CN109860327A - 基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管 - Google Patents

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张博健
许凯
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Abstract

本发明公开了一种基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管及其制造方法，该雪崩光电二极管是在正入射式雪崩光电二极管的衬底背面或背入射式雪崩光电二极管的正面，叠层一由多层SiO2介质膜和TiO2介质膜交替构成的一维光子晶体宽谱全反射器。该一维光子晶体宽谱全反射器将入射光中的未被吸收层吸收的光反射回雪崩光电二极管中的吸收层再次吸收。相比于现有的雪崩光电二极管，本发明通过增加一维光子晶体宽谱全反射器，使在不影响器件电学特性的同时，例如：不影响器件的频率响应，对于所有光通信波段1310～1675nm的不同角度的入射光，将未被吸收层吸收的光反射回器件进入吸收层进行二次吸收，增加器件的量子效率与响应度，提升器件约50％的性能。

Description

基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，具体涉及一种基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管及其制造方法。
背景技术
随着光电技术的发展，高频率、低噪声和高灵敏度的雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiodes，APD)越来越多地被应用于高比特率、长距离传输的光纤通信系统。其中InGaAs/InP吸收、渐变、电荷、倍增(Separate Absorption,Grading，Charge andMultiplication，SAGCM)结构的APD探测器，其组成材料In0.53Ga0.47As禁带宽度为0.75ev，在波长为1～1.7微米范围内吸收系数达到104cm-1，其中在1550nm的下吸收系数为0.67*104cm-1。
在制造高频响应的雪崩二极管时，频率响应往往受到载流子迁移时间影响，而迁移时间受到吸收层厚度w影响。为了实现高频响应，雪崩光电二极管的吸收层的厚度受到限制，器件的量子效率达不到很高的水平，例如：10Gb/s InGaAs-InP APD的吸收层厚度w在0.8～1.0微米，这对应在1550纳米波长下的量子效率为：40～50％。
现有高频响应的雪崩二极管器件采用增加反射层的方法增强量子效率，常见方法有两种。一种是采用金属电极作为反射层，但其近红外高吸收率以及合金导致的表面不平整产生散射导致反射效率低；另一种是增加有高反射率的布拉格反射器(distributedBragg reflection，DBR)，但其结构光学厚度固定与材料限制导致高反射率谱普遍较小，很难设计出能恰好覆盖全光通信波段(1310～1675nm)的宽谱不同入射角度的全反射器。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的主要目的在于提供了一种高量子效率的基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管及其制造方法，有效的将全光通信波段(1310～1675nm)的入射光进行反射再吸收，提升雪崩光电二极管的量子效率与响应度。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管，该雪崩光电二极管是在正入射式雪崩光电二极管的衬底背面或背入射式雪崩光电二极管的正面，叠层一由多层SiO2介质膜和TiO2介质膜交替构成的一维光子晶体宽谱全反射器。
上述方案中，该一维光子晶体宽谱全反射器包括大于等于6对SiO2介质膜和TiO2介质膜的双层介质膜周期性结构，SiO2介质膜和TiO2介质膜的周期长度L＝400nm，每层SiO2介质膜的厚度为230nm，每层TiO2介质膜的厚度为170nm，SiO2介质膜和TiO2介质膜的厚度比例为0.575:0.425。
上述方案中，该一维光子晶体宽谱全反射器将全光通信波段1310～1675nm的入射光中的未被吸收层吸收的光反射回雪崩光电二极管中的吸收层再次吸收。
上述方案中，对于正入射式雪崩光电二极管，该一维光子晶体宽谱全反射器是在正入射式雪崩光电二极管的衬底背面交替沉积多层SiO2介质膜和TiO2介质膜。从衬底背面的第一层作为1开始计数，奇数层为SiO2介质膜，偶数层为TiO2介质膜。
上述方案中，对于背入射式雪崩光电二极管，该一维光子晶体宽谱全反射器是在背入射式雪崩光电二极管的正面，交替沉积多层SiO2介质膜和TiO2介质膜。所述背入射式雪崩光电二极管的正面，为锌扩散面。从锌扩散面的第一层作为1开始计数，奇数层为SiO2介质膜，偶数层为TiO2介质膜。
上述方案中，在该一维光子晶体宽谱全反射器的双层介质膜周期性结构中，介质膜区域通过微纳加工限制在背入射式雪崩光电二极管的P面电极所在区域之内。
上述方案中，所述多层SiO2介质膜和TiO2介质膜中，包括大于等于6对SiO2介质膜和TiO2介质膜的双层介质膜周期性结构。
为达到上述目的，本发明还提供了一种制造基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管的方法，该方法是在正入射式雪崩光电二极管的衬底背面或背入射式雪崩光电二极管的正面，交替沉积多层SiO2介质膜和TiO2介质膜，形成一维光子晶体宽谱全反射器。
上述方案中，对于正入射式雪崩光电二极管，该一维光子晶体宽谱全反射器是在正入射式雪崩光电二极管的衬底背面，利用等离子体增强化学气相沉积法交替沉积大于等于6对SiO2介质膜和TiO2介质膜双层介质膜的周期性结构。从衬底背面的第一层作为1开始计数，奇数层为SiO2介质膜，偶数层为TiO2介质膜。
上述方案中，对于背入射式雪崩光电二极管，该一维光子晶体宽谱全反射器是在背入射式雪崩光电二极管的正面，利用等离子体增强化学气相沉积法交替沉积大于等于6对SiO2介质膜和TiO2介质膜的双层介质膜周期性结构。所述背入射式雪崩光电二极管的正面，为锌扩散面，该方法是从锌扩散面的第一层作为1开始计数，奇数层为SiO2介质膜，偶数层为TiO2介质膜。
上述方案中，该方法是在锌扩散面之上旋涂一层光刻胶，再利用紫外光刻和感应耦合等离子体刻蚀，将一维光子晶体宽谱全反射器的双层介质膜周期性结构中介质膜区域通过微纳加工限制在背入射式雪崩光电二极管的P面电极所在区域之内。
相比于现有的雪崩光电二极管，本发明提供的高量子效率的基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管及其制造方法，其优点在于：通过增加一维光子晶体宽谱全反射器，使在不影响器件电学特性的同时，例如：不影响器件的频率响应，对于所有光通信波段1310～1675nm的不同角度的入射光，将未被吸收层吸收的光反射回器件进入吸收层进行二次吸收，增加器件的量子效率与响应度，在原有器件基础上提升器件约50％的性能。
附图说明
图1为本发明实施例中正入射式光子晶体宽谱反射器优化的雪崩二极管的器件的结构示意图；
图2为本发明实施例中背入射式光子晶体宽谱反射器优化的雪崩二极管的器件的结构示意图；
图3为本发明实施例中一维光子晶体宽谱全反射器的在正入射时不同波段下的反射率的示意图；
图4为本发明实施例中一维光子晶体宽谱全反射器在0～15°入射角度的反射率(其中左图TE，右图TM)随波长变化曲线的示意图。
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。
在制造高频响应的雪崩二极管时，较小的吸收层厚度w导致入射光部分被吸收层吸收利用，而部分光射出器件，从而存在部分的光信息没有被利用，导致了较低的量子效率:40～50％。较低的器件量子效率，导致了器件较低的响应度：0.52～0.61A/W。
而器件常采用金属电极作为反射器以提高光利用效率，但金属电极由于本身红外高吸收率以及合金导致的表面不平整产生散射导致反射效率低下，并没有很好地提升器件的量子效率。
另一种常见反射器布拉格反射器(distributed Bragg reflection，DBR)，其虽然可以达到大于0.99的高反射率，但其由于是固定光学厚度均为λ/4的周期性双层介质膜结构，往往在设定波长存在高反射，由于材料性质限制，其高反射率谱普遍较小，并且对不同角度入射光的反射率很难保证均能全反射，很难设计出能恰好覆盖全光通信波段(1310～1675nm)的宽谱全反射器。
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供了一种高量子效率的基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管及其制造方法。该雪崩光电二极管是在现有雪崩光电二极管的基础上，在正入射式雪崩光电二极管的衬底背面或者背入射式雪崩光电二极管的正面即锌扩散面，交替沉积多层SiO2介质膜和TiO2介质膜，形成一维光子晶体宽谱全反射器，该一维光子晶体宽谱全反射器将全光通信波段1310～1675nm的入射光中的未被吸收层吸收的光反射回雪崩光电二极管中的吸收层再次吸收。
本发明提供的这种高量子效率的基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管及其制造方法，其实现原理如下：
其中ηext为外量子效率，ηi为内量子效率，Rf为增透膜对入射光的反射率，α0为光进入吸收层前材料的吸收系数，d1为进入吸收层前材料的厚度，α为吸收层的吸收系数，w为吸收层厚度。
加上反射层后：
其中d2为光的在二次进入吸收层的等效长度，R为器件背面反射率。
在理想条件下，ηi＝1，Rf＝0，
ηext＝1-e(-αw)
加上反射层后：
ηext′＝1-Re(-2αw)-(1-R)(1-e(-αw))
当R＝1，即背面发生全反射：
ηext′＝1-e(-2αw)
在器件原有的基础上增加全反射层，在不计二次反射的情况下，可以看出这相当于将吸收层扩大了两倍。
在1550nm(In0.53Ga0.47As吸收系数为0.67*104cm-1)下计算外量子效率为：
ηext＝48.83％
ηext′＝73.82％
此时对应的响应度R(M＝1时)为：
性能提升比例为：
因此，相比于现有的雪崩光电二极管，本发明提供的高量子效率的基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管及其制造方法，通过增加一维光子晶体宽谱全反射器，使在不影响器件电学特性的同时，例如：不影响器件的频率响应，对于所有光通信波段1310～1675nm的入射光，将未被吸收层吸收的光反射回器件进入吸收层进行二次吸收，增加器件的量子效率与响应度，在原有器件基础上提升器件约50％的性能。
如图1和图2所示，本发明提供的基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管，是在正入射式雪崩光电二极管的衬底背面或背入射式雪崩光电二极管的正面，叠层一由多层SiO2介质膜和TiO2介质膜交替构成的一维光子晶体宽谱全反射器。该一维光子晶体宽谱全反射器将全光通信波段1310～1675nm的入射光中的未被吸收层吸收的光反射回雪崩光电二极管中的吸收层再次吸收。
在本发明实施例中，该一维光子晶体宽谱全反射器包括大于等于6对SiO2介质膜和TiO2介质膜的双层介质膜周期性结构，一般地该双层介质膜周期性结构可以包括8对共16层SiO2介质膜和TiO2介质膜，SiO2介质膜和TiO2介质膜的周期长度L＝400nm，每层SiO2介质膜的厚度为230nm，每层TiO2介质膜的厚度为170nm，SiO2介质膜和TiO2介质膜的厚度比例为0.575:0.425。
具体而言，本发明实施例是在InGaAs/InP雪崩光电二极管的芯片基础上利用SiO2和TiO2两种在近红外波段基本无吸收的材料作为一维光子晶体周期性介质薄膜的材料，制备了周期长度L＝400nm，其中SiO2介质膜和TiO2介质膜的厚度比例为0.575:0.425的一维光子晶体作为光通信波段的宽谱全反射器。在雪崩二极管的外延片的衬底面利用PECVD(Plasma Ehanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法)交替沉积SiO2 230nm每层和TiO2 170nm每层共16层。
如图1所示，图1为本发明实施例中正入射式光子晶体宽谱反射器优化的雪崩二极管的器件的结构示意图。对于正入射式雪崩光电二极管，该一维光子晶体宽谱全反射器是在正入射式雪崩光电二极管的衬底背面，利用等离子体增强化学气相沉积法交替沉积多层SiO2介质膜和TiO2介质膜。从衬底背面的第一层作为1开始计数，奇数层为SiO2介质膜，偶数层为TiO2介质膜。在本实施例中，多层SiO2介质膜和TiO2介质膜包括8对共16层SiO2介质膜和TiO2介质膜的双层介质膜周期性结构，SiO2介质膜和TiO2介质膜的厚度比例为0.575:0.425，每层SiO2介质膜的厚度为230nm，每层TiO2介质膜的厚度为170nm。
如图2所示，图2为本发明实施例中背入射式光子晶体宽谱反射器优化的雪崩二极管的器件的结构示意图。对于背入射式雪崩光电二极管，该一维光子晶体宽谱全反射器是在背入射式雪崩光电二极管的正面，即锌扩散面，利用等离子体增强化学气相沉积法交替沉积多层SiO2介质膜和TiO2介质膜。从锌扩散面的第一层作为1开始计数，奇数层为SiO2介质膜，偶数层为TiO2介质膜。在本实施例中，多层SiO2介质膜和TiO2介质膜包括8对共16层SiO2介质膜和TiO2介质膜的双层介质膜周期性结构，SiO2介质膜和TiO2介质膜的厚度比例为0.575:0.425，每层SiO2介质膜的厚度为230nm，每层TiO2介质膜的厚度为170nm。
另外，对于背入射式雪崩光电二极管，是在锌扩散面之上旋涂一层光刻胶，例如S1805光刻胶，再利用紫外光刻和感应耦合等离子体(ICP)刻蚀，将一维光子晶体宽谱全反射器的双层介质膜周期性结构中介质膜区域通过微纳加工限制在背入射式雪崩光电二极管的P面电极所在区域之内。
基于图1和图2所示的基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管，本发明实施例还提供了一种制造该基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管的方法，该方法是在正入射式雪崩光电二极管的衬底背面或背入射式雪崩光电二极管的正面，交替沉积多层SiO2介质膜和TiO2介质膜，形成一维光子晶体宽谱全反射器。
其中，对于正入射式雪崩光电二极管，该一维光子晶体宽谱全反射器是在正入射式雪崩光电二极管的衬底背面利用等离子体增强化学气相沉积法交替沉积大于等于6对SiO2介质膜和TiO2介质膜的双层介质膜周期性结构，一般地该双层介质膜周期性结构可以包括8对共16层SiO2介质膜和TiO2介质膜。从衬底背面的第一层作为1开始计数，奇数层为SiO2介质膜，偶数层为TiO2介质膜。
对于背入射式雪崩光电二极管，该一维光子晶体宽谱全反射器是在背入射式雪崩光电二极管的正面，即锌扩散面，利用等离子体增强化学气相沉积法交替沉积大于等于6对SiO2介质膜和TiO2介质膜的双层介质膜周期性结构，一般地该双层介质膜周期性结构可以包括8对共16层SiO2介质膜和TiO2介质膜。该方法是从锌扩散面的第一层作为1开始计数，奇数层为SiO2介质膜，偶数层为TiO2介质膜。
进一步地，该方法是在锌扩散面之上旋涂一层光刻胶，例如S1805光刻胶，再利用紫外光刻和感应耦合等离子体刻蚀，将一维光子晶体宽谱全反射器的双层介质膜周期性结构中介质膜区域通过微纳加工限制在背入射式雪崩光电二极管的P面电极所在区域之内。
如图3所示，图3为本发明实施例中一维光子晶体宽谱全反射器的在正入射时不同波段下的反射率的示意图。当入射光为正入射时，一维光子晶体宽谱全反射器的反射率大于99％的禁带范围为1275～1675nm完全覆盖了(1310～1675nm的通讯窗口波段)。
如图4所示，图4为本发明实施例中一维光子晶体宽谱全反射器在0～15°入射角度的反射率(其中左图TE，右图TM)随波长变化曲线的示意图。对于APD器件而言，无论是正入射式还是背入射式，光纤通讯入射光一般小于10°。在10°以内，一维光子晶体结构可以在1310～1675nm的通讯窗口波段实现全反射。
本发明提供的基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管及其制造方法，与现有雪崩光电二极管相比优点在于：通过增加一维光子晶体宽谱全反射器，使在不影响器件电学特性的同时，例如：不影响器件的频率响应，将未被吸收层吸收的全光通信波段(1310～1675nm)的不同角度的入射光反射回器件进入吸收层进而二次吸收，增加器件的量子效率与响应度，在原有器件基础上提升器件约50％的性能。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。
应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以下描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。
再者，“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
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 (15)

1.一种基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管，其特征在于，该雪崩光电二极管是在正入射式雪崩光电二极管的衬底背面或背入射式雪崩光电二极管的正面，叠层一由多层SiO2介质膜和TiO2介质膜交替构成的一维光子晶体宽谱全反射器。
2.根据权利要求1所述的基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管，其特征在于，该一维光子晶体宽谱全反射器包括大于等于6对SiO2介质膜和TiO2介质膜的双层介质膜周期性结构，SiO2介质膜和TiO2介质膜的周期长度L＝400nm，每层SiO2介质膜的厚度为230nm，每层TiO2介质膜的厚度为170nm，SiO2介质膜和TiO2介质膜的厚度比例为0.575:0.425。
3.根据权利要求1所述的基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管，其特征在于，该一维光子晶体宽谱全反射器将全光通信波段1310～1675nm的入射光中的未被吸收层吸收的光反射回雪崩光电二极管中的吸收层再次吸收。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管，其特征在于，对于正入射式雪崩光电二极管，该一维光子晶体宽谱全反射器是在正入射式雪崩光电二极管的衬底背面交替沉积多层SiO2介质膜和TiO2介质膜。
5.根据权利要求4所述的基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管，其特征在于，从衬底背面的第一层作为1开始计数，奇数层为SiO2介质膜，偶数层为TiO2介质膜。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管，其特征在于，对于背入射式雪崩光电二极管，该一维光子晶体宽谱全反射器是在背入射式雪崩光电二极管的正面交替沉积多层SiO2介质膜和TiO2介质膜。
7.根据权利要求6所述的基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管，其特征在于，所述背入射式雪崩光电二极管的正面，为锌扩散面，从锌扩散面的第一层作为1开始计数，奇数层为SiO2介质膜，偶数层为TiO2介质膜。
8.根据权利要求7所述的基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管，其特征在于，在该一维光子晶体宽谱全反射器的双层介质膜周期性结构中，介质膜区域通过微纳加工限制在背入射雪崩光电二极管的P面电极所在区域之内。
9.根据权利要求4或6所述的基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管，其特征在于，所述多层SiO2介质膜和TiO2介质膜中，包括大于等于6对SiO2介质膜和TiO2介质膜的双层介质膜周期性结构。
10.一种制造权利要求1至9中任一项所述的基于光子晶体宽谱全反射器优化的雪崩光电二极管的方法，该方法是在正入射式雪崩光电二极管的衬底背面或背入射式雪崩光电二极管的正面，交替沉积多层SiO2介质膜和TiO2介质膜，形成一维光子晶体宽谱全反射器。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，对于正入射式雪崩光电二极管，该一维光子晶体宽谱全反射器是在正入射式雪崩光电二极管的衬底背面，利用等离子体增强化学气相沉积法交替沉积大于等于6对SiO2介质膜和TiO2介质膜的双层介质膜周期性结构。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，从衬底背面的第一层作为1开始计数，奇数层为SiO2介质膜，偶数层为TiO2介质膜。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，对于背入射式雪崩光电二极管，该一维光子晶体宽谱全反射器是在背入射式雪崩光电二极管的正面，利用等离子体增强化学气相沉积法交替沉积大于等于6对SiO2介质膜和TiO2介质膜的双层介质膜周期性结构。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述背入射式雪崩光电二极管的正面，为锌扩散面，该方法是从锌扩散面的第一层作为1开始计数，奇数层为SiO2介质膜，偶数层为TiO2介质膜。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，该方法是在锌扩散面之上旋涂一层光刻胶，再利用紫外光刻和感应耦合等离子体刻蚀，将一维光子晶体宽谱全反射器的双层介质膜周期性结构中介质膜区域通过微纳加工限制在背入射式雪崩光电二极管的P面电极所在区域之内。
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CN111739952A (zh) * 2020-06-18 2020-10-02 武汉光迅科技股份有限公司 光探测器及制作方法
CN112582495A (zh) * 2020-12-03 2021-03-30 无锡中微晶园电子有限公司 红外增强型硅基光电探测器

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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