CN111029422B - 一种基于高阶模的光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高阶模的光电探测器，涉及光电探测技术领域，基于高阶模的光电探测器包括探测器本体和模式转换器，探测器本体包括硅衬底，模式转换器设于所述硅衬底一侧，用于将光电探测器的入射光的基模转换为高阶模式后传输给所述硅衬底。本发明提供的基于高阶模的光电探测器，提高了光电探测器的饱和吸收阈值，减少光与金属通孔的相互作用，提高器件线性度和响应度，增加器件带宽。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，具体涉及一种基于高阶模的光电探测器。
背景技术
硅基光子芯片具备与标准半导体工艺兼容，成本低，集成度高的优点，逐渐被业界广泛采用。在光通信领域，硅基光子的接收端通常使用到的器件为波导型锗硅光电探测器。
目前的波导型锗硅光电探测器都是采用基模的模式入射，由于基模的模场在波导中心很强，所以容易导致锗吸收区局域达到饱和吸收，劣化器件的线性度、响应度和带宽。
同时，波导型锗硅光电探测器一般是左右对称结构，当采用基模的模式入射时，吸收区上金属通孔正好置于光场分布最强处，光与吸收区上金属通孔相互作用会降低有效光电流的产生，进一步劣化器件性能。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于高阶模的光电探测器，提高光电探测器的饱和吸收阈值，减少光与金属通孔的相互作用，提高器件线性度和响应度，增加器件带宽。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于高阶模的光电探测器，包括：
探测器本体，其包括硅衬底；
模式转换器，其设于所述硅衬底一侧，用于将光电探测器的入射光的基模转换为高阶模式后传输给所述硅衬底。
在上述技术方案的基础上，所述模式转换器为沿入射光传输方向左右对称的结构，所述模式转换器将入射光的基模转换为高阶偶数阶模式。
在上述技术方案的基础上，所述模式转换器为沿入射光传输方向左右非对称的结构，所述模式转换器将入射光的基模转换为高阶奇数或偶数阶模式。
在上述技术方案的基础上，所述模式转换器由多段梯形波导连接组合而成，或者为宽度连续变化的波导结构。
在上述技术方案的基础上，所述模式转换器的厚度大于等于所述硅衬底的厚度。
在上述技术方案的基础上，所述探测器本体还包括：
轻掺杂硅区，其设于所述硅衬底中，所述轻掺杂硅区由所述硅衬底的表面掺杂扩散至硅衬底内部；
至少一重掺杂硅区，其设于所述轻掺杂硅区中，所述重掺杂硅区由轻掺杂硅区表面掺杂扩散至轻掺杂硅区内部；
锗吸收区，其设于所述轻掺杂硅区上，且所述锗吸收区在所述轻掺杂硅区上的投影面为方形结构或者等腰梯形结构；
外延硅区，其环绕并覆盖于所述锗吸收区上；
外延硅掺杂区，其设于所述外延硅区中，所述外延硅掺杂区由所述外延硅区的表面掺杂扩散至所述外延硅区底部；
与所述重掺杂硅区数量相同的第一电极，其对应设于一所述重掺杂硅区上；
第二电极，其设于所述外延硅掺杂区上。
在上述技术方案的基础上，所述模式转换器的出口宽度为所述锗吸收区的宽度的0.5至1.5倍。
在上述技术方案的基础上，所述探测器本体包括两个重掺杂硅区和两个第一电极，且所述第一电极对应设于一个重掺杂硅区上，且所述第一电极在所述硅衬底上的投影面积小于所述重掺杂硅区在所述硅衬底上的投影面积。
在上述技术方案的基础上，所述重掺杂硅区在所述硅衬底上的投影面积小于所述轻掺杂硅区在所述硅衬底上的投影面积。
在上述技术方案的基础上，所述探测器本体为沿入射光传输方向左右对称的结构。与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的基于高阶模的光电探测器，入射光在进入所述硅衬底之前，利用模式转换器将基模转换为高阶模式，增加了模场分布的均匀性，提高光电探测器的饱和吸收阈值，减少光与金属通孔的相互作用，提高器件线性度和响应度，增加器件带宽。
附图说明
图1为本发明实施例一中基于高阶模的光电探测器的俯视图；
图2为图1中沿A-A方向的截面图；
图3为本发明实施例二中基于高阶模的光电探测器的俯视图。
图中：1-模式转换器，2-硅衬底，3-轻掺杂硅区，4-重掺杂硅区，5-锗吸收区，6-外延硅区，7-外延硅掺杂区，8-第一电极，9-第二电极。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明中各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。需要指出的是，所有附图均为示例性的表示。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例一
参见图1和图2所示，本发明实施例提供一种基于高阶模的光电探测器包括：探测器本体和模式转换器1。
探测器本体包括硅衬底2；模式转换器1设于所述硅衬底2一侧，用于将光电探测器的入射光的基模转换为高阶模式后传输给所述硅衬底2。
优选地，在本发明实施例中，所述模式转换器1为沿入射光传输方向左右对称的结构，所述模式转换器1将入射光的基模转换为高阶偶数阶模式，结构简单，效果较好。
更进一步地，在本发明实施例中，所述模式转换器1由多段梯形波导连接组合而成，或者为宽度连续变化的波导结构，根据实际情况选择即可。
更进一步地，在本发明实施例中，所述模式转换器1的厚度大于等于所述硅衬底2的厚度，可以使得入射光可以更多的进入锗吸收区5，有利于提高吸收率。作为一种较好的实施方式，所述探测器本体还包括轻掺杂硅区3、至少一重掺杂硅区4、锗吸收区5、外延硅区6、外延硅掺杂区7、第一电极8和第二电极9。
轻掺杂硅区3设于所述硅衬底2中，所述轻掺杂硅区3由所述硅衬底2的表面掺杂扩散至硅衬底2内部；重掺杂硅区4设于所述轻掺杂硅区3中，所述重掺杂硅区4由轻掺杂硅区3表面掺杂扩散至轻掺杂硅区3内部；锗吸收区5设于所述轻掺杂硅区3上，且所述锗吸收区5在所述轻掺杂硅区3上的投影面为方形结构或者等腰梯形结构；外延硅区6环绕并覆盖于所述锗吸收区5上；外延硅掺杂区7设于所述外延硅区6中，所述外延硅掺杂区7由所述外延硅区6的表面掺杂扩散至所述外延硅区6底部；第一电极8与所述重掺杂硅区4数量相同的，对应设于一所述重掺杂硅区4上；第二电极9设于所述外延硅掺杂区7上。
在本发明实施例中，探测器本体的结构可以多种多样，根据实际情况选取即可。
优选地，在本发明实施例中，所述模式转换器1的出口宽度为所述锗吸收区5的宽度的0.5至1.5倍。
优选地，在本发明实施例中，所述探测器本体包括两个重掺杂硅区4和两个第一电极8，且所述第一电极8对应设于一个重掺杂硅区4上，且所述第一电极8在所述硅衬底2上的投影面积小于所述重掺杂硅区4在所述硅衬底2上的投影面积。
在本发明实施例中，基于高阶模的光电探测器可以为单电极形式，也可以为双电极形式，在实际应用中，根据实际情况选取即可，在此不做限定。
优选地，在本发明实施例中，所述重掺杂硅区4在所述硅衬底2上的投影面积小于所述轻掺杂硅区3在所述硅衬底2上的投影面积。
优选地，在本发明实施例中，所述探测器本体为沿入射光传输方向左右对称的结构，结构简单，设计更方便。
本发明实施例一的基于高阶模的光电探测器的工作原理为：
基模的入射光经过左右对称的所述模式转换器1后，在模式转换器1的出射端转换为高阶偶数阶模式，转换的高阶模进入硅衬底2，然后进入锗吸收区5，在锗吸收区5内完成光电转换，生成电子空穴；产生的电子或空穴在电场作用下分别进入轻掺杂硅3和外延硅掺杂区7；其中进入轻掺杂硅3的电子或空穴再在电场作用下进入重掺杂硅4，然后被重掺杂硅4上的第一电极8收集；而进入外延硅掺杂区7的空穴或者电子，被所述外延硅掺杂区7的第二电极9收集。
本发明实施例的基于高阶模的光电探测器，入射光在进入所述硅衬底2之前，利用模式转换器1将基模转换为高阶模式，增加了模场分布的均匀性，提高光电探测器的饱和吸收阈值，减少光与金属通孔的相互作用，提高器件线性度和响应度，增加器件带宽。
实施例二
本发明实施例与实施例一的区别在于：所述模式转换器1为沿入射光传输方向左右非对称的结构，所述模式转换器1将入射光的基模转换为高阶奇数或偶数阶模式。
本发明实施例二的基于高阶模的光电探测器的工作原理为：
基模的入射光经过左右不对称的模式转换器1后，在模式转换器1的出射端转换为高阶奇数或偶数阶模式；转换的高阶模进入硅衬底2，然后进入锗吸收区5，在锗吸收区5内完成光电转换，生成电子空穴；产生的电子或空穴在电场作用下分别进入轻掺杂硅3和外延硅掺杂区7；其中进入轻掺杂硅3的电子或空穴再在电场作用下进入重掺杂硅4，然后被重掺杂硅4上的第一电极8收集；而进入外延硅掺杂区7的空穴或者电子，被外延硅掺杂区7上的第二电极9收集。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种基于高阶模的光电探测器，其特征在于，包括：
探测器本体，其包括硅衬底(2)；
模式转换器(1)，其设于所述硅衬底(2)一侧，用于将光电探测器的入射光的基模转换为高阶模式后传输给所述硅衬底(2)，所述模式转换器(1)的厚度大于等于所述硅衬底(2)的厚度；
所述探测器本体还包括：
轻掺杂硅区(3)，其设于所述硅衬底(2)中，所述轻掺杂硅区(3)由所述硅衬底(2)的表面掺杂扩散至硅衬底(2)内部；
至少一重掺杂硅区(4)，其设于所述轻掺杂硅区(3)中，所述重掺杂硅区(4)由轻掺杂硅区(3)表面掺杂扩散至轻掺杂硅区(3)内部；
锗吸收区(5)，其设于所述轻掺杂硅区(3)上，且所述锗吸收区(5)在所述轻掺杂硅区(3)上的投影面为方形结构或者等腰梯形结构；
外延硅区(6)，其环绕并覆盖于所述锗吸收区(5)上；
外延硅掺杂区(7)，其设于所述外延硅区(6)中，所述外延硅掺杂区(7)由所述外延硅区(6)的表面掺杂扩散至所述外延硅区(6)底部；
与所述重掺杂硅区(4)数量相同的第一电极(8)，其对应设于一所述重掺杂硅区(4)上；
第二电极(9)，其设于所述外延硅掺杂区(7)上；
所述模式转换器(1)的出口宽度为所述锗吸收区(5)的宽度的0.5至1.5倍。
2.如权利要求1所述的基于高阶模的光电探测器，其特征在于：所述模式转换器(1)为沿入射光传输方向左右对称的结构，所述模式转换器(1)将入射光的基模转换为高阶偶数阶模式。
3.如权利要求1所述的基于高阶模的光电探测器，其特征在于：所述模式转换器(1)为沿入射光传输方向左右非对称的结构，所述模式转换器(1)将入射光的基模转换为高阶奇数或偶数阶模式。
4.如权利要求1所述的基于高阶模的光电探测器，其特征在于：所述模式转换器(1)由多段梯形波导连接组合而成，或者为宽度连续变化的波导结构。
5.如权利要求1所述的基于高阶模的光电探测器，其特征在于：所述探测器本体包括两个重掺杂硅区(4)和两个第一电极(8)，所述第一电极(8)对应设于一个重掺杂硅区(4)上，且所述第一电极(8)在所述硅衬底(2)上的投影面积小于所述重掺杂硅区(4)在所述硅衬底(2)上的投影面积。
6.如权利要求1所述的基于高阶模的光电探测器，其特征在于：所述重掺杂硅区(4)在所述硅衬底(2)上的投影面积小于所述轻掺杂硅区(3)在所述硅衬底(2)上的投影面积。
7.如权利要求1所述的基于高阶模的光电探测器，其特征在于：所述探测器本体为沿入射光传输方向左右对称的结构。
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