一种反射型锗硅雪崩光电探测器

技术领域

本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种反射型锗硅雪崩光电探测器。

背景技术

随着微纳制造技术的进步，硅基光电子集成器件由于其成本低，能耗低，尺寸小，兼容CMOS工艺等优点逐渐成为未来光电系统的主流发展趋势之一。作为光电系统接收端的关键元器件，硅基的光电探测器也随之得到了研究者的广泛关注。然而，硅的禁带宽度决定了它在

常用的垂直结构光电探测器，由于需要多次薄膜生长，制备工艺复杂且不兼容大规模生产工艺。水平结构的锗硅探测器的锗吸收层位于硅的上方，与光场的重叠小，吸收弱，单位增益响应度低。虽然这个缺陷可以依靠高倍数的雪崩倍增来弥补，但这会引起噪声的大幅增加，因此要求探测器拥有足够高的单位增益响应度。对此，常见的解决方案是通过增大锗层的面积来提高吸收效率，这虽然可以有效增大响应度，但同时会导致暗电流增加，并引起结电容的增加而减小带宽。此外也有研究者通过引入谐振结构或布拉格光栅结构，在不增大结面积的前提下增长吸收长度，但这些结构的特征尺寸大都非常小，制备难度高，工艺容差小且工作波段非常窄，不具备宽带探测能力。综上，锗硅探测器响应度的进一步提高正面临技术瓶颈。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种反射型锗硅雪崩光电探测器；采用水平结构并通过有源区结构设计和在有源区末端引入反射器，在不增大结区面积的前提下提高了锗层的吸收效率，增大了雪崩倍增前的单位增益响应度，进而提高雪崩倍增后的信噪比，具有工艺简单且兼容性好、响应度高、暗电流小、噪声小和灵敏度高等优点，有效解决了锗硅雪崩光电探测器在响应度进一步提高上面临的困难。

本发明的目的通过如下的技术方案实现：

一种反射型锗硅雪崩光电探测器，包括入射光波导、有源区和反射器；

所述入射光波导为脊形硅波导，由平板区和脊形区组成；

所述有源区的硅波导为脊形硅波导，其脊形硅波导由与入射光波导相同的平板区和脊形区组成，所述脊形硅波导分为依次排列的P型重掺杂区、P型掺杂区、本征区、N型掺杂区和N型重掺杂区；所述有源区包含锗吸收层、P电极和N电极，其中锗吸收层设于有源区硅波导中间脊形区的上方，并分别与P型掺杂区和本征区接触；所述P电极设于P型重掺杂区上方并与之接触；所述N电极设于N型重掺杂区上方并与之接触；

所述反射器结构为高度与脊形区相同的矩形硅波导，所述矩形硅波导包括锥形波导、多模干涉器和环形波导；所述锥形波导包含第一锥形波导、第二锥形波导和第三锥形波导，三根锥形波导分别位于所述多模干涉器的输入端和输出端；所述锗吸收层未能完全吸收的入射光，通过多模干涉器输入端的第一锥形波导进入多模干涉器，并实现50:50的分光输出，经多模干涉器输出端的第二锥形波导和第三锥形波导进入环形波导，通过环形波导使多模干涉器的两路输出光环形传输回多模干涉器，最终将这些光反射回有源区，在不增大结电容的情况下等效增长锗吸收层的长度。

进一步地，所述有源区的硅波导表面进行离子注入，注入杂质离子形成掺杂区，其中P型重掺杂区的掺杂浓度大于

进一步地，所述锗吸收层为本征硅，并分别与P型掺杂区和本征区接触；所述锗吸收层顶部为梯形结构，底部为矩形或倒梯形结构；锗吸收层长度为

进一步地，所述本征区为雪崩倍增区，其宽度大于

进一步地，所述P型重掺杂区、P型掺杂区、本征区、N型掺杂区和N型重掺杂区的长度相同，且长度大于锗吸收层的长度。

进一步地，所述P电极和N电极的材料为Al、Au或Cu。

进一步地，所述反射器的反射光与入射光振幅之比r满足以下关系：

其中，

进一步地，所述锥形波导在多模干涉器的模式和输入输出波导模式之间实现无显著损耗的模式转换。

进一步地，所述多模干涉器为多模矩形波导，通过多模干涉形成自映像，周期性地复现入射光场的像，其在输出波导的位置形成二重映像，对入射光实现50:50的分光输出。

进一步地，所述环形波导在不产生显著弯曲损耗的同时，使多模干涉器两个输出波导的输出光环行传输，并返回多模干涉器。

本发明的有益效果如下：

1、本发明通过在有源区末端引入反射器，在不增大结区面积的情况下增长了吸收区长度，单位增益响应度大且暗电流小。该反射器基于多模干涉器，相比于现有技术中使用的布拉格光栅或谐振结构，制备工艺简单且容差大，兼容CMOS工艺，并具有宽波段反射能力。

2、本发明为采用水平结构的锗硅雪崩光电探测器，相比于垂直结构工艺更为简单，兼容性好，并且适用于大规模片上器件集成。

3、本发明使用脊形硅波导和锗下沉结构，且无需在吸收层上直接加电极，增大了锗吸收层和入射光场的重叠，提高吸收效率，克服了常规水平结构锗硅光电探测器吸收效率偏低的问题，单位增益响应度高，可以实现高灵敏度探测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种反射型锗硅雪崩光电探测器的结构示意图；

图2是本发明一种反射型锗硅雪崩光电探测器的截面结构示意图；

图3是本发明实施例一的反射器通过数值仿真计算得到的在

图4是本发明实施例一中通过数值仿真计算得到的锗吸收层对1550nm波长附近的光的吸收效率示意图；

图5是本发明实施例一中通过数值仿真计算得到的锗硅雪崩光电探测器的光电流和暗电流随偏压变化的曲线示意图；

图6是本发明实施例一中通过数值仿真计算得到的锗硅雪崩光电探测器响应度随偏压变化的曲线示意图；

图7是本发明实施例一中通过数值仿真计算得到的锗硅雪崩光电探测器的雪崩倍增增益随偏压变化的曲线示意图。

图中，1、平板区；2、脊形区；3、P电极；4、P型重掺杂区；5、P型掺杂区；6、锗吸收层；7、本征区；8、N型掺杂区；9、N型重掺杂区；10、N电极；11、锥形波导；12、多模干涉器；13、环形波导。

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。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向” 等指示的方位或位置关系为附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

为了更好地理解本发明的技术特征、目的和效果，下面针对一种反射型锗硅雪崩光电探测器，结合附图1-图7对本发明进行更为详细地描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。需要说明的是，这些附图中的结构图形均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用于方便、清晰地辅助说明本发明的效果。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的反射型锗硅雪崩光电探测器，包括入射光波导、有源区和反射器；所述入射光波导为脊形硅波导，由平板区1和脊形区2组成；所述反射器结构为高度与脊形区2相同的矩形硅波导，包括锥形波导11、多模干涉器12和环形波导13。所述锥形波导11包含三根波导，分别位于所述多模干涉器12的输入端和输出端，其中一根锥形波导位于多模干涉器12的输入端，两根锥形波导位于多模干涉器12的输出端。所述锗吸收层6未能完全吸收的入射光，可以通过多模干涉器12输入端的第一锥形波导进入多模干涉器12，并实现50:50的分光输出，经多模干涉器12输出端的第二锥形波导和第三锥形波导进入所述环形波导13。环形波导13可以使多模干涉器12的两路输出光环形传输回多模干涉器12，最终将这些光反射回有源区，从而在不增大结电容的情况下等效增长了锗吸收层6的长度。

所述有源区的截面结构如图2所示，其脊形硅波导由与入射光波导相同的平板区1和脊形区2组成，分为依次排列的P型重掺杂区4、P型掺杂区5、本征区7、N型掺杂区8和N型重掺杂区9。所述的有源区还包含锗吸收层6、P电极3、N电极10，其中锗吸收层6设于有源区硅波导中间脊形区2的上方，并分别与所述的P型掺杂区5和本征区7接触；所述P电极3，设于所述P型重掺杂区4上方并与之接触；所述的N电极10，设于所述N型重掺杂区9上方并与之接触。

所述有源区的硅波导表面进行离子注入，注入杂质离子形成掺杂区，其中P型重掺杂区4的掺杂浓度大于

所述锗吸收层6为本征硅，并分别与所述的P型掺杂区5和本征区7接触；锗吸收层6的顶部为梯形结构，底部为矩形或倒梯形结构，其长度为

所述本征区7为雪崩倍增区，其宽度大于

所述P型重掺杂区4、P型掺杂区5、本征区7、N型掺杂区8和N型重掺杂区9的长度相同，且长度大于锗吸收层6的长度。

所述P电极3和N电极10的材料为Al、Au或Cu；

所述反射器反射光与入射光振幅之比r满足以下关系：

其中，

所述锥形波导11在多模干涉器12所需的模式和输入输出波导模式之间实现无显著损耗的模式转换。

所述的多模干涉器12为多模矩形波导，通过多模干涉形成自映像，周期性地复现入射光场的像；其在输出波导的位置形成二重映像，从而对入射光实现接近50:50的分光输出。

所述环形波导13可以在不产生显著弯曲损耗的同时，使多模干涉器12两个输出波导的输出光环行传输，并返回多模干涉器12。

本发明的反射型锗硅雪崩光电探测器工作过程如下：

光信号从脊形硅波导入射，由于脊形波导的特性，入射光被束缚于脊形区2，同时有源区中锗吸收层6下沉进入脊形区2，因此当入射光进入有源区后，相比于常规的矩形波导，光场与锗吸收层6的重叠更大，保证了高吸收效率。同时，由于锗的折射率较大，且锗吸收层6上方不存在电极，光在探测器内的传输过程中，光场逐渐向锗吸收层6集中并被锗吸收层6吸收，产生光生载流子。本征区7为雪崩倍增区，本征区7吸收产生的载流子在进入本征区7后得到倍增。在电场的作用下，倍增后的载流子中空穴向P型重掺杂区4移动，最终被P电极3收集，形成光电流；电子向N型重掺杂区9移动，最终被N电极10收集，形成光电流。为了提高带宽和减小暗电流，有源区锗吸收层6的长度和宽度不宜过大，因而难以完全吸收入射光，而这些残存的光经过多模干涉器12的输入端第一锥形波导的转换模式后，通过多模干涉器12的自映像效应在输出端实现宽波段的50:50的分光输出。输出的两路光经过多模干涉器12的输出端第二锥形波导和第三锥形波导的转换模式后，进入环形波导13环形传输返回多模干涉器12，最终反射回到有源区被锗吸收层6吸收并产生光电流。该反射器的引入，等效于在不增大结区面积的情况下（即不增加结电容或增大暗电流的情况下）增长了锗吸收层6的长度，进一步提高该探测器的吸收效率。本发明的探测器由于吸收效率高，可以在不依赖雪崩倍增的情况下实现高响应度，暗电流小且单位增益响应度高，保证了雪崩倍增后的高信噪比，具备宽波段的高灵敏度探测能力。

实施例一

基于220nm绝缘衬底上硅的锗硅雪崩光电探测器，如图1所示，入射光波导为脊形硅波导，平板区1高150nm，脊形区2高220nm、宽900nm。锗吸收层6的宽度为700nm，厚度为260nm，下沉深度100nm，长度为

有源区的截面结构如图2所示，其中P型重掺杂区4的宽度为

如图1所示，反射器波导高度220nm，其中多模干涉器12的输入端第一锥形波导的窄端与有源区的脊形区2相连，宽度为

根据图4仿真计算得到的吸收效率和有源区长度的关系曲线可知，对于常规结构，当有源区长度较长时，继续增长有源区长度对吸收效率的提升效果会逐渐减弱，这意味着需要非常长的有源区才能实现高吸收效率，而有源区长度的增加又会引起结电容大幅增大，导致探测器带宽降低。反射器的引入则可以有效解决这一矛盾。引入反射器后锗吸收层6长度为

当入射光为1550nmTE基模，光功率为-20dBm时，通过数值仿真计算得到图5、图6和图7，图5、图6和图7分别为本实施例锗硅雪崩光电探测器的电流、响应度、增益曲线图。由图5-图7可知，本发明的反射型锗硅雪崩光电探测器的单位增益响应度高达1.1A/W，暗电流小于1nA，雪崩倍增可达20倍以上。

由此可见，本发明的反射型锗硅雪崩光电探测器在使用脊形波导和锗下沉结构增大吸收层与入射光场重叠的基础上，在有源区末端引入反射器结构，在不增大结区面积的情况下增长了锗吸收层的长度，因而提高响应度的同时，对带宽和暗电流几乎不产生负面影响。该探测器具有水平结构锗硅探测器工艺简单兼容性好，适用于大规模集成的优点的同时，克服了这类探测器吸收层与光场重叠小，导致吸收效率低的问题。它在1550nm的单位增益响应度达到1.1A/W，暗电流小于1nA，雪崩增益20倍以上。得益于低暗电流和高单位增益响应度，即使在雪崩倍增后噪声被放大，该探测器依然可以得到较高信噪比。综上，本发明提供了一种体积小、成本低、工艺简单兼容性好的片上锗硅雪崩光电探测器，并且具有高响应度、低噪声、高灵敏度等优点。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。