆接触层12到整条输入条形波导的方向依次分为第二电荷收集区10和电荷区/雪崩倍增区9；第一欧姆接触层3、第一电荷收集区5、硅本征区13、电荷区/雪崩倍增区9、第二电荷收集区10和第二欧姆接触层12的两端均分别与第一双层锥形基板2远离整条输入条形波导的端面的两端齐平，整条输入条形波导在第一电荷收集区5和电荷区/雪崩倍增区9之间的部分作为硅本征区13，第一双层锥形基板2和第二双层锥形基板8的两侧的端部均为三角形，且第一双层锥形基板2两侧的端部均通过三角形部分分别与第
一输入条形波导1和第二输入条形波导7过渡连接，且第二双层锥形基板8两侧的端部均通过三角形部分分别与第一输入条形波导1和第二输入条形波导7过渡连接，第一双层锥形基板2靠近第一输入条形波导1的三角形部分、第二双层锥形基板8靠近第一输入条形波导1的三角形部分以及第一双层锥形基板2靠近第一输入条形波导1的三角形部分与第二双层锥形基板8靠近第一输入条形波导1的三角形部分之间的第一输入条形波导1部分构成第一锥形模式转换区，第一双层锥形基板2靠近第二输入条形波导7的三角形部分、第二双层锥形基板8靠近第二输入条形波导7的三角形部分以及第一双层锥形基板2靠近第二输入条形波导7的三角形部分与第二双层锥形基板8靠近第二输入条形波导7的三角形部分之间的第二输入条形波导7部分构成第二锥形模式转换区，第一欧姆接触层3、第一电荷收集区5、电荷区/雪崩倍增区9、第二电荷收集区10和第二欧姆接触层12均通过离子注入掺杂制备形成，且离子注入掺杂的离子浓度不同；硅本征区13、第一锥形模式转换区和第二锥形模式转换区均未进行离子注入掺杂处理；硅本征区13顶面开设有一个平行于整条输入条形波导的第二条形凹槽，第二条形凹槽内布置锗材料形成锗吸收区6，第一电极4和第二电极11分别设置在第一欧姆接触层3和第二欧姆接触层12的顶面。
31.第一欧姆接触层3的离子浓度大于第一电荷收集区5的离子浓度，第二欧姆接触层12的离子浓度大于第二电荷收集区10的离子浓度，第二电荷收集区10的离子浓度大于电荷区/雪崩倍增区9的离子浓度。
32.整条输入条形波导在硅本征区13所在槽两侧的部分的上表面分别形成高于第一浅刻蚀槽14和第二浅刻蚀槽15的台阶，两个台阶的宽度均为100nm，台阶高度为70nm。
33.第一电荷收集区5和锗吸收区6之间直接连接布置。
34.硅本征区13的槽内向上外延生长锗而形成锗吸收区6。
35.第一电荷收集区5、电荷区/雪崩倍增区9和第二电荷收集区10的宽度根据各自的离子浓度的设定而定。
36.第一输入条形波导1和第一锥形模式转换区构成第一无源区；第一欧姆接触层3、第一电极4、第一电荷收集区5、锗吸收区6、硅本征区13、电荷区/雪崩倍增区9、第二电荷收集区10、第二欧姆接触层12和第二电极11构成有源区；第二锥形模式转换区和第二输入条形波导7构成第二无源区，第一无源区通过有源区连接到第二无源区，待输入光源从第一无源区输入或第二无源区输入，或者从第一无源区和第二无源区同时输入。
37.锗吸收区6位于有源区中心位置。
38.如图2和图4所示，第一欧姆接触层3、第一电荷收集区5、硅本征区13、电荷区/雪崩倍增区9、第二电荷收集区10和第二欧姆接触层12平行于整条输入条形波导方向的长度均相同，且锗吸收区6平行于整条输入条形波导方向的长度小于硅本征区13的长度，锗吸收区6的一端与相邻的硅本征区13的一端的距离等于锗吸收区6的另一端与相邻的硅本征区13的另一端的距离，距离为50nm。
39.第一欧姆接触层3、第一电荷收集区5和电荷区/雪崩倍增区9均采用p型离子注入掺杂，第二电荷收集区10和第二欧姆接触层12均采用n型离子注入掺杂。
40.在该实施案例中，锗吸收区6和硅本征区13共同构成锗硅复合型脊形波导。
41.如图3所示，电荷区/雪崩倍增区9位于硅本征区13与第二电荷收集区10之间，电荷区/雪崩倍增区9采用p型轻等离子浓度掺杂，通过改变电荷区/雪崩倍增区9掺杂的离子浓
度以及宽度调节锗吸收区6、硅本征区13和电荷区/雪崩倍增区9的电场分布，从而提高锗硅雪崩光电探测器的增益，带宽，降低雪崩电压。第一电荷收集区5采用p型中等离子浓度掺杂，第二电荷收集区10采用n型中等离子浓度掺杂，第一欧姆接触层3采p型重掺杂，第二欧姆接触层12采用n型中掺杂。
42.本水平拉通型锗硅雪崩光电探测器时的工作过程具体为：
43.两束同一偏振态且携带相同信号的输入光分别从第一输入条形波导1和第二输入条形波导7同时输入，再分别通过第一锥形模式转换区和第二锥形模式转换区，然后两束输入光由条形波导光模式渐变为同种的脊形波导光信号，减小模式突变带来的损耗，脊形波导光信号最后进入锗吸收区6。脊形波导光信号在锗吸收区6中逐渐被吸收，生成光生载流子。在电场作用下，光生载流子分离，空穴向第一电荷收集区5移动，电子向电荷区/雪崩倍增区9移动并在其中发生雪崩倍增，雪崩倍增产生的空穴被第一电荷收集区5收集最终汇聚到第一电极4，电子被第二电荷收集区10收集最终汇聚到第二电极11，形成有效光电流。
44.单束输入光从第一输入条形波导1输入后再通过第一锥形模式转换区或者从第二输入条形波导7输入后再通过第二锥形模式转换区，然后单束输入光由条形波导光模式渐变为同种的脊形波导光信号，减小模式突变带来的损耗，脊形波导光信号最后进入锗吸收区6。脊形波导光信号在锗吸收区6中逐渐被吸收，生成光生载流子。在电场作用下，光生载流子分离，空穴向第一电荷收集区5移动，电子向电荷区/雪崩倍增区9移动并在其中发生雪崩倍增，雪崩倍增产生的空穴被第一电荷收集区5收集最终汇聚到第一电极4，电子被第二电荷收集区10收集最终汇聚到第二电极11，形成有效光电流。
45.本发明的实施例如下：
46.第一欧姆接触层3的离子浓度为1
×
10
20
，宽度为3μm，第一电荷收集区5的离子浓度为1.5
×
10
19
，宽度为1.22μm，第二欧姆接触层12的离子浓度为1
×
10
20
，宽度为3μm，第二电荷收集区10的离子浓度为1.5
×
10
19
，宽度为0.95μm，电荷区/雪崩倍增区9的离子浓度为2.8
×
10
17
，宽度为150nm。
47.图5、图6和图7分别为本实施例的水平拉通型锗硅雪崩光电探测器实验测试时的响应度、频率响应和增益带宽积随电压变化曲线示意图。由图可知，该器件在偏压为-14v，输入光功率为-11dbm时，响应度为6.7a/w，当光功率为-25dbm时响应度更是达到了68.1a/w。该器件在偏压为-14v时，3db光电带宽约为48ghz，增益带宽积约为615ghz。由此可见，本发明器件可以获得高响应度，大带宽，高增益带宽积等优良性能的弱光光电探测器。
48.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。