CN106328751A - 硅基锗光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基锗光电探测器，包括由上至下依次层叠的光波导层、硅氧化层和硅衬底，所述光波导层包括沿着光信号的传播方向依次分布的光耦合区、平面光波导区和光输出区，所述光耦合区上形成有用于接收光信号并将所述光信号引导至所述平面光波导区的耦合光栅；所述硅基锗光电探测器还包括叠在所述光输出区上的锗层、叠在所述锗层上的硅覆盖层、形成在所述硅覆盖层上的第一电极和形成在所述光输出区上的第二电极，所述锗层接收来自所述光输出区的光信号并将所述光信号转换为电信号。通过引入硅覆盖层，大大提高了带宽，同时大大降低了器件的暗电流，使器件的综合性能指标得到提高，能更好地满足高速光通信和光互连系统的要求。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，尤其涉及一种硅基锗光电探测器。
背景技术
在半导体光电探测器中，光电探测器暴露于光源时经由探测材料吸收光能并转换成电子信号而输出电流，可通过此用于光通讯及光探测。
作为硅基光电集成技术中的重要代表之一的硅基锗光电探测器，经过几十年的发展，在结构上不断优化，性能进一步提高。根据其光的入射角度，光电探测器可分为垂直入射(自由空间)和边入射(波导集成)这两种类型。其中波导集成的光电探测器由于光的传播和吸收沿着波导方向，而载流子输运则沿着与之相垂直的方向，因此在保持吸收区厚度不变的前提下，可以通过增大吸收长度来提高器件的响应度。
近年来，各种高性能指标的波导集成的硅基锗光电探测器不断被提出，部分性能指标已经达到了商用三五族探测器的水平。比如现有对接耦合的Ge波导探测器，其能在零偏压下很好地工作在40Gb/s的光纤传输系统中，响应度0.8A/W，但是器件的暗电流比较大，在-1V下的暗电流达4μA，器件的暗电流密度达80A/cm2；又比如采用电感耦合的Ge探测器，通过引入电感结构来改变器件的等效电路，从而提高RC时间常数限制的3dB带宽，其3dB带宽达到60GHz，但是器件的暗电流也比较大，在-2V偏压下的暗电流是3μA。总之，在目前所知波导集成的硅基锗光电探测器中，暂未有器件能够在抑制暗电流的前提下提高带宽，难以从整体上提高器件的综合性能指标。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种硅基锗光电探测器，旨在提高其综合性能指标，以满足硅基集成高速光通信和光互连系统的要求。
为实现上述目的，本发明提供一种硅基锗光电探测器，包括由上至下依次层叠的光波导层、硅氧化层和硅衬底，所述光波导层包括沿着光信号的传播方向依次分布的光耦合区、平面光波导区和光输出区，所述光耦合区上形成有用于接收光信号并将所述光信号引导至所述平面光波导区的耦合光栅；所述硅基锗光电探测器还包括叠在所述光输出区上的锗层、叠在所述锗层上的硅覆盖层、形成在所述硅覆盖层上的第一电极和形成在所述光输出区上的第二电极，所述锗层接收来自所述光输出区的光信号并将所述光信号转换为电信号。
优选地，所述硅覆盖层为N型半导体层，所述光输出区为P型半导体层。
优选地，所述光波导层还包括自所述光输出区的端面沿着光信号的传播方向延伸出的光反射区，所述光反射区上形成有用于将未被所述锗层吸收的光信号反射至所述光输出区的反射光栅。
优选地，所述反射光栅为布拉格反射光栅。
优选地，所述硅覆盖层上设有若干间隔排布的第一电极通孔，所述光输出区上设有若干间隔排布的第二电极通孔，所述第一电极插入所述第一电极通孔内，所述第二电极插入所述第二电极通孔内，并且所述第一电极通孔和所述第二电极通孔内分别填充有接触材料。
优选地，所述第一电极通孔为圆形孔，或者所述第一电极通孔和所述第二电极通孔均为圆形孔。
优选地，所述接触材料为掺杂铝的氮化钽。
优选地，所述第二电极分布在所述硅覆盖层的相对两侧，所述第一电极与两所述第二电极之间分别通过一片上电阻连接。
优选地，所述耦合光栅为全刻蚀光栅、浅刻蚀光栅、均匀光栅和二元闪耀光栅中的一种。
优选地，所述硅覆盖层、锗层、光波导层、硅氧化层和硅衬底结合形成堆叠结构，所述硅基锗光电探测器还包括形成在所述堆叠结构的表面上的保护层。
本发明所提供的一种硅基锗光电探测器，先通过光耦合区将光信号耦合进平面光波导区，再通过平面光波导区将光信号引导至光输出区，最后通过倏逝波耦合的方式将光信号耦合进锗层，从而产生光电效应，实现光信号到电信号的转换；由于使用硅覆盖层，一方面可将其与金属电极之间的接触电阻大大降低，从而降低了RC时间常数对带宽的限制，另一方面通过堆叠形成的异质结结构增强内建电场，从而进一步提高了带宽，而通过引入硅覆盖层，还可以钝化和保护锗材料的表面，降低器件的暗电流，从而提高了器件的综合性能指标，能更好地满足高速光通信和光互连系统的要求。
附图说明
图1为本发明的硅基锗光电探测器一实施例的结构示意图；
图2为本发明的硅基锗光电探测器中的光耦合部分的结构示意图；
图3为本发明的硅基锗光电探测器中的光电信号转换主体的结构示意图；
图4为本发明的硅基锗光电探测器中的光信号传播路径示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种硅基锗光电探测器，参见图1至图3，在一实施例中，该硅基锗光电探测器包括由上至下依次层叠的光波导层120、硅氧化层110和硅衬底100，其中硅衬底100为由硅材料制成的绝缘体，可以通过在硅衬底100上生长出硅氧化层110，比如硅氧化层110的构成材料为二氧化硅，当然也可以是其他任意适用的化合物半导体材料，同理，在硅氧化层110上生长出光波导层120，光波导层120为形成在硅氧化层110上的硅结构，用于接收光信号并对光信号的传播方向进行引导，本发明的器件采用硅基材料实现，与CMOS工艺兼容，成本更低。本实施例中，光波导层120的几何形状是任意的，可以根据器件的实际应用选择对应的几何形状，比如片形、条形或脊形波导结构，如图1所示，选择楔形波导结构进行模式转换。
具体地，光波导层120包括沿着光信号的传播方向依次分布的光耦合区121、平面光波导区122和光输出区123，其中光耦合区121上形成有用于接收光信号并将光信号引导至平面光波导区122的耦合光栅1211，该耦合光栅1211可以通过在光耦合区121的硅片上刻蚀形成，根据光信号的入射方式可以选择对应的光栅结构，比如耦合光栅1211为全刻蚀光栅、浅刻蚀光栅、均匀光栅和二元闪耀光栅中的一种，如图2所示，光纤200以一定大小的入射角度将光信号入射至耦合光栅1211上，d为耦合光栅1211的刻蚀深度，g为耦合光栅1211的刻蚀宽度，γ为耦合光栅1211的脊宽度，则耦合光栅1211的光栅周期T＝g+γ，光栅占空比x＝g/T＝g/(g+γ)，其中占空比定义为每个光栅周期内被刻蚀区域与光栅周期的比值，可以通过控制T、x、d等参数控制光栅的耦合效率和光谱宽度等参数，使光纤200与耦合光栅1211之间的光信号传输稳定可靠。
此外，该硅基锗光电探测器还包括叠在光输出区123上的锗层130、叠在锗层130上的硅覆盖层140、形成在硅覆盖层140上的第一电极150和形成在光输出区123上的第二电极160，其中第一电极150可以是器件的阳极，而第二电极160是器件的阴极，锗层130接收来自光输出区123的光信号并将该光信号转换为电信号，可以通过在光输出区123的表面上生长锗材料而形成锗层130，比如该锗层130为I型半导体层，而硅覆盖层140可以通过化学气相沉积的方式来生长形成，当然还可以选择其他任意适用的制作工艺形成锗层130和硅覆盖层140，本发明对此不作限制。本实施例中，到达光输出区123的光信号可以通过倏逝波耦合的方式进入锗层130并被锗层130吸收，从而产生光电效应，完成光信号到电信号的转换，最后通过第一电极150和第二电极160输出电信号。由于使用硅覆盖层140，一方面可将其与金属电极(第一电极150)之间的接触电阻大大降低，从而降低了RC时间常数对带宽的限制，另一方面通过堆叠形成的异质结结构增强内建电场，从而进一步提高了带宽，而通过引入硅覆盖层140，还可以钝化和保护锗材料的表面，降低器件的暗电流，从而提高了器件的综合性能指标，能更好地满足高速光通信和光互连系统的要求。
结合图3，在可选实施方式中，硅覆盖层140为N型半导体层，光输出区123为P型半导体层，比如对锗层130上方的硅覆盖层140掺杂来获得N型区，对光输出区123掺杂来获得P型区，从而形成垂直的PIN结构。通过采用波导集成的结构，可以克服光信号垂直入射时光电探测器的量子效率和带宽之间的制约关系，在获得高带宽的同时，保证了较高的响应度。另外，通过采用PIN结构，使得加工工艺简单和器件偏置电压小。
参见图3，在另一实施例中，光波导层120还包括自光输出区123的端面沿着光信号的传播方向延伸出的光反射区124，可以理解的是，为了便于形成光发射区124，硅衬底100和硅氧化层110的端面分别往光反射区124的延伸方向延伸出一与该光反射区124等长的延伸部，相当于由光波导层120、硅氧化层110和硅衬底100结合形成的堆叠结构的一端整体延伸出一段，并且光反射区124上形成有用于将未被锗层130吸收的光信号反射至光输出区123的反射光栅1241，从而提高光信号的吸收转换效率和改善器件的响应度。其中，反射光栅1241与耦合光栅1211的结构相类似，并且在功能上具有一定相似性，用于改变光信号的传播方向，比如在光反射区124上刻蚀出反射光栅1241，本实施例优选采用布拉格反射光栅来将未被锗层130吸收的光信号反射回光输出区123，光信号重新得以吸收，从而提高器件的响应度。
另外，作为提高器件的响应度的另一实施方式，本实施例通过减小金属电极与光信号的接触面积来实现。具体地，硅覆盖层140上设有若干间隔排布的第一电极通孔(图中未示出)，光输出区123上设有若干间隔排布的第二电极通孔，第一电极150插入第一电极通孔内，第二电极160插入第二电极通孔内，并且第一电极通孔和第二电极通孔内分别填充有接触材料，比如该接触材料为掺杂铝的氮化钽，当然也可以采用其他具有低电阻率的氮化物，以使金属电极与硅覆盖层140和光输出区123充分接触，从而降低接触电阻。在实际应用时，可将第一电极通孔构造成圆形孔，或者将第一电极通孔和第二电极通孔构造成圆形孔，当然也可以构造成其他任意适用的形状，并且采用离散分布方式可大大减小金属电极与光信号的接触面积，而将各电极通孔放置在光强弱的位置还能进一步减小金属电极与光信号的接触面积，因此在实际应用时根据器件的结构布局控制电极通孔的尺寸和分布位置来提高器件的响应度。
而为了更进一步提高带宽，使得器件的综合性能指标满足高速光通信和光互连系统的要求，结合图3，第二电极160分布在硅覆盖层140的相对两侧，第一电极150与两第二电极160之间分别通过一片上电阻(图未示)连接，比如该片上电阻的电阻值为100Ω，即两个片上电阻并联后形成50Ω的匹配电阻，从而使得器件的等效电阻为50Ω，以此来减小由于阻抗不匹配而引入的高频信号的反射，从而提高带宽，同时避免了测试时需外接匹配电阻带来的复杂操作。其中片上电阻的形成方式有多种，比如采用氮化钛或其他金属材料来制作成型。需要说明的是，上述所列举的电阻值仅为举例说明，在实际应用时可根据器件的特性、参数等灵活选择，本发明对此不作限制。
另外在以上各实施例的基础上，还可以通过在器件的表面上覆盖保护材料来保护器件的表面，其中硅覆盖层140、锗层130、光波导层120、硅氧化层110和硅衬底100结合形成堆叠结构，硅基锗光电探测器还包括形成在该堆叠结构的表面上的保护层(图未示)，从而保证光信号在堆叠结构内完成传播、光电转换等。在具体应用时，可选用二氧化硅作为保护层的制作材料，比如采用化学气相沉积的方法在堆叠结构的表面上生长出保护层。
根据本发明实施例的技术方案，首先优选地减小器件本征区(即锗层130)的厚度，在保证器件响应度的同时，提高了器件理论带宽的上限；另外，在电极上增加匹配电阻，以减小由于阻抗不匹配而引入的高频信号的反射和损耗，从而提高带宽，同时也避免了测试时需外接匹配电阻带来的复杂操作；再者，由于增加硅覆盖层140，因此可以获得低的暗电流和高的带宽；最后，还通过增加反射光栅1241，改变电极通孔的形状、大小和分布方式来保证了高响应度。由此，本发明通过集各高性能指标于一体，能更好地满足高速光通信和光互连系统的要求。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种硅基锗光电探测器，其特征在于，包括由上至下依次层叠的光波导层、硅氧化层和硅衬底，所述光波导层包括沿着光信号的传播方向依次分布的光耦合区、平面光波导区和光输出区，所述光耦合区上形成有用于接收光信号并将所述光信号引导至所述平面光波导区的耦合光栅；所述硅基锗光电探测器还包括叠在所述光输出区上的锗层、叠在所述锗层上的硅覆盖层、形成在所述硅覆盖层上的第一电极和形成在所述光输出区上的第二电极，所述锗层接收来自所述光输出区的光信号并将所述光信号转换为电信号。
2.如权利要求1所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述硅覆盖层为N型半导体层，所述光输出区为P型半导体层。
3.如权利要求1所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述光波导层还包括自所述光输出区的端面沿着光信号的传播方向延伸出的光反射区，所述光反射区上形成有用于将未被所述锗层吸收的光信号反射至所述光输出区的反射光栅。
4.如权利要求3所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述反射光栅为布拉格反射光栅。
5.如权利要求1所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述硅覆盖层上设有若干间隔排布的第一电极通孔，所述光输出区上设有若干间隔排布的第二电极通孔，所述第一电极插入所述第一电极通孔内，所述第二电极插入所述第二电极通孔内，并且所述第一电极通孔和所述第二电极通孔内分别填充有接触材料。
6.如权利要求5所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述第一电极通孔为圆形孔，或者所述第一电极通孔和所述第二电极通孔均为圆形孔。
7.如权利要求5所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述接触材料为掺杂铝的氮化钽。
8.如权利要求1所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述第二电极分布在所述硅覆盖层的相对两侧，所述第一电极与两所述第二电极之间分别通过一片上电阻连接。
9.如权利要求1至8中任一项所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述耦合光栅为全刻蚀光栅、浅刻蚀光栅、均匀光栅和二元闪耀光栅中的一种。
10.如权利要求1至8中任一项所述的硅基锗光电探测器，其特征在于，所述硅覆盖层、锗层、光波导层、硅氧化层和硅衬底结合形成堆叠结构，所述硅基锗光电探测器还包括形成在所述堆叠结构的表面上的保护层。
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