CN113437160A - 一种侧向耦合光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种侧向耦合光电探测器，包括衬底层、波导层、吸收层和电极层。波导层设置在衬底层之上，波导层的上表面设置多条平行且等距的方形沟槽，每两条沟槽之间形成方形凸起的波导柱，沟槽的宽度等于波导柱的宽度，波导柱的宽度匹配一个或多个耦合周期。重复的沟槽和波导柱形成楔形结构。吸收层设置在波导层之上，临近于楔形结构的一侧。吸收层和波导层之间形成异质结。吸收层构造成在光入射时产生载流子。本发明的硅基锗探测器，光入射方向垂直于波导柱方向，光在波导柱侧面耦合，侧向耦合避免了光场在传输方向上锗吸收层周期性分布的问题，有效减弱了载流子浓度强弱的交替分布，进而减弱了载流子屏蔽效应，提升了器件的带宽和响应度。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，具体涉及一种侧向耦合光电探测器。
背景技术
近年来，随着物联网的迅猛发展，光纤通信系统作为物联网的重要依托，其发展受到更多的重视。在长途骨干网领域，随着光传输技术的成熟和发展，世界范围内出现了干线传输网络的建设热潮，传输带宽、传输容量技术快速发展。
随着光纤通信系统的发展，光器件的发展也同样面临着机遇和挑战。如何开发出性能优良、价格低廉的光器件已经成为人类所面临的首要问题。硅基光电子器件具有易于集成、工艺成本低等优点，近些年来引起研究人员的广泛关注。硅(Si)材料作为微电子领域的传统材料，在加工工艺和制作成本上有着其他材料无可比拟的优势，硅基光电子集成技术应运而生。作为硅基光电集成技术中的重要的代表元件之一的光电探测器，它的作用就是把入射的光信号转化为电信号，以便后续的信号处理电路进行分析。硅基锗光电探测器经过十几年的发展，在结构上不断优化，性能进一步提高，各种高性能指标的波导集成的硅基锗光电探测器不断被提出，部分指标已经达到了商用三五族探测器的水平。
在硅基锗探测器中，主要有空间入射、端面耦合、倏逝波耦合三种方式。对于集成的光电系统来讲，光信号主要在集成芯片内通过波导进行传播，因此无需进行空间入射。端面耦合由于工艺的限制，对于入射光的反射较大。因此，目前硅基锗探测器中硅波导中的信号光主要通过倏逝波耦合到锗吸收层中。根据倏逝波在传输的过程中呈现出在硅/锗材料中来回周期性耦合的特性，这会引起锗吸收层中光功率的分布严重的不均匀，呈现出较大的梯度，这会引起载流子屏蔽效应。载流子屏蔽效应会降低探测器的带宽。此外，传统入射结构的探测器光功率的分布不均匀会降低器件的饱和特性。
发明内容
为了解决目前硅基锗探测器存在的，倏逝波在传输的过程中呈现出在硅/锗材料中来回周期性耦合的特性，这会引起锗吸收层中光功率的分布严重的不均匀，会降低探测器的带宽以及降低器件的饱和特性的问题，本发明提出了一种侧向耦合的硅基锗探测器。
本发明采用了以下技术方案，一种侧向耦合光电探测器，包括
衬底层；
波导层，设置在所述衬底层之上，波导层的上表面设置多条平行且等距的方形沟槽，每两条沟槽之间形成方形凸起的波导柱，沟槽的宽度等于波导柱的宽度，所述波导柱的宽度匹配一个或多个耦合周期；重复的沟槽和波导柱形成楔形结构；
吸收层，设置在所述波导层之上，临近于所述楔形结构的一侧；所述吸收层和所述波导层之间形成异质结；所述吸收层构造成在光入射时产生载流子；
电极层，包括第一电极和第二电极；所述第一电极设置在所述吸收层之上；所述第二电极设置在所述波导层之上，临近于所述楔形结构的另一侧。
优选的，所述衬底层的材质为二氧化硅。
优选的，所述波导层的材质为硅。
优选的，所述吸收层的材质为锗。
优选的，所述第一电极和第二电极的材质均为Al、Ni或Au。
优选的，每条所述沟槽均横向贯穿所述波导层的上表面。
优选的，所述吸收层为条形，平行于所述沟槽。
优选的，所述吸收层的宽度约为一个耦合长度。
优选的，所述吸收层的长度等于一个波导柱的长度。
优选的，所述第一电极和所述第二电极均为条形，均平行于所述沟槽。
本发明的侧向耦合光电探测器，具有更加均匀的光场分布，因此具备响应度大、带宽高、饱和响应度大等优点。传统的硅基锗探测器的光入射方向为沿着光波导方向，本发明的硅基锗探测器的光入射方向为垂直于波导柱方向，波导柱的宽度为一个或多个耦合周期，光在波导柱侧面进行耦合，侧向耦合避免了光场在传输方向上锗吸收层周期性分布的问题，从而有效减弱了载流子浓度强弱的交替分布，进而减弱了载流子屏蔽效应，从而提升了器件的带宽和响应度。
附图说明
图1是本发明的侧向耦合光电探测器的一种实施方式的俯视结构示意图。
图2是图1的侧向耦合光电探测器的主视角示意图。
附图标记：衬底层1、波导层2、吸收层3、电极层4、沟槽21、波导柱22、第一电极41、第二电极42。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制本发明要求保护的范围，而仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1和图2，分别为本发明的一种侧向耦合光电探测器的俯视结构图和主视结构图，该光电探测器包括衬底层1、波导层2、吸收层3和电极层4。
其中，波导层2设置在所述衬底层1之上，波导层2的上表面设置多条平行且等距的方形沟槽21，每两条沟槽21之间形成方形凸起的波导柱22，沟槽21的宽度等于波导柱22的宽度，所述波导柱22的宽度匹配一个或多个耦合周期，使得光垂直射入波导柱22，波导柱22左右两侧面对同一束光的反射光同相，反射光在波导柱22的侧向进行耦合叠加增强，增加了总体的反射系数，避免了光场在传输方向上锗层周期性分布的问题，从而有效减弱了载流子浓度强弱的交替分布，进而减弱了载流子屏蔽效应，从而提升了器件的带宽和响应度。
重复的沟槽21和波导柱22形成楔形结构。吸收层3设置在所述波导层2之上，临近于所述楔形结构的一侧。所述吸收层3和所述波导层2之间形成异质结。所述吸收层3构造成在光入射时产生载流子。
电极层4包括第一电极41和第二电极42。所述第一电极41设置在所述吸收层3之上；所述第二电极42设置在所述波导层2之上，临近于所述楔形结构的另一侧。
传统的硅锗异质结中光场分布呈现周期性，光由硅波导耦合到锗吸收层后传输一个周期后耦合回硅波导，整体呈现光功率在硅/锗中交替分布的态势。锗为吸收层，光在锗吸收层中产生载流子，然而光场分布的不均导致产生的载流子分布不均，载流子分布不均匀会导致内建电场产生，内建电场方向与外加电场方向相反，从而削弱了载流子漂移运动，进而降低了带宽和响应度。
本实施例的侧向耦合光电探测器，在波导层2上设置楔形波导结构，波导层2传输的信号光通过楔形结构将光功率分散在波导柱22的侧面方向，在异质结处光从楔形波导结构耦合到吸收层3，吸收层3的宽度可以设置约为一个耦合长度，但光从吸收层3耦合回波导层2时进入楔形结构，即由重复的沟槽21空气柱和波导柱22形成DBR，通过DBR反射信号光反射回锗吸收层3后重新吸收，从而提高响应度。侧向光强的均匀分布使该结构展现出良好的高功率特性。
可选的，本实施例的侧向耦合光电探测器为硅基锗探测器，其中，所述衬底层1的材质为二氧化硅，所述波导层2的材质为硅，所述吸收层3的材质为锗，所述第一电极41和第二电极42的材质均为Al、Ni或Au。本实施例的侧向耦合光电探测器还可以是其他材质的探测器，本实施例不做具体限制。
可选的，每条所述沟槽21均横向贯穿所述波导层2的上表面，使得全部入射光均垂直于波导柱22的侧面，使光功率能全部分散在波导柱22的侧面方向，避免了光场在部分传输方向上锗层周期性分布的问题，从而有效减弱了载流子浓度强弱的交替分布，进而减弱了载流子屏蔽效应，从而提升了器件的带宽和响应度。
可选的，所述吸收层3为条形，平行于所述沟槽21，所述吸收层3的长度等于一个波导柱22的长度，使吸收层3能均匀的吸收反射信号光，从而进一步提高响应度。
可选的，所述第一电极41和所述第二电极42均为条形，均平行于所述沟槽21，能均匀的传导光生载流子。
本实施例的侧向耦合光电探测器，其侧向耦合的优点：避免了光场以及载流子的周期性分布；减小了吸收区的长度(沿电极方向)；通过工艺兼容的DBR结构改善了该结构吸收区较短的问题；与传统入射结构相比，减少了一个电极，从而减小了暗电流。
以上所描述的仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，本发明的实施例的详细描述并非旨在限制本发明要求保护的范围，而仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
Claims (10)
1.一种侧向耦合光电探测器，其特征在于：包括
衬底层；
波导层，设置在所述衬底层之上，波导层的上表面设置多条平行且等距的方形沟槽，每两条沟槽之间形成方形凸起的波导柱，沟槽的宽度等于波导柱的宽度，所述波导柱的宽度匹配一个或多个耦合周期；重复的沟槽和波导柱形成楔形结构；
吸收层，设置在所述波导层之上，临近于所述楔形结构的一侧；所述吸收层和所述波导层之间形成异质结；所述吸收层构造成在光入射时产生载流子；
电极层，包括第一电极和第二电极；所述第一电极设置在所述吸收层之上；所述第二电极设置在所述波导层之上，临近于所述楔形结构的另一侧。
2.根据权利要求1所述的侧向耦合光电探测器，其特征在于：所述衬底层的材质为二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的侧向耦合光电探测器，其特征在于：所述波导层的材质为硅。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的侧向耦合光电探测器，其特征在于：所述吸收层的材质为锗。
5.根据权利要求1所述的侧向耦合光电探测器，其特征在于：所述第一电极和第二电极的材质均为Al、Ni或Au。
6.根据权利要求1所述的侧向耦合光电探测器，其特征在于：每条所述沟槽均横向贯穿所述波导层的上表面。
7.根据权利要求1所述的侧向耦合光电探测器，其特征在于：所述吸收层为条形，平行于所述沟槽。
8.根据权利要求7所述的侧向耦合光电探测器，其特征在于：所述吸收层的宽度约为一个耦合长度。
9.根据权利要求7所述的侧向耦合光电探测器，其特征在于：所述吸收层的长度等于一个波导柱的长度。
10.根据权利要求1所述的侧向耦合光电探测器，其特征在于：所述第一电极和所述第二电极均为条形，均平行于所述沟槽。
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