CN111129202A - 一种光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开一种光电探测器，包括：硅层，所述硅层包括第一掺杂类型的掺杂区；与所述硅层接触的锗层，所述锗层包括第二掺杂类型的掺杂区；第一层波导，所述第一层波导包括设置在所述锗层上方的第一探测耦合区；第二层波导，所述第二层波导包括设置在所述锗层侧面的第二探测耦合区；其中，所述第一层波导和所述第二层波导用于传输光信号，所述第一层波导和所述第二层波导分别通过所述第一探测耦合区和所述第二探测耦合区将所述光信号耦合至所述锗层；所述锗层用于探测所述光信号，并将所述光信号转换为电信号。
Description
技术领域
本申请实施例涉及光电探测器技术领域，特别涉及一种光电探测器。
背景技术
硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料(如SiGe/Si、绝缘体上硅等)，利用现有互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。硅光子技术结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，是应对摩尔定律失效的颠覆性技术。这种结合得力于半导体晶圆制造的可扩展性，因而能够降低成本。光电探测器作为硅光子架构的核心器件之一，具有实现光信号到电信号转换的功能。但晶体硅材料的能带结构决定其在光通信波段探测效率很低，虽然III-V族半导体材料更适合用于光电探测器，但是III-V族半导体材料与硅工艺不兼容，无法与硅进行有效的单片集成；考虑到锗材料与CMOS工艺的兼容性，本领域提出了采用锗材料作为光吸收层材料而形成锗硅光电探测器的技术。然而，目前的锗硅光电探测器具有饱和吸收效应明显、响应度低等缺点，因此有待进一步的改进。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例为解决现有技术中存在的至少一个问题而提供一种光电探测器。
为达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提供一种光电探测器，包括：
硅层，所述硅层包括第一掺杂类型的掺杂区；
与所述硅层接触的锗层，所述锗层包括第二掺杂类型的掺杂区；
第一层波导，所述第一层波导包括设置在所述锗层上方的第一探测耦合区；
第二层波导，所述第二层波导包括设置在所述锗层侧面的第二探测耦合区；
其中，所述第一层波导和所述第二层波导用于传输光信号，所述第一层波导和所述第二层波导分别通过所述第一探测耦合区和所述第二探测耦合区将所述光信号耦合至所述锗层；所述锗层用于探测所述光信号，并将所述光信号转换为电信号。
在一种可选的实施方式中，所述第一层波导还包括与所述第一探测耦合区连接的第一层间耦合区；
所述第二层波导还包括与所述第二探测耦合区连接的第二层间耦合区；
所述第一层波导和所述第二层波导之间通过所述第一层间耦合区和所述第二层间耦合区的层间耦合实现光信号传递；所述第一层间耦合区和所述第二层间耦合区的光信号分别传输至所述第一探测耦合区和所述第二探测耦合区。
在一种可选的实施方式中，所述第一层波导用于接收光信号，并在所述第一层间耦合区将接收的光信号通过层间耦合传递至所述第二层波导的所述第二层间耦合区。
在一种可选的实施方式中，所述第一层间耦合区和所述第二层间耦合区之间的距离为50nm-1500nm。
在一种可选的实施方式中，沿光信号的传输方向上，所述第一层间耦合区的横截面积变小，所述第二层间耦合区的横截面积变大。
在一种可选的实施方式中，所述第一层间耦合区和所述第二层间耦合区在所述硅层上的正投影至少部分重合。
在一种可选的实施方式中，所述第二探测耦合区包括第一子探测耦合区和第二子探测耦合区，所述第一子探测耦合区和所述第二子探测耦合区分别设置在所述锗层相对的两侧；
所述第二层波导还包括位于所述第二层间耦合区和第二探测耦合区之间的分光波导区，所述分光波导区用于将从所述第二层间耦合区传输过来的光信号分为至少两路，并将其中两路光信号分别输出至所述第一子探测耦合区和所述第二子探测耦合区。
在一种可选的实施方式中，所述第一层波导还包括位于所述第一层间耦合区和所述第一探测耦合区之间的隔离波导区；所述隔离波导区和所述分光波导区在所述硅层上的正投影彼此错开，以使所述第一层波导上的光信号在传输至与所述分光波导区对应的位置处不发生与所述第二层波导之间的层间耦合。
在一种可选的实施方式中，所述第一层波导的所述第一探测耦合区的延伸方向平行于所述硅层与所述锗层的接触平面，所述第一探测耦合区与所述锗层上表面之间的距离为60nm-1000nm。
在一种可选的实施方式中，所述第二层波导的所述第二探测耦合区与所述锗层侧壁之间的距离为50nm-1000nm。
在一种可选的实施方式中，所述第一层波导和/或所述第二层波导的材料包括氮化硅。
本申请实施例提供了一种光电探测器，包括：硅层，所述硅层包括第一掺杂类型的掺杂区；与所述硅层接触的锗层，所述锗层包括第二掺杂类型的掺杂区；第一层波导，所述第一层波导包括设置在所述锗层上方的第一探测耦合区；第二层波导，所述第二层波导包括设置在所述锗层侧面的第二探测耦合区；其中，所述第一层波导和所述第二层波导用于传输光信号，所述第一层波导和所述第二层波导分别通过所述第一探测耦合区和所述第二探测耦合区将所述光信号耦合至所述锗层；所述锗层用于探测所述光信号，并将所述光信号转换为电信号。本申请实施例中设置双层波导，一层位于锗层上方，一层位于锗层侧面，从而光信号可以与锗层的多个面进行耦合，被探测的光信号通过多条耦合路径传递至探测区，降低了每条耦合路径内的光功率密度，避免了饱和吸收效应的出现，同时，无需增加探测器的探测区长度(即锗层长度)即可提高探测器的响应度。
附图说明
图1为本申请实施例提供的光电探测器的侧面剖视图；
图2为本申请实施例提供的光电探测器的一种实施方式的俯视图；
图3为本申请实施例提供的光电探测器的另一种实施方式的俯视图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本申请公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本申请的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。
在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“与……相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“与……直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本申请教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本申请必然存在第一元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本申请的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请实施例。
硅光子集成芯片中可采用兼容CMOS工艺的锗材料实现光电探测，通过在硅平板波导上形成锗层，利用锗材料吸收光子继而产生载流子。目前锗硅光电探测器结构中通常利用硅平板波导将光信号传导入结构内部，继而将携带信号的光耦合至锗层内；然而，在这种结构中，硅平板波导位于锗层的下方，锗层仅通过下表面探测光信号，由于光信号比较容易耦合至锗层，因此极易导致饱和吸收效应的出现；此外，还存在较高光功率密度的情况下容易出现非线性效应，以及硅平板波导上的掺杂区影响光信号传输等问题，导致光的传播损耗，进一步降低探测器的响应度。本领域中提出了一些其他的波导结构，但基本都面临着耦合速率和饱和吸收、耦合区长度和传输损耗难以平衡等问题；由此，需要提供一种新的波导设置方式以改善耦合效率，从而提高探测器的响应度。
为此，提出了本申请实施例的以下技术方案。
图1为本申请实施例提供的光电探测器的侧面剖视图，图2为本申请实施例提供的光电探测器的一种实施方式的俯视图，需要说明的是，图1为沿图2中虚线方向的侧面剖视图。还需要说明的是，为了示意出第一层波导和第二层波导的上下层位置关系，图2虚线框内的结构未采用填充的形式，应将图2虚线框内结构的材料理解为和其他结构的材料相同；此外，为了更加清晰地示出波导结构，图2虚线框内结构与虚线框外结构的比例尺可能不同(例如，虚线框内结构在图中横向方向进行了放大)，因此，图中结构尺寸或比例大小不应理解为对本申请中对应特征的限制。其中，L1表示第一层波导，L2表示第二层波导。L1和L2仅用于示意第一层波导和第二层波导，不用于限制本申请第一层波导和第二层波导的形状和长度。
如图1和图2所示，本申请实施例提供的光电探测器，包括：
硅层110，所述硅层110包括第一掺杂类型的掺杂区111；
与所述硅层110接触的锗层120，所述锗层120包括第二掺杂类型的掺杂区121；
第一层波导130，所述第一层波导130包括设置在所述锗层120上方的第一探测耦合区131；
第二层波导140，所述第二层波导140包括设置在所述锗层120侧面的第二探测耦合区141；
其中，所述第一层波导130和所述第二层波导140用于传输光信号，所述第一层波导130和所述第二层波导140分别通过所述第一探测耦合区131和所述第二探测耦合区141将所述光信号耦合至所述锗层120；所述锗层120用于探测所述光信号，并将所述光信号转换为电信号。
在本申请实施例中，所述光电探测器还包括：衬底，所述衬底可以为单质半导体材料衬底(例如为硅(Si)衬底、锗(Ge)衬底等)、复合半导体材料衬底(例如为锗硅(SiGe)衬底等)，或绝缘体上硅(SOI)衬底、绝缘体上锗(GeOI)衬底等。本申请实施例以衬底为SOI衬底为例进行说明，所述光电探测器还包括底层衬底150，所述底层衬底150例如为底层硅材料；在所述底层衬底150上具有埋氧层(图中未示出)；所述硅层110形成在所述埋氧层上。所述锗层120形成在所述硅层110上，所述第一探测耦合区131设置在所述锗层120的上方，所述第二探测耦合区141沿所述锗层120的至少三个侧壁的延伸方向围绕所述锗层120设置，且所述第一探测耦合区131、所述第二探测耦合区141与所述锗层120之间具有二氧化硅材料，所述第一探测耦合区131、所述第二探测耦合区141与所述硅层110之间具有二氧化硅材料。如图1所示，所述二氧化硅材料160覆盖所述硅层110和所述锗层120，所述第一探测耦合区131和所述第二探测耦合区141设置在所述二氧化硅材料160中，并与所述硅层110和所述锗层120各间隔一定距离，所述二氧化硅材料用于支撑和固定所述第一探测耦合区131和所述第二探测耦合区141，且所述二氧化硅材料具有较低的折射率，从而可以对传输的光信号进行光约束。
在本申请实施例中，通过设置所述第一层波导130和所述第二层波导140，所述第一探测耦合区131位于锗层120上方，所述第二探测耦合区141位于锗层的侧面，从而光信号可以与锗层120的多个面进行耦合，如此，被探测的光信号可以通过多条耦合路径传递至探测区，降低了每条耦合路径内的光功率密度，既能够保证光信号从波导到锗层120的高耦合效率，又能够使得光信号均匀分布在锗层120中，从而能够避免锗层120局部光场较强造成的光生载流子堆积形成的探测器过早饱和现象；可以理解的是，耦合效率越高，耦合进入锗层120中的光子数就越多，这样仅需要较短的探测区就可以实现高响应速度，因此无需增加探测器的探测区的长度，既避免了器件尺寸过大，又抑制了传输损耗。需要说明的是，探测耦合区长度等于所述锗层120的长度。
在本申请实施例中，所述第一探测耦合区131和所述第二探测耦合区141不仅用于实现光信号的传播与变向，且与所述锗层120发生耦合作用，从而形成内建电场，产生载流子。
所述第一层波导130和/或所述第二层波导140的材料包括氮化硅。
在本申请实施例中，所述第一层波导130和所述第二层波导140的材料为氮化硅，由于氮化硅的折射率和锗的折射率的差较大，基于模式耦合理论可知，光信号从波导进入锗层较缓慢，进一步防止出现饱和吸收效应。此外，使用低非线性氮化硅材料作为传输光波导，氮化硅波导不会出现双光子吸收效应，且氮化硅波导支持高光功率密度、大光学带宽的低损耗光传输。
在一个可选实施例中，所述第一层波导130和所述第二层波导140之间通过层间耦合实现光信号传递；具体地，
所述第一层波导130还可以包括与所述第一探测耦合区131连接的第一层间耦合区132；
所述第二层波导140还可以包括与所述第二探测耦合区141连接的第二层间耦合区142；
所述第一层波导130和所述第二层波导140之间通过所述第一层间耦合区132和所述第二层间耦合区142的层间耦合实现光信号传递；所述第一层间耦合区132和所述第二层间耦合区142的光信号分别传输至所述第一探测耦合区131和所述第二探测耦合区142。
如此，在本实施例中，如图2所示，所述光电探测器具体包括：硅层110，所述硅层110包括第一掺杂类型的掺杂区111；与所述硅层110接触的锗层120，所述锗层120包括第二掺杂类型的掺杂区121；第一层波导130，所述第一层波导130包括第一探测耦合区131和第一层间耦合区132，所述第一探测耦合区131设置在所述锗层120上方，所述第一层间耦合区132与所述第一探测耦合区131连接；第二层波导140，所述第二层波导140包括第二探测耦合区141和第二层间耦合区142，所述第二探测耦合区141设置在所述锗层120侧面，所述第二层间耦合区142与所述第二探测耦合区141连接；其中，所述第一层波导130和所述第二层波导140用于传输光信号，所述第一层波导130和所述第二层波导140之间通过所述第一层间耦合区132和所述第二层间耦合区142的层间耦合实现光信号传递；所述第一层间耦合区132和所述第二层间耦合区142分别将光信号传输至所述第一探测耦合区131和所述第二探测耦合区142；所述第一层波导130和所述第二层波导140分别通过所述第一探测耦合区131和所述第二探测耦合区141将所述光信号耦合至所述锗层120；所述锗层120用于探测所述光信号，并将所述光信号转换为电信号。
可以理解地，由于所述第一层波导130和所述第二层波导140之间通过层间耦合将接收到的(即需要被探测的)光信号进行了上、下层分光，如此，在被探测的光信号的总量不变的情况下，每层波导内传输的光功率密度得到了降低，从而在所述第一探测耦合区131和所述第二探测耦合区141的位置处可以更有效地将光信号耦合至所述锗层120。
所述第一层波导130和所述第二层波导140中的一个波导用于从所述光电探测器外部接收光信号，然后通过层间耦合将光信号传递给另一波导。
在一个可选实施例中，所述第一层波导130用于接收光信号，并在所述第一层间耦合区132将接收的光信号通过层间耦合传递至所述第二层波导140的所述第二层间耦合区142。
在本实施例中，如图2所示，光信号进入所述第一层波导130后，所述光信号经由所述第一层间耦合区132耦合进入所述第二层波导140的所述第二层间耦合区142，所述第一层间耦合区132经层间耦合后剩余的光信号传输至所述第一探测耦合区131，所述第二层间耦合区142经层间耦合后得到的光信号传输至所述第二探测耦合区142。
在一个可选实施例中，沿光信号的传输方向上，所述第一层间耦合区132的横截面积变小，所述第二层间耦合区142的横截面积变大。
在本实施例中，如图2所示，所述第一层间耦合区132和所述第二层间耦合区142例如为倒锥形波导，所述第一层间耦合区132(沿垂直于光信号传输方向上)的横截面积沿光信号传输方向变小；所述第二层间耦合区142(沿垂直于光信号传输方向上)的横截面积沿光信号传输方向变大。光信号进入所述第一层间耦合区132后，光信号的模场随着所述第一层间耦合区132横截面积的变小而逐渐变大，弥散的模场分布更利于层间的光耦合，在所述第一层间耦合区132的窄端(可以视为所述第一层间耦合区132横截面积最小处)，光信号从所述第一层间耦合区132耦合进入所述第二层间耦合区142；由于所述第一层间耦合区132的窄端对应的位置上所述第二层间耦合区142的横截面积较大，则所述第一层间耦合区132的光信号耦合进入所述第二层间耦合区142时，耦合效率较高，且耦合损耗较低。
所述第一层间耦合区132和所述第二层间耦合区142在所述硅层110上的正投影至少部分重合。
在本申请实施例中，如图2所示，倒锥形的所述第一层间耦合区132和倒锥形的所述第二层间耦合区142部分重合，在实际应用时，可以通过调整所述第一层间耦合区132和所述第二层间耦合区142之间的层间耦合区长度W来调整所述第一层间耦合区132和所述第二层间耦合区142之间的耦合比例，例如，W越大，所述第一层间耦合区132和所述第二层间耦合区142之间的耦合比例越大，也就是说，耦合进入所述第二层间耦合区142中的光信号越多，所述第一层间耦合区132中剩余的光信号越少。因此，可以根据实际的耦合比例需求而对W进行调整。
所述第二探测耦合区141包括第一子探测耦合区1411和第二子探测耦合区1412，所述第一子探测耦合区1411和所述第二子探测耦合区1412分别设置在所述锗层120相对的两侧；
所述第二层波导140还包括位于所述第二层间耦合区141和第二探测耦合区142之间的分光波导区143，所述分光波导区143用于将从所述第二层间耦合区142传输过来的光信号分为至少两路，并将其中两路光信号分别输出至所述第一子探测耦合区1411和所述第二子探测耦合区1412。
在本申请实施例中，所述锗层120的侧壁在硅层110上的投影具有第一形状，所述第一形状在第一方向上的长度大于在第二方向上的长度；所述第一子探测耦合区1411和所述第二子探测耦合区1412分别在所述锗层120的第一侧壁和第二侧壁的外侧围绕所述锗层120，所述第一侧壁和所述第二侧壁分别为所述锗层120的平行于第一方向的彼此相对的两侧壁。在本申请实施例中，所述锗层120的侧壁在硅层110上的投影具有第一形状，如图2所示，图中虚线方向为所述第二方向，与虚线方向垂直的方向为所述第一方向。在图2所示实施例中，该第一形状可以为矩形，所述矩形具有沿所述第一方向延伸的长边和沿所述第二方向延伸的短边；其中，所述第一形状在第一方向上的长度为矩形长边的长度，所述第一形状在第二方向上的长度为矩形短边的长度。结合图2可以理解的是，探测耦合区长度即为所述第一形状在第一方向上的长度。
需要说明的是，如图1所示，所述锗层120的第一侧壁和第二侧壁即为所述锗层120(沿第一方向上)的左侧壁和右侧壁。
在本申请实施例中，所述第二层波导140还包括所述第三子探测耦合区1413，所述第三子探测耦合区1413在第二方向上连接所述第一子探测耦合区1411和所述第二子探测耦合区1412；从所述分光波导区143输出至所述第一子探测耦合区1411的光信号沿所述第三子探测耦合区1413传输至所述第二子探测耦合区1412，从所述分光波导区143输出至所述第二子探测耦合区1412的光信号沿所述第三子探测耦合区1413传输至所述第一子探测耦合区1411。
需要说明的是，所述第三子探测耦合区1413连接所述第一子探测耦合区1411和所述第二子探测耦合区1412仅为本申请实施例中提供的一种连接方式，本申请实施例中不限于所述第一子探测耦合区1411和所述第二子探测耦合区1412通过所述第三子探测耦合区1413连接的情况，所述第一子探测耦合区1411和所述第二子探测耦合区1412之间也可以不进行连接。
在本申请实施例中，所述第二层波导140的所述第二探测耦合区141在所述锗层120的侧面围绕所述锗层120的侧壁而设置。
在本申请实施例中，所述第一子探测耦合区1411和所述第二子探测耦合区1412均可以为光输入波导区，从所述分光波导区143输出的光信号可以沿第一子探测耦合区1411至第三子探测耦合区1413至所述第二子探测耦合区1412的方向传输，同时从所述分光波导区143输出的光信号还可以沿第二子探测耦合区1412至第三子探测耦合区1413至所述第一子探测耦合区1411的方向传输，也就是说，本申请实施例中所述第二探测耦合区141中至少具有两路光信号沿相反方向传输。可以理解的是，每路光信号可以经由所述第一子探测耦合区1411和所述第二子探测耦合区1412与锗层120进行至少两次耦合。从而能够在不增加所述锗层120的长度的情况下，提高光电探测器的响应度，同时也不会降低光电探测器3dB光电带宽。
在本申请实施例中，如图2所示，所述分光波导区143和所述第三子探测耦合区1413分别位于所述锗层120的第三侧壁和第四侧壁，所述第三侧壁和所述第四侧壁分别为所述锗层120的平行于第二方向的彼此相对的两侧壁。所述锗层120的第三侧壁和第四侧壁即为所述锗层120(沿第二方向上)的左侧壁和右侧壁，也就是说，所述分光波导区143和所述第三子探测耦合区1413分别位于所述锗层120(沿第二方向上)的左侧和右侧。如图2所示，所述第二探测耦合区141和所述分光波导区143沿所述光信号的传输方向围成一封闭区域，所述锗层120位于所述封闭区域内。
需要说明的是，所述分光波导区143不限于位于与所述第三子探测耦合区1413相对的一侧，所述分光波导区143的位置可以根据实际需要而进行调整。
本申请实施例中所述分光波导区143还可以将接收的光信号分光为两路以上的光信号，例如，所述分光波导区143将接收的光信号分为三路光信号，将其中两路光信号分别输出至所述第一子探测耦合区1411和所述第二子探测耦合区1412后，所述分光波导区143还可以将剩余的一路光信号输出至另外的波导区，如位于所述锗层120在第二方向上的侧壁侧的波导区(图中并未示出)。
如图2所示，所述第一层波导130还包括位于所述第一层间耦合区132和所述第一探测耦合区131之间的隔离波导区133；所述隔离波导区133和所述分光波导区143在所述硅层110上的正投影彼此错开，以使所述第一层波导130上的光信号在传输至与所述分光波导区143对应的位置处不发生与所述第二层波导140之间的层间耦合。
在本申请实施例中，在所述第一层波导130和所述第二层波导140之间的层间耦合完毕后，所述第一层波导130中的光信号沿所述隔离波导区133传输至所述第一探测耦合区131，由此与第二层波导140的所述分光波导区143错开，以避免所述第二层波导140对所述分光波导区143产生干扰。
所述第一层间耦合区132和所述第二层间耦合区142之间的距离H为50nm-1500nm。
所述第一层波导130的所述第一探测耦合区131的延伸方向平行于所述硅层110与所述锗层120的接触平面，所述第一探测耦合区131与所述锗层120上表面之间的距离为60nm-1000nm。所述第二探测耦合区141与所述硅层110之间的距离为100nm-1200nm。
所述第二层波导140的所述第二探测耦合区141与所述锗层120侧壁之间的距离为50nm-1000nm。
所述第一探测耦合区131和所述第二探测耦合区141沿垂直于所述光信号的传输方向上的横截面的面积为0.06μm2-0.5μm2。
需要说明的是，所述第一探测耦合区131和所述第二探测耦合区141沿垂直于所述光信号的传输方向上的横截面可以为矩形或梯形。本申请实施例中以所述第一探测耦合区131和所述第二探测耦合区141沿垂直于所述光信号的传输方向上的横截面为矩形为例进行说明。在实际应用时，所述第一探测耦合区131和所述第二探测耦合区141沿垂直于所述光信号的传输方向上的横截面也可以为梯形(所述梯形靠近所述硅层110的下底边长大于远离所述硅层110的上底边长)。
还需要说明的是，所述锗层120沿垂直于所述光信号的传输方向上的横截面可以为矩形或梯形。本申请实施例中以所述锗层120沿垂直于所述光信号的传输方向上的横截面为梯形为例进行说明。在实际应用时，在形成所述锗层120时，所述锗层120的目标形状(沿垂直于所述光信号的传输方向上的横截面)为矩形，但是由于工艺的影响，最终形成的锗层120的实际形状(沿垂直于所述光信号的传输方向上的横截面)可能为梯形，所述梯形靠近所述硅层110的下底边长大于远离所述硅层110的上底边长。
所述锗层120在第一方向上的长度为5μm-100μm。也就是说，探测耦合区的长度为5μm-100μm。通过控制所述锗层120在第一方向上的长度，既可以控制探测耦合区的长度。
需要说明的是，本申请实施例提供的所述光电探测器的优选尺寸为：所述第一探测耦合区131和所述第二探测耦合区141沿垂直于所述光信号的输入方向上的横截面(如图1所示的横截面)的长度为800nm，宽度为300nm；所述锗层120沿垂直于所述光信号的输入方向上的横截面(如图1所示的横截面)的长度为3μm，宽度为500nm；所述锗层120在第一方向上的长度(即耦合区的长度)为12μm；所述第二探测耦合区141与所述硅层110之间的距离为150nm；所述第一子探测耦合区1411与所述锗层120之间的距离为100nm；所述第二子探测耦合区1412与所述锗层120之间的距离为100nm；所述第一探测耦合区131与所述锗层120上表面之间的距离为100nm。
所述硅层110包括第一掺杂类型掺杂区111；所述锗层120包括第二掺杂类型的掺杂区121；所述第一掺杂类型的掺杂区111和所述第二掺杂类型的掺杂区121上分别设有第一金属电极112和第二金属电极122；所述第一掺杂类型为P型，所述第二掺杂类型为N型，以形成PIN结构的光电探测器；或者，所述第一掺杂类型为N型，所述第二掺杂类型为P型，以形成NIP结构的光电探测器。
在本申请实施例中，如图1和图2所示，所述硅层110的上表面形成有第一掺杂类型的掺杂区111，所述锗层120的上表面形成的第二掺杂类型的掺杂区121；需要说明的是，所述硅层110的上表面还可以形成有第二掺杂类型的掺杂区113，所述锗层120的上表面还可以形成有第一掺杂类型的掺杂区123。图1至图3仅示例出了所述硅层110上形成有一个第一掺杂类型的掺杂区111和一个第二掺杂类型的掺杂区113，以及所述锗层120上形成有一个第二掺杂类型的掺杂区121和一个第一掺杂类型的掺杂区123的情况。所述硅层110上的所述第一掺杂类型的掺杂区111上设有第一金属电极112，所述硅层110上的所述第二掺杂类型的掺杂区113上设有第三金属电极114；所述锗层120上的所述第二掺杂类型的掺杂区121上设有第二金属电极122，所述锗层120上的所述第一掺杂类型的掺杂区123上设有第四金属电极124。所述第一掺杂类型可以为P型或N型，所述第一掺杂类型为P型时，则所述第二掺杂类型为N型，以在所述第一掺杂类型的掺杂区111和所述第二掺杂类型的掺杂区121之间形成PIN结构的光电探测器，在所述第二掺杂类型的掺杂区113和所述第一掺杂类型的掺杂区123之间形成NIP结构的光电探测器；所述第一掺杂类型为N型时，则所述第二掺杂类型为P型，以在所述第一掺杂类型的掺杂区111和所述第二掺杂类型的掺杂区121之间形成NIP结构的光电探测器、在所述第二掺杂类型的掺杂区113和所述第一掺杂类型的掺杂区123之间形成PIN结构的光电探测器。需要说明是，所述硅层110和所述锗层120之间未被掺杂的区域作为PIN结构或NIP结构中的本征体。
在本申请实施例中，所述锗层120的上表面形成有一个第二掺杂类型的掺杂区121和一个第一掺杂类型的掺杂区123，所述第一掺杂类型和所述第二掺杂类型为不同的掺杂类型。所述锗层120上的第二掺杂类型的掺杂区121和第一掺杂类型的掺杂区123之间可以形成侧向内建电场(由第二掺杂类型的掺杂区121指向第一掺杂类型的掺杂区123的方向或由第一掺杂类型的掺杂区123指向第二掺杂类型的掺杂区121的方向)，产生载流子。
在本申请实施例中，所述硅层110上仅有一种类型的掺杂区的情况下，所述硅层110还可以为掺杂硅层，在所述第一掺杂类型为P型时，所述硅层110可以为整体P型掺杂硅层，但所述掺杂区的掺杂浓度大于所述硅层110的整体掺杂浓度；在所述第一掺杂类型为N型时，所述硅层110可以为整体N型掺杂硅层，但所述掺杂区的掺杂浓度大于所述硅层110的整体掺杂浓度。可以理解地，由于采用氮化硅波导传输光信号，避免了以掺杂的硅层作为波导的情况下对光信号传输造成的不利影响，从而有效地降低了光信号的传输损耗。
在本申请实施例中，通过在所述硅层110上的第一金属电极112和所述锗层120上的第二金属电极122之间施加外加电压和/或在所述硅层110上的第三金属电极114和所述锗层120上的第四金属电极124之间施加外加电压以形成外加电场，抽取所述锗层120内产生的载流子，且外加电场的电场方向与所述锗层120内形成的内建电场的电场方向相同，从而所述外加电场可以加快载流子的移动速度，从而提高光电探测器的响应度。
在本申请实施例中，如图2所示，所述金属电极(112、114、122和124)沿所述第一方向上的长度小于所述锗层120的在第一方向的长度。所述金属电极(112、114、122和124)的上表面裸露于光电探测器的上表面。
在本申请实施例中，本申请实施例中还可以通过改变所述锗层120和所述硅层110的掺杂区结构，以实现雪崩增益探测(APD)。具体实现方式包括：在所述锗层120上增加一个雪崩区，或者在形成的NIP结构或PIN结构上施加一个大于6V的反偏电压以实现雪崩增益探测。
本申请还提供了光电探测器的另一实施方式。图3为光电探测器的另一种实施方式的俯视图，需要说明的是，为了示意出第一层波导和第二层波导的上下层位置关系，图3虚线框内的结构未采用填充的形式，应将图3虚线框内结构的材料理解为和其他结构的材料相同；此外，为了更加清晰地示出波导结构，图3虚线框内结构与虚线框外结构的比例尺可能不同(例如，虚线框内结构在图中横向方向进行了放大)，因此，图中结构尺寸或比例大小不应理解为对本申请中对应特征的限制。其中，L1表示第一层波导，L2表示第二层波导。L1和L2仅用于示意第一层波导和第二层波导，不用于限制本申请第一层波导和第二层波导的形状和长度。
如图3所示，本实施方式中所述第二层波导240也可以不采用分光波导区243进行分光，所述第二层间耦合区242与所述第二探测耦合区241可以直接连接，所述第二层间耦合区242将耦合得到的光信号传输至所述第一子探测耦合区2411，所述第一子探测耦合区2411将光信号经由所述第三子探测耦合区2413传输至所述第二子探测耦合区2412。所述第二探测耦合区241传输的光信号沿所述第一子探测耦合区2411至所述第三子探测耦合区2413至所述第二子探测耦合区2412的方向传播。本申请实施例中所述第一子探测耦合区2411和所述第二子探测耦合区2412分别位于所述锗层220的两侧，所述第一子探测耦合区2411和所述第二子探测耦合区2412通过所述第三子探测耦合区2413连接，使得所述第二探测耦合区241内传输的光信号与所述锗层220至少耦合作用两次，从而能够在不增加所述锗层220的长度的情况下，提高光电探测器的响应度，同时也不会降低光电探测器3dB光电带宽。
本申请实施例提供了一种光电探测器，包括：硅层，所述硅层包括第一掺杂类型的掺杂区；与所述硅层接触的锗层，所述锗层包括第二掺杂类型的掺杂区；第一层波导，所述第一层波导包括设置在所述锗层上方的第一探测耦合区；第二层波导，所述第二层波导包括设置在所述锗层侧面的第二探测耦合区；其中，所述第一层波导和所述第二层波导用于传输光信号，所述第一层波导和所述第二层波导分别通过所述第一探测耦合区和所述第二探测耦合区将所述光信号耦合至所述锗层；所述锗层用于探测所述光信号，并将所述光信号转换为电信号。本申请实施例中设置双层波导，一层位于锗层上方，一层位于锗层侧面，从而光信号可以与锗层的多个面进行耦合，被探测的光信号通过多条耦合路径传递至探测区，降低了每条耦合路径内的光功率密度，避免了饱和吸收效应的出现，同时，无需增加探测器的探测区长度(即锗层长度)即可提高探测器的响应度。
应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
本申请所提供的几个产品实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的产品实施例。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种光电探测器，其特征在于，包括：
硅层，所述硅层包括第一掺杂类型的掺杂区；
与所述硅层接触的锗层，所述锗层包括第二掺杂类型的掺杂区；
第一层波导，所述第一层波导包括设置在所述锗层上方的第一探测耦合区；
第二层波导，所述第二层波导包括设置在所述锗层侧面的第二探测耦合区；
其中，所述第一层波导和所述第二层波导用于传输光信号，所述第一层波导和所述第二层波导分别通过所述第一探测耦合区和所述第二探测耦合区将所述光信号耦合至所述锗层；所述锗层用于探测所述光信号，并将所述光信号转换为电信号。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，
所述第一层波导还包括与所述第一探测耦合区连接的第一层间耦合区；
所述第二层波导还包括与所述第二探测耦合区连接的第二层间耦合区；
所述第一层波导和所述第二层波导之间通过所述第一层间耦合区和所述第二层间耦合区的层间耦合实现光信号传递；所述第一层间耦合区和所述第二层间耦合区的光信号分别传输至所述第一探测耦合区和所述第二探测耦合区。
3.根据权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，
所述第一层波导用于接收光信号，并在所述第一层间耦合区将接收的光信号通过层间耦合传递至所述第二层波导的所述第二层间耦合区。
4.根据权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，
所述第一层间耦合区和所述第二层间耦合区之间的距离为50nm-1500nm。
5.根据权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，
沿光信号的传输方向上，所述第一层间耦合区的横截面积变小，所述第二层间耦合区的横截面积变大。
6.根据权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，
所述第一层间耦合区和所述第二层间耦合区在所述硅层上的正投影至少部分重合。
7.根据权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，
所述第二探测耦合区包括第一子探测耦合区和第二子探测耦合区，所述第一子探测耦合区和所述第二子探测耦合区分别设置在所述锗层相对的两侧；
所述第二层波导还包括位于所述第二层间耦合区和第二探测耦合区之间的分光波导区，所述分光波导区用于将从所述第二层间耦合区传输过来的光信号分为至少两路，并将其中两路光信号分别输出至所述第一子探测耦合区和所述第二子探测耦合区。
8.根据权利要求7所述的光电探测器，其特征在于，
所述第一层波导还包括位于所述第一层间耦合区和所述第一探测耦合区之间的隔离波导区；所述隔离波导区和所述分光波导区在所述硅层上的正投影彼此错开，以使所述第一层波导上的光信号在传输至与所述分光波导区对应的位置处不发生与所述第二层波导之间的层间耦合。
9.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，
所述第一层波导的所述第一探测耦合区的延伸方向平行于所述硅层与所述锗层的接触平面，所述第一探测耦合区与所述锗层上表面之间的距离为60nm-1000nm。
10.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，
所述第二层波导的所述第二探测耦合区与所述锗层侧壁之间的距离为50nm-1000nm。
11.根据权利要求1至10中任意一项所述的光电探测器，其特征在于，
所述第一层波导和/或所述第二层波导的材料包括氮化硅。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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