CN111223955B - 一种具有微孔的波导耦合结构的光探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电子技术领域，提供了一种具有微孔的波导耦合结构的光探测器，包括柱状的衬底以及在衬底的顶面沿轴向设置的多个外延层，多个外延层包括吸收层，沿衬底的轴向方向贯穿吸收层开设若干锥形孔；至少在一个锥形孔的外侧壁与吸收层的顶面和/或底面的接触处布置低折射率材料，用于与吸收层形成强耦合波导结构。本发明提供的具有微孔耦合结构的光探测器，通过设置若干锥形孔，减小了吸收层中有源区的面积，降低了充电时间常数，提高了光探测器的响应速率；另外，形成的强耦合波导结构，可以使得进入锥形孔的入射光经其内侧壁折射后进入吸收层，并在吸收层中横向传输，增加了光程，提高了量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，特别是涉及一种具有微孔的波导耦合结构的光探测器。
背景技术
光探测器是利用光电效应进行光电转换的器件，可用于光通信、射线测量和探测、光度计量、工业自动控制、导弹制导、热成像及红外遥感等涉及军事和国民经济的各个领域。其性能好坏很大程度决定了系统整体性能的优劣。衡量光探测器的主要指标有响应度、响应速度、输出饱和功率等。目前常见的光探测器有传统PIN光电二极管，单行载流子光电二极管(Uni-traveling carrier photodiode，UTC-PD)，雪崩光电二极管(Avalanchephotodiode，APD)等。
但是，APD具有较高的内部增益，但其雪崩建立时间较长，限制了其在高速通信方面的应用。由于空间电荷效应的存在，使传统的PIN-PD的响应速度和饱和功率也会受到限制；而对于UTC-PD来说，虽然用高速运动的电子作为有效载流子，减少了载流子渡越时间，同时在一定程度上消弱了空间电荷效应，但代价是具有相对传统PIN-PD来说更复杂的外延层结构。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供一种具有微孔的波导耦合结构的光探测器，以缓解现有技术中的光探测器响应速率和量子效率之间的矛盾的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种具有微孔的波导耦合结构的光探测器，包括柱状的衬底以及在衬底的顶面沿轴向设置的多个外延层。多个所述外延层包括吸收层，沿衬底的轴向方向贯穿吸收层开设有若干锥形孔；至少在一个锥形孔的外侧壁与吸收层的顶面和/或底面的接触处布置低折射率材料，用于与吸收层形成强耦合波导结构。
其中，多个外延层还包括N型掺杂层与P型掺杂层；N型掺杂层、吸收层与P型掺杂层沿衬底的轴向自下而上布置；每个锥形孔均贯穿P型掺杂层与吸收层，且每个锥形孔的锥尖位置均介于N型掺杂层的顶面与底面之间；低折射率材料为氧化层，至少将一个锥形孔的外侧壁四周的P型掺杂层以及四周的N型掺杂层替换为氧化层，用于与吸收层形成强耦合波导结构。
其中，每个锥形孔的内侧壁以及替换P型掺杂层的氧化层的顶面均涂覆有增透膜。
其中，多个外延层还包括收集层、N型掺杂层；N型掺杂层、收集层与吸收层沿衬底的轴向自下而上布置；每个锥形孔的锥尖位置均介于收集层的顶面与底面之间；低折射率材料为氧化层，至少将一个锥形孔的四周的收集层替换为氧化层，用于与吸收层形成强耦合波导结构。
其中，每个锥形孔的四周的收集层均替换为氧化层。
其中，P型掺杂层的材料包括GaAs、AlGaAs、InP、InGaAsP、InGaAlAs、InGaSb与InGaAlN中的一种或多种；N型掺杂层的材料包括GaAs、AlGaAs、InP、InGaAsP、InGaAlAs、InGaSb与InGaAlN中的一种或多种。
其中，吸收层的材料包括GaAs、InGaAs与AlGaAs中的一种或多种；氧化层的材料均为Al2O3；增透膜的材料包括SiO2、MgF2、Si与Si3N4中的一种或多种。
其中，每个锥形孔的顶角夹角为θ，30°≤θ≤150°。
其中，增透膜的厚度为lq，光波的波长为λq，锥形孔的顶角夹角为θ，增透膜的折射率为nq，其中，
(三)有益效果
本发明提供的具有微孔耦合结构的光探测器，通过设置若干锥形孔，减小了吸收层中有源区的面积，降低了充电时间常数，提高了光探测器的响应速率；另外，在锥形孔的外侧壁与吸收层的顶面和/或底面的接触处设置的低折射率材料与吸收层形成强耦合波导结构，可以使得进入锥形孔的入射光经其内侧壁折射后进入吸收层，并在吸收层中横向传输，增加了光程，提高了量子效率。
附图说明
图1为本发明提供的一种具有微孔的波导耦合结构的光探测器的一个实施例的整体结构示意图；
图2为本发明提供的一种具有微孔的波导耦合结构的光探测器的一个实施例中单个锥形孔、部分为氧化层、无增透膜的结构示意图；
图3为本发明提供的一种具有微孔的波导耦合结构的光探测器的一个实施例中多个锥形孔、全部为氧化层、无增透膜的结构示意图；
图4为本发明提供的一种具有微孔的波导耦合结构的光探测器的一个实施例中多个锥形孔、全部为氧化层、有增透膜的结构示意图；
图5为本发明提供的一种具有微孔的波导耦合结构的光探测器的一个实施例中单个锥形孔、部分为氧化层、有增透膜的结构示意图；
图6为本发明提供的一种具有微孔的波导耦合结构的光探测器的一个实施例中多个锥形孔(浅孔)、全部为氧化层、有增透膜的结构示意图；
图7为本发明提供的一种具有微孔的波导耦合结构的光探测器的一个实施例中单个锥形孔(浅孔)、部分为氧化层、有增透膜的结构示意图；
图8为本发明提供的一种具有微孔的波导耦合结构的光探测器的又一个实施例中单个锥形孔、全部为氧化层、无增透膜的结构示意图；
图9为本发明提供的一种具有微孔的波导耦合结构的光探测器的又一个实施例中单个锥形孔、部分为氧化层、无增透膜的结构示意图；
图10为本发明提供的一种具有微孔的波导耦合结构的光探测器的又一个实施例中多个锥形孔、全部为氧化层、有增透膜的结构示意图；
图11为本发明提供的一种具有微孔的波导耦合结构的光探测器的又一个实施例中单个锥形孔、部分为氧化层、有增透膜的结构示意图；
图12为本发明提供的一种具有微孔的波导耦合结构的光探测器的又一个实施例中单个锥形孔(浅孔)、全部为氧化层、有增透膜的结构示意图；
图13为本发明提供的一种具有微孔的波导耦合结构的光探测器的又一个实施例中单个锥形孔(浅孔)、部分为氧化层、有增透膜的结构示意图；
图中，1-衬底；2-N型掺杂层；3-吸收层；4-P型掺杂层；5-锥形孔；6-氧化层；7-N电极；8-P电极；9-增透膜；10-收集层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
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。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1、图2及3所示，本发明实施例提供了一种具有微孔的波导耦合结构的光探测器，包括柱状的衬底1以及在衬底1的顶面沿轴向设置的多个外延层，多个外延层包括吸收层3，沿衬底1的轴向方向贯穿吸收层3开设有若干锥形孔5；至少在一个锥形孔5的外侧壁与吸收层3的顶面和/或底面的接触处布置低折射率材料，用于与吸收层3形成强耦合波导结构。
具体地，例如，根据各外延层的种类以及与其他外延层与吸收层3之间的相对位置的差异，形成的光探测的种类也不相同；对于传统PIN光电二极管而言，多个外延层还包括N型掺杂层2与P型掺杂层4，N型掺杂层2、吸收层3与P型掺杂层4沿衬底1的轴向自下而上布置；对于单行载流子光电二极管而言，多个外延层还包括N型掺杂层2与收集层10；N型掺杂层2、收集层10与吸收层3沿衬底1的轴向自下而上布置。例如，低折射率材料可以是由Al2O3材料制成的氧化层6；当光波射入锥形孔5后，经锥形孔5的内侧壁折射进入到强耦合波导结构中，强耦合波导结构中两边界的低折射率材料可以起到限制光波外溢的作用，使得光波可以沿着吸收层3横向传输，如此便可在减小吸收层3厚度的同时，不削减量子效率。
本发明提供的具有微孔的波导耦合结构的光探测器，通过设置若干锥形孔，减小了吸收层中有源区的面积，降低了充电时间常数，提高了光探测器的响应速率；另外，在锥形孔的外侧壁与吸收层的顶面和/或底面的接触处设置的低折射率材料与吸收层形成强耦合波导结构，可以使得进入锥形孔的入射光经其内侧壁折射后进入吸收层，并在吸收层中横向传输，增加了光程，提高了量子效率。
进一步地，对于PIN-PD光电二极管而言，外延层包括N型掺杂层2、吸收层3与P型掺杂层4，N型掺杂层2、吸收层3与P型掺杂层4沿衬底1的轴向自下而上布置；每个锥形孔5均贯穿P型掺杂层4与吸收层3，且每个锥形孔5的锥尖位置均介于N型掺杂层2的顶面与底面之间；低折射率材料为氧化层6，至少将一个锥形孔5的外侧壁四周的P型掺杂层4以及四周的N型掺杂层2替换为氧化层6，用于与吸收层3形成强耦合波导结构。
对于传统PIN光电二极管而言，具体地，例如，N型掺杂层2、吸收层3以及P型掺杂层4均可以为柱状台面结构，工艺上可以通过外延及相应的后工艺制备，且N型掺杂层2的直径大于P型掺杂层4的直径，以方便电极的布置；例如，P电极8为一环状电极，通过磁控溅射等工艺在P型掺杂层4的顶面靠近边缘处制备；例如，N电极7为一环状电极，焊接在N型掺杂层2的顶面，且靠近边缘设置；例如，替换P型掺杂层4的氧化层6称作上层氧化层6，替换N型掺杂层2的氧化层6称作下层氧化层6，替换的程度可以根据实际情况而定，此时上层氧化层6、吸收层3以及下层氧化层6形成强耦合波导结构；例如，每个锥形孔5的顶部开口均位于氧化层6区域内，相邻的两个锥形孔5之间可能是氧化层6，也可以是P型掺杂层4或者N型掺杂层2，其中，与P电极8接触的P型掺杂层4以及与N电极7接触的N型掺杂层2不能被替换；中，替换的氧化层6可以通过湿法氧化工艺实现，浇筑完成后再开设锥形孔5；例如，各个锥形孔5的深度以及锥度可以通过有限次仿真和试验优化得到最优值，以获取最佳的响应速率与量子效率。
如图4、图5、图6及图7所示，进一步地，每个锥形孔5的内侧壁以及替换P型掺杂层4的氧化层6的顶面均贴覆有增透膜9。
具体地，例如，增透膜9可以由SiO2、MgF2、Si或Si3N4制成，采用镀膜工艺贴覆在锥形孔5的内侧壁以及上层的氧化层6的顶面，以增加经锥形孔5折射进入吸收层3的光波量，可以弥补在器件制备过程中锥形孔5处的边界漏电流；其中，增透膜9的厚度可以根据光波的波长、锥形孔5的顶角夹角以及增透膜9的折射率来设计，有利于提高抗反射效果。
进一步地，每个锥形孔5的四周的N型掺杂层2以及四周的P型掺杂层4均替换为氧化层6。
具体地，例如，可以将P型掺杂层4与氧化层6设计成同心圆结构，氧化层6的直径小于P型掺杂层4的直径，对应的，可以将N型掺杂层2与氧化层6设计成同心圆结构，氧化层6的直径小于N型掺杂层2的直径，所有的锥形孔5均开设在氧化层6形成的小圆内；例如，可以只在同心圆结构的中心开设一个同心的锥形孔5，也可以在氧化层6区域按照二一二的方式共开设五个锥形孔5，还可以在氧化层6区域四行三列的方式共开设十二个锥形孔5，锥形孔5之间的间隔可以依情况调整。
如图8及图9所示，进一步地，对于UTC-PD光电二极管，其外延层包括N型掺杂层2、收集层10与吸收层3，N型掺杂层2、收集层10与吸收层3沿衬底1的轴向自下而上布置；每个锥形孔5的锥尖位置均介于收集层10的顶面与底面之间；低折射率材料为氧化层6，至少将一个锥形孔5的四周的收集层10替换为氧化层6，用于与吸收层3形成强耦合波导结构。
对于单行载流子光电二极管而言，具体地，例如，N型掺杂层2、收集层10以及吸收层3均可以为柱状台面结构，工艺上可以通过外延及相应的后工艺制备而成，且N型掺杂层2的直径大于吸收层3的直径，以方便电极的布置；例如，P电极8为一环状电极，通过磁控溅射等工艺在吸收层3的顶面靠近边缘设置；例如，N电极7为一环状电极，通过磁控溅射等工艺在N型掺杂层2的顶面靠近边缘设置；例如，氧化层6替换收集层10后，替换的程度可以根据实际情况而定，可以将整个收集层10均替换为氧化层6，也可以只将锥形孔5的锥尖四周的收集层10替换为氧化层6；此时，顶部空气层、吸收层以及氧化层形成强耦合波导结构。例如，每个锥形孔5的锥尖四周均为氧化层6区域，相邻的两个锥形孔5之间可以是氧化层6，也可以是收集层10；其中，替换的氧化层6可以通过外延工艺实现，通过调节刻蚀参数得到不同的锥形孔5；例如，各个锥形孔5的深度以及锥度可以通过有限次试验得到最优值，以获取最佳的响应速率与量子效率。
如图10、图11、图12及图13所示，进一步地，每个锥形孔5的内侧壁以及四周的吸收层3的顶面均贴覆有增透膜9。
具体地，例如，增透膜9可以由SiO2、MgF2、Si或Si3N4制成，采用镀膜工艺涂覆在锥形孔5的内侧壁以及吸收层3的顶面，以增加经锥形孔5折射进入吸收层3的光波量，还可以减少在器件制备过程中锥形孔5处的边界漏电流；其中，增透膜9的厚度可以根据光波的波长、锥形孔5的顶角夹角以及增透膜9所用材料的折射率来设计，有利于提高光探测器的吸收。
进一步地，每个锥形孔5的周围的收集层10均替换为氧化层6。
进一步地，P型掺杂层4的材料包括GaAs、AlGaAs、InP、InGaAsP、InGaAlAs、InGaSb与InGaAlN中的一种或多种；N型掺杂层2的材料包括GaAs、AlGaAs、InP、InGaAsP、InGaAlAs、InGaSb与InGaAlN中的一种或多种。收集层10也可以由GaAs、AlGaAs、InP、InGaAsP、InGaAlAs、InGaSb或InGaAlN制成。
具体地，例如，针对850nm的光探测器的P型掺杂层4主体可由GaAs材料制成，N型掺杂层2主体可由InP材料，氧化层6主体可以由Al2O3材料制成，吸收区主体可由Al0.15GaAs材料制成。
针对1550nm的光探测器的P型掺杂层4主体可由InP材料制成，N型掺杂层2主体可由GaAs材料，氧化层6主体可以由Al2O3材料制成，吸收区主体可由InGaAs材料制成。
进一步地，吸收层3的材料包括GaAs、InGaAs与AlGaAs中的一种或多种；氧化层6的材料均为Al2O3；增透膜9的材料包括SiO2、MgF2、Si与Si3N4中的一种或多种。
进一步地，每个锥形孔5的顶角夹角为θ，30°≤θ≤150°。具体地，例如，可以通过调整锥形孔5的顶角夹角以获取最佳的响应速率与量子效率。
进一步地，增透膜9的厚度为lq，光波的波长为λq，锥形孔5的顶角夹角为θ，增透膜9的折射率为nq，其中，
由以上实施例可知，本发明提供的具有微孔的波导耦合结构的光探测器具备以下有益效果：
1，可适用于850nm，1310nm和1550nm波段；
2，通过加入锥形孔，减小了有源区面积，降低了RC时间常数，提高了光探测器的响应速率；
3，形成的强耦合波导结构，由低折射率的氧化层或空气构成，波导为高折射率材料的吸收层，使得进入锥形孔的入射光在折射进入吸收层后，可以横向传输，增加了光程，弥补了微孔结构带来的有源区面积减小而带来的吸收率降低的问题，保证了量子效率；
4，由于光的横向传播及吸收增加了光程，因此只需要比较薄的吸收层即可获得较高的量子效率和响应度，同时使得载流子渡越时间比较小，提高了光探测器的高频响应特性；
5，在薄吸收层的情况下横向耦合不仅可以补偿制作锥形孔所造成的量子效率损失，而且还可以进一步提升量子效率，而在厚吸收层的情况下可以使得量子效率不降低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有微孔的波导耦合结构的光探测器，包括柱状的衬底以及在所述衬底的顶面沿轴向设置的多个外延层，其特征在于，多个所述外延层包括吸收层，沿所述衬底的轴向方向贯穿所述吸收层开设有若干锥形孔；
至少在一个所述锥形孔的外侧壁与所述吸收层的顶面和/或底面的接触处布置低折射率材料，用于与所述吸收层形成强耦合波导结构。
2.根据权利要求1所述的具有微孔的波导耦合结构的光探测器，其特征在于，多个所述外延层还包括N型掺杂层与P型掺杂层；
所述N型掺杂层、所述吸收层与所述P型掺杂层沿所述衬底的轴向自下而上布置；
每个所述锥形孔均贯穿所述P型掺杂层与所述吸收层，且每个所述锥形孔的锥尖位置均介于所述N型掺杂层的顶面与底面之间；
所述低折射率材料为氧化层，至少将一个所述锥形孔的外侧壁四周的所述P型掺杂层以及四周的所述N型掺杂层替换为氧化层，用于与所述吸收层形成强耦合波导结构。
3.根据权利要求2所述的具有微孔的波导耦合结构的光探测器，其特征在于，每个所述锥形孔的内侧壁以及替换所述P型掺杂层的所述氧化层的顶面均贴覆有增透膜。
4.根据权利要求1所述的具有微孔的波导耦合结构的光探测器，其特征在于，多个所述外延层还包括N型掺杂层与收集层；
所述N型掺杂层、所述收集层与所述吸收层沿所述衬底的轴向自下而上布置；
每个所述锥形孔的锥尖位置均介于所述收集层的顶面与底面之间；
所述低折射率材料为氧化层，至少将一个所述锥形孔的四周的所述收集层替换为氧化层，用于与所述吸收层形成强耦合波导结构。
5.根据权利要求4所述的具有微孔的波导耦合结构的光探测器，其特征在于，每个所述锥形孔的内侧壁以及四周的所述吸收层的顶面均贴覆有增透膜。
6.根据权利要求4所述的具有微孔的波导耦合结构的光探测器，其特征在于，每个所述锥形孔的四周的所述收集层均替换为氧化层。
7.根据权利要求2所述的具有微孔的波导耦合结构的光探测器，其特征在于，所述P型掺杂层的材料包括GaAs、A1GaAs、InP、InGaAsP、InGaAlAs、InGaSb与InGaAlN中的一种或多种；
所述N型掺杂层的材料包括GaAs、AlGaAs、InP、InGaAsP、InGaAlAs、InGaSb与InGaAlN中的一种或多种。
8.根据权利要求3或5所述的具有微孔的波导耦合结构的光探测器，其特征在于，所述吸收层的材料包括GaAs、InGaAs与AlGaAs中的一种或多种；
所述氧化层的材料均为Al2O3；
所述增透膜的材料包括SiO2、MgF2、Si与Si3N4中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的具有微孔的波导耦合结构的光探测器，其特征在于，每个所述锥形孔的顶角夹角为θ，30°≤θ≤150°。
10.根据权利要求3或5所述的具有微孔的波导耦合结构的光探测器，其特征在于，所述增透膜的厚度为lq，光波的波长为λq，所述锥形孔的顶角夹角为θ，所述增透膜的折射率为nq，其中，
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