CN112786717B - 一种微环耦合多通道集成光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微环耦合多通道集成光电探测器，属于光电检测技术领域，包括衬底，衬底从上至下依次包括顶部本征层、埋氧层以及底部本征层；衬底的顶层上刻蚀形成一多模波导以及位于多模波导两侧的多个微环结构；微环结构表面中掺杂并沉积第一电极层，形成欧姆接触；微环结构上生长有光吸收层，光吸收层表面中掺杂并沉积第二电极层；在第一电极层上引出第一电极，第二电极层引出第二电极，第二电极和第一电极之间形成电势差，实现光电转换。本发明利用微环结构的窄带宽耦合性能，将其与多模波导集成，并结合异质结外延技术，将光吸收层集成到微环上方，实现多通道光接收，这样设置适宜批量生产、尺寸小、易于集成。
Description
技术领域
本发明涉及光电检测技术领域，尤其涉及一种微环耦合多通道集成光电探测器。
背景技术
随着社会经济的快速发展,光通信技术取得了非常重要的成就，不仅促进人与人之间的沟通效率得到全面的提升，而且也能够保证现代化、智能化、自动化技术的全面发展。光通信技术作为一种全新的信息传输技术，已成为现代通信的主要通信方式，几乎取代了传统铜缆通信技术，在现代信息网中起着非常重要的作用，目前已在诸多领域和行业中应用，成为提升通信质量和效率的重要手段，推动了人类科学技术的革命。
光通信技术的主要优点就是通过以光作为信息载体以光纤作为传输数据介质，因为光波频率要远远高出电波的频率，所以光波的传输效率要远远高出电波的传输效率而且具有通信容量大、损耗低、传输距离长、抗电磁干扰能力强等优点。
虽然光通信技术的发展只有短短三四十年，但对社会发展带来了深远的影响，推动了科技的发展，随着互联网高速发展，自动化、智能化、软件化技术的全面发展，光通信技术未来仍然有很大的发展空间，人类对光通信技术的研究应是一个长期持续的过程,应该继续探索新一代光通信系统的实现，为人类造福
光通信发展和重要性，由于单通道传导容易受到器件尺寸、载流子渡越时间、误码率等性能限制，单通道数据流量不能无限制提高，多通道并行传输可成倍增加通信系统的数据容量。具有传输速度快，容量高等优点。
探测器在光通信系统的作用，多具有传输速度快、容量高等优点。除了传输光纤信号，还可以组合传输电信号。从外型结构上，可以分单通道光纤滑环、多通道光纤滑环或者多通道光电一体滑环模波导普遍通过无源器件AWG将不同波长(即通道)的光分离并传输到对应的通道中，通过倏逝波耦合到后续波导探测器，进行电光转换。具有传输速度快、容量高等优点。除了传输光纤信号，还可以组合传输电信号。从外型结构上，可以分单通道光纤滑环、多通道光纤滑环或者多通道光电一体滑环尺寸大，工艺容差比较小，集成度比较低,制作工艺比较困难。
随着光电技术的发展，光电探测器是一种利用光电效应将辐射能转换成电信号的器件，是光电系统的重要组成部分。光电探测器的发展历史由来已久，早在一百八十多年前，人们就已经发明了热电偶。由于光电探测器件在国防和人民生活中有重要的应用，其发展非常迅速。随着科技的发展，各种新型光电材料不断涌现，同时由于制造工艺的提高，光电探测器的性能有了很大的改善。
随着激光和红外技术的发展，很多情况下单个光电探测器，往往只能实现一种光的探测，稳定性较差，对光吸收的响应度不高，已不能满足系统需求，因此，阵列(线阵和面阵)光电探测器应运而生，但是阵列(线阵和面阵)光电探测器制作过程比较困难，稳定性较低。同时，人们对光电探测器提出了更多要求，希望探测器能集成化，小型化，提高性能，降低成本，提高稳定性等。
发明内容
针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种微环耦合多通道集成光电探测器。
为实现上述目的，本发明提供一种微环耦合多通道集成光电探测器，包括：
衬底，所述衬底从上至下依次包括顶部本征层、埋氧层以及底部本征层；
所述衬底的顶层上刻蚀形成一多模波导以及位于所述多模波导两侧的多个微环结构；
所述微环结构表面中掺杂并沉积第一电极层，形成欧姆接触；
所述第一电极层上生长有光吸收层，所述光吸收层表面中掺杂并沉积第二电极层；
其中，在所述第一电极层上引出第一电极，在所述第二电极层引出第二电极，所述第二电极和所述第一电极之间形成电势差，实现光电转换。
优选的是，所述顶部本征层的材料包括Si、Ge、InP、GaAs、SiC、GaN、GaP、InAs、GaSb或InSb。
优选的是，所述多模波导包括所述顶部本征层、位于所述顶部本征层上的介质膜以及覆盖所述介质膜的覆盖膜，所述顶部本征层的折射率为n0，所述介质膜的折射率为n1，n0>n1。
优选的是，所述微环结构数量为1-50个。
优选的是，多个所述微环结构到所述多模波导的距离不同，使得所述光吸收层可吸收不同波长的光。
优选的是，所述光吸收层的材料包括石墨烯、Ge、InGaAs、AlGaAs、GaAs、GaN、InAlAs、GaAsSb、GaInAsSb、GaInAsP、GaInP、SiGe或GaInSb。
优选的是，不同的所述微环结构上生长有不同的所述光吸收层，使得不同的所述光吸收层可同时探测不同波长的光。
优选的是，应用在波分复用的光互连系统，提高系统传输的数据量。
优选的是，应用在波分复用的光互连系统，多通道同时探测，形成并行传输系统，提高系统传输的数据量。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明利用微环结构的窄带宽耦合性能，将其与多模波导集成，并结合异质结外延技术，将光吸收层集成到微环上方，实现多通道光接收，这样设置不仅适宜于批量生产，重复性好，尺寸小，易于集成，损耗均匀性较好，加温控后热稳定性好，而且可与有源器件集成，组成光电集成电路(OEIC)等，是未来光通信发展的主流技术。
附图说明
图1为本发明中的一种微环耦合多通道集成光电探测器的结构图；
图2为图1中立体结构图；
图3为图1中的x-y轴俯视示意图；
图4为图1中的x-z轴主视示意图；
图5为图1中的y-z轴主视示意图；
图6为两种光在微环结构和多模波导的传输示意图；
图7为本发明一种微环耦合多通道集成光电探测器制作过程的结构图；
图8为多模波导内纵切面电场分布示意图；
图9为一种多模波导宽度为700nm的硅微环光的传输曲线图；
图10为微环结构的SEM图像。
附图标记：
101、多模波导；102、衬底；1021、顶部本征层；1022、埋氧层；1023、底部本征层；103微环结构；104、第一电极；105、第二电极；106、光吸收层。
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。
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，还需要说明的是，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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图1-10对本发明做进一步的详细描述：
参照图1-5，本发明提供一种微环耦合多通道集成光电探测器，包括：
衬底102，衬底102从上至下依次包括顶部本征层1021、埋氧层1022以及底部本征层1023；
具体地，该顶部本征层的材料包括Si、Ge、InP、GaAs、SiC、GaN、GaP、InAs、GaSb或InSb。
衬底102的顶层上刻蚀形成一多模波导101以及位于多模波导101两侧的多个微环结构103；
具体地，多模波导101包括顶部本征层1021、位于顶部本征层上的介质膜以及覆盖介质膜的覆盖膜，顶部本征层的折射率为n0，介质膜的折射率为n1，n0>n1。这样设置多模波导101可以实现多模传输允许主模和多个高次模同时传输，能维持多个模的光同时传输的波导。微环结构103数量为1-50个，且多个微环结构103到多模波导101的距离不同，使得光吸收层106可吸收不同波长的光。
微环结构103上表面中掺杂并沉积第一电极层，形成欧姆接触；
具体地，在深紫外光刻生成微环结构103和多模波导101时，在微环结构103上离子注入，形成第一电极层，这样后期便于与金属电极形成良好的欧姆接触，有着较小的暗电流和较高的响应率，即通过对微环结构进行N型掺杂或P型掺杂，形成第一电极层。
微环结构103上生长有光吸收层106，光吸收层106表面中掺杂并沉积第二电极层；
具体地，光吸收层106的材料包括石墨烯、Ge、InGaAs、AlGaAs、GaAs、GaN、InAlAs、GaAsSb、GaInAsSb、GaInAsP、GaInP、SiGe或GaInSb；且对该光吸收层106进行N型掺杂或P型掺杂，形成第二电极层。
其中，在第一电极层引出第一电极104，在第二电极层引出第二电极105，第二电极105和第一电极104之间形成电势差，实现光电转换。
具体地，在第一电极层和第二电极层上刻蚀开孔，蒸发电极金属，形成第二电极105和第一电极104。另外，第二电极105和第一电极104的数量根据需求来设置，为了方便理解，本发明中的图中只是提供了一种案例，但是本发明并不只限于该案例，图中第一电极104的数量为2个，第二电极105的数量为1个。
进一步地，多个微环结构103到多模波导101的距离不同，使得光吸收层106可吸收不同波长的光；不同的微环结构103上生长有不同的光吸收层106，使得不同的光吸收层106可同时探测不同波长的光，实现了多通道耦合探测。
将本申请光电探测器应用在波分复用的光互连系统，不仅可以提高系统传输的数据量，而且还能实现多通道同时探测，形成并行传输系统，提高系统传输的数据量。
通过上述结构，多个微环结构103和多模波导101内光的并行传输使得有多种模式的光被微环结构103吸收，光吸收效率可以很高。解决了多种光吸收的同时，可以实现小型化，与AWG(一组具有相等长度差的阵列波导形成的光栅，使用具有分波的能力)相比，阵列波导光栅可测量波导的可测量的波数比较少，且此器件比较大，包含五个部分，对光线的损失比较大；而利用微环结构103可以进一步减少本申请探测器的大小，硅的微环因为有腔的共振增强效应所以腔内光场强度显著增强，可以显著提升输出光子对的亮度，进一步提高光的吸收和响应度。故本申请与AWG相比，体积较小，能够和各种硅基芯片集成，适用于各种集成电路。
在具体的实施例中，在多模波导101中传输两种不同的光。如图6所示，两种不同的光在多模波导101和微环结构103之间传输，实现了多通道耦合探测。
参照图7，本发明还提供一种微环耦合多通道集成光电探测器的制备方法，
初始结构为衬底，衬底102从上至下依次包括顶部本征层1021、埋氧层1022以及底部本征层1023，如图7中第一幅图结构；
步骤1：在顶部本征层上涂上光刻胶，进行深紫外光刻，最终刻蚀，形成多个微环结构103和一个多模波导101，进行刻蚀的目的为：规定光的传输方向,让光在通道上有效通过,又在规定的通道上加工制作不同光波导器件以便对光信号进行调制、分束、开关和探测，如图7中第二幅图结构；
步骤2：在微环结构中的材料上进行离子注入，形成第一电极层，如图7中第三幅图结构；
步骤3：在刻蚀好的微环结构103上PECVD淀积有一层SiO2薄膜；
步骤4：在SiO2薄膜涂抹光刻胶进行深紫外光刻，使得微环结构103上刻蚀形成一外延区和电极孔；
步骤5：在外延区上生长有光吸收层106，使得光吸收层106与微环结构103形成光电二极管，如图7中第四幅图结构；
步骤6：刻蚀开孔，蒸发电极金属，形成第二电极105和第一电极104，并退火合金如图7中第五幅图结构。
本发明的光电探测器工作原理为：
多波长光并行在多模波导101内传输，在光耦合点经过时，一部分的光进入微环结构103，微环结构103中的核心材料为高折射率区域的顶部本征层1021材料、低折射率区域的二氧化硅以及光吸收层106的材料；耦合到微环结构103的光会通过倏逝波效率耦合到光吸收层106，发生光电效应，产生自由移动的光生电子空穴对，通过电极引出，可以产生电流，不同的微环结构103可耦合不同波长的光。
综上所述，本发明利用微环结构103的窄带宽耦合性能，将其与多模波导101集成，并结合异质结外延技术，将光吸收层106集成到微环上方，实现多通道光接收，这样设置不仅适宜于批量生产，重复性好，尺寸小，易于集成，损耗均匀性较好，加温控后热稳定性好，而且可与有源器件集成，组成光电集成电路(OEIC)等，是未来光通信发展的主流技术。
参照图8为多模波导101内纵切面电场分布示意图，图中颜色深浅代表光的强度分布，由于多模波导101的折射率差，故光可以在多模波导101中传播。
参照图9为一种多模波导101宽度为700nm的微环结构103光的传输波长曲线图，横坐标代表光的波长，纵坐标代表光的吸收率；通过图可知，半高宽比较小，显示微环结构103的吸收效果较好，不同的微环结构103实现不同模式的光吸收。
参照图10为微环结构103的SEM图像，通过该图像可知微环结构103的体积较小，集成度高。
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 (3)
1.一种微环耦合多通道集成光电探测器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底从上至下依次包括顶部本征层、埋氧层以及底部本征层；
所述衬底的顶层上刻蚀形成一多模波导以及位于所述多模波导两侧的多个微环结构；
所述微环结构表面中掺杂并沉积第一电极层，形成欧姆接触；
所述第一电极层上生长有光吸收层，所述光吸收层表面中掺杂并沉积第二电极层；
其中，在所述第一电极层上引出第一电极，在所述第二电极层引出第二电极，所述第二电极和所述第一电极之间形成电势差，实现光电转换；
所述多模波导包括所述顶部本征层、位于所述本征层上的介质膜以及覆盖所述介质膜的覆盖膜，所述顶部本征层的折射率为n0，所述介质膜的折射率为n1， n0>n1；
多个所述微环结构到所述多模波导的距离不同，使得所述光吸收层可吸收不同波长的光；
不同的所述微环结构上生长有不同的所述光吸收层，使得不同的所述光吸收层可同时探测不同波长的光。
2.如权利要求1所述的一种微环耦合多通道集成光电探测器，其特征在于，所述顶部本征层的材料包括Si、Ge、InP、GaAs、SiC、GaN、GaP、InAs、GaSb或InSb。
3.如权利要求1所述的一种微环耦合多通道集成光电探测器，其特征在于，所述光吸收层的材料包括石墨烯、Ge、InGaAs、AlGaAs、GaAs、GaN、InAlAs、GaAsSb、GaInAsSb、GaInAsP、GaInP、SiGe或GaInSb。
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