CN111312845A - 谐振腔增强型光探测器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种谐振腔增强型光探测器及其制造方法。谐振腔增强型光探测器包括衬底、底部DBR和GaAs光栅层，其中，所述底部DBR设置在所述衬底上并且包括层叠设置的第一分布布拉格反射镜，所述GaAs光栅层设置在所述底部DBR上。本发明实施例提供的谐振腔增强型光探测器及其制造方法，通过以GaAs作为探测器的衬底，在底部DBR上采用外延方法生长GaAs光栅层，根据当光栅的周期达到波长量级或者小于波长时，其衍射特性往往与偏振相关这一特性，即利用光栅的偏振选择特性实现了谐振腔增强型光探测器的偏振选择功能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种谐振腔增强型光探测器及其制造方法。
背景技术
谐振腔增强型(Resonant Cavity Enhanced，RCE)光探测器，是一种新型垂直腔光电子器件，通过将吸收层置于谐振腔中，消除了传统PIN型光电探测器的量子效率和响应速率之间的制约关系，可以同时获得高响应速率、高量子效率和波长选择性探测，谐振腔增强型(RCE)光探测器的问世，是光探测器发展史上的一大进步。但是，谐振腔增强型(RCE)光电探测器的光谱响应线宽与量子效率之间还存在相互制约的关系，还无法成为一种理想的集成解复用接收器件。另外，谐振腔增强型(RCE)光电探测器体现的偏振选择功能也是偏振检测系统中不可或缺的一部分。
近年来，随着微纳光学和微细加工技术的发展，基于光栅结构简单、易于集成、制作工艺简单等优点，微纳光栅在缩小光电子器件的尺寸，减小器件的功耗，提高光电器件的集成度和性能，实现功能丰富的大规模光电集成回路等方面发挥着日益重要的作用。另外，光栅的衍射特性表现出强烈的偏振相关性，因此，可利用光栅来实现偏振选择的功能。
谐振腔增强型(RCE)光探测器由于吸收层厚度很薄，其具有高速响应的特点。但是在实际应用中，为了保证光波的耦合效率，谐振腔增强型(RCE)光探测器的台面(即入光面)面积不能小于一定值，而器件的固有电容与台面面积大致成正比关系，因此器件固有电容的充放电时间成为了制约器件高速响应的主要因素。因而器件的响应速率与光耦合效率之间，存在着互相制约的关系。
因此，改进传统谐振腔增强型(RCE)光探测器的结构，设计并采用光电集成技术制备出基于特殊微结构单元的新型集成解复用接收器件，使其具有波长选择性、窄光谱响应线宽、高响应速率以及高灵敏度，又能够实现探测波长的大范围调谐，就成为当今集成光电子学领域的一个新的研究热点。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明实施例提供了一种谐振腔增强型光探测器及其制造方法。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种谐振腔增强型光探测器，包括衬底、底部DBR和GaAs光栅层，其中，所述底部DBR设置在所述衬底上并且包括层叠设置的第一分布布拉格反射镜，所述GaAs光栅层设置在所述底部DBR上。
根据本发明的一个实施例，所述底部DBR包括至少20个所述第一分布布拉格反射镜，每个所述第一分布布拉格反射镜包括第一AlGaAs层和位于所述第一AlGaAs层上的第二AlGaAs层，其中，所述第一AlGaAs层中Al的浓度小于所述第二AlGaAs层中Al的浓度，所述第一AlGaAs层中Ga的浓度大于所述第二AlGaAs层中Ga的浓度。
根据本发明的一个实施例，所述谐振腔增强型光探测器还包括：第一渐变层，所述第一渐变层设置在所述GaAs光栅层的上方，
其中，所述第一渐变层包括第三AlGaAs层和位于所述第三AlGaAs层上的第四AlGaAs层，其中，所述第三AlGaAs层中Al的浓度大于所述第四AlGaAs层中Al的浓度，所述第三AlGaAs层中Ga的浓度小于所述第四AlGaAs层中Ga的浓度。
根据本发明的一个实施例，所述谐振腔增强型光探测器还包括：第二渐变层，所述第二渐变层设置在所述第一渐变层上方，
其中，所述第二渐变层包括GaAs层和位于所述GaAs层上的AlGaAs层。
根据本发明的一个实施例，所述谐振腔增强型光探测器还包括：顶部DBR，所述顶部DBR位于所述第二渐变层的上方，并且包括层叠设置的第二分布布拉格反射镜。
根据本发明的一个实施例，所述顶部DBR包括至少7个所述第二分布布拉格反射镜，每个所述第二分布布拉格反射镜包括SiO2层和位于所述SiO2层上的Si3N4层。
根据本发明的一个实施例，所述谐振腔增强型光探测器还包括：n-GaAs保护层，所述n-GaAs保护层设置在所述GaAs光栅层和所述第一渐变层之间；
吸收层，所述吸收层设置在所述第一渐变层和所述第二渐变层之间；
p-GaAs保护层，所述p-GaAs保护层设置在所述第二渐变层和所述顶部DBR之间。
根据本发明实施例的第二方面，提供了一种制造谐振腔增强型光探测器的方法，包括：在衬底上形成底部DBR，所述底部DBR包括层叠设置的第一分布布拉格反射镜；
在所述底部DBR上形成GaAs光栅层。
根据本发明的一个实施例，该方法还包括：
在所述GaAs光栅层上形成n-GaAs保护层；
在所述n-GaAs保护层上形成第一渐变层；
在所述第一渐变层上形成吸收层；
在所述吸收层上形成第二渐变层；
在所述第二渐变层上形成p-GaAs保护层。
根据本发明的一个实施例，该方法还包括：在所述p-GaAs保护层上形成顶部DBR，所述顶部DBR包括层叠设置的第二分布布拉格反射镜。
本发明实施例提供的谐振腔增强型光探测器及其制造方法，通过以GaAs作为探测器的衬底，在底部DBR上采用外延方法生长GaAs光栅层，根据当光栅的周期达到波长量级或者小于波长时，其衍射特性往往与偏振相关这一特性，即利用光栅的偏振选择特性实现了谐振腔增强型(RCE)光探测器的偏振选择功能。
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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的谐振腔增强型光探测器的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的制造谐振腔增强型光探测器的方法的流程示意图。
附图标记说明：
1-衬底； 2-底部BDR；
3-GaAs光栅层； 4-n-GaAs保护层；
5-第一渐变层； 6-吸收层；
7-第二渐变层； 8-p-GaAs保护层；
9-顶部DBR； 201～202-各步骤。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现参照图1和图2，对本发明提供的谐振腔增强型光探测器及其制造方法的实施例进行描述。应当理解的是，以下所述仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成任何特别限定。
图1为本发明实施例提供的谐振腔增强型光探测器的剖面结构示意图。如图1所示，在本发明的一个实施例中，谐振腔增强型光探测器包括衬底1、底部DBR2和GaAs光栅层3。具体地，底部DBR2设置在衬底1上并且包括层叠设置的第一分布布拉格反射镜，GaAs光栅层3设置在底部DBR2上。
继续参照图1，本发明实施例提供的谐振腔增强型光探测器包括：在衬底1上依次层叠设置的底部DBR2、GaAs光栅层3、n-GaAs保护层4、第一渐变层5、吸收层6、第二渐变层7、p-GaAs保护层8以及顶部DBR。
具体地，在本发明的一个实施例中，衬底1采用GaAs材料。
底部DBR2位于衬底1上，底部DBR2包括至少20个第一分布布拉格反射镜，每个第一分布布拉格反射镜包括第一AlGaAs层和位于第一AlGaAs层上的第二AlGaAs层，其中，第一AlGaAs层中Al的浓度小于第二AlGaAs层中Al的浓度，第一AlGaAs层中Ga的浓度大于第二AlGaAs层中Ga的浓度。
具体地，在本发明的一个实施例中，底部DBR2包括20个第一分布布拉格反射镜，每个第一分布布拉格反射镜包括第一AlGaAs层和位于第一AlGaAs层上的第二AlGaAs层。其中，第一AlGaAs层的厚度为0.039um，材料为Al0.12Ga0.88As。第二AlGaAs层的厚度为0.05um，材料为Al0.9Ga0.1As。
在本发明的一个实施例中，底部DBR2的波长可以为850nm。
GaAs光栅层3位于底部DBR2上，在本发明的一个实施例中，GaAs光栅层3的厚度为0.65μm。
n-GaAs保护层4位于GaAs光栅层3上，在本发明的一个实施例中，n-GaAs保护层4的厚度可以为2.2μm。
第一渐变层5设置在GaAs光栅层3的上方，具体地，第一渐变层5位于n-GaAs保护层4上。
其中，第一渐变层5包括第三AlGaAs层和位于第三AlGaAs层上的第四AlGaAs层，其中，第三AlGaAs层中Al的浓度大于第四AlGaAs层中Al的浓度，第三AlGaAs层中Ga的浓度小于第四AlGaAs层中Ga的浓度。
具体地，在本发明的一个实施例中，第一渐变层5包括第三AlGaAs层和位于第三AlGaAs层上的第四AlGaAs层。其中，第三AlGaAs层的厚度为0.0453um，材料为Al0.9Ga0.1As，第四AlGaAs层的厚度为0.428um，材料为Al0.12Ga0.88As。
吸收层6设置在第一渐变层5和第二渐变层7之间，具体地，在本发明的一个实施例中，吸收层6的厚度为3.5um，材料为GaAs。
第二渐变层7设置在第一渐变层5上方，具体地，第二渐变层7位于吸收层6上。其中，第二渐变层7包括GaAs层和位于GaAs层上的AlGaAs层。具体地，在本发明的一个实施例中，AlGaAs层的厚度为0.2um，材料为Al0.2Ga0.8As。
p-GaAs保护层8位于第二渐变层7上，具体地，在本发明的一个实施例中，p-GaAs保护层8的厚度为0.02um。
顶部DBR9位于第二渐变层7的上方，具体地，顶部DBR9位于p-GaAs保护层8上，并且包括至少7个第二分布布拉格反射镜，每个第二分布布拉格反射镜包括SiO2层和位于SiO2层上的Si3N4层。
具体地，在本发明的一个实施例中，每个第二分布布拉格反射镜包括SiO2层和位于SiO2层上的Si3N4层。其中，SiO2层的厚度为0.07μm，Si3N4层的厚度为0.06μm。
本发明实施例提供的谐振腔增强型光探测器，通过以GaAs作为探测器的衬底，在底部DBR上采用外延方法生长GaAs光栅层，根据当光栅的周期达到波长量级或者小于波长时，其衍射特性往往与偏振相关这一特性，即利用光栅的偏振选择特性实现了谐振腔增强型(RCE)光探测器的偏振选择功能。
图2为本发明实施例提供的制造谐振腔增强型光探测器的方法的流程示意图，例如该方法可以包括以下步骤：
步骤201，在衬底上1形成底部DBR2，底部DBR2包括层叠设置的第一分布布拉格反射镜。
具体地，在本发明的一个实施例中，首先，在GaAs衬底1上生长掺杂Si的AlGaAs材料的底部DBR2，底部DBR2包括20个第一分布布拉格反射镜，每个第一分布布拉格反射镜包括第一AlGaAs层和位于第一AlGaAs层上的第二AlGaAs层。其中，第一AlGaAs层的厚度为0.39um，材料为Al0.12Ga0.88As。第二AlGaAs层的厚度为0.05um，材料为Al0.9Ga0.1As。
步骤202，在底部DBR2上形成GaAs光栅层3。
具体地，在底部DBR2上生长无掺杂的GaAs光栅层3。
本发明实施例提供的谐振腔增强型光探测器的制造方法，通过以GaAs作为探测器的衬底，在底部DBR上采用外延方法生长GaAs光栅层，根据当光栅的周期达到波长量级或者小于波长时，其衍射特性往往与偏振相关这一特性，即利用光栅的偏振选择特性实现了谐振腔增强型(RCE)光探测器的偏振选择功能。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，该制造方法还包括以下步骤：
在GaAs光栅层3上形成n-GaAs保护层4；
在n-GaAs保护层4上形成第一渐变层5；
在第一渐变层5上形成吸收层6；
在吸收层6上形成第二渐变层7；
在第二渐变层7上形成p-GaAs保护层8。
具体地，在GaAs光栅层3上生长n-GaAs保护层4，其中，n-GaAs保护层4的厚度可以为2.2μm。
在n-GaAs保护层4上生长第一渐变层5，其中，第一渐变层5包括第三AlGaAs层和位于第三AlGaAs层上的第四AlGaAs层。其中，第三AlGaAs层的厚度为0.0453um，材料为Al0.9Ga0.1As，第四AlGaAs层的厚度为0.428um，材料为Al0.12Ga0.88As。
在第一渐变层5上生长GaAs光吸收层6，其中，吸收层6的厚度为3.5um，材料为GaAs。
在吸收层6上生长第二渐变层7，第二渐变层7包括GaAs层和位于GaAs层上的AlGaAs层，其中，AlGaAs层的厚度为0.2um，材料为Al0.2Ga0.8As。
在第二渐变层7上生长p-GaAs保护层8，其中，p-GaAs保护层8的厚度为0.02um。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，该制造方法还包括以下步骤：
在p-GaAs保护层8上形成顶部DBR9，顶部DBR9包括层叠设置的第二分布布拉格反射镜。
具体地，在p-GaAs保护层8上生长顶部DBR，其中顶部DBR包括至少7个第二分布布拉格反射镜，每个第二分布布拉格反射镜包括SiO2层和位于所述SiO2层上的Si3N4层。其中，SiO2层的厚度为0.07μm，Si3N4层的厚度为0.06μm。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种谐振腔增强型光探测器，其特征在于，包括衬底、底部DBR和GaAs光栅层，其中，所述底部DBR设置在所述衬底上并且包括层叠设置的第一分布布拉格反射镜，所述GaAs光栅层设置在所述底部DBR上。
2.根据权利要求1所述的谐振腔增强型光探测器，其特征在于，所述底部DBR包括至少20个所述第一分布布拉格反射镜，每个所述第一分布布拉格反射镜包括第一AlGaAs层和位于所述第一AlGaAs层上的第二AlGaAs层，其中，所述第一AlGaAs层中Al的浓度小于所述第二AlGaAs层中Al的浓度，所述第一AlGaAs层中Ga的浓度大于所述第二AlGaAs层中Ga的浓度。
3.根据权利要求1所述的谐振腔增强型光探测器，其特征在于，还包括：
第一渐变层，所述第一渐变层设置在所述GaAs光栅层的上方，
其中，所述第一渐变层包括第三AlGaAs层和位于所述第三AlGaAs层上的第四AlGaAs层，其中，所述第三AlGaAs层中Al的浓度大于所述第四AlGaAs层中Al的浓度，所述第三AlGaAs层中Ga的浓度小于所述第四AlGaAs层中Ga的浓度。
4.根据权利要求3所述的谐振腔增强型光探测器，其特征在于，还包括：
第二渐变层，所述第二渐变层设置在所述第一渐变层上方，
其中，所述第二渐变层包括GaAs层和位于所述GaAs层上的AlGaAs层。
5.根据权利要求4所述的谐振腔增强型光探测器，其特征在于，还包括：
顶部DBR，所述顶部DBR位于所述第二渐变层的上方，并且包括层叠设置的第二分布布拉格反射镜。
6.根据权利要求5所述的谐振腔增强型光探测器，其特征在于，所述顶部DBR包括至少7个所述第二分布布拉格反射镜，每个所述第二分布布拉格反射镜包括SiO2层和位于所述SiO2层上的Si3N4层。
7.根据权利要求5所述的谐振腔增强型光探测器，其特征在于，还包括：
n-GaAs保护层，所述n-GaAs保护层设置在所述GaAs光栅层和所述第一渐变层之间；
吸收层，所述吸收层设置在所述第一渐变层和所述第二渐变层之间；
p-GaAs保护层，所述p-GaAs保护层设置在所述第二渐变层和所述顶部DBR之间。
8.一种制造谐振腔增强型光探测器的方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成底部DBR，所述底部DBR包括层叠设置的第一分布布拉格反射镜；
在所述底部DBR上形成GaAs光栅层。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述GaAs光栅层上形成n-GaAs保护层；
在所述n-GaAs保护层上形成第一渐变层；
在所述第一渐变层上形成吸收层；
在所述吸收层上形成第二渐变层；
在所述第二渐变层上形成p-GaAs保护层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述p-GaAs保护层上形成顶部DBR，所述顶部DBR包括层叠设置的第二分布布拉格反射镜。
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- 2020-02-28 CN CN202010130019.3A patent/CN111312845A/zh active Pending
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| CN111816717A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-10-23 | 聊城大学 | 一种谐振增强型光探测器及其制备方法 |
| CN111816717B (zh) * | 2020-06-30 | 2021-12-03 | 聊城大学 | 一种谐振增强型光探测器及其制备方法 |
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