CN106057927B - 一种光波导探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光波导探测器，包括沿第一方向堆叠的硅衬底层、波导层、纳米氧化锌空心柱层和电极层，波导层位于硅衬底层和纳米氧化锌空心柱层之间，纳米氧化锌空心柱层位于波导层和电极层之间，波导层包括硅波导层和锗波导层，锗波导层位于硅波导层和纳米氧化锌空心柱层之间；纳米氧化锌空心柱层为纳米氧化锌柱阵列，纳米氧化锌空心柱层包括第一金属过孔，第一金属过孔连接第一锗高掺杂区与电极层；硅波导层包括沿第二方向排列的P型硅高掺杂区、P型硅轻掺杂区、N型硅轻掺杂区和N型硅高掺杂区，第二方向垂直于第一方向。本发明光波导探测器的光生载流子产生量高、光生载流子在电场中的传输速率相对较高和光波导探测器的带宽相对较高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种光波导探测器。
背景技术
当前主流光波导探测器为水平PIN(LPIN)光波导探测器，LPIN光波导探测器在硅波导内进行掺杂，从而在硅波导内形成PN结，该PN结在锗波导的下方，可以在锗波导内产生一定的电场。由于锗能够吸收光信号，因而在电场作用下，锗波导内产生光生载流子，从而实现将光信号转换为电信号。但是目前LPIN光波导探测器的锗波导内部的电场分布较弱，导致光生载流子在电场中的传输速率相对较低，LPIN光波导探测器的带宽相对较低。并且现有的光波导无法高效得保证光在波导层内传输，进一步降低了光生载流子在电场中的传输速率，也减少了光生载流子的产生量。
发明内容
为解决现有LPIN光波导探测器的光生载流子产生量低、光生载流子在电场中的传输速率相对较低和光波导探测器的带宽相对较低的问题，本发明提供了一种光波导探测器，包括沿第一方向堆叠的硅衬底层、波导层、纳米氧化锌空心柱层和电极层，波导层位于硅衬底层和纳米氧化锌空心柱层之间，纳米氧化锌空心柱层位于波导层和电极层之间，波导层包括硅波导层和锗波导层，锗波导层位于硅波导层和纳米氧化锌空心柱层之间；纳米氧化锌空心柱层为纳米氧化锌柱阵列，纳米氧化锌柱为空心柱，空心柱的空心直径为30～50nm；纳米氧化锌空心柱层包括第一金属过孔，第一金属过孔连接第一锗高掺杂区与电极层；硅波导层包括沿第二方向排列的P型硅高掺杂区、P型硅轻掺杂区、N型硅轻掺杂区和N型硅高掺杂区，P型硅轻掺杂区在P型硅高掺杂区与N型硅轻掺杂区之间，N型硅轻掺杂区在P型硅轻掺杂区与N型硅高掺杂区之间，第二方向垂直于第一方向；锗波导层包括第一锗高掺杂区和锗未掺杂区，锗波导层的第一表面包括第一锗高掺杂区的表面，第一表面为锗波导层在第一方向上背向硅波导层的表面，第一锗高掺杂区的宽度大于零且小于或等于第一表面宽度的一半，第一锗高掺杂区的厚度为10～100nm。
本发明，通过在锗波导上设置锗高掺杂区，相当于在锗波导上设置电极，锗波导上的电极可以与硅波导上异性的电极形成PN结，从而能够增强锗波导内的电场强度，提高光生载流子的迁移速率，进而能够有效提高光波导探测器的带宽。并且由于纳米氧化锌空心柱的中心空腔尺寸为纳米级的，光在空心腔内遵循“回音廊模型”的传输规律，即最大限度地保证光在波导层内传输，并且空心腔对光有聚焦的作用，光在空心腔内经过多次全反射增强后从空心腔沿空心柱的轴心方向射出，从而增加光生载流子的产生量，可提高光波导探测器将光信号转化为电信号的效率，进而提高光波导探测器的处理效率。
在一些实施方式中，第一锗高掺杂区为P型锗高掺杂区，第一锗高掺杂区在第一表面内的中心点与第一表面的第一边缘的距离小于或等于中心点与第一表面的第二边缘的距离，第一边缘为第一表面在第二方向上靠近P型硅高掺杂区的边缘，第二边缘为第一表面在第二方向上靠近N型硅高掺杂区的边缘。由此，，通过在锗波导上靠近P型硅高掺杂区的位置设置P型锗高掺杂区，不仅能够增强锗波导内的电场强度，也使得锗波导内的电场强度较为均匀，从而能够有效提高光生载流子的迁移速率，提高光波导探测器的带宽。
在一些实施方式中，第一锗高掺杂区在第一表面上的且沿着第二方向距离P型硅高掺杂区最近的边缘与第一边缘重合。由此可以减少锗波导层内的光场与高掺杂材料之间的相互作用，进而能够降低锗波导层的光吸收损耗。
在一些实施方式中，第一锗高掺杂区为N型锗高掺杂区，第一锗高掺杂区在第一表面内的中心点与第一表面的第一边缘的距离大于或等于中心点与第一表面的第二边缘的距离，第一边缘为第一表面在第二方向上靠近P型硅高掺杂区的边缘，第二边缘为第一表面在第二方向上靠近N型硅高掺杂区的边缘。由此，通过在锗波导上靠近N型硅高掺杂区的位置设置N型锗高掺杂区，不仅能够增强锗波导内的电场强度，也使得锗波导内的电场强度较为均匀，从而能够有效提高光生载流子的迁移速率，提高光波导探测器的带宽。
在一些实施方式中，第一锗高掺杂区在第一表面上的且沿着第二方向距离N型硅高掺杂区最近的边缘与第二边缘重合。由此可以减少锗波导层内的光场与高掺杂材料之间的相互作用，进而能够降低锗波导层的光吸收损耗。
在一些实施方式中，锗波导层还包括第二锗高掺杂区，第一表面还包括第二锗高掺杂区的表面，第二锗高掺杂区的宽度大于零且小于或等于第一表面宽度的一半，第二锗高掺杂区的厚度为10～100nm；第一锗高掺杂区为P型锗高掺杂区，第二锗高掺杂区为N型锗高掺杂区；纳米氧化锌空心柱层内还设有第二金属过孔，第二金属过孔连接第二锗高掺杂区与电极层。由此，通过在锗波导上设置P型锗高掺杂区与N型锗高掺杂区，即在锗波导上设置P型电极与N型电极，从而能够更加有效地增强锗波导内的电场强度，进一步提高光生载流子的迁移速率，进而能够有效提高光波导探测器的带宽。
在一些实施方式中，第一锗高掺杂区在第一表面内的中心点与第一表面的第一边缘的距离小于或等于第一锗高掺杂区在第一表面内的中心点与第一表面的第二边缘的距离；第二锗高掺杂区在第一表面内的中心点与第一表面的第一边缘的距离大于或等于与第二锗高掺杂区在第一表面内的中心点与第一表面的第二边缘的距离；第一边缘为第一表面在第二方向上靠近P型硅高掺杂区的边缘，第二边缘为第一表面在第二方向上靠近N型硅高掺杂区的边缘。由此，通过在锗波导上靠近P型硅高掺杂区的位置设置P型锗高掺杂区，以及在锗波导上靠近N型硅高掺杂区的位置设置N型锗高掺杂区，在增强锗波导内的电场强度的同时，也使得锗波导内的电场强度较为均匀，从而能够有效提高光生载流子的迁移速率，提高光波导探测器的带宽。
在一些实施方式中，第一锗高掺杂区在第一表面上的且沿着第二方向距离P型硅高掺杂区最近的边缘与第一边缘重合，第二锗高掺杂区在第一表面上的且沿着第二方向距离N型硅高掺杂区最近的边缘与第二边缘重合。由此可以减少锗波导层内的光场与高掺杂材料之间的相互作用，进而能够降低锗波导层的光吸收损耗。
在一些实施方式中，第一锗高掺杂区与第二锗高掺杂区之间具有间隙。由此，在一定程度上降低了硅/锗界面处的电场强度，从而减小探测器的暗电流。
在一些实施方式中，锗未掺杂区的宽度为200nm～1μm。由此锗波导层的宽度小于1μm，能够保证锗波导内传输的是单模波导，从而可以减小由于模式转换引起的损耗。
附图说明
图1为本发明实施例1的光波导探测器的结构示意图；
图2为本发明实施例1的纳米氧化锌空心柱层的俯视图；
图3为本发明实施例2的光波导探测器的结构示意图；
图4为本发明实施例3的光波导探测器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进一步描述。
实施例1
如图1所示，本发明的光波导探测器包括沿第一方向(本实施例为垂直方向)堆叠的硅衬底层1、波导层2、纳米氧化锌空心柱层3和电极层4，波导层2位于硅衬底层1和纳米氧化锌空心柱层3之间，纳米氧化锌空心柱层3位于波导层2和电极层4之间，波导层2包括硅波导层21和锗波导层22，锗波导层22位于硅波导层21和纳米氧化锌空心柱层3之间；纳米氧化锌空心柱层3为纳米氧化锌柱阵列，纳米氧化锌柱为空心柱，空心柱的空心直径为30～50nm；纳米氧化锌空心柱层3包括第一金属过孔51，第一金属过孔51连接第一锗高掺杂区222与电极层4，可以保证良好的欧姆接触；硅波导层21包括沿第二方向(本实施例为水平方向)排列的P型硅高掺杂区211、P型硅轻掺杂区212、N型硅轻掺杂区214和N型硅高掺杂区213，P型硅轻掺杂区212在P型硅高掺杂区211与N型硅轻掺杂区214之间，N型硅轻掺杂区214在P型硅轻掺杂区212与N型硅高掺杂区213之间，由此可在Si波导层21内形成PN结，轻掺杂区提供载流子，保证电场的合理分布，第二方向垂直于第一方向；锗波导层22包括第一锗高掺杂区222和锗未掺杂区221，在锗波导上设置锗高掺杂区，相当于在锗波导上设置电极，锗波导上的电极可以与硅波导上异性的电极形成PN结，从而能够增强锗波导内的电场强度，提高光生载流子的迁移速率，进而能够有效提高光波导探测器的带宽。锗波导层22的第一表面包括第一锗高掺杂区222的表面，第一表面为锗波导层在第一方向上背向硅波导层的表面，第一锗高掺杂区222的宽度大于零且小于或等于第一表面宽度的一半，由此可以在一定程度上降低硅/锗界面处的电场强度，从而减少探测器的暗电流。第一锗高掺杂区222的厚度为10～100nm。具体地，第一锗高掺杂区的厚度为60nm。本发明可以保持较小暗电流的同时，能够有效提高光波导探测器的宽带，同时兼顾暗电流与宽带此两项指标。如图1所示，金属过孔5还包括第三金属过孔53和第四金属过孔54，第三金属过孔53连接P型硅高掺杂区212与电极层4，且与第一金属过孔51共用电极层的第一焊盘41，第四金属通孔54连接N型硅高掺杂区213与电极层4，第一焊盘51与第二焊盘52之间有间隙，成为两个电极。
本实施例中是通过硅基外延生长锗技术制备的锗波导层22。
本实施例中的纳米氧化锌空心柱层3是采用模板法通过化学气相沉积法生长。如图2所示，氧化锌空心柱层3是由多根空心柱组成，空心柱的中心空腔的尺寸由于生长环境中气压不均匀，导致尺寸不一致。氧化锌是良好的波导材料，特别是纳米氧化锌空心柱，光在空心柱内经过多次全反射，最后由空心孔增加发射，即遵循本领域所称的“回音廊模型”，从而增加光生载流子的产生量，可提高光波导探测器将光信号转化为电信号的效率，进而提高光波导探测器的处理效率。
本实施例中的第一锗高掺杂区222为P型锗高掺杂区211，第一锗高掺杂区222在第一表面内的中心点与第一表面的第一边缘的距离小于或等于中心点与第一表面的第二边缘的距离，第一边缘为第一表面在第二方向上靠近P型硅高掺杂区211的边缘，第二边缘为第一表面在第二方向上靠近N型硅高掺杂区213的边缘。具体地，第一锗高掺杂区222在第一表面上的且沿着第二方向距离P型硅高掺杂区211最近的边缘与第一边缘重合。由此，通过在锗波导22上靠近P型硅高掺杂区211的位置设置P型锗高掺杂区，不仅能够增强锗波导内的电场强度，也使得锗波导内的电场强度较为均匀，从而能够有效提高光生载流子的迁移速率，提高光波导探测器的带宽。
实施例2
如图3所示，在实施例1的基础上，把锗的高掺杂区由P型掺杂变为N型掺杂，此时第一锗高掺杂区222为N型锗高掺杂区，第一锗高掺杂区222在第一表面内的中心点与第一表面的第一边缘的距离大于或等于中心点与第一表面的第二边缘的距离，第一边缘为第一表面在第二方向上靠近P型硅高掺杂区211的边缘，第二边缘为第一表面在第二方向上靠近N型硅高掺杂区213的边缘。由此，通过在锗波导上靠近N型硅高掺杂区213的位置设置N型锗高掺杂区，不仅能够增强锗波导内的电场强度，也使得锗波导内的电场强度较为均匀，从而能够有效提高光生载流子的迁移速率，提高光波导探测器的带宽。第一锗高掺杂区222在第一表面上的且沿着第二方向距离N型硅高掺杂区最近的边缘与第二边缘重合。由此可以减少锗波导层内的光场与高掺杂材料之间的相互作用，进而能够降低锗波导层的光吸收损耗。本是实施例中，第一金属过孔51与第四金属过孔54共用第二焊盘52。
实施例3
如图4所示，在实施例1的基础上，锗波导层22还包括第二锗高掺杂区223，第一表面还包括第二锗高掺杂区223的表面，第二锗高掺杂区223的宽度大于零且小于或等于第一表面宽度的一半，第二锗高掺杂区223的厚度为10～100nm；第一锗高掺杂区222为P型锗高掺杂区，第二锗高掺杂区223为N型锗高掺杂区；纳米氧化锌空心柱层内还设有第二金属过孔52，第二金属过孔52连接第二锗高掺杂区223与电极层4。通过在锗波导22上设置P型锗高掺杂区与N型锗高掺杂区，即在锗波导上设置P型电极与N型电极，从而能够更加有效地增强锗波导内的电场强度，进一步提高光生载流子的迁移速率，进而能够有效提高光波导探测器的带宽。本实施例中，第一金属过孔51与第三金属过孔53共用第一焊盘41，第二金属过孔52与第四金属过孔共用第二焊盘42。
本实施例中，第一锗高掺杂区222在第一表面内的中心点与第一表面的第一边缘的距离小于或等于第一锗高掺杂区222在第一表面内的中心点与第一表面的第二边缘的距离；第二锗高掺杂区223在第一表面内的中心点与第一表面的第一边缘的距离大于或等于与第二锗高掺杂区223在第一表面内的中心点与第一表面的第二边缘的距离；第一边缘为第一表面在第二方向上靠近P型硅高掺杂区211的边缘，第二边缘为第一表面在第二方向上靠近N型硅高掺杂区213的边缘。由此，通过在锗波导上靠近P型硅高掺杂区211的位置设置P型锗高掺杂区，以及在锗波导22上靠近N型硅高掺杂区213的位置设置N型锗高掺杂区，在增强锗波导内的电场强度的同时，也使得锗波导内的电场强度较为均匀，从而能够有效提高光生载流子的迁移速率，提高光波导探测器的带宽。具体地，第一锗高掺杂区222在第一表面上的且沿着第二方向距离P型硅高掺杂区211最近的边缘与第一边缘重合，第二锗高掺杂区223在第一表面上的且沿着第二方向距离N型硅高掺杂区213最近的边缘与第二边缘重合。由此可以减少锗波导层22内的光场与高掺杂材料之间的相互作用，进而能够降低锗波导层22的光吸收损耗。第一锗高掺杂区222与第二锗高掺杂区223之间具有间隙。由此，在一定程度上降低了硅/锗界面处的电场强度，从而减小探测器的暗电流。锗未掺杂区221的宽度为200nm～1μm。由此锗波导层22的宽度小于1μm，能够保证锗波导内传输的是单模波导，从而可以减小由于模式转换引起的损耗。
本申请中，通过在锗波导层22上设置锗高掺杂区，相当于在锗波导层22上设置电极，锗波导层22上的电极可以与硅波导层21上异性的电极形成PN结，从而能够增强锗波导层22内的电场强度，提高光生载流子的迁移速率，进而能够有效提高光波导探测器的带宽。
应理解为光波导探测器为接收端设备的一部分。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的创造构思的前提下，还可以做出其它变形和改进，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种光波导探测器，其特征在于，包括沿第一方向堆叠的硅衬底层、波导层、纳米氧化锌空心柱层和电极层，所述波导层位于所述硅衬底层和所述纳米氧化锌空心柱层之间，所述纳米氧化锌空心柱层位于所述波导层和所述电极层之间，
所述波导层包括硅波导层和锗波导层，所述锗波导层位于所述硅波导层和所述纳米氧化锌空心柱层之间；
所述纳米氧化锌空心柱层为纳米氧化锌柱阵列，所述纳米氧化锌柱为空心柱，所述空心柱的空心直径为30～50nm；
所述纳米氧化锌空心柱层包括第一金属过孔，所述第一金属过孔连接第一锗高掺杂区与所述电极层；
所述硅波导层包括沿第二方向排列的P型硅高掺杂区、P型硅轻掺杂区、N型硅轻掺杂区和N型硅高掺杂区，所述P型硅轻掺杂区在所述P型硅高掺杂区与所述N型硅轻掺杂区之间，所述N型硅轻掺杂区在所述P型硅轻掺杂区与所述N型硅高掺杂区之间，所述第二方向垂直于所述第一方向；
所述锗波导层包括第一锗高掺杂区和锗未掺杂区，所述锗波导层的第一表面包括所述第一锗高掺杂区的表面，所述第一表面为所述锗波导层在所述第一方向上背向所述硅波导层的表面，所述第一锗高掺杂区的宽度大于零且小于或等于所述第一表面宽度的一半，所述第一锗高掺杂区的厚度为10～100nm。
2.根据权利要求1所述的光波导探测器，其特征在于，所述第一锗高掺杂区为P型锗高掺杂区，所述第一锗高掺杂区在所述第一表面内的中心点与所述第一表面的第一边缘的距离小于或等于所述中心点与所述第一表面的第二边缘的距离，所述第一边缘为所述第一表面在所述第二方向上靠近所述P型硅高掺杂区的边缘，所述第二边缘为所述第一表面在所述第二方向上靠近所述N型硅高掺杂区的边缘。
3.根据权利要求2所述的光波导探测器，其特征在于，所述第一锗高掺杂区在所述第一表面上的且沿着所述第二方向距离所述P型硅高掺杂区最近的边缘与所述第一边缘重合。
4.根据权利要求1所述的光波导探测器，其特征在于，所述第一锗高掺杂区为N型锗高掺杂区，所述第一锗高掺杂区在所述第一表面内的中心点与所述第一表面的第一边缘的距离大于或等于所述中心点与所述第一表面的第二边缘的距离，所述第一边缘为所述第一表面在所述第二方向上靠近所述P型硅高掺杂区的边缘，所述第二边缘为所述第一表面在所述第二方向上靠近所述N型硅高掺杂区的边缘。
5.根据权利要求4所述的光波导探测器，其特征在于，所述第一锗高掺杂区在所述第一表面上的且沿着所述第二方向距离所述N型硅高掺杂区最近的边缘与所述第二边缘重合。
6.根据权利要求1所述的光波导探测器，其特征在于，所述锗波导层还包括第二锗高掺杂区，所述第一表面还包括所述第二锗高掺杂区的表面，所述第二锗高掺杂区的宽度大于零且小于或等于所述第一表面宽度的一半，所述第二锗高掺杂区的厚度为10～100nm；
所述第一锗高掺杂区为P型锗高掺杂区，所述第二锗高掺杂区为N型锗高掺杂区；所述纳米氧化锌空心柱层内还设有第二金属过孔，所述第二金属过孔连接所述第二锗高掺杂区与所述电极层。
7.根据权利要求6所述的光波导探测器，其特征在于，所述第一锗高掺杂区在所述第一表面内的中心点与所述第一表面的第一边缘的距离小于或等于所述第一锗高掺杂区在所述第一表面内的中心点与所述第一表面的第二边缘的距离；
所述第二锗高掺杂区在所述第一表面内的中心点与所述第一表面的第一边缘的距离大于或等于与所述第二锗高掺杂区在所述第一表面内的中心点与所述第一表面的第二边缘的距离；
所述第一边缘为所述第一表面在所述第二方向上靠近所述P型硅高掺杂区的边缘，所述第二边缘为所述第一表面在所述第二方向上靠近所述N型硅高掺杂区的边缘。
8.根据权利要求7所述的光波导探测器，其特征在于，所述第一锗高掺杂区在所述第一表面上的且沿着所述第二方向距离所述P型硅高掺杂区最近的边缘与所述第一边缘重合，所述第二锗高掺杂区3在所述第一表面上的且沿着所述第二方向距离所述N型硅高掺杂区最近的边缘与所述第二边缘重合。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的光波导探测器，其特征在于，所述第一锗高掺杂区与所述第二锗高掺杂区之间具有间隙。
10.根据权利要求9所述的光波导探测器，其特征在于，所述锗未掺杂区的宽度为200nm～1μm。
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