CN103137771A

CN103137771A - 一种硅基光波导集成光电探测器

Info

Publication number: CN103137771A
Application number: CN2013100246435A
Authority: CN
Inventors: 戴道锌
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2013-06-05

Abstract

本发明公开的一种硅基光波导集成光电探测器。叠在第一硅衬底上的第一平板波导和第一脊型波导，第一平板波导上的多排通孔分布在第一脊型波导两侧，多排通孔下方的第一硅衬底有空腔，形成隔离衬底泄漏的空气隔离区，构成无源输入光波导；叠在第二硅衬底上的第二平板波导和第二脊型波导，第二平板波导上的两个开孔分布在第二脊型波导两侧，以及位于开孔内且与第二硅衬底接触的金属电极，构成有源光吸收区域；无源输入光波导和有源光吸收区域通过对准的第一脊型波导、第二脊型波导相连接。本发明仅需要简单的光波导结构，便于与其他集成光波导器件集成、易于扩展实现阵列化，有利于实现集成化、小型化、便携式、低成本的光电探测接收系统。

Description

一种硅基光波导集成光电探测器

技术领域

本发明涉及一种光电探测器，尤其是涉及一种硅基光波导集成光电探测器。

背景技术

在药物开发、环境监测、食品安全检测等领域，可靠的测试手段不可缺少，而传感技术正是其核心技术。利用先进传感技术，可以对物质成分/浓度等进行实行定性或定量分析。光学传感是传感技术的重要分支，其基本原理是：当被测物质与光场作用时，导致光信号某些参量（如强度、波长、相位、偏振态、模式分布等）的变化。在众多不同形式的光学传感器中，集成光波导传感器是目前最受关注的一种类型。

对于一个集成光波导传感系统，光波导传感单元和光电探测器是必不可少的部件。光波导传感单元的作用是将被测物理量（如液体或气体浓度）的变化量转化为光学参量（如谐振波长、光强度）的变化,通常采用谐振或干涉原理，如各种微腔结构、马赫-泽德干涉仪（MZI）等。而光电探测器的作用是光波导传感单元所产生的光信号转化为电信号，以便进行后续的信号处理。对于可见光及近红外波段，硅基光电探测器是一个很好的选择，其结构包含无源输入光波导、光吸收区域两部分。为了提高集成光波导传感系统可靠性,可将光波导传感单元和光电探测器的无源输入光波导相连接，从而使光波导传感单元和光电探测器两者有机地单片集成于一体。然而，这种单片集成并非易事。其困难之处在于：对于传感单元、及光电探测器的无源输入光波导，其光波导缓冲层必须足够厚以防止硅衬底泄漏损耗；而对于光电探测器的光吸收区域，其光波导缓冲层应尽可能小，从而使得光场能迅速泄漏到衬底而被硅硅衬底吸收形成光电流。因此，若采用传统光波导技术，缓冲层厚度的差异使得其工艺比较复杂，难以实现简便性和低成本化。此外，对于光传感系统，高灵敏度也是追求的重要核心指标，而这就需要引入可增强光场与被测物质间相互作用的新颖光波导结构设计。为此，要实现低成本、高灵敏度的集成光波导传感系统，应从光波导材料/结构与集成方式出发。

众所周知，SiO₂是地球上储量最为丰富的材料，而SiO₂在可见光及近红外很大波长范围内都具有很低的损耗，且其薄膜沉积以及刻蚀技术都很成熟。因此，选用SiO₂作为光波导材料使得光波导传感器低成本化成为可能。注意到，过去的SiO₂光波导往往采用掩埋型结构，其制作工艺过程为：在硅衬底上生长约15μm厚的SiO₂下包层，再形成6μm×6μm的SiO₂芯层（锗掺杂使其折射率略高于上、下包层），然后沉积约15μm厚的上包层;而为了克服应力等问题，最后还要进行高温退火等工艺。这种SiO₂光波导结构有利于获得低损耗传输，然而对于光传感器应用却极为不适。其原因是：（1）首先由于包层的阻隔，使得光场难以探及被测物质，致使其传感灵敏度非常低；（2）由于芯层-包层折射率差很小，使得SiO₂掩埋型光波导的最小弯曲半径在毫米量级，严重阻碍了提升光波导传感芯片集成度；（3）SiO₂掩埋型光波导的制作工艺涉及到厚膜生长、锗掺杂、高温退火的工艺，虽然这些工艺技术上成熟，但需采用增强等离子气相沉积（PECVD）技术等，设备昂贵，且费时费力，使得其制作成本居高不下；（4）难以将光波导传感单元和光电探测器构成单片集成的光波导传感系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅基光波导集成光电探测器。将基于悬挂式光波导的无源部分与硅光电探测器的有源光吸收部分完美地集成为一体，从而可以极大的降低成本，并提高其可靠性。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括无源输入光波导和有源光吸收区域；其中：

无源输入光波导：包括第一硅衬底，叠在第一硅衬底上的第一平板波导，叠在第一平板波导上的第一脊型波导，第一平板波导上的多排通孔分布在第一脊型波导两侧，多排通孔下方的第一硅衬底有空腔，在第一平板波导与第一硅衬底之间形成隔离衬底泄漏的空气隔离区；

有源光吸收区域：包括第二硅衬底，叠在第二硅衬底上的第二平板波导，叠加于第二平板波导上的第二脊型波导，第二平板波导上的两个开孔分布在第二脊型波导两侧，以及位于开孔内且与第二硅衬底接触的金属电极；

无源输入光波导和有源光吸收区域通过对准的第一脊型波导、第二脊型波导相连接。

所述的第一平板波导、第一脊型波导、第二平板波导、第二脊型波导为不同于第一硅衬底、第二硅衬底硅衬底且在硅材料吸收波段具有透明特性的光学材料。

所述的第一脊型波导两侧的多排通孔位于不影响第一脊型波导中的光传输的位置。

本发明具有的有益效果是：

1. 本发明结构简单、设计方便、制作简便，不需要昂贵的气相薄膜沉积设备，可显著降低器件制作成本。

2. 将无源输入光波导与光电探测器有源吸收区域进行单片集成，无源输入光波导可与其他无源光子器件连接而形成功能集成，可极大地提高器件的可靠性，并有利于降低器件封装成本。

3. 无源部分的悬挂式光波导芯层与被测物质直接接触，具有很高的灵敏度，便于实现高灵敏度光波导传感单元。

附图说明

图1是本发明结构俯视图。

图2是图1 的A-A’剖视图。

图3是图1 的B-B’剖视图。

图4是图1的C-C’剖视图。

图5是图1的 D-D’剖视图。

图中：1、无源输入光波导，11、第一硅衬底，12、第一平板波导，13、第一脊型波导，14、通孔，15、空气隔离区，2、有源光吸收区域，21、第二硅衬底，22、第二平板波导，23、第二脊型波导，24、金属电极，3、基模场分布，4、泄漏模场分布。

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。

如图1所示，本发明包括无源输入光波导1和有源光吸收区域2；其中：

如图2、图3所示，无源输入光波导1：包括第一硅衬底11，叠在第一硅衬底上的第一平板波导12，叠在第一平板波导12上的第一脊型波导13，第一平板波导12上的多排通孔14分布在第一脊型波导13两侧，多排通孔14下方的第一硅衬底有空腔，在第一平板波导12与第一硅衬底11之间形成隔离衬底泄漏的空气隔离区15；

如图4所示，有源光吸收区域2：包括第二硅衬底21，叠在第二硅衬底上的第二平板波导22，叠加于第二平板波导上的第二脊型波导23，第二平板波导22上的两个开孔25分布在第二脊型波导23两侧，以及位于开孔25内且与第二硅衬底21接触的金属电极24；

如图1所示，无源输入光波导1和有源光吸收区域2通过对准的第一脊型波导13、第二脊型波导23相连接。

所述的第一平板波导12、第一脊型波导13、第二平板波导22、第二脊型波导23为不同于第一硅衬底11、第二硅衬底21且在硅材料吸收波段具有透明特性的光学材料。

所述的第一脊型波导13两侧的多排通孔14位于不影响第一脊型波导13中的光传输的位置。

本发明的工作过程为：

光沿着无源输入光波导1以基模场分布3的形式传播。由于空气隔离区15的隔离作用，光在无源输入光波导中传输无泄漏损耗。光随后进入有源光吸收区域2的第二脊型波导23后，由于在此区域并无空气隔离区15，因而发生衬底泄漏，光以泄漏模场分布4的形式传播，如图5所示。光泄漏到第二硅衬底后，并被硅吸收，形成光生载流子，并通过在电极上施加外加电场来收集所产生的光生载流子，从而形成光电流。

下面给出一种硅基光波导集成光电探测器具体实施例。

实施例1.

在此实施例中，选用SiO₂作为第一平板波导12、第一脊型波导13、第二平板波导22、第二脊型波导23材料。其制作工艺过程是：利用高温氧化工艺在硅衬底上生长一层约1μm厚的SiO₂薄膜，此芯层无需掺杂，因而可采用简单的热氧化工艺，而该工艺适合于大批量生产，故成本很低。采用光刻、干法刻蚀的工艺，形成0.4μm厚的第一平板波导12和第二平板波导22（h _slab=0.4μm）、以及约0.6μm高的第一脊型波导13（h _rib=0.6μm）。根据单模条件，第一脊型波导13脊宽选为w _rib=1μm。再次采用光刻、干法刻蚀的工艺，在第一脊型波导13的两侧形成通孔14。为了避免通孔14对第一脊型波导13中光场传输的影响，通孔14到第一脊型波导13的距离设为w _hole=6μm。然后，利用干法或湿法腐蚀工艺将第一脊型波导13之下的第一硅衬底11部分腐蚀而形成空气隔离层15，其厚度h _air为10μm，由此可避免光能量从硅衬底泄漏。这就形成了本发明光电探测器的无源输入光波导1。

而对于光电探测器的有源光吸收区域2，在有源光吸收区域2第二脊型波导23两侧，利用干法或湿法工艺去除SiO₂薄膜，各形成一个开孔25，进而沉积金或铝电极24，使之与第二硅衬底21形成肖特基接触，获得金属-半导体-金属结构的光电探测结构。当光经过无源输入光波导1进入到有源光吸收区域2后，很容易被硅吸收，形成光生载流子，在外加偏压的作用下，形成光电流。为了获得高响应度，有源光吸收区域的长度需足够长，以完全吸收入射光。经过计算，由于本发明结构的有源光吸收区具有高效率的衬底泄漏，有源光吸收区域的长度仅需几十μm，有利于实现芯片的小型化。而且，由于第一平板波导12、第一脊型波导13可直接于被测物质接触，因而具有很高的灵敏度，因此本专利可实现单片集成的光传感器系统。

实施例2.

在此实施例中，选用聚合物材料SU-8作为第一平板波导12、第一脊型波导13、第二平板波导22、第二脊型波导23材料。其制作工艺过程是：在硅衬底上通过旋涂工艺形成厚度约为0.4μm厚的平板（h _slab=0.4μm），并利用光刻工艺，形成无源输入光波导区域的通孔14以及有源吸收区域的开孔25，并通过剥离工艺制作出金属（金或铝）电极，使之与第二硅衬底21形成肖特基接触，获得金属-半导体-金属结构的光电探测结构。然后再次通过旋涂工艺形成厚度约为0.6μm厚的薄膜，并利用光刻工艺，形成第一脊型波导13和第二脊型波导23（h _rib=0.6μm）。根据单模条件，第一脊型波导13和第二脊型波导23的宽度选为w _rib=1μm。为了避免通孔14对第一脊型波导13中光场传输的影响，通孔14与第一脊型波导13之间的距离设为w _hole=6μm。然后，利用干法或湿法腐蚀工艺将第一脊型波导13下方的硅衬底部分腐蚀而形成空气隔离层15，其厚度h _air为10μm，由此可避免光能量从硅衬底泄漏。这就形成了本发明光电探测器的无源输入光波导1。当光经过无源输入光波导1进入到有源光吸收区域2后，很容易被硅吸收，形成光生载流子，在外加偏压的作用下，形成光电流。为了获得高响应度，有源光吸收区域的长度需足够长，以完全吸收入射光。经过计算，由于本发明结构的有源光吸收区具有高效率的衬底泄漏，有源光吸收区域的长度仅需几十μm，为芯片的小型化提供了前期基础。而且，由于第一平板波导12、第一脊型波导13可直接于被测物质接触，因而具有很高的灵敏度，因此本专利可实现单片集成的光传感器系统。

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。

Claims

1.一种硅基光波导集成光电探测器，其特征在于：包括无源输入光波导(1) 和有源光吸收区域（2）；其中：

无源输入光波导（1）：包括第一硅衬底（11），叠在第一硅衬底上的第一平板波导（12），叠在第一平板波导上的第一脊型波导（13），第一平板波导（12）上的多排通孔（14）分布在第一脊型波导（13）两侧，多排通孔（14）下方的第一硅衬底有空腔，在第一平板波导与第一硅衬底之间形成隔离衬底泄漏的空气隔离区（15）；

有源光吸收区域（2）：包括第二硅衬底（21），叠在第二硅衬底上的第二平板波导（22），叠加于第二平板波导上的第二脊型波导（23），第二平板波导（22）上的两个开孔（25）分布在第二脊型波导（23）两侧，以及位于开孔（25）内且与第二硅衬底（21）接触的金属电极(24)；

无源输入光波导（1）和有源光吸收区域（2）通过对准的第一脊型波导（13）、第二脊型波导（23）相连接。

2.根据权利要求1所述的一种硅基光波导集成光电探测器，其特征在于：所述的第一平板波导（12）、第一脊型波导（13）、第二平板波导（22）、第二脊型波导（23）为不同于第一硅衬底（11）、第二硅衬底（21）硅衬底且在硅材料吸收波段具有透明特性的光学材料。

3.根据权利要求1所述的一种硅基光波导集成光电探测器，其特征在于：所述的第一脊型波导（13）两侧的多排通孔（14）位于不影响第一脊型波导（13）中的光传输的位置。