一种光电探测器、半导体集成电路及集成芯片

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种光电探测器、半导体集成电路及集成芯片。

背景技术

随着信息传输需求的增加,高速的光电探测器成为通信集成芯片系统中必不可少的器件。根据光入射方向来对光电探测器进行分类，光电探测器可以包括水平光电探测器和垂直光电探测器。

为了满足无源器件性能,包括但不限于偏振相关性或工艺容差能力的需求,需要对光电探测器的波导进行设计，以使光电探测器能够实现更高响应带宽，但现有的水平探测器无法实现大于50GHz的响应带宽需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请于一方面公开了一种光电探测器，其包括：

探测器；

探测器波导，所述探测器波导的输出端与所述探测器的输入端连接；

转换器，所述转换器的输入端与器件波导连接，所述转换器的输出端与所述探测器波导的输入端连接；所述器件波导的高度大于所述探测器波导的高度；所述转换器的高度或者所述转换器的预设区域的宽度沿光传输方向逐渐减小。

在一个示例性的实施例中，所述转换器包括沿所述光传输方向依次排布连接的多个子区域；

多个所述子区域中，越靠近所述探测器波导的子区域的高度越低。

在一个示例性的实施例中，所述转换器的高度变化为连续变化。

在一个示例性的实施例中，所述转换器包括沿第一方向层叠设置的多个子层；所述第一方向为由所述转换器的底部朝向所述转换器的顶部的方向；

多个所述子层中，越靠近所述转换器的顶部的子层的宽度越小。

在一个示例性的实施例中，所述多个子层中的目标子层沿所述光传输方向的宽度逐渐变窄；所述目标子层为多个所述子层中除位于最底部子层的子层。

在一个示例性的实施例中，所述探测器的高度小于所述器件波导的高度。

在一个示例性的实施例中，所述探测器波导的高度为0.1～0.9倍的所述器件波导的高度。

在一个示例性的实施例中，所述探测器波导的高度为0.5～0.7倍的所述器件波导的高度；

所述探测器波导的高度范围为0.1～3微米；

所述器件波导的高度范围为0.1～5微米。

本申请于另一方面公开了一种半导体集成电路，其包括器件、器件波导和上述光电探测器；

所述器件的输出端与所述器件波导的输入端连接。

本申请于另一方面公开了一种集成芯片，其包括上述半导体集成电路。

采用上述技术方案，本申请提供的光电探测器具有如下有益效果：

本申请所提供的光电探测器通过设置的转换器分别与探测器波导和器件波导连接，所述器件波导的高度大于所述探测器波导的高度；通过设置的转换器，且所述转换器的高度或者所述转换器的预设区域的宽度沿光传输方向逐渐减小，从而能够实现探测器的高速、高响应的探测功能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种现有集成芯片的局部截面图；

图2是本申请实施例提供的一种图1的AA’截面线对应的截面图；

图3是本申请实施例提供的一种图1的BB’截面线对应的截面图；

图4是本申请实施例提供的一种偏振不敏感器件波导中的TE模式的模场分布图；

图5是本申请实施例提供的一种偏振不敏感器件波导中的TM模式的模场分布图；

图6是本申请实施例提供的一种偏振敏感器件波导中的TE模式的模场分布图；

图7是本申请实施例提供的一种偏振敏感器件波导中的TM模式的模场分布图；

图8是本申请实施例提供的第一种光电探测器的局部侧视图；

图9是本申请实施例提供的一种图8对应的半导体集成电路的侧视图；

图10是本申请实施例提供的一种图9对应结构的俯视图；

图11是本申请实施例提供的第二种光电探测器的侧视图；

图12是本申请实施例提供的一种图11对应结构的俯视图；

图13是本申请实施例提供的第三种光电探测器的侧视图；

图14是本申请实施例提供的第四种光电探测器的侧视图；

图15是本申请实施例提供的一种图14对应结构的俯视图。

以下对附图作补充说明：

1-探测器波导；2-转换器；201-子区域；202-子层；3-器件波导。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

当本文中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。例如，从“1至10”的指定范围应视为包括最小值1与最大值10之间的任何及所有的子范围。范围1至10的示例性子范围包括但不限于1至6.1、3.5至7.8、5.5至10等。

实施例1：

请参阅图1，其所示为本申请实施例提供的一种现有集成芯片的局部截面图，对于集成有器件和探测器的集成芯片中，通常器件和探测器是通过器件波导和探测器波导连接，实现光传输，通过图2和图3可以看出，器件波导和探测器波导的高度相等，这使得该集成芯片无法满足无源器件性能以及大于50GHz高速响应光电探测器性能。图4到图7均为器件波导中模场分布图，x和y轴分别对应波导截面上水平和竖直坐标。图4和图5为偏振不敏感器件波导中的TE和TM模式的模场分布。图6和图7是偏振敏感器件波导中TE和TM模式的模场分布。可以对比图4-7看出，为了实现偏振不敏感性能，对器件波导尺寸要求不能太小。

为此，本申请实施例提供一种光电探测器，请参阅图8，其所示为本申请实施例提供的第一种光电探测器的局部侧视图。光电探测器包括探测器、探测器波导1和转换器2，探测器波导1的输出端与探测器的输入端连接；转换器2的输入端与器件波导3连接，转换器2的输出端与探测器波导1的输入端连接；器件波导3的高度大于探测器波导1的高度；转换器2的高度沿光传输方向逐渐降低，具体转换器2的高度变化为连续变化，从而光能量可以从图8所示的左侧进入，经转换器2传输到探测器波导1，通过将探测器波导1的高度设计成小于器件波导3的高度,这种较低高度的探测器波导1会使探测器电容更小,从而实现探测器的高速探测功能。且本申请实施例提供的该光电探测器可以配合无源器件，从而实现在满足无源器件性能的同时实现大于50GHz高速响应光电探测器性能。另外,上述在器件波导3和探测器波导1之间设置的转换器2，可以实现最大可能响应度。

本公开实施例中，请参阅图9，其所示为本申请实施例提供的一种图8对应的半导体集成电路的侧视图。转换器2的截面的形状可以是梯形。转换器2包括相对的第一侧面和第二侧面，第一侧面与器件波导3连接，第二侧面与探测器波导1的输入端的端面连接，第一侧面的高度小于第二侧面的高度。可选的，可以是第一侧面的高度与器件波导3的高度相等，第二侧面的高度与探测器波导1的高度相等，所述转换器2还包括上表面，该上表面可以是一平整斜面，也可以是凹凸不平的斜面，使得转换器2的高度沿光传输方向(即由第一侧面指向第二侧面的方向)连续降低，转换器2的宽度可以是如图10所示的不变的情况，也可以根据需要设计成变化的，具体转换器2的宽度可以是沿光传输方向变窄，探测器波导1的高度为0.5～0.7倍的器件波导3的高度，从而可以实现波导内光场能量从器件波导3内模式绝热地变换到探测器波导1模式,实现高速探测。

本公开实施例中，探测器波导1的高度范围为0.1～3微米，探测器波导1的高度的具体实施例可以是0.1微米、0.5微米、1微米、1.5微米、2微米、2.5微米和3微米。

本公开实施例中，器件波导3的高度范围为0.1～5微米，器件波导3的高度的具体实施例可以是0.1微米、0.5微米、1微米、1.5微米、2微米、2.5微米、3微米、3.5微米、4微米、4.5微米和0.5微米。

可以理解的是，本申请所提供的光电探测器配合适当的工艺流程调整,实现探测器波导1的高度小于器件波导3的高度的结构,小的探测器波导1高度导致更小的探测器电容,使得能够实现探测器的高速探测功能，实际上，对于不同的器件波导3高度,最优探测器波导1的高度相对于器件波导3的高度的比例范围会有变化。总的探测器波导1的高度范围约是器件波导3高度的10％～90％范围内，具体的，探测器波导1的高度可以是10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％和90％的器件波导3的高度。可以将探测器波导1的高度设置在40％～80％的器件波导3的范围。在集成芯片中,通过不同器件波导3高度和探测器波导1高度,实现带宽大于50GHz的探测器。

本申请实施例所提供的光电探测器的材料平台可以是绝缘衬底上的硅

(Silicon-On-Insulator，SOI),氮化硅,氧化硅,聚合物等集成光学平台。

实施例2：

请参阅图11-12，本申请实施例提供的光电探测器包括探测器、探测器波导1和转换器2，探测器波导1的输出端与探测器的输入端连接；转换器2的输入端与器件波导3连接，转换器2的输出端与探测器波导1的输入端连接；器件波导3的高度大于探测器波导1的高度；转换器2包括沿光传输方向依次排布连接的多个子区域201；多个子区域201中，越靠近探测器波导1的子区域201的高度越低，使得转换器2的高度沿光传输方向逐渐降低。从而光能量可以从图11所示的左侧进入，经转换器2传输到探测器波导1，通过将探测器波导1的高度设计成小于器件波导3的高度,这种小的探测器波导1高度导致更小的探测器电容,从而实现探测器的高速探测功能。且本申请实施例提供的该光电探测器可以配合无源器件，从而实现在满足无源器件性能的同时实现大于50GHz高速响应光电探测器性能。另外,上述在器件波导3和探测器波导1之间设置的转换器2，可以实现最大可能响应度。

本公开实施例中，请继续参阅图11，转换器2的高度变化为离散变化，转换器2包括相对的第一侧面和第二侧面，第一侧面与器件波导3连接，第二侧面与探测器波导1的输入端的端面连接，第一侧面的高度小于第二侧面的高度。可选的，可以是第一侧面的高度与器件波导3的高度相等，第二侧面的高度与探测器波导1的高度相等，所述转换器2还包括上表面，该上表面可以是一阶梯向下的斜面，使得转换器2的高度沿光传输方向(即由第一侧面指向第二侧面的方向)非线性降低，转换器2的宽度可以是如图12所示的不变的情况，也可以根据需要设计成变化的，具体转换器2的宽度可以是沿光传输方向变窄，探测器波导1的高度为0.5～0.7倍的器件波导3的高度，通过将转换器2设计成沿高度方向的多层波导结构，从而可以实现将波导内光场能量从器件波导3内模式损耗尽量小地变换到探测器波导1模式,实现高速探测。

本公开实施例中，探测器波导1的高度范围为0.1～3微米，探测器波导1的高度的具体实施例可以是0.1微米、0.5微米、1微米、1.5微米、2微米、2.5微米和3微米。

本公开实施例中，器件波导3的高度范围为0.1～5微米，器件波导3的高度的具体实施例可以是0.1微米、0.5微米、1微米、1.5微米、2微米、2.5微米、3微米、3.5微米、4微米、4.5微米和0.5微米。

实施例3：

请参阅图13，本申请实施例提供的光电探测器包括探测器、探测器波导1和转换器2，探测器波导1的输出端与探测器的输入端连接；转换器2的输入端与器件波导3连接，转换器2的输出端与探测器波导1的输入端连接；器件波导3的高度大于探测器波导1的高度；转换器2包括沿第一方向层叠设置的多个子层202；第一方向为由转换器2的底部朝向转换器2的顶部的方向；多个子层202中，越靠近转换器2的顶部的子层202的宽度越小，使得转换器2的宽度的预设区域沿光传输方向逐渐变窄。从而光能量可以从图13所示的左侧进入，经转换器2传输到探测器波导1，通过将探测器波导1的高度设计成小于器件波导3的高度,这种小的探测器波导1高度导致更小的探测器电容,从而实现探测器的高速探测功能。且本申请实施例提供的该光电探测器可以配合无源器件，从而实现在满足无源器件性能的同时实现大于50GHz高速响应光电探测器性能。另外,上述在器件波导3和探测器波导1之间设置的转换器2，可以实现最大可能响应度。

本公开实施例中，请继续参阅图13，其所示为本申请实施例提供的图8对应的集成芯片的侧视图。转换器2的宽度可以是线性变化，也可以是非线性变化，可以是连续变化，也可以是离散变化，转换器2包括相对的第一侧面和第二侧面，第一侧面与器件波导3连接，第二侧面与探测器波导1的输入端的端面连接，第一侧面的高度小于第二侧面的高度。可选的，可以是第一侧面的高度与器件波导3的高度相等，第二侧面的高度大于探测器波导1的高度，还可以是第一侧面的高度与器件波导3的高度相等，第二侧面的高度等于探测器波导1的高度，此时，转换器2除了其宽度沿光传输方向逐渐变窄外，转换器2的高度也可以沿光传输方向降低，也可以转换器2的局部靠近第二侧面的高度沿光传输方向逐渐降低。探测器波导1的高度为0.5～0.7倍的器件波导3的高度，通过将转换器2设计成沿高度方向的多层波导结构，从而可以实现将波导内光场能量从器件波导3内模式损耗尽量小地变换到探测器波导1模式,实现高速探测。

本公开实施例中，探测器波导1的高度范围为0.1～3微米，探测器波导1的高度的具体实施例可以是0.1微米、0.5微米、1微米、1.5微米、2微米、2.5微米和3微米。

本公开实施例中，器件波导3的高度范围为0.1～5微米，器件波导3的高度的具体实施例可以是0.1微米、0.5微米、1微米、1.5微米、2微米、2.5微米、3微米、3.5微米、4微米、4.5微米和0.5微米。

需要说明的是，上述转换器2的宽度的预设区域沿光传输方向逐渐变窄中的预设区域可以是指目标子层，目标子层为除底层外的子层202；请参阅图14-15，转换器2可以包括沿第一方向设置的两个子层202，位于底部的子层202的高度等于探测器波导1的高度，且位于底部的子层202的宽度等于器件波导3的宽度，也等于探测器波导1的宽度，位于顶部的子层202为宽度沿光传输方向逐渐变窄的结构，具体可以是如图15所示的三棱柱。但实际上，位于顶部的子层202的横截面不限于梯形，顶部的子层202的表面可以是平整的面，也可以是不规则形状的面，在此不做限制。通过上述实施例1-3可以看出，在转换器中，无论是沿第一方向排列的子层还是沿光传输方向排列的子区域，整体来说，越靠近探测器波导的子区域或者子层，其与探测器波导的形状尺寸越接近。可选的，探测器波导1的高度范围还可以设置为0.6～3微米；器件波导3的高度范围还可以设置为1～5微米，以使光电探测器具有更优的器件性能。

实施例4

本申请实施例提供了一种半导体集成电路，请参阅图8-15，其包括器件、器件波导3和上述光电探测器；器件的输出端与器件波导3的输入端连接。在光电探测器中，其通过设置的转换器2分别与探测器波导1和器件波导3连接，所述器件波导3的高度大于所述探测器波导1的高度；通过设置的转换器2，且所述转换器2的高度或者所述转换器2的预设区域的宽度沿光传输方向逐渐变小，从而能够实现探测器的高速、高响应的探测功能。因此，该半导体集成电路同样具有类似的优点。

本公开实施例中，器件波导3与转换器2中涉及到的波导高度或宽度变化可以线性，也可以是非线性的。

实施例5

本申请实施例提供了一种集成芯片，其包括上述半导体集成电路，而半导体集成电路包括上述光电探测器，在光电探测器中，其通过设置的转换器2分别与探测器波导1和器件波导3连接，所述器件波导3的高度大于所述探测器波导1的高度；通过设置的转换器2，且所述转换器2的高度或者所述转换器2的预设区域的宽度沿光传输方向逐渐变小，从而能够实现探测器的高速、高响应的探测功能。因此，该集成芯片同样具有类似的优点。

以上仅为本申请可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。