CN105789366A - 一种硅基混合集成雪崩光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基混合集成雪崩光电探测器(APD)，包括自下而上叠置的SOI(silicon‑on‑insulator)倒锥耦合结构、键合层、波导和光学匹配层，以及雪崩光电探测结构。波导和光学匹配层包括波导区和光学匹配区。本发明通过键合工艺构建。本发明采用倒锥模斑转换耦合结构和倏逝波光耦合方式来达到高效率耦合的目的；窄倍增层与窄吸收层使得该分离吸收电荷倍增区(SACM)APD可达到高速、低噪声光探测的目的；SOI倒锥耦合结构与雪崩光电探测结构键合的方式使得器件同时集中了二者的优点。
Description
技术领域
本发明涉及硅基混合集成光电探测器技术领域，具体是指一种在SOI上集成的消逝场耦合的雪崩光电探测器。
背景技术
近年来，硅基光子学有了飞速的发展，硅基芯片上同时集成多种光有源和无源器件使得硅基集成的前景更加广阔。光电探测器是光子学系统中重要的元件，未来随着光子系统对高带宽、高集成度的要求越来越高，对探测器性能的要求也就越高。因为传统面入射探测器存在着带宽和响应度相互制约的问题，同时面入射器件与波导功能结构的集成也受到极大制约。波导型雪崩探测可以同时满足高响应度和带宽特性，并且相对于PIN探测器，雪崩二极管(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。
在硅基集成探测器领域，将光纤中的光高效耦合进硅波导一直是一个待解决的问题。之前报导过的硅基集成探测器多用周期性的光栅耦合器，耦合效率较低且对偏振敏感。而耦合器的发展趋势是追求耦合损耗低，工作带宽大和制作简便。因此发展一种适用于硅基集成的高耦合效率的波导型的探测器是很有意义的工作。
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、高带宽的硅基集成的倏逝场耦合波导雪崩探测器结构，来解决耦合器耦合效率低、面入射探测器响应度与带宽相互制约以及不利于片上互连等问题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种硅基混合集成雪崩光电探测器，包括自下而上叠置的SOI倒锥耦合结构、键合层、波导和光学匹配层，以及雪崩光电探测结构，波导和光学匹配层包括波导区和光学匹配区，所述雪崩光电探测结构位于光学匹配区上。
根据本发明的具体实施方式，所述SOI倒锥耦合结构包括硅衬底、二氧化硅埋氧层和顶层硅，二氧化硅埋氧层制作在硅衬底上，顶层硅制作在埋氧层上。
根据本发明的具体实施方式，所述SOI基倒锥耦合结构的顶层硅与埋氧层具有折射率差。
根据本发明的具体实施方式，所述顶层硅的一端为条形波导，另一端为倒锥耦合器。
根据本发明的具体实施方式，所述顶层硅的厚度为220nm，条形波导的波导宽度为450nm～500nm。
根据本发明的具体实施方式，所述倒锥耦合器的结构为直线锥形倒锥耦合器结构，其尖端宽度为100nm～150nm，taper长度为150μm～200μm。
根据本发明的具体实施方式，所述键合层为厚度100nm的BCB键合层。
根据本发明的具体实施方式，所述波导和光学匹配层的波导区的材料是聚酰亚胺，截面尺寸为3μm×1.3μm。
根据本发明的具体实施方式，通过倏逝波耦合的方式，光学匹配区可以实现光功率从硅波导高效率耦合到APD吸收层中，并提供n型欧姆接触。
根据本发明的具体实施方式，所述光学匹配区的折射率为3.41的InGaAsP材料，其中Ga的组分为0.3，As的组分为0.64。
根据本发明的具体实施方式，，所述雪崩光电探测结构具有内部增益，宽3μm～7μm。
根据本发明的具体实施方式，所述雪崩光电探测结构包括从下而上的倍增层、电荷层和吸收层。
根据本发明的具体实施方式，所述倍增层为InAlAs材料，In的组分是0.52，倍增层、电荷层和吸收层分别为：i-InAlAs倍增层、p-InAlAs电荷层和i-InGaAs吸收层。
根据本发明的具体实施方式，所述倍增区为InP材料，倍增层、电荷层和吸收层分别为：i-InP倍增层、n-InP电荷层和i-InGaAs吸收层。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，与现有的器件比较，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的是硅基集成的雪崩光电探测器，结合硅波导和APD的优良特性，首次提出了将SOI上的倒锥耦合结构与III-VAPD二者集成的结构。透镜光纤中的光模式能与聚合物波导中的光模式较好的匹配，光耦合进入锥形耦合器，并最终进入硅条形波导中，硅波导中的光振荡耦合进入光学匹配区以及吸收层区域，大大提高了光的耦合效率，可以实现在M＝1的条件下0.89A/W的器件响应度。
2、本发明提供的硅基集成的雪崩光电探测器，其光学匹配区部分可实现光功率从硅波导高效率耦合到APD吸收层中，并将光限制在APD吸收层中，直至被完全吸收。由于倒锥结构的高效耦合和SOI衬底中SiO2层的泄露阻挡作用，此集成器件可以达到高于纯粹波导型InGaAs/InAlAsAPD的量子效率(M＝1)。
3、本发明提供的硅基集成的雪崩光电探测器，采用了分离吸收电荷倍增区的雪崩光电探测器与SOI锥形耦合器集成的结构，硅波导的低损耗特性降低了器件的光传输损耗，APD采用窄的吸收区和倍增区，降低了载流子渡越时间和倍增噪声，实现高响应度的同时亦可实现高速探测，并且APD具有内部增益，可进一步提高光探测器的响应度和灵敏度。
4、本发明提供的硅基集成的雪崩光电探测器，为实现高度集成的硅基光电接收系统提供了一种很好的探测方案，同时该发明还有望应用到量子通信中去，得到集成的量子信息处理芯片。
附图说明
图1A为依照本发明实施的一种硅基集成的雪崩光电探测器的三维结构示意图；
图1B为依照本发明实施的一种硅基集成的雪崩光电探测器的横向截面结构示意图。
图2为依照本发明实施的一种硅基集成的雪崩光电探测器的锥形耦合器的横向截面示意图。
图3为依照本发明实施的一种硅基集成的雪崩光电探测器的光透射率随器件长度的变化曲线示意图。
图4为依照本发明实施的一种硅基集成的雪崩光电探测器的侧向截面光场分布示意图。
图5为依照本发明实施的一种硅基集成的雪崩光电探测器的锥形耦合区横向截面光场分布示意图。
图6为依照本发明实施的一种硅基集成的雪崩光电探测器的探测区横向截面光场分布示意图。
具体实施方式
要解决前述的技术问题，关键有两点：一是SOI倒锥形耦合器、BCB厚度、聚合物波导区、光学匹配区和吸收区的层结构以及它们的尺寸设计，来实现光的稳定传输和进入吸收区的高效快速耦合，从而得到光的高响应度探测的目的；二是影响电学特性的雪崩光电探测器的层结构及厚度掺杂等的优化，能获得低的载流子渡越时间、低RC常数以及窄倍增区等，从而实现具有内部增益的高速、低噪声的光电探测。
为实现高效率集成的光电探测器，本发明提出了一种SOI基锥形耦合APD器件，该器件有望应用于硅基光电集成芯片和量子通信中。为达到上述目的，本发明提出了一种硅基集成的消逝场耦合波导雪崩探测器结构，探测器结构包括：
器件的结构自下向上包括SOI基锥形光栅耦合器、BCB键合层、聚合物波导和光学匹配层，以及雪崩光电二极管(APD)外延层结构，以此外延结构为基础，以半导体工艺制作一个SOI上集成的倏逝场耦合的波导APD器件。器件高性能光探测功能在于：SOI锥形耦合器可实现光从光纤到硅波导的低损耗耦合；硅波导可实现光的低损耗传输；光学匹配层可实现光功率从硅波导高效率耦合到APD吸收区中；分离吸收电荷倍增区(SACM)的APD采用窄倍增层与窄吸收层，可实现高速、低噪声光探测。相对于PIN光电探测器，APD由于其内部增益机制和高灵敏度而更具竞争力，将其设计成侧向入光的波导结构，可获得同时具有高量子效率和高增益带宽积性能的光探测器件，这有益于硅基片上光互连和远程光通信的发展。
具体实施方案的步骤包括：
步骤1：通过FDTD仿真软件先对SOI锥形耦合器的光学性能进行仿真，设计出优化的SOI各层的结构参数，实现光从光纤到硅波导中的高耦合效率，接着耦合SOI锥形耦合器与探测器集成的整体结构，优化吸收区和光学匹配区的厚度参数以及器件长度，确保光最后被APD吸收区完全吸收。
步骤2：用电子束曝光和ICP刻蚀相结合的方法刻出SOI锥形耦合器结构。
步骤3：采用MOCVD方法反向生长出APD外延片结构，保证厚度误差＜10％，APD电荷区的掺杂误差＜5％，实现准确的电场调制作用，以及P、N接触层重掺杂，实现欧姆接触。
步骤4：采用BCB键合的方法将APD外延片倒扣在SOI锥形耦合器的上，用机械研磨和湿法腐蚀相结合的方式去掉衬底。
步骤5：采用湿法腐蚀刻出APD台面结构。光学匹配区与有源区的层结构之间具有InP截止层，可以很好地控制刻蚀深度。
步骤6：采用湿法腐蚀刻出光学匹配区区域。
步骤7：在重掺杂的P、N接触层上制作电极。
步骤8：旋涂聚酰亚胺聚合物，采用干法刻蚀方法刻出聚合物波导区结构。
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，对本发明作进一步的详细说明。
图1A为依照本发明实施的一种硅基集成的雪崩光电探测器的三维结构示意图，图1B是该探测器的横向截面示意图。根据模拟优化的器件结构，采用MOCVD的方法完成如图1A和图1B所示的倒扣键合在SOI锥形耦合器上波导和光学匹配层到APD区域的器件外延生长，其中，衬底1为硅衬底；附图标记2为二氧化硅埋氧层，3为硅锥形耦合层，其中包括锥形耦合器部分和条形波导部分。4为BCB键合层，用来完成APD外延片与SOI的集成，其厚度对硅波导与APD外延区域的耦合有很大的影响，这里BCB厚度为100nm；5为波导和光学匹配层，包括波导区和光学匹配区，光学匹配区的厚度为320nm，掺杂为1E+19，n型欧姆接触层即位于该层，波导区的厚度大于光学匹配区；倍增层6是未掺杂的In0.52Al0.48As，厚度为150nm；电荷层7是p型掺杂的In0.52Al0.48As，厚度为60nm，掺杂浓度为7×1017cm-3；吸收层8是未掺杂的In0.53Ga0.47As，厚度为200nm；层9由InGaAsP、InP和InGaAs组成，其中包括上包层和p型欧姆接触层。
根据如上结构，采用半导体工艺完成器件的制备，包括：用电子束曝光和ICP相结合的方式刻出SOI锥形耦合器结构；用BCB真空键合工艺实现SOI与APD的集成；采用剥离或腐蚀法制备出APD的P接触电极；以金属为掩膜，用湿法腐蚀刻出APD台面，大小5×40μm2，APD台面与光匹配区5之间有InP截止层，能够准确控制刻蚀深度；以光刻胶为掩膜，用湿法腐蚀刻出光匹配区台面，用SiO2做钝化，开窗口，蒸电极引线；最后旋涂一层聚酰亚胺，然后用干刻方法刻出该聚合物波导结构，完成整体器件结构制备。
本发明所述的这种硅基集成的倏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3μm×1.3μm的聚合物波导截面，接着通过硅锥形耦合器耦合进波导中，并在这两者之间振荡传输，到达探测区域时，光逐渐耦合进入光匹配区，由于吸收层的高折射率，光最终会从光匹配区进入吸收层，在吸收层中被吸收，实现高响应度探测。在硅波导和光匹配区中，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。
所述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，所述吸收层8用于吸收目标探测光，生成电子空穴对；所述电荷层7用于调控器件内部电场分布；所述倍增层6用于使进入其中的载流子发生雪崩倍增效应，产生更多自由载流子对，如图1所示，本实施例采用InAlAs倍增区，实现电子倍增。整个APD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，并且该器件非常适于应用到硅基集成系统和量子通信中去。
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，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 (14)
1.一种硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，包括自下而上叠置的SOI倒锥耦合结构、键合层、波导和光学匹配层，以及雪崩光电探测结构，波导和光学匹配层包括波导区和光学匹配区，所述雪崩光电探测结构位于光学匹配区上。
2.根据权利要求1所述的硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，所述SOI倒锥耦合结构包括硅衬底、二氧化硅埋氧层和顶层硅，二氧化硅埋氧层制作在硅衬底上，顶层硅制作在二氧化硅埋氧层上。
3.根据权利要求2所述的硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，所述SOI基倒锥耦合结构的顶层硅与二氧化硅埋氧层具有折射率差。
4.根据权利要求3所述的硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，所述顶层硅的一端为条形波导，另一端为倒锥耦合器。
5.根据权利要求4所述的硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，所述顶层硅的厚度为220nm，条形波导的波导宽度为450nm～500nm。
6.根据权利要求4所述的硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，所述倒锥耦合器的结构为直线锥形倒锥耦合器结构，其尖端宽度为100nm～150nm，taper长度为150μm～200μm。
7.根据权利要求1所述的硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，所述键合层为厚度100nm的BCB键合层。
8.根据权利要求1所述的硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，所述波导和光学匹配区的波导区的材料是聚酰亚胺，截面尺寸为3μm×1.3μm。
9.根据权利要求1所述的硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，通过倏逝波耦合的方式，所述波导和光学匹配层的光学匹配区可以实现光功率从硅波导高效率耦合到APD吸收层中，并提供n型欧姆接触。
10.根据权利要求9所述的硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，所述光学匹配区的折射率为3.41的InGaAsP材料，其中Ga的组分为0.3，As的组分为0.64。
11.根据权利要求1所述的硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，所述雪崩光电探测结构具有内部增益，宽3μm～7μm。
12.根据权利要求11所述的硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，所述雪崩光电探测结构包括从下而上的倍增层、电荷层和吸收层。
13.根据权利要求12所述的硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，所述倍增层为InAlAs材料，In的组分是0.52，倍增层、电荷层和吸收层分别为：i-InAlAs倍增层、p-InAlAs电荷层和i-InGaAs吸收层。
14.根据权利要求12所述的硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，所述倍增区为InP材料，倍增层、电荷层和吸收层分别为：i-InP倍增层、n-InP电荷层和i-InGaAs吸收层。
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