CN106024921B - 悬挂型可见光及近红外波段硅基光波导集成光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种悬挂型可见光及近红外波段硅基光波导集成光电探测器。无源输入光波导包括第一硅衬底以及从下到上依次层叠在第一硅衬底上的波导下包层和芯层条形型波导；有源光吸收区域包括第二硅衬底以及直接覆于第二硅衬底上的悬挂波导、输出波导和金属电极，悬挂波导和输出波导均沿芯层条形型波导方向延伸布置，悬挂波导连接在芯层条形型波导和输出波导之间，金属电极位于输出波导的两侧方。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，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
技术领域
本发明涉及一种光电探测器，尤其是涉及一种悬挂型可见光及近红外波段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，通常包括传感单元和光电探测器两部分。
对于一个集成光波导传感系统，光电探测器是其必不可少的部件，用于将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光波导集成光电探测器结构和工艺比较复杂，难以实现集成化和低成本化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在可见光及近红外波段使用的悬挂型硅基光波导集成光电探测器。将基于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。
本发明通过直接将原单片结构上有源吸收光区域的SiO2薄膜腐蚀，则原条形波导自动形成由无源区域到有源区域的悬挂型波导及输出波导，并借助耦合效应使绝大部分光被硅衬底吸收，因此具有很高的灵敏度，便于实现高灵敏度光波导传感单元。
本发明采用的具体技术方案是：
本发明包括无源输入光波导和有源光吸收区域，无源输入光波导和有源光吸收区域通过悬挂波导相连接，其中：
无源输入光波导包括第一硅衬底以及从下到上依次层叠在第一硅衬底上的波导下包层和芯层条形型波导；
有源光吸收区域包括第二硅衬底以及直接覆于第二硅衬底上的悬挂波导、输出波导和金属电极，悬挂波导和输出波导均沿芯层条形型波导方向延伸布置，悬挂波导连接在芯层条形型波导和输出波导之间，金属电极位于输出波导的两侧方。
所述的波导下包层、芯层条形型波导、悬挂波导和输出波导均为不同于第一硅衬底和第二硅衬底的材料且为在硅材料吸收波段具有透明特性的光学材料。
所述的悬挂波导和输出波导是由衬底-包层-波导结构通过对包层进行腐蚀形成所述波导结构。
所述无源输入光波导和所述有源光吸收区域采用单片集成制作。
所述无源输入光波导中的芯层条形波导和所述有源光吸收区域的输出波导为同一材料，采用单片集成制作。
有源吸收光区域位于第二硅衬底上的输出波导内的光被耦合到硅衬底上，形成光生载流子，耦合效率较高，增强了以第二硅衬底作为探测器光敏面接收到的光强。
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，可显著降低器件制作成本。
2.便于将光电探测器与无源功能器件单片集成，可极大地提高其可靠性，并有利于降低器件封装成本。
3.无源输入光波导和有源光吸收区域通过悬挂波导相直接连接，因此耦合效应使绝大部分光(99％以上)能被硅衬底吸收，具有很高的灵敏度，可达到约0.68A/W，便于实现高灵敏度光波导传感单元。且器件尺寸小，获得了20GHz/s的高响应速度。
附图说明
图1是本发明结构俯视图。
图2是本发明结构正视图。
图3是图1的A-A’剖视图。
图4是图1的B-B’剖视图。
图5是图1的C-C’剖视图。
图中：1、无源输入光波导，11、第一硅衬底，12、波导下包层，13、条形波导，2、有源光吸收区域，21、第二硅衬底，22悬挂波导，23、输出波导，24、金属电极。
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、2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3所示，无源输入光波导1包括第一硅衬底11以及从下到上依次层叠在第一硅衬底11上的波导下包层12和芯层条形型波导13。
如图4、图5所示，有源光吸收区域2包括第二硅衬底21以及直接覆于第二硅衬底21上的悬挂波导22、输出波导23和金属电极24，悬挂波导22和输出波导23均沿芯层条形型波导13方向延伸布置，金属电极24位于输出波导23的两侧方，金属电极24与第二硅衬底21接触。
如图1、2所示，第二硅衬底21与第一硅衬底11对应连接，无源输入光波导1和有源光吸收区域2通过悬挂波导对准输入、输出波导相连。
具体实施中，无源输入光波导1中的芯层条形波导13和有源光吸收区域2的输出波导23为同一材料，采用单片集成制作，从而无源输入光波导1和有源光吸收区域2整个采用单片集成制作。
本发明的工作原理过程为：
光沿着无源输入光波导传播。由于下包层和空气的隔离作用，光在无源输入光波导中传输无泄漏。光随后通过悬挂波导进入有源光吸收区域2的输出波导中后，输出波导与硅衬底直接接触，由于耦合效应，光被耦合到第二硅衬底中，光到第二硅衬底后，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。
下面给出两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Si3N4作为条形波导13、悬挂波导22、输出波导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3μm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。再形成0.25μm厚的Si3N4。
采用光刻、干法刻蚀的工艺将Si3N4薄膜刻蚀为一定宽度的条形波导，此时条形波导位于无源区和有源区内。然后在有源光吸收区域2波导两侧，利用干法或湿法工艺去除整个有源区内的SiO2薄膜，则条形波导自动垂下形成悬挂波导和输出波导，进而在用于腐蚀SiO2的窗口中溅射金或Ti-Au-Ti电极24，其中Ti厚5nm，Au厚度为100nm，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，由于耦合效应，光很容易被硅吸收，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10～102μm，有利于实现芯片的小型化。而且，由于高效的耦合效率，99％以上的光都能被硅衬底吸收，保证一定的光强，因而具有很高的灵敏度，灵敏度可达到约0.68A/W，获得了约20GHz/s的高响应速度。此外，有源光吸收区内的悬挂波导和输出波导是由腐蚀SiO2薄膜后原条形波导自动形成，实现了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条形波导13、光栅23材料。其制作工艺过程是：在硅衬底利用高温氧化工艺在硅衬底上生长一层SiO2薄膜，此芯层无需掺杂，通过旋涂工艺形成SU-8平板，并利用光刻工艺，形成无源输入光波导13。
采用光刻、干法刻蚀的工艺将SU-8薄膜刻蚀为一定宽度的条形波导，此时条形波导位于无源区和有源区内。然后在有源光吸收区域2波导两侧，利用干法或湿法工艺去除整个有源区内的SiO2薄膜，则条形波导自动垂下形成悬挂波导和输出波导，进而在用于腐蚀SiO2的窗口中溅射金或Ti-Au-Ti电极24，其中Ti厚5nm，Au厚度为100nm，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，由于耦合效应，光很容易被硅吸收，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10～102μm，有利于实现芯片的小型化。而且，由于高效的耦合效率，99％以上的光都能被硅衬底吸收，保证一定的光强，因而具有很高的灵敏度，灵敏度可达到约0.68A/W，获得了约20GHz/s的高响应速度。此外，有源光吸收区内的悬挂波导和输出波导是由腐蚀SiO2薄膜后原条形波导自动形成，实现了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 (5)
1.一种悬挂型可见光及近红外波段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)以及从下到上依次层叠在第一硅衬底(11)上的波导下包层(12)和芯层条形型波导(13)；有源光吸收区域(2)包括第二硅衬底(21)以及直接覆于第二硅衬底(21)上的悬挂波导(22)、输出波导(23)和金属电极(24)，悬挂波导(22)和输出波导(23)均沿芯层条形型波导(13)方向延伸布置，悬挂波导(22)连接在芯层条形型波导(13)和输出波导(23)之间，金属电极(24)位于输出波导(23)的两侧方。
2.根据权利要求1所述的一种悬挂型可见光及近红外波段硅基光波导集成光电探测器，其特征在于：所述的波导下包层(12)、芯层条形型波导(13)、悬挂波导(22)和输出波导(23)均为不同于第一硅衬底(11)和第二硅衬底(21)的材料且为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所述的一种悬挂型可见光及近红外波段硅基光波导集成光电探测器，其特征在于：所述的悬挂波导(22)和输出波导(23)是由衬底-包层-波导结构通过对包层进行腐蚀形成所述波导结构。
4.根据权利要求1所述的一种悬挂型可见光及近红外波段硅基光波导集成光电探测器，其特征在于：所述无源输入光波导(1)和所述有源光吸收区域(2)采用单片集成制作。
5.根据权利要求1或4所述的一种悬挂型可见光及近红外波段硅基光波导集成光电探测器，其特征在于：所述无源输入光波导(1)中的芯层条形波导(13)和所述有源光吸收区域(2)的输出波导(23)为同一材料，采用单片集成制作。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |