CN103489953B - 一种双步消逝场耦合的雪崩光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双步消逝场耦合的雪崩光电探测器(APD)，该雪崩光电探测器包括：衬底；形成于衬底之上的单模传输光波导，用于实现匹配光斑在其中低损耗单模传输，并使光渐渐向上消逝场耦合进入光匹配层；形成于单模传输光波导之上的光匹配层，用于实现光功率从单模传输光波导高效率消逝场耦合到APD吸收层中，并将光限制在APD吸收层中被完全吸收；以及形成于光匹配层之上的APD台面，采用分离吸收电荷倍增区的结构，与波导结构集成可实现高速高响应度的光探测。本发明通过将具有内部增益以及高灵敏度的APD与消逝场耦合的单模波导结构集成，解决了普通探测器光损耗大、灵敏度低、响应度与带宽相互制约以及不利于片上光互连等问题。
Description
技术领域
本发明涉及边入光的高性能波导探测器设计技术领域，具体是指一种双步消逝场耦合的雪崩光电探测器。
背景技术
光电探测器是光子学系统中重要的元件，探测器的性能是制约光子学系统性能的重要因素。未来随着光子系统对高带宽、高集成度的要求越来越高，传统的探测器结构已难以满足高带宽、高响应度的光子系统的需求：传统面入射探测器为了保证必要的光敏面，电学尺寸难以降低，器件带宽受限；要满足高带宽性能的需要，又必须牺牲光响应性能；并且面入射器件与波导功能结构的集成也收到极大制约。因此发展一种新型的探测器是很有意义的工作。
波导型雪崩探测器将光传输吸收与载流子的输运有效分离，解除了载流子渡越时间与响应度之间的制约关系，在满足高响应度的同时还可以有效的减小器件的电学尺寸，降低器件电容及工作电压，利用这种结构可以实现微小电容结构的高响应器件，并且APD由于其内部增益和高灵敏度而更具竞争力，多用于探测具有高灵敏度的低功率信号。同时，波导集成的雪崩光电探测器的侧面入光结构使其非常适合于平面集成，为实现高度集成的高速光子学系统提供了一种很好的探测解决方案。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提供一种高响应度、高带宽的双步消逝场耦合的波导雪崩探测器，以解决普通探测器光损耗大、灵敏度低、响应度与带宽相互制约以及不利于片上光互连等问题。要解决这些问题，关键有三点，一是单模传输光波导和光匹配层的设计，以实现光低损耗传输以及高效率消逝场耦合进入探测器吸收层中；二是采用具有内部增益的雪崩光电探测器，以提高光电探测的灵敏度；三是采用边入光的消逝场耦合波导结构，使光传输方向与载流子输运方向垂直，以解决响应度与带宽相互制约的问题，并且这种平面波导结构也易于片上光互连。从而可实现一种高响应度、高带宽的双步消逝场耦合的波导结构雪崩光电探测器。。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种双步消逝场耦合的雪崩光电探测器，该雪崩光电探测器包括：衬底1；形成于衬底1之上的单模传输光波导2，用于实现匹配光斑在其中低损耗单模传输，并使光渐渐向上消逝场耦合进入光匹配层；形成于单模传输光波导2之上的光匹配层，用于实现光功率从单模传输光波导高效率消逝场耦合到APD台面的吸收层中，即双步消逝场耦合，并将光限制在APD台面的吸收层中被完全吸收；以及形成于光匹配层之上的APD台面，采用分离吸收电荷倍增区的结构，与波导结构集成可实现高速高响应度的光探测。
上述方案中，所述衬底1为InP衬底。
上述方案中，所述单模传输光波导2为由多对InGaAsP层与InP层交替外延形成的稀释波导层结构，从底部到顶部InGaAsP的厚度从100nm增加到300～450nm，增加的步长为25～35nm，其间的InP层的厚度为70～90nm。所述单模传输光波导2中InGaAsP的组分可调，其截至波长为1～1.15μm，单模传输光波导相对于光匹配层的伸出长度为25～300μm。
上述方案中，所述光匹配层由下至上依次包括第一光匹配层3和第二光匹配层4，光匹配层相对于APD台面的伸出长度为10～40μm。所述第一光匹配层3是厚度为100～300nm的In0.522Al0.478As/InGaAsP，所述第二光匹配层4是厚度为200～400nm的In0.78Ga0.22As0.47P0.53。所述第一光匹配层3和所述第二光匹配层4均为n型重掺杂，掺杂浓度为1×1017～2×1018cm-3。
上述方案中，所述APD台面由下至上依次包括倍增层5、电荷层6、吸收层7和上包层8，倍增层5是厚度为100～300nm的未掺杂的In0.522Al0.478As；电荷层6是p型掺杂的In0.52Al0.48As，厚度为40～70nm，掺杂浓度为6×1017～1×1018cm-3；吸收层7是厚度为100～300nm的未掺杂的InGaAs，In的组分为0.53；上包层8由下至上依次包括InGaAsP、InP和InGaAs，用于实现上包层和p型欧姆接触。
上述方案中，所述APD台面的长度为20～50μm，单模传输光波导、光匹配层和APD台面的宽度均为3～7μm。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的双步消逝场耦合的雪崩光电探测器，利用单模传输光波导可减小光在传播过程中的损耗。通过研究稀释波导特性及模场与其各个结构参数的关系，可实现光在其中单模稳定低损耗传输，并且特殊的层结构设计可实现从衬底向上有效折射率逐渐提高，实现光高效率耦合到匹配层中。
2、本发明提供的双步消逝场耦合的雪崩光电探测器，其光匹配层部分可实现光功率从单模传输光波导高效率耦合到APD吸收层中，并将光限制在APD吸收层中被完全吸收，从而减小耦合损耗。光匹配层采用折射率较高的双层结构，其折射率大小在单模传输光波导和APD吸收层之间，有缓慢的过渡作用，可使光通过双步消逝场耦合进入APD吸收层中，其相对于APD吸收层有较低的有效折射率，可将光限制在APD中被完全吸收。
3、本发明提供的双步消逝场耦合的雪崩光电探测器，采用了具有内部增益的雪崩光电探测器与波导结构集成，可实现高灵敏度光探测。APD采用分离吸收电荷倍增区的结构，可实现内部光生载流子雪崩倍增，从而可探测较小的光信号，实现高灵敏度光探测。
4、本发明提供的双步消逝场耦合的雪崩光电探测器，其侧面入光的消逝场耦合波导结构使其非常适合于平面集成，光传播方向与载流子输运方向垂直，解决了带宽与响应度相互制约的问题。光在稀释波导中以倏逝波的形式，沿器件长度逐渐耦合到APD吸收层中，从而可以在不牺牲响应度的情况下采用薄吸收区域来减小载流子渡越时间，进而实现高响应度、高带宽的光探测。
附图说明
图1为依照本发明实施的双步消逝场耦合的雪崩光电探测器，稀释波导中光传播模式的仿真截面图。
图2为依照本发明实施的双步消逝场耦合的雪崩光电探测器的外延层结构示意图。
图3为依照本发明实施的双步消逝场耦合的雪崩光电探测器，采用双步湿法腐蚀刻出的APD台面结构示意图。
图4为依照本发明实施的双步消逝场耦合的雪崩光电探测器，采用湿法腐蚀刻出光匹配层台面的结构示意图。
图5为依照本发明实施的双步消逝场耦合的雪崩光电探测器，采用干法刻蚀刻出的深脊稀释波导示意图。
图6为依照本发明实施的双步消逝场耦合的雪崩光电探测器的侧视光走向示意图。
图7为依照本发明实施的双步消逝场耦合的雪崩光电探测器，总的光功率随波导长度变化的仿真模拟结果。
所有的图仅为结构示意图，不反映器件的具体尺寸。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图5所示是本发明提出的双步消逝场耦合的雪崩光电探测器的结构示意图，该双步消逝场耦合的雪崩光电探测器包括：衬底1；形成于衬底1之上的单模传输光波导2；形成于单模传输光波导2之上的光匹配层；以及形成于光匹配层之上的雪崩光电探测器(APD)台面。单模传输光波导2相对于光匹配层的伸出长度由解理过程决定，优选为50μm；光匹配层相对于APD吸收层的伸出长度由光刻掩模版的设计决定，优选为25μm；以及APD吸收层的长度为40μm，单模传输光波导、光匹配层和APD吸收层的宽度均为5μm。单模传输光波导2可实现匹配光斑在其中低损耗单模传输，并使光渐渐向上耦合进入光匹配层，如图6所示；光匹配层可实现光功率从单模传输光波导高效率耦合到APD吸收层中，并将光限制在APD吸收层中被完全吸收；APD采用分离吸收电荷倍增区的结构，与波导结构集成可实现高速高响应度的光探测。
根据模拟优化的器件结构，采用金属有机物化学气相外延(MOCVD)的方法完成如图2所示的实施例中的器件外延生长，其中，衬底1为InP衬底；单模传输光波导2为由多对InGaAsP层与InP层交替外延形成的稀释波导层结构，优选为10对，其组分为In0.905Ga0.095As0.2P0.8，从底部到顶部，InGaAsP的厚度从100nm增加到370nm，增加的步长为30nm，其间的InP层厚度均为80nm，整个光波导的厚度为3.07μm。光匹配层由下至上依次包括第一光匹配层3和第二光匹配层4，第一光匹配层3是厚度为100nm的In0.522Al0.478As，第二光匹配层4是厚度为300nm的In0.78Ga0.22As0.47P0.53，第一光匹配层3和第二光匹配层4均为n型重掺杂，掺杂浓度均为2×1018cm-3。APD台面由下至上依次包括倍增层5、电荷层6、吸收层7和上包层8，倍增层5是厚度为150nm的未掺杂的In0.522Al0.478As；电荷层6是p型掺杂的In0.52Al0.48As，厚度为60nm，掺杂浓度为7×1017cm-3；吸收层7是厚度为200nm的未掺杂的InGaAs，In的组分为0.53；上包层8由下至上依次包括InGaAsP、InP和InGaAs，主要实现上包层和p型欧姆接触。
基于如上结构，采用半导体工艺完成器件结构的刻蚀，如图3～图5，包括：采用剥离或腐蚀法蒸出APD台面的P接触电极；以金属为掩模，用湿法腐蚀刻出APD台面，大小为5×40μm2，如图3所示；以光刻胶为掩模，用湿法腐蚀刻出光匹配层的台面，宽5μm，长度Lc＝25μm，如图4所示；以SiO2为掩模，用干法刻蚀刻出稀释波导深脊台面，控制深度刻到InP衬底即可，光波导宽5μm，长度Lf＝50μm，如图5所示；最后用SiO2作钝化，开窗口，蒸电极引线，完成整体器件结构。
本发明所述的这种双步消逝场耦合的雪崩光电探测器，采用3μm×3μm的匹配光斑侧向入光进入5μm×3.17μm的光波导截面，如图6所示，光通过光波导低损耗单模传输，如图1为光在光波导中传播的仿真截面图，并逐渐向上耦合进入光匹配层，由于吸收层的高折射率，光最终会从光匹配层进入吸收层，在吸收层中被吸收，实现高响应度探测。光在所述实例探测器中的高性能传输情况可从图7中看出，在单模传输光波导和光匹配层中，光耦合进入后可以无损耗稳定传输，并在进入APD部分后几乎被完全吸收。
进一步地，本发明所提供的雪崩光电探测器由于其内部增益和高灵敏度而更具竞争力，其中吸收层7用于吸收目标探测光，将目标探测光的光子转化成电子空穴对；电荷层6用于调控器件内部电场分布；倍增层5用于使进入其中的载流子引发雪崩倍增效应，产生更多自由载流子对，如图2所示，本实施例采用InAlAs倍增区，实现电子倍增。整个APD吸收层采用窄吸收层和窄倍增层，可降低载流子渡越时间和RC常数，实现高速、低噪声探测。由此，利用此器件结构，可实现高响应度、高带宽以及低噪声的光探测，并且，其侧面入光的波导结构使其非常适合于平面集成，为实现高度集成的高速光子学系统提供了一种很好的探测解决方案。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种双步消逝场耦合的雪崩光电探测器，其特征在于，该雪崩光电探测器包括：
衬底(1)；
形成于衬底(1)之上的单模传输光波导(2)，用于实现匹配光斑在其中低损耗单模传输，并使光渐渐向上消逝场耦合进入光匹配层；
形成于单模传输光波导(2)之上的光匹配层，用于实现光功率从单模传输光波导高效率消逝场耦合到APD台面的吸收层中，即双步消逝场耦合，并将光限制在APD台面的吸收层中被完全吸收；以及
形成于光匹配层之上的APD台面，采用分离吸收电荷倍增区的结构，与波导结构集成可实现高速高响应度的光探测；
其中，所述单模传输光波导(2)为由多对InGaAsP层与InP层交替外延形成的稀释波导层结构，从底部到顶部InGaAsP的厚度从100nm增加到300～450nm，增加的步长为25～35nm，其间的InP层的厚度为70～90nm；所述单模传输光波导(2)中InGaAsP的组分是可调的，其截至波长为1～1.15μm，单模传输光波导相对于光匹配层的伸出长度为25～300μm。
2.根据权利要求1所述的双步消逝场耦合的雪崩光电探测器，其特征在于，所述衬底(1)为InP衬底。
3.根据权利要求1所述的双步消逝场耦合的雪崩光电探测器，其特征在于，所述光匹配层由下至上依次包括第一光匹配层(3)和第二光匹配层(4)，光匹配层相对于APD台面的伸出长度为10～40μm。
4.根据权利要求3所述的双步消逝场耦合的雪崩光电探测器，其特征在于，所述第一光匹配层(3)是厚度为100～300nm的In0.522Al0.478As/InGaAsP，所述第二光匹配层(4)是厚度为200～400nm的In0.78Ga0.22As0.47P0.53。
5.根据权利要求3所述的双步消逝场耦合的雪崩光电探测器，其特征在于，所述第一光匹配层(3)和所述第二光匹配层(4)均为n型重掺杂，掺杂浓度为1×1017～2×1018cm-3。
6.根据权利要求1所述的双步消逝场耦合的雪崩光电探测器，其特征在于，所述APD台面由下至上依次包括倍增层(5)、电荷层(6)、吸收层(7)和上包层(8)，倍增层(5)是厚度为100～300nm的未掺杂的In0.522Al0.478As；电荷层(6)是p型掺杂的In0.52Al0.48As，厚度为40～70nm，掺杂浓度为6×1017～1×1018cm-3；吸收层(7)是厚度为100～300nm的未掺杂的InGaAs，In的组分为0.53；上包层(8)由下至上依次包括InGaAsP、InP和InGaAs，用于实现上包层和p型欧姆接触。
7.根据权利要求1所述的双步消逝场耦合的雪崩光电探测器，其特征在于，所述APD台面的长度为20～50μm，单模传输光波导、光匹配层和APD台面的宽度均为3～7μm。
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