CN109904274B - 一种锗硅光电探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锗硅光电探测器，该锗硅光电探测器中雪崩区层的大电场由第一Si电极、第二Si电极、第一电极结构和第二电极结构之间的电压产生，而Ge吸收区层的电场则是由第Ge电极和电荷收集区之间的电压产生，这样可以使得雪崩区层是大电场且Ge吸收区是小电场，极大程度的降低了暗电流，进而提高光电转换效率。

Description

一种锗硅光电探测器

技术领域

本发明涉及探测器技术领域，更具体地说，涉及一种锗硅光电探测器。

背景技术

雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，简称APD)作为一种弱光探测器，在光通信、激光成像和激光雷达等诸多方面都有非常重要的应用。

可见光和近红外波段(300nm-1000nm)的APD一般采用Si材料，目前已经非常成熟。在中红外波段(1.3μm-1.7μm)的APD一般采用III-V族材料，技术已经非常成熟，但成本很高，而且均匀性不好，该波段的APD阵列制作非常困难。另外，近十几年硅基光子学发展非常迅速，一方面，硅基光子学与硅基集成电路完全兼容，未来硅基光电子芯片将会非常便宜；另一方面，C+L波段(1.530μm-1.605μm)的光电子集成芯片应用市场非常大，而硅基光电子器件非常适合这一波段。

其中，III-V族材料无法与硅进行有效的单片集成，目前只能采用Ge材料。Ge材料作为硅基光电探测器的吸收层材料，已经被广泛地研究。

但Ge作为弱光探测器-雪崩光电二极管的研究才刚刚开始，目前其存在暗电流大和光电转换效率低等一系列问题。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种锗硅光电探测器，技术方案如下：

一种锗硅光电探测器，所述锗硅光电探测器包括：

基底；

设置在所述基底上的第一欧姆接触层和第二欧姆接触层，所述第一欧姆接触层和所述第二欧姆接触层之间存在第一间隔；

设置在所述基底上且位于所述第一间隔内的雪崩区层，所述雪崩区层覆盖所述第一欧姆接触层和所述第二欧姆接触层的部分表面；

设置在所述雪崩区层背离所述基底一侧的电荷收集层；

设置在所述电荷收集层背离所述雪崩区层一侧的第一电极结构和第二电极结构；

设置在所述第二间隔内的Ge吸收区层，且所述Ge吸收区层分别与所述第一电极结构和所述第二电极结构之间均存在间隔；

设置在所述Ge吸收区层背离所述电荷收集层一侧的第三欧姆接触层；

设置在所述第一欧姆接触层上的第一Si电极，和设置在所述第二欧姆接触层上的第二Si电极；

设置在所述第三欧姆接触层背离所述Ge吸收区层一侧的Ge电极，所述Ge电极为环形结构。

优选的，所述第一电极结构包括：

依次设置在所述电荷收集层背离所述雪崩区层一侧的第一接触层、第四欧姆接触层和第三Si电极。

优选的，所述第二电极结构包括：

依次设置在所述电荷收集层背离所述雪崩区层一侧的第二接触层、第五欧姆接触层和第四Si电极。

优选的，所述第一欧姆接触层、所述第二欧姆接触层、所述第四欧姆接触层和所述第五欧姆接触层均为重掺杂Si类型。

优选的，所述雪崩区层、所述第一接触层和所述第二接触层均为本征Si类型。

优选的，所述第三欧姆接触层为重掺杂Ge类型。

优选的，所述电荷收集区为轻掺杂Si类型。

优选的，所述电荷收集层划分为第一区域、第二区域和第三区域；

所述第一区域位于所述第二区域和所述第三区域之间；

其中，所述第二区域和所述第三区域的掺杂类型相同，且所述第一区域和所述第二区域的掺杂类型相反。

相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

该锗硅光电探测器中雪崩区层的大电场由第一Si电极、第二Si电极、第一电极结构和第二电极结构之间的电压产生，而Ge吸收区层的电场则是由Ge电极和电荷收集区之间的电压产生，这样可以使得雪崩区层是大电场且Ge吸收区是小电场，极大程度的降低了暗电流，进而提高光电转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种锗硅光电探测器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种锗硅光电探测器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的又一种锗硅光电探测器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的又一种锗硅光电探测器的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的又一种锗硅光电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行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种锗硅光电探测器的结构示意图，所述锗硅光电探测器包括：

基底11；

设置在所述基底11上的第一欧姆接触层12和第二欧姆接触层13，所述第一欧姆接触层12和所述第二欧姆接触层13之间存在第一间隔；

设置在所述基底11上且位于所述第一间隔内的雪崩区层14，所述雪崩区层14覆盖所述第一欧姆接触层12和所述第二欧姆接触层13的部分表面；

设置在所述雪崩区层14背离所述基底11一侧的电荷收集层15；

设置在所述电荷收集层15背离所述雪崩区层14一侧的第一电极结构16和第二电极结构17；

设置在所述第二间隔内的Ge吸收区层18，且所述Ge吸收区层18分别与所述第一电极结构16和所述第二电极结构17之间均存在间隔；

设置在所述Ge吸收区层18背离所述电荷收集层15一侧的第三欧姆接触层19；

设置在所述第一欧姆接触层12上的第一Si电极20，和设置在所述第二欧姆接触层13上的第二Si电极21；

设置在所述第三欧姆接触层19背离所述Ge吸收区层18一侧的Ge电极22，所述Ge电极22为环形结构。

在该实施例中，该锗硅光电探测器中雪崩区层的大电场由第一Si电极、第二Si电极、第一电极结构和第二电极结构之间的电压产生，而Ge吸收区层的电场则是由Ge电极和电荷收集区之间的电压产生，这样可以使得雪崩区层是大电场且Ge吸收区是小电场，极大程度的降低了暗电流，进而提高光电转换效率。

需要说明的是，如图1所示，所述锗硅光电探测器为对称结构，因此所述第一Si电极20和所述第二Si电极21也可以为环形结构，此时它们是同一个电极；所述第一电极结构16和所述第二电极结构17也可以为环形结构，此时它们是同一个结构；所述第一欧姆接触层12和所述第二欧姆接触层13也可以为环形结构，此时它们是同一个结构。

进一步的，参考图2，图2为本发明实施例提供的另一种锗硅光电探测器的结构示意图，所述第一电极结构16包括：

依次设置在所述电荷收集层15背离所述雪崩区层14一侧的第一接触层23、第四欧姆接触层24和第三Si电极25。

所述第二电极结构17包括：

依次设置在所述电荷收集层15背离所述雪崩区层14一侧的第二接触层26、第五欧姆接触层27和第四Si电极28。

进一步的，所述第一欧姆接触层12、所述第二欧姆接触层13、所述第四欧姆接触层24和所述第五欧姆接触层27均为重掺杂Si类型。

在该实施例中，其重掺杂Si的掺杂浓度可根据实际情况而定，在本发明实施例中并不作限定。

进一步的，所述雪崩区层14、所述第一接触层23和所述第二接触层26均为本征Si或轻微掺杂的Si类型。

进一步的，所述第三欧姆接触层19为重掺杂Ge类型。

在该实施例中，其重掺杂Ge的掺杂浓度可根据实际情况而定，在本发明实施例中并不作限定。

进一步的，所述电荷收集区15为轻掺杂Si类型。

在该实施例中，其轻掺杂Si的掺杂浓度可根据实际情况而定，在本发明实施例中并不作限定。

进一步的，参考图3，图3为本发明实施例提供的又一种锗硅光电探测器的结构示意图，所述电荷收集层15划分为第一区域151、第二区域152和第三区域153；

所述第一区域151位于所述第二区域152和所述第三区域153之间；

其中，所述第二区域152和所述第三区域153的掺杂类型相同，且所述第一区域151和所述第二区域152的掺杂类型相反。

在该实施例中，所述电荷收集层15存在PN结，该结构其可以加大程度的降低暗电流，提高光电转换效率。

进一步的，参考图4，图4为本发明实施例提供的又一种锗硅光电探测器的结构示意图，所述第一欧姆接触结构12和所述第二欧姆结构13为一体结构，且位于所述雪崩区层14背离所述电荷收集层15的一侧。

需要说明的是，附图4中用标号12和标号13共同表示所述第一欧姆接触结构12和所述第二欧姆结构13形成的一体结构。

需要说明的是，所述雪崩光电二极管的制作方法可以是通过掺杂工艺形成，也可以是通过外延生长形成，可根据具体的工艺情况而定，在本发明实施例中并不作限定。

那么将所述第一欧姆接触结构12和所述第二欧姆结构13为一体结构使雪崩区层下面全是一个电极，极大程度的简化了其制作工艺。

进一步的，参考图5，图5为本发明实施例提供的又一种锗硅光电探测器的结构示意图，所述锗硅光电探测器包括：

基底11；

设置在所述基底11上的第一欧姆接触层12和雪崩区层14，所述雪崩区层14覆盖所述第一欧姆接触层12的部分表面；

设置在所述第一欧姆接触层12上的第一Si电极20；

设置在所述雪崩区层14背离所述基底11一侧的电荷收集层15；

依次设置在所述电荷收集层15背离所述雪崩区层14一侧的第一接触层23、第四欧姆接触层24和第三Si电极25，且位于远离所述第一欧姆接触层12的一端；

设置在所述电荷收集层15背离所述雪崩区层14一侧的Ge吸收区层18；

设置在所述Ge吸收区层18背离所述电荷收集层15一侧的第三欧姆接触层19；

设置在所述第三欧姆接触层19背离所述Ge吸收区层18一侧的Ge电极22，所述Ge电极22为环形结构。

在该实施例中，雪崩区层14和所述锗硅光电探测器的底电极结构均位于所述Ge吸收区的下面，其同样可以实现降低暗电流的目的，且提高了光电转换效率。

以上对本发明所提供的一种锗硅光电探测器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种锗硅光电探测器，其特征在于，所述锗硅光电探测器包括：

基底；

设置在所述基底上的第一欧姆接触层和第二欧姆接触层，所述第一欧姆接触层和所述第二欧姆接触层之间存在第一间隔；

设置在所述基底上且位于所述第一间隔内的雪崩区层，所述雪崩区层覆盖所述第一欧姆接触层和所述第二欧姆接触层的部分表面；

设置在所述雪崩区层背离所述基底一侧的电荷收集层；

设置在所述电荷收集层背离所述雪崩区层一侧的第一电极结构和第二电极结构；

设置在所述第一间隔内的Ge吸收区层，且所述Ge吸收区层分别与所述第一电极结构和所述第二电极结构之间均存在间隔；

设置在所述Ge吸收区层背离所述电荷收集层一侧的第三欧姆接触层；

设置在所述第一欧姆接触层上的第一Si电极，和设置在所述第二欧姆接触层上的第二Si电极；

设置在所述第三欧姆接触层背离所述Ge吸收区层一侧的Ge电极，所述Ge电极为环形结构；

其中，所述第一电极结构包括：

依次设置在所述电荷收集层背离所述雪崩区层一侧的第一接触层、第四欧姆接触层和第三Si电极；

其中，所述第二电极结构包括：

依次设置在所述电荷收集层背离所述雪崩区层一侧的第二接触层、第五欧姆接触层和第四Si电极；

其中，所述第一欧姆接触层、所述第二欧姆接触层、所述第四欧姆接触层和所述第五欧姆接触层均为重掺杂Si类型。

2.根据权利要求1所述的锗硅光电探测器，其特征在于，所述雪崩区层、所述第一接触层和所述第二接触层均为本征Si类型。

3.根据权利要求1所述的锗硅光电探测器，其特征在于，所述第三欧姆接触层为重掺杂Ge类型。

4.根据权利要求1所述的锗硅光电探测器，其特征在于，所述电荷收集层为轻掺杂Si类型。

5.根据权利要求1所述的锗硅光电探测器，其特征在于，所述电荷收集层划分为第一区域、第二区域和第三区域；

所述第一区域位于所述第二区域和所述第三区域之间；

其中，所述第二区域和所述第三区域的掺杂类型相同，且所述第一区域和所述第二区域的掺杂类型相反。

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