CN111477703A - 一种大孔径高速光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大孔径高速光电探测器，光电探测器是垂直入射器件，由下往上依次设有光栅区、衬底层、p型掺杂区、本征吸收区、n型掺杂区；垂直入射器件为台面结构，通过刻蚀将p型掺杂区暴露在下台面，n型掺杂区位于上台面；p型掺杂区上形成p型欧姆电极，n型掺杂区上形成n型欧姆电极；光栅区是在衬底层背面通过图形刻蚀形成周期性的光栅结构，此结构具有透镜作用，能将大面积垂直入射的平行光汇聚到光栅后方焦点处；衬底层材料的禁带宽度大于入射光子能量；本征吸收区材料的禁带宽度小于或等于入射光子能量。本发明的光电探测器具有低成本、低功耗、小尺寸、高速和大通光面积的优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件技术领域，具体涉及一种大孔径高速光电探测器。
背景技术
自由空间光通信(FSO)技术主要应用在星地、星间和地面光通信中，在军事和民用领域中具有重大的战略需求与应用价值，现今被广泛研究的空间激光通信，无线光通信、可见光通信等本质上都是该技术的应用。FSO技术要求接收空间光信号的探测器芯片的通光孔径足够大，以获得高强度广角度信号，提高系统信噪比，降低误码率。同时，随着全球卫星定位和导航，手机网络通信，深空探测，载人航天空间站通信等业务量的急剧膨胀，新一代自由空间光通信技术将向着多波长通道，高速率，低误码率的信息交互领域发展，因此，大孔径高速垂直耦合探测器是未来自由空间光通信接收端的核心器件。
垂直入射探测器的尺寸与器件电容成正比，即器件尺寸越大，RC频率越低，器件截止频率越小，因此器件的尺寸(通光直径)与器件响应频率是一对矛盾，也是制约空间光通信系统向高速大容量发展的主要因素。
众所周知，透镜具有聚光作用，可以将大孔径入射的平行光汇聚到焦点处，透镜的工作原理是控制光波的光程差来改变光的传输方向，因此出现了光栅透镜，它利用改变不同位置的有效折射率来调控光程差，同样可实现光波的汇聚作用。因此本发明将光栅透镜制作到半导体光电探测器的背面，采用背入射的方式将大孔径平行入射光汇聚到小直径的台面吸收区，使得小尺寸器件实现大孔径接收，器件同时具有大通光孔径和高速特性。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种大孔径高速光电探测器，满足探测器低成本、低功耗、小尺寸、高速的需求。
本发明公开了一种大孔径高速光电探测器，所述光电探测器是垂直入射器件，由下往上依次设有光栅区、衬底层、p型掺杂区、本征吸收区、n型掺杂区；
所述垂直入射器件为台面结构，通过刻蚀将p型掺杂区暴露在下台面，n型掺杂区位于上台面；所述p型掺杂区上形成p型欧姆电极，所述n型掺杂区上形成n型欧姆电极；
所述光栅区是在所述衬底层背面通过图形刻蚀形成周期性的光栅结构，此结构具有透镜作用，能将大面积垂直入射的平行光汇聚到光栅后方焦点处；
所述衬底层的厚度由光栅透镜的焦距和入射光波长决定；
所述衬底层材料的禁带宽度大于入射光子能量；
所述本征吸收区材料的禁带宽度小于或等于入射光子能量。
作为本发明的进一步改进，所述探测器的材料为：Si/Ge、Si/SiGe、Si/GeSn、InP/InGaAsP或GaAs/InGaAs、InSb/InAsSb、InSb/InGaSb、Si/SiC、GaN/InGaN、GaP/InGaP及在石英衬底上外延的材料系器件。
作为本发明的进一步改进，所述探测器的探测波长范围为红外光、可见光、紫外光波段。
作为本发明的进一步改进，通过光栅透镜的作用，器件台面的直径小于入射光的孔径。
作为本发明的进一步改进，探测器大面积光接收的同时，可以实现高的RC频率，高-3dB截止频率。
作为本发明的进一步改进，探测光波长和光栅的周期及占空比决定了光栅透镜的焦距，进而决定了衬底层的厚度。
作为本发明的进一步改进，适用于垂直入射光耦合设计。
作为本发明的进一步改进，适用于空间光通信、军事通信、雷达的空间探测。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的光电探测器具有低成本、低功耗、小尺寸、高速和大通光面积的优点。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的大孔径高速光电探测器的结构示意图；
图2为本发明一种实施例公开的探测器制备时B扩散形成p型掺杂区的结构示意图；
图3为本发明一种实施例公开的探测器制备时外延形成本征吸收区后注入P离子形成n型掺杂区的结构示意图；
图4为本发明一种实施例公开的探测器制备时蒸发金属并剥离形成n型欧姆电极的结构示意图；
图5为本发明一种实施例公开的探测器制备时曝光刻蚀后形成光栅的结构示意图；
图6为本发明一种实施例公开的探测器制备时刻蚀形成台面结构的结构示意图；
图7为本发明一种实施例公开的探测器制备时蒸发金属并剥离形成p型电极的结构示意图；
图8为本发明一种实施例公开的大孔径高速光电探测器实例的结构示意图；
图9为本发明一种实施例公开的大孔径高速光电探测器实例对应的相位分布图；
图10为本发明一种实施例公开的大孔径高速光电探测器实例对应的焦平面处的相位分布图。
图中：
101、衬底层；102、p型掺杂区；103、本征吸收区；104、n型掺杂区；105、n型欧姆接触电极；106、光栅区；107、p型欧姆接触电极。
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。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示，本发明提供一种大孔径高速光电探测器，包括衬底层101，p型掺杂区102，本征吸收区103，n型掺杂区104，n型欧姆接触电极105，光栅区106，p型欧姆接触电极107；其中，
衬底层101的背侧设有光栅区106，光栅区106是在衬底层背面通过图形刻蚀形成周期性的光栅结构，此结构具有透镜作用，能将大面积垂直入射的平行光汇聚到光栅后方焦点处；
衬底层101的正面依次设有p型掺杂区102、本征吸收区103、n型掺杂区104，本征吸收区103、n型掺杂区104设置在p型掺杂区102的中部，构成台面结构，p型掺杂区暴露在下台面，n型掺杂区位于上台面；p型掺杂区102上形成p型欧姆电极107，n型掺杂区104上形成n型欧姆电极105。
以Si/Ge材料为例，Si衬底正面通过B扩散，形成p型掺杂区102。在p型掺杂区顶层外延Ge本征层103后再注入P离子形成n型掺杂区104。光栅区106是通过在Si衬底背面电子束曝光后刻蚀形成。
进一步，衬底层101的厚度由光栅透镜的焦距和入射光波长决定；衬底层101材料的禁带宽度大于入射光子能量；本征吸收区103材料的禁带宽度小于或等于入射光子能量。
进一步，探测器的探测波长范围为红外光、可见光、紫外光波段。
进一步，通过光栅透镜的作用，器件台面的直径小于入射光的孔径。
进一步，探测器大面积光接收的同时，可以实现高的RC频率，高-3dB截止频率。
进一步，探测光波长和光栅的周期及占空比决定了光栅透镜的焦距，进而决定了衬底层的厚度。
进一步，适用于垂直入射光耦合设计。
进一步，适用于空间光通信、军事通信、雷达的空间探测。
本发明设计针对Ge/Si器件，同时Si/SiGe、Si/GeSn、InP/InGaAsP或GaAs/InGaAs、InSb/InAsSb、InSb/InGaSb、Si/SiC、GaN/InGaN、GaP/InGaP及在石英衬底上外延的材料系器件亦可适用。
由于光栅的引入使得探测器通光面积增大，有足够多的光被探测器吸收。解决了光吸收的同时，为了实现高速性能，可以进一步减少Si衬底的厚度，薄的衬底层厚度减少了电场外扩散运动的载流子数量，所有的光生载流子一旦生成，就被强电场迅速拉向两极。而同时光栅的设计决定了探测器接收波长和衬底层101的宽度。通过合理地设计，可以减少本征吸收区103的宽度，进而减小渡越时间，提高带宽。如果两极加高的反向电压，器件会出现雪崩倍增效应，进一步提高光的吸收和响应度。
结构实现光栅垂直耦合，光在本征吸收区103被纵向收集，其工作原理，如图1所示，光源的光垂直照射到器件纵向的光栅区106。通过光栅的布拉格衍射，将垂直向下的特定波长的光收束汇聚。符合本发明的一种实例如图8所示，入射光为H-field归一化振幅为1的均匀平面波时，其对应的相位分布、焦平面处的相位分布如图9、图10所示。
本发明提供一种大孔径高速光电探测器的制备方法，包括：
步骤1、在Si衬底的正面，B扩散，形成p型掺杂区102，掺杂浓度1×1019cm-3，掺杂区的厚度约为0.4μm；如图2所示；
步骤2、Si高阻的衬底片正面，即在p型掺杂区的顶层，高低温两步外延0.7μm Ge本征层，以30keV，5e15/cm2能量和计量在顶层注入P离子形成约0.15μm厚的n+掺杂薄层，形成本征吸收区103和n型掺杂区104；如图3所示；
步骤3、正面光刻，蒸发Ni/Al电极，剥离形成上台面n型电极105；
如图4所示；
步骤4、Si衬底背面减薄到270μm，光栅透镜的焦距约为270μm。
步骤5、背面PECVD SiO2形成刻蚀掩膜。
步骤6、背面电子束曝光，形成光栅图形，ICP刻蚀制作透镜光栅106；
如图5所示；
步骤7、清洗，BOE液去除SiO2掩膜；
步骤8、背面PECVD一定厚度和致密性的SiO2形成抗反射薄膜，背面涂覆保护胶，保护光栅图形；
步骤9、正面套刻形成台面图形，ICP刻蚀到p重掺杂层；如图6所示；
步骤10、正面光刻，蒸发Ni/Al电极，剥离形成下台面p型电极107；如图7所示；
步骤11、芯片倒装焊封装。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)
1.一种大孔径高速光电探测器，其特征在于，所述光电探测器是垂直入射器件，由下往上依次设有光栅区、衬底层、p型掺杂区、本征吸收区、n型掺杂区；
所述垂直入射器件为台面结构，通过刻蚀将p型掺杂区暴露在下台面，n型掺杂区位于上台面；所述p型掺杂区上形成p型欧姆电极，所述n型掺杂区上形成n型欧姆电极；
所述光栅区是在所述衬底层背面通过图形刻蚀形成周期性的光栅结构，此结构具有透镜作用，能将大面积垂直入射的平行光汇聚到光栅后方焦点处；
所述衬底层的厚度由光栅透镜的焦距和入射光波长决定；
所述衬底层材料的禁带宽度大于入射光子能量；
所述本征吸收区材料的禁带宽度小于或等于入射光子能量。
2.如权利要求1所述的大孔径高速光电探测器，其特征在于，所述探测器的材料为：Si/Ge、Si/SiGe、Si/GeSn、InP/InGaAsP或GaAs/InGaAs、InSb/InAsSb、InSb/InGaSb、Si/SiC、GaN/InGaN、GaP/InGaP及在石英衬底上外延的材料系器件。
3.如权利要求1所述的大孔径高速光电探测器，其特征在于，所述探测器的探测波长范围为红外光、可见光、紫外光波段。
4.如权利要求1所述的大孔径高速光电探测器，其特征在于，通过光栅透镜的作用，器件台面的直径小于入射光的孔径。
5.如权利要求1所述的大孔径高速光电探测器，其特征在于，探测器大面积光接收的同时，可以实现高的RC频率，高-3dB截止频率。
6.如权利要求1所述的大孔径高速光电探测器，其特征在于，探测光波长和光栅的周期及占空比决定了光栅透镜的焦距，进而决定了衬底层的厚度。
7.如权利要求1所述的大孔径高速光电探测器，其特征在于，适用于垂直入射光耦合设计。
8.如权利要求1所述的大孔径高速光电探测器，其特征在于，适用于空间光通信、军事通信、雷达的空间探测。
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