一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器

技术领域

本发明属于光探测领域，更具体地，涉及一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器。

背景技术

信息传输已从电子时代跨入光电子时代。能将光信号转变为电信号的光电探测器成为了光电集成链路中必不可少的元件。现代光通信系统对光电探测器的响应度，灵敏度和制作成本等方面提出了更高的要求。雪崩光电二极管(avalanche photodiode，APD)器件由于具有灵敏度高、响应度高、体积小和功耗低等优点，在光通信、数据中心、光传感、人工智能和光学成像中得到了广泛的应用。

对于传统雪崩光电探测器而言，其响应速度和量子效应是相互制约的，厚的吸收层可以提高量子效率，而薄的吸收层可以提高响应速度。为了解决这一问题，人们提出了波导结构的雪崩光电探测器，波导集成型结构由于其载流子输运方向与光吸收方向互相垂直，避免了载流子渡越时间和响应度之间的制约关系，可以同时具备高响应度和高带宽的优点。

近年来，Ge/Si波导型APD已成为了研究热点。在近红外光通信中，利用锗材料的高吸收以及硅材料低的碰撞电离系数比(k值)的特点，以Ge为吸收层，Si为倍增层制备的分离的吸收电荷倍增多层(Separate Absorption Charge Multiplication，SACM)结构理论上具有很高的响应度和增益。同时，锗硅材料能够较好地与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容，相较于传统的三五族APD器件，制备工艺更简单，成本更低，产品良率更高，且更易于与硅基光器件混合集成，适用于低成本光互联芯片系统。

波导型SACM雪崩光探测器又包括纵向和横向两种结构：纵向结构中，APD器件的波导层、倍增层、电荷层以及吸收层由下至上向依次排列；横向结构中，倍增层往往位于波导层两侧，锗吸收层直接外延生长于波导层上。相较于较传统的纵向SACM结构，横向结构不需要外延Si作为器件的倍增层，大大简化了器件的工艺制备流程，降低了制作成本。同时，器件整体厚度的减小也有利于增加器件的带宽。近年来，横向SACM结构已成为当前领域的研究热点。

然而，无论是横向还是纵向SACM结构，由于生长工艺条件的限制，缺陷和位错会带来较大的暗电流；而且器件的带宽与响应度仍存在一定的制约关系：Ge吸收层长度越长，器件响应度越高，但器件较高的结电容则降低了器件的带宽；具有较短吸收层长度的器件具有较高的带宽，但响应度较低。因而，设计新型的结构以克服吸收层长度对于器件带宽和响应度的制约是十分有意义的。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器，其目的在于解决Ge吸收层长度对APD器件带宽和响应度的制约。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器，包括：衬底；形成于衬底之上的波导，用于光传输并将光场耦合到吸收层，同时作为电荷层对吸收层和倍增层的电场进行调节；位于波导两侧的倍增层，用于提供载流子雪崩倍增效应；位于倍增层两侧并与阴极电极形成欧姆接触的第一接触层；位于波导之上的吸收层，用于吸收光子并将其转化成为电子与空穴，以提供光电流；内嵌于吸收层上方并与阳极电极形成欧姆接触的第二接触层；与电源和第一接触层相连的阴极电极；与电源和第二接触层相连的阳极电极；位于波导末端的Bragg光栅，用于将波导末端出射光场进行反射。

进一步地，所述衬底为顶层为Si、掩埋层为SiO

进一步地，所述波导刻蚀深度与所述衬底顶层Si的厚度相同，宽度为1.5～2.5μm。

进一步地，所述波导进行P型掺杂以达到调节吸收层和倍增层电场的目的，掺杂材料为硼，掺杂浓度范围为4～8×10

进一步地，所述倍增层为本征Si材料，杂质浓度不大于5×10

进一步地，所述第一接触层为高掺杂的Si，掺杂类型为N型掺杂，掺杂材料为磷，掺杂浓度高于2×10

进一步地，所述吸收层为外延生长于波导之上的本征Ge，杂质浓度不大于5×10

进一步地，所述第二接触层为高掺杂的Ge，掺杂类型为P型掺杂，掺杂材料为硼，掺杂浓度高于2×10

进一步地，所述阴极电极与阳极电极为Al电极，高度为200～400nm，宽度为0.3～0.5μm。

进一步地，所述Bragg光栅是对波导超出吸收层的部分进行周期刻蚀形成的，刻蚀后的光栅由SiO

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

1、本发明提供的基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器，一方面，通过对波导末端刻蚀形成Bragg光栅，可以对尚未吸收完全的出射光进行有效的反射，使其重新回到器件中进行二次吸收，从而可以在保证器件响应度较高的同时减小Ge吸收层长度；另一方面，本发明中将波导作为电荷层对吸收层和倍增层的电场进行调节，不需要另外设置电荷层，进一步减小了整个器件的尺寸。

2、本发明提供的基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器，不需要外延Si作为器件的倍增层，仅需要对SOI表面Si层掺杂即可得到接触层、倍增层、电荷层，大大简化了器件的工艺制备流程，降低了制作成本。

3、本发明提供的基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器，可以对较弱光信号进行探测；APD采用分离吸收电荷倍增区的结构，在倍增区只有电子产生雪崩倍增，从而降低了雪崩过程产生的噪声，实现高灵敏度光探测。

4、本发明提供的基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器，由于采用横向波导结构，使得光传播方向与载流子输运方向垂直，不仅解决了带宽与响应度相互制约的问题，同时由于Ge折射率高于Si，光场会向折射率高的Ge层聚集，从而使光场耦合于吸收层。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器三维结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器横截面分布图；

图3为本发明实施例提供的一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器侧视图；

图4为本发明实施例提供的一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器侧面光场传输分布示意图；

图5为本发明实施例提供的雪崩光电探测器的光暗电流曲线；其中，光电流曲线分别为具有与不具有Bragg光栅的两种情况；

图6为本发明实施例提供的雪崩光电探测器的带宽曲线。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为衬底，2为波导，3为倍增层，4为第一接触层，5为吸收层，6为第二接触层，7为阴极电极，8为阳极电极，9为Bragg光栅。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参阅图1，结合图2和图3，本发明提供了一种基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器，包括：衬底1；形成于衬底1之上的波导2，用于光传输并将光场耦合到吸收层5，同时作为电荷层对吸收层5和倍增层3的电场进行调节；位于波导2两侧的倍增层3，用于提供载流子雪崩倍增效应；位于倍增层3两侧并与阴极电极7形成欧姆接触的第一接触层4；位于波导2之上的吸收层5，用于吸收光子并将其转化成为电子与空穴，以提供光电流；内嵌于吸收层5上方并与阳极电极8形成欧姆接触的第二接触层6；与电源和第一接触层4相连的阴极电极7；与电源和第二接触层6相连的阳极电极8；位于波导2末端的Bragg光栅9，用于将波导2末端出射光场进行反射。

为兼容主流Foundry工艺以及使Bragg光栅达到较好的反射效果，优选地设置波导2的宽度为1.5μm，高度为220nm；为更好地平衡吸收层5与倍增层3中的电场，设置波导掺杂浓度为6×10

进一步地，Bragg光栅9是对波导2超出吸收层5的部分进行周期刻蚀形成的，采用PECVD生长的SiO

如图4所示，为进一步增强Bragg光栅9反射效果，需要对吸收层5长度进行合理设计，使得未被吸收完全的光能恰好被Bragg光栅9接收并反射，最终得到Ge吸收层长度的优选值为10μm。

进一步地，为平衡器件增益与器件带宽的关系，得到Si倍增层宽度的优选值为0.4μm。

确定设计值后，对雪崩光电探测器制备工艺进行进一步阐述：

一、使用一种特定的SOI基片作为波导层，其中，顶层Si厚度为220nm；SiO2掩埋层厚度为2μm；

二、采用标准光刻工艺，通过旋涂光刻胶、曝光、显影、定影、ICP刻蚀等工艺在SOI基片上同步刻蚀出具有相同高度的波导2、倍增层3、接触层4以及Bragg光栅9；

三、热氧化，在刻蚀好结构的SOI基片上沉积1.2μm厚的SiO

四、在沉积好SiO

五、再次进行光刻腐蚀工艺，制造出N++注入窗口，之后进行浓度为2×10

六、采用热扩散工艺将注入的磷和硼扩散到器件内部，使之满足器件设计要求；

七、采用氢氟酸去除氧化层；

八、采用热氧化工艺再次在SOI上生长厚度为1.2μm的氧化层；

九、再次进行光刻腐蚀工艺，制造出Ge外延层生长窗口；

十、采用MOCVD工艺，在窗口区生长出高度为0.4μm的Ge外延层；

十一、采用离子注入与热扩散工艺，形成Ge与电极的第二接触层6；

十二、采用热氧化工艺再次生长氧化层，形成有源区隔离区；

十三、进行光刻腐蚀工艺，在氧化层上制造金属电极窗口；

十四、溅射金属，最终形成电极阴极电极7与阳极电极8。

图5为依照本发明设计的基于Bragg光栅和横向波导结构的雪崩光电探测器的光暗电流仿真曲线与不具备Bragg光栅的雪崩光电探测器光暗电流曲线对比图。由于Bragg光栅的引入对器件的电学性能无影响，因而两个结构的暗电流曲线一致。通过对Bragg光栅结构以及Ge吸收层的设计则能显著提高器件的光电流，从而提高器件的响应度。与此同时，如图6所示，Bragg光栅的引入也不影响器件带宽。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。