CN113284964B - 一种导模光电探测器 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种导模光电探测器。其中，导模光电探测器包括：光波导结构，包括芯层和包裹芯层的包层，芯层延第一方向延伸预设距离，芯层的第一端用于接收目标入射光；目标入射光进入光波导结构后以导模光的形式沿第一方向传播；P型欧姆接触区和N型欧姆接触区，为芯层两侧的掺杂部分，均沿第一方向延伸；以及，P型电极和N型电极，沿第一方向延伸，并且P型电极与P型欧姆接触区的侧面贴合，N型电极与N型欧姆接触区的侧面贴合，用于收集目标入射光与芯层相互作用所产生的光生载流子。通过本方案可以解决现有光电探测器对波长接近光电探测器半导体材料禁带宽度的目标入射光的探测效率低的问题。

Description

一种导模光电探测器

技术领域

本申请涉及半导体光电子器件技术领域，特别是涉及一种导模光电探测器。

背景技术

光电探测器是一种将光信号转换为电信号进行表征的器件。图1为典型的硅PIN光电探测器，该光电探测器的工作过程如下：

目标入射光在半导体材料吸收区100处被吸收并产生光生载流子(电子和空穴)；空穴在电场作用下经P型接触区101向P型探测电极103运动，被P型探测电极103收集；电子在电场作用下经N型接触区102向N型探测电极104运动，被N型探测电极104收集。最终在探测器外电路检出光电流，完成对目标入射光的探测。其中，半导体材料吸收区100的长度为L。

响应度R是描述光电探测器的光电转换能力的参数。光电探测器的响应度R与其半导体材料吸收电磁波的效率η以及探测电极对光生载流子的收集率成正相关，其中，半导体材料吸收光的效率η＝1-e^-α(λ)L，α(λ)为半导体材料的本征吸收系数，L为半导体材料吸收区的长度。

而同一半导体材料对于不同波长的目标入射光的本征吸收系数α(λ)不同。对于波长接近半导体材料禁带宽度的目标入射光，半导体材料的本征吸收系数α(λ)一般较低，导致光电探测器的响应度R低，无法对该波段的目标入射光进行有效探测。想要在不引入其他高吸收率材料的前提下，提高光电探测器对该波段目标光的响应度，需要在提高光吸收效率的同时确保光生载流子被探测电极充分收集。

对于图1所示光电探测器而言，由于增大半导体材料吸收区100的长度L会使光生载流子距离电极(P型探测电极103、N型探测电极104)的距离越来越远，载流子的渡越时间随之增大，载流子在运动过程中的复合几率增大，无法被电极(P型探测电极103、N型探测电极104)有效收集，所以无法简单地通过增大半导体材料吸收区100的长度L来提高光电探测器的响应度。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种导模光电探测器，以解决现有光电探测器对波长接近光电探测器半导体材料禁带宽度的目标入射光的探测效率低的问题。具体技术方案如下：

本申请实施例提供的一种导模光电探测器，包括：

光波导结构，包括芯层和包裹所述芯层的包层，所述芯层延第一方向延伸预设距离以充分吸收目标入射光，所述芯层的第一端用于接收所述目标入射光；所述目标入射光进入所述光波导结构后以导模光的形式沿所述第一方向传播；

P型欧姆接触区和N型欧姆接触区，为所述芯层两侧的掺杂部分，均沿所述第一方向延伸；以及，

P型电极和N型电极，沿所述第一方向延伸，并且所述P型电极与所述P型欧姆接触区的侧面贴合，所述N型电极与所述N型欧姆接触区的侧面贴合，用于收集所述目标入射光与所述芯层相互作用所产生的光生载流子。

本申请实施例通过设置光波导结构，延第一方向延伸预设距离的芯层，能够使目标入射光稳定地沿第一方向长距离传输，使得目标入射光在传输过程中不断被芯层吸收，有效提高了芯层的吸收效率。并且通过掺杂的方式在芯层两侧生成沿第一方向延伸的P型欧姆接触区和N型欧姆接触区，以及设置与P型欧姆接触区和N型欧姆接触区接触的P型电极和N型电极，这样能够使目标入射光与芯层不断相互作用所产生的光生载流子(电子和空穴)在电场作用下分别向P型欧姆接触区、N型欧姆接触区运动，从而被P型电极和N型电极充分收集，有效提高电极对光生载流子的收集效率。通过上述两方面的综合作用，对于波长接近芯层禁带宽度的目标入射光，即使本申请实施例导模光电探测器采用的芯层的本征吸收系数α(λ)低，由于通过增大吸收区长度L₁，有效提高了光电探测器对目标入射光的吸收效率，同时确保了光生载流子被电极充分收集，因此可以提高对波长接近光电探测器半导体材料(芯层)禁带宽度的目标入射光的探测效率，实现对该波段的目标入射光的有效探测。

在本申请的一些实施例中，所述芯层的截面形状为长方形或凸字形。

在本申请的一些实施例中，所述芯层在所述第一方向上的长度尺寸为L₁，

其中，α(λ)为芯层210的本征吸收系数，λ为目标入射光的波长。

在本申请的一些实施例中，所述芯层在垂直于所述第一方向上的宽度尺寸为W₁≤30μm。

在本申请的一些实施例中，所述P型电极和N型电极施加反向偏置电压。

在本申请的一些实施例中，所述光波导结构为条形或环形。

在本申请的一些实施例中，所述光波导结构还包括设置在所述芯层第一端的耦合结构和/或增透结构。

在本申请的一些实施例中，所述耦合结构为光栅耦合结构或棱镜耦合结构；所述增透结构为增透膜或增透镜。

在本申请的一些实施例中，所述光波导结构为条形；

所述光波导结构还包括设置在所述芯层第二端的反射结构，其中所述第二端是相对于所述第一端的出光端。

在本申请的一些实施例中，所述反射结构为金属反射镜或分布式布拉格反射镜。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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实施例。

图1是一种现有硅PIN光电探测器的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的第一种导模光电探测器的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的第二种导模光电探测器的结构示意图(省略包层)。

图中各标号的说明如下：

100—半导体材料吸收区；

101—P型接触区；102—N型接触区；

103—P型探测电极；104—N型探测电极；

200—电源；

210—芯层；

211—P型欧姆接触区；212—N型欧姆接触区；

213—P型电极；214—N型电极；

215—包层；

300—目标入射光，301—导模光。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

为了实现对波长接近导模光电探测器半导体材料禁带宽度的目标入射光的有效探测，本申请实施例提供一种导模光电探测器。

下面结合附图对本申请实施例提供的导模光电探测器进行详细说明。

如图2和3所示，本申请实施例提供一种导模光电探测器，包括：

光波导结构，包括芯层210和包裹芯层210的包层215，芯层210延第一方向延伸预设距离以充分吸收目标入射光300，芯层210的第一端用于接收目标入射光300；目标入射光300进入光波导结构后以导模光301的形式沿第一方向传播；

P型欧姆接触区211和N型欧姆接触区212，为芯层210两侧的掺杂部分，均沿第一方向延伸；以及，

P型电极213和N型电极214，沿第一方向延伸，并且P型电极213与P型欧姆接触区211的侧面贴合，N型电极214与N型欧姆接触区212的侧面贴合，用于收集目标入射光300与芯层210相互作用所产生的光生载流子。

本申请实施例中，由于P型电极213和N型电极214沿第一方向延伸，因此，作用于光生载流子(电子和空穴)的电场方向垂直于目标入射光300的传输方向(第一方向)。

本申请实施例中，芯层210可以采用硅、锗、砷化镓、磷化铟、铟镓砷等半导体材料。包层215采用与芯层210同样的材料之外，还可以采用二氧化硅、二氧化钛等介质材料。此外，包层215材料的折射率需低于芯层210材料折射率。本申请实施例依靠波导的特性，不仅有效提高了光电探测器的吸收区即芯层210对目标入射光的吸收效率，而且天然的具有波长选择性，通过合理设计波导结构(凸字形、条形等)和尺寸，可以实现对杂散光的过滤，取代了传统探测器外加滤镜等光学元件来滤波的方式，具有成本低、易集成的产业优势。

P型欧姆接触区211和N型欧姆接触区212通过离子注入、扩散等掺杂工艺实现。P型欧姆接触区211和N型欧姆接触区212一般为高浓度掺杂，以实现与P型电极213和第二N型电极214之间的非整流欧姆接触。P型电极213和第二N型电极214分别于位于P型欧姆接触区211和N型欧姆接触区212之上，且与欧姆接触区直接接触。其中，电极可由蒸发、溅射金属，透明导电材料，石墨烯等导电材料制作而成。

本申请实施例提供的方案，当外部目标入射光300照射在光波导结构的芯层210的第一端时，光波导结构可以将该目标入射光300耦合进入芯层210并以导模光301的形式沿第一方向向前传输。目标入射光300在芯层210中传输时，与芯层210不断相互作用所产生光生载流子(电子和空穴)。沿第一方向延伸的P型电极213和N型电极214分别与P型欧姆接触区211和N型欧姆接触区212的侧面贴合。P型电极213和N型电极214分别与电源200连接，光生载流子(电子和空穴)在电场作用下，空穴向P型欧姆接触区211运动被P型电极213收集，电子向N型欧姆接触区212运动被N型电极214收集，最终在外电路形成光电流，实现对目标入射光300的探测。

本申请实施例通过设置光波导结构，其中延第一方向延伸预设距离的芯层210，能够使目标入射光稳定地沿第一方向长距离传输，使得目标入射光300在传输过程中不断被芯层210吸收，有效提高了芯层210的吸收效率。并且通过掺杂的方式在芯层210两侧生成沿第一方向延伸的P型欧姆接触区211和N型欧姆接触区212，以及设置与P型欧姆接触区211和N型欧姆接触区212接触的P型电极213和N型电极214，这样能够使目标入射光300与芯层210不断相互作用所产生的光生载流子(电子和空穴)在电场作用下分别向P型欧姆接触区211、N型欧姆接触区212运动，从而被P型电极213和N型电极214充分收集，有效提高电极对光生载流子的收集效率。通过上述两方面的综合作用，对于波长接近芯层210禁带宽度的目标入射光，即使导模光电探测器采用的芯层210的本征吸收系数α(λ)低，由于通过增大吸收区长度L₁有效提高了光电探测器对目标入射光的吸收效率，同时确保了光生载流子被电极充分收集，因此可以提高对波长接近光电探测器半导体材料(芯层210)禁带宽度的目标入射光的探测效率，实现对该波段的目标入射光的有效探测。

可以理解的是，本申请实施例提供的导模光电探测器，不仅可以高效率地探测传统探测器所能探测的波段，并且，在此基础上，还可以在传统探测器探测效率低的波段处(即对波长接近光电探测器半导体材料禁带宽度的目标入射光)实现高效率探测。

此外，本申请实施例提供的导模光电探测器，使用材料本征吸收来提升探测效率，而不需要引入其他材料辅助提高吸收，具有晶格完整、噪声低、易于制备等优点。并且，采用波导结构作为探测器的的光吸收区，天然具有波长选择性，通过设计波导尺寸参数即可实现目标波长的窄带探测，不需要外加滤波镜等即可实现对目标波长的选择，信杂比高。

为了更好的理解本申请提供的导模光电探测器的技术方案，下面对上述导模光电探测器的制备方法进行简单介绍。该制备方法包括如下步骤：

S1、选取所需使用的半导体材料作为基片，对其表面进行清洁；

S2、通过外延生长法、注氧隔离法或基片键合法，使S1步骤中的基片自下而上形成基材衬底-氧化层-顶部基材的层状结构。其中，氧化层的折射率低于基材折射率，顶部基材厚度为100～1000nm。

S3、通过光刻、刻蚀工艺，在顶部基材上刻蚀出芯层210的波导结构。

S4、在顶部基材表面，使用PECVD工艺沉积一层薄的二氧化硅层。

S5、在上述二氧化硅层表面，通过正胶工艺光刻P型欧姆接触区211图形，并对其进行离子注入、扩散等掺杂工艺。

S6、清洗并重新旋涂正型光刻胶，通过正胶工艺光刻N型欧姆接触区212图形，并对其进行离子注入、扩散等掺杂工艺。

S7、清洗并重新旋涂正型光刻胶，通过正胶工艺同时光刻出P型欧姆接触区211和N型欧姆接触区212的图形，并对该图形位置处的二氧化硅层进行腐蚀处理，得到欧姆电极接触孔。

S8、采用磁控溅射或电子束蒸发法，生成一层由金、银、钛或铝中的一种或多种金属组成的合金，厚度在100nm以上，然后进行剥离去除掉多余的金属和光刻胶后分别及得到P型电极213和N型电极214。

S9、利用压焊、封装等技术将P型电极213和N型电极214封装至PCB管座的阴极和阳极管脚上，即得上述实施例中的导模光电探测器。

在本申请的一些实施例中，如图2和3所示，芯层210的截面形状为长方形或凸字形。

本申请实施例中，芯层210的截面可以设计为不同的形状。如图2所示，芯层210的截面形状为长方形，即将光波导结构设计为条形，可以允许传输的光波段较宽。因此采用该芯层的导模光电探测器可以作为一种宽谱探测器。又如图3所示，芯层210的截面形状为凸字形，即将光波导结构设计为脊型，可以实现目标波段目标入射光的单模传输，以阻挡其他波段的光传输，从而作为一种窄带探测器，具有高的信杂比。

需要说明的是，为了清楚地表示本申请导模光电探测器的主要结构，图3中略去了包层。一般来说，包层结构应在外围包覆住导模光电探测器的整个结构，并裸露出P型、N型电极部分。此外，由于空气可以视为一种低折射率材料，也可以将空气作为包层，这并不影响导模光电探测器的具体实现。

在本申请的一些实施例中，芯层210在第一方向上的长度尺寸为L₁，

其中，α(λ)为芯层210的本征吸收系数，λ为目标入射光300的波长。

本申请实施例中，芯层210在第一方向上的长度尺寸L₁足够长，能够确保目标入射光被充分吸收。

需要说明的是，芯层210对于不同波长的目标入射光的本征吸收系数不同，对于波长接近芯层210禁带宽度的目标入射光，当

时，芯层210可以充分吸收目标入射光。

在本申请的一些实施例中，如图3所示，芯层210在垂直于第一方向上的宽度尺寸为W₁≤30μm。例如，W₁可以为0.3μm、10μm、24μm、28μm等。

本申请实施例中，芯层210在垂直于第一方向上的宽度尺寸为W₁足够短，满足小于或等于理论上电子或空穴的扩散长度，能够保证光生载流子(电子和空穴)被有效收集。此外，芯层210的尺寸为微米级，使得探测器的整体尺寸较小，易于片上集成，可以满足未来对于集成化、小型化光电器件的需求。

在本申请的一些实施例中，P型电极213和N型电极214施加反向偏置电压。

本申请实施例中，在P型电极213和N型电极214电场的基础上，还可以通过电源200对P型电极213和N型电极214施加反向偏置电压(参见图2和3)。这样可以使光生载流子(电子和空穴)更加有效地分离并向P型欧姆接触区211、N型欧姆接触区212运动，被P型电极213和N型电极214充分收集，从而进一步提高光电探测器的外量子效率。

在本申请的一些实施例中，光波导结构为条形或环形。

本申请实施例中，将光波导结构设置为环形，可以使目标入射光300一直在芯层210中谐振，以回音壁模式在光波导结构中“绕圈”传输，从而与芯层210充分作用，进一步提高芯层210对目标入射光300的吸收效率。

在本申请的一些实施例中，光波导结构还包括设置在芯层210第一端的耦合结构和/或增透结构。

本申请实施例中，通过耦合结构可以使目标入射光300顺利地耦合进入芯层210；使用增透结构可以减少目标入射光300的反射，使其尽可能多的进入芯层210。

在本申请的一些实施例中，耦合结构为光栅耦合结构或棱镜耦合结构；增透结构为增透膜或增透镜。此外耦合结构也可以采用端面耦合、波导耦合等。如图2和3所示，光波导结构即采用端面耦合。

在本申请的一些实施例中，光波导结构为条形；

光波导结构还包括设置在芯层210第二端的反射结构，其中第二端是相对于第一端的出光端。

对于条形结构的光波导结构而言，通过在芯层210远离第一端的第二端设置反射结构，可以防止目标入射光300从第二端射出，使目标入射光300尽可能的保留在芯层210，从而与芯层210相互作用产生光生载流子(电子和空穴)，进一步提高芯层210对目标入射光300的吸收效率。

在本申请的一些实施例中，反射结构为金属反射镜或分布式布拉格反射镜。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围内。

Claims (8)

1.一种导模光电探测器，其特征在于，包括：

光波导结构，包括芯层(210)和包裹所述芯层(210)的包层(215)，所述芯层(210)延第一方向延伸预设距离以充分吸收目标入射光(300)，所述芯层(210)的第一端用于接收目标所述入射光(300)；所述目标入射光(300)进入所述光波导结构后以导模光(301)的形式沿所述第一方向传播；

P型欧姆接触区(211)和N型欧姆接触区(212)，为所述芯层(210)两侧的掺杂部分，均沿所述第一方向延伸；以及，

P型电极(213)和N型电极(214)，沿所述第一方向延伸，并且所述P型电极(213)与所述P型欧姆接触区(211)的侧面贴合，所述N型电极(214)与所述N型欧姆接触区(212)的侧面贴合，用于收集所述目标入射光(300)与所述芯层(210)相互作用所产生的光生载流子；

其中，所述芯层(210)在所述第一方向上的长度尺寸为L₁，

其中，α(λ)为芯层(210)的本征吸收系数，λ为目标入射光(300)的波长；

其中，所述芯层(210)在垂直于所述第一方向上的宽度尺寸为W₁≤30μm。

2.根据权利要求1所述的导模光电探测器，其特征在于，所述芯层(210)的截面形状为长方形或凸字形。

3.根据权利要求1所述的导模光电探测器，其特征在于，所述P型电极(213)和N型电极(214)施加反向偏置电压。

4.根据权利要求1、2任一项所述的导模光电探测器，其特征在于，所述光波导结构为条形或环形。

5.根据权利要求1、2任一项所述的导模光电探测器，其特征在于，所述光波导结构还包括设置在所述芯层(210)第一端的耦合结构和/或增透结构。

6.根据权利要求5所述的导模光电探测器，其特征在于，所述耦合结构为光栅耦合结构或棱镜耦合结构；所述增透结构为增透膜或增透镜。

7.根据权利要求1、2任一项所述的导模光电探测器，其特征在于，所述光波导结构为条形；

所述光波导结构还包括设置在所述芯层(210)第二端的反射结构，其中所述第二端是相对于所述第一端的出光端。

8.根据权利要求7所述的导模光电探测器，其特征在于，所述反射结构为金属反射镜或分布式布拉格反射镜。

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