CN113611759B - 一种光探测器、制备方法以及光模块 - Google Patents

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Abstract

本申请提供的光探测器、制备方法以及光模块，光探测器包括：衬底以及设置在衬底上方的掩埋层；位于掩埋层内的光耦合器和脊波导，脊波导包括连接的连接部和掺杂部，连接部的一端连接光耦合器，高速信号光通过光耦合器耦合传输至连接部；横向排列设置在掺杂部的N型掺杂区、P型电荷区、雪崩倍增区、P型掺杂区、N型接触区和P型接触区以及设置在掺杂部顶面上的锗吸收层；一端电连接N型接触区、另一端设置在掩埋层表面的第一电极，一端电连接P型接触区、另一端设置在掩埋层表面的第二电极。本申请实施例提供了一种光探测器、制备方法以及光模块，提高光接收的带宽和响应度。

Description

一种光探测器、制备方法以及光模块
技术领域
本申请涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种光探测器、制备方法以及光模块。
背景技术
在云计算、移动互联网、视频等新型业务和应用模式，均会用到光通信技术。而在光通信中，光模块是实现光电信号相互转换的工具，是光通信设备中的关键器件之一。其中，采用硅光芯片实现光电转换功能已经成为高速光模块采用的一种主流方案。
硅光芯片利用硅光集成技术，在同一SOI芯片中集成调制器、探测器和无源波导器件，因为其具有与CMOS兼容、集成度高和成本低的优势在光通信领域中获得了广泛的应用。近些年随着数据中心的发展和建设，高速高容量的硅光集成技术收到了广泛的关注，在数通领域尤其是高密度封装集成方面、长距离传输等领域有着巨大的应用前景。当前基于硅光集成平台技术能够实现高速PIN型探测器，并且获得很高的调制带宽，满足高速通信要求。但是其响应度不能实现增益特性，因此灵敏度有限，尤其在信号光较弱或较长距离探测应用领域存在响应度不足的问题。
为解决上述问题，目前有两种解决方案。其一是垂直结构的硅光雪崩探测器，通过在SOI顶层硅上外延Ge和Si层实现光雪崩增益，因为这种结构的雪崩探测器需要顶部光输入，因此不能实现硅光片上集成，而且需要外延较厚的Si材料，与现有标准CMOS工艺不兼容，工艺较为复杂。其二是水平结构的波导型硅光雪崩探测器，该种结构基于硅光水平掺杂方式实现光探测和雪崩增益，并且能够与现有硅光子平台集成，但为了提高器件的原始响应度往往需要采用butt-coupling的耦合结构，需要涉及到硅材料外延和耦合结构对准问题，其工艺也相对复杂。
发明内容
本申请实施例提供了一种光探测器、制备方法以及光模块，提高光接收的带宽和响应度。
第一方面，本申请提供的一种光探测器，用于光模块，包括：
衬底；
掩埋层，设置在所述衬底的上方；
光耦合器，位于所述掩埋层内，用于耦合外部信号光；
脊波导，位于所述掩埋层内，包括连接的连接部和掺杂部，所述连接部的一端连接所述光耦合器，高速信号光通过所述光耦合器耦合传输至所述连接部；
P型掺杂区，位于所述掺杂部的一侧，采用P型离子掺杂；
P型电荷区，位于所述掺杂部的另一侧，采用P型离子掺杂,所述P型电荷区的离子掺杂浓度小于所述P型掺杂区的离子掺杂浓度；
N型掺杂区，位于所述P型电荷区远离所述P型掺杂区的一侧，采用N型离子掺杂，与所述P型电荷区之间具有间隔，所述间隔用作雪崩倍增区；
P型接触区，位于所述P型掺杂区，所述P型接触区的离子掺杂浓度大于所述P型掺杂区的浓度；
N型接触区，位于所述N型掺杂区，所述N型接触区的离子掺杂浓度大于所述N型掺杂区的离子掺杂浓度；
第一电极，一端电连接所述N型接触区，另一端设置在所述掩埋层的表面；
第二电极，一端电连接所述P型接触区，另一端设置在所述掩埋层的表面；
锗吸收层，位于所述掺杂部的顶面上。
第二方面，本申请提供的光探测器的制备方法，用于制备第一方面所述的光探测器，所述方法包括：
在SOI晶圆上形成光耦合器和脊波导，所述脊波导包括连接的连接部和掺杂部，所述连接部的一端连接所述光耦合器；
在所述掺杂部上形成P型掺杂区和P型电荷区,所述P型电荷区的离子掺杂浓度小于所述P型掺杂区的离子掺杂浓度；
在所述掺杂部上形成N型掺杂区，所述N型掺杂区位于所述P型电荷区远离所述P型掺杂区的一侧，所述N型掺杂区与所述P型电荷区形成雪崩倍增区；
在所述P型掺杂区形成P型接触区,所述P型接触区的离子掺杂浓度大于所述P型掺杂区的浓度；
在所述N型掺杂区形成N型接触区，所述N型接触区的离子掺杂浓度大于所述N型掺杂区的离子掺杂浓度；
在所述掺杂部的顶面上形成锗吸收层；
在所述N型接触区上方形成第一电极，所述第一电极电连接所述N型接触区；
在所述P型接触区上方形成第二电极，所述第二电极电连接所述P型接触区。
第三方面，本申请提供的一种光模块，包括：
电路板；
第一光纤带，连接光纤接头，用于接收并传输外部信号光；
硅光芯片，电连接所述电路板以及光连接所述第一光纤带，集成有光探测器，所述光探测器接收通过所述第一光纤带传输的信号光；
其中：所述光探测器为第一方面所述的光探测器或第二方面所述的制备方法制备的光探测器。
本申请提供的光探测器、制备方法以及光模块中，外部信号光通过光耦合器耦合至脊波导中，通过脊波导的连接部传输至脊波导的掺杂部，然后利用横向设置在掺杂部的N型掺杂区、电荷区、雪崩倍增区、P型掺杂区、N型接触区和P型接触区以及设置在掺杂部顶面上的锗吸收层，使电荷区和雪崩倍增区分布在脊波导同一侧区域，锗吸收层位于脊波导的掺杂部上方，从而能够实现光场吸收和载流子雪崩倍增区的分开，用于提高光探测器的带宽和响应度。另外，本申请提供的光探测器采用波导型的光耦合方式，能够在现有硅光平台实现片上集成，避免了工艺复杂的butt-coupling的端面光耦合方式。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，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附图。
图1为光通信终端连接关系示意图；
图2为光网络单元结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种光模块结构示意图；
图4为本申请实施例提供光模块分解结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种光探测器的俯视图；
图6为本申请实施例提供的一种光探测器的剖视图；
图7为本申请实施例提供的一种SOI晶圆的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的一种SOI晶圆顶部硅层被加工后的结构示意图；
图9为本申请实施例提供的一种脊波导的掺杂部上形成N型掺杂区的结构示意图；
图10为本申请实施例提供的一种脊波导的掺杂部上形成P型掺杂区的结构示意图；
图11为本申请实施例提供的一种脊波导的掺杂部上形成电荷区的结构示意图；
图12为本申请实施例提供的一种脊波导的掺杂部上形成N型接触区的结构示意图；
图13为本申请实施例提供的一种脊波导的掺杂部上形成P型接触区的结构示意图；
图14为本申请实施例提供的一种脊波导的掺杂部上形成锗吸收层的结构示意图；
图15为本申请实施例提供的一种BOX层上形成电极的结构示意图；
图16为本申请实施例提供的一种光探测器的使用状态图。
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。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
光纤通信的核心环节之一是光、电信号的相互转换。光纤通信使用携带信息的光信号在光纤/光波导等信息传输设备中传输，利用光在光纤/光波导中的无源传输特性可以实现低成本、低损耗的信息传输；而计算机等信息处理设备使用的是电信号，为了在光纤/光波导等信息传输设备与计算机等信息处理设备之间建立信息连接，就需要实现电信号与光信号的相互转换。
光模块在光纤通信技术领域中实现上述光、电信号的相互转换功能，光信号与电信号的相互转换是光模块的核心功能。光模块通过其内部电路板上的金手指实现与外部上位机之间的电连接，主要的电连接包括供电、I2C信号、数据信号以及接地等；光模块通过光接口实现与外部光纤的光连接，外部光纤的连接方式有多种，衍生出多种光纤连接器类型；在电接口处使用金手指实现电连接，已经成为光模块行业在的主流连接方式，以此为基础，金手指上引脚的定义形成了多种行业协议/规范；采用光接口与光纤连接器实现的光连接方式已经成为光模块行业的主流连接方式，以此为基础，光纤连接器也形成了多种行业标准，如LC接口、SC接口、MPO接口等，光模块的光接口也针对光纤连接器做了适配性的结构设计，在光接口处设置的光纤适配器因此具有多种类型。
图1为光通信终端连接关系示意图。如图1所示，光通信终端的连接主要包括光网络终端100、光模块200、光纤101及网线103之间的相互连接；
光纤101的一端连接远端服务器，网线103的一端连接本地信息处理设备，本地信息处理设备与远端服务器的连接由光纤101与网线103的连接完成；而光纤101与网线103之间的连接由具有光模块200的光网络终端100完成。
光模块200的光口对外接入光纤101，与光纤101建立双向的光信号连接；光模块200的电口对外接入光网络终端100中，与光网络终端100建立双向的电信号连接；在光模块内部实现光信号与电信号的相互转换，从而实现在光纤与光网络终端之间建立信息连接；具体地，来自光纤的光信号由光模块转换为电信号后输入至光网络终端100中，来自光网络终端100的电信号由光模块转换为光信号输入至光纤中。
光网络终端具有光模块接口102，用于接入光模块200，与光模块200建立双向的电信号连接；光网络终端具有网线接口104，用于接入网线103，与网线103建立双向的电信号连接；光模块200与网线103之间通过光网络终端100建立连接，具体地，光网络终端将来自光模块的信号传递给网线，将来自网线的信号传递给光模块，光网络终端作为光模块的上位机监控光模块的工作。
至此，远端服务器通过光纤、光模块、光网络终端及网线，与本地信息处理设备之间建立双向的信号传递通道。
常见的信息处理设备包括路由器、交换机、电子计算机等；光网络终端是光模块的上位机，向光模块提供数据信号，并接收来自光模块的数据信号，常见的光模块上位机还有光线路终端等。
图2为光网络终端结构示意图。如图2所示，在光网络终端100中具有电路板105，在电路板105的表面设置笼子106；在笼子106内部设置有电连接器，用于接入金手指等光模块电口；在笼子106上设置有散热器107，散热器107具有增大散热面积的翅片等凸起部。
光模块200插入光网络终端中，具体为光模块的电口插入笼子106内部的电连接器，光模块的光口与光纤101连接。
笼子106位于电路板上，将电路板上的电连接器包裹在笼子中，从而使笼子内部设置有电连接器；光模块插入笼子中，由笼子固定光模块，光模块产生的热量传导给笼子106，然后通过笼子上的散热器107进行扩散。
图3为本发明实施例提供的一种光模块结构示意图，图4为本发明实施例提供光模块分解结构示意图。如图3、图4所示，本发明实施例提供的光模块200包括上壳体201、下壳体202、解锁部件203、电路板300、硅光芯片400、激光盒500和光纤插座600。
上壳体201盖合在下壳体202上，以形成具有两个开口的包裹腔体；包裹腔体的外轮廓一般呈现方形体，具体地，下壳体包括主板以及位于主板两侧、与主板垂直设置的两个侧板；上壳体包括盖板，盖板盖合在上壳体的两个侧板上，以形成包裹腔体；上壳体还可以包括位于盖板两侧、与盖板垂直设置的两个侧壁，由两个侧壁与两个侧板结合，以实现上壳体盖合在下壳体上。
两个开口具体可以是在同一端的两处开口(204、205)，也可以是在不同端的两处开口；其中一个开口为电口204，电路板的金手指从电口204伸出，插入光网络终端等上位机中；另一个开口为光口205，用于外部光纤接入以连接光模块内部的硅光芯片400；电路板300、硅光芯片400、激光盒500等光电器件位于包裹腔体中。
采用上壳体201、下壳体202结合的装配方式，便于将电路板300、硅光芯片400等器件安装到壳体中，由上壳体201、下壳体202形成光模块最外层的封装保护壳体；上壳体201及下壳体202一般采用金属材料，利于实现电磁屏蔽以及散热；一般不会将光模块的壳体做成一体部件，这样在装配电路板等器件时，定位部件、散热以及电磁屏蔽部件无法安装，也不利于生产自动化。
解锁部件203位于包裹腔体/下壳体202的外壁，用于实现光模块与上位机之间的固定连接，或解除光模块与上位机之间的固定连接。
解锁部件203具有与上位机笼子匹配的卡合部件；拉动解锁部件的末端可以在使解锁部件在外壁的表面相对移动；光模块插入上位机的笼子里，由解锁部件的卡合部件将光模块固定在上位机的笼子里；通过拉动解锁部件，解锁部件的卡合部件随之移动，进而改变卡合部件与上位机的连接关系，以解除光模块与上位机的卡合关系，从而可以将光模块从上位机的笼子里抽出。
电路板300上设置有电路走线、电子元件(如电容、电阻、三极管、MOS管)及芯片(如MCU、时钟数据恢复CDR、电源管理芯片、数据处理芯片DSP)等。
电路板300通过电路走线将光模块中的用电器件按照电路设计连接在一起，以实现供电、电信号传输及接地等电功能。
电路板一般为硬性电路板，硬性电路板由于其相对坚硬的材质，还可以实现承载作用，如硬性电路板可以平稳的承载芯片；当光收发器件位于电路板上时，硬性电路板也可以提供平稳的承载；硬性电路板还可以插入上位机笼子中的电连接器中，具体地，在硬性电路板的一侧末端表面形成金属引脚/金手指，用于与电连接器连接；这些都是柔性电路板不便于实现的。
部分光模块中也会使用柔性电路板，作为硬性电路板的补充；柔性电路板一般与硬性电路板配合使用，如硬性电路板与光收发器件之间可以采用柔性电路板连接。
硅光芯片400与电路板300实现电连接，具体可以是打线连接，如通过半导体键合金线(Gold Wire Bonding)连接。硅光芯片400的周边与电路板300之间通过多条导电线连接，所以硅光芯片400一般设置在电路板300的表面。
硅光芯片400接收来自激光盒500的光，进而对光进行调制，具体为将信号加载到光上；硅光芯片400接收来自光纤插座600的光，进而将光信号转换为电信号。
硅光芯片400与光纤插座600之间通过第一光纤带601实现光连接，光纤插座600实现与光模块外部光纤的光连接。其中，光纤插座600内包括光纤接头。硅光芯片400调制的光通过第一光纤带601传输至光纤插座600的光纤接头，通过光纤接头传输至连接在光纤插座600上的外部光纤。硅光芯片400中集成有光探测器，外部光纤传来的光通过光纤插座600传输至第一光纤带601，通过第一光纤带601传输至硅光芯片400中并耦合至光探测器，光探测器接收信号光并转换为电信号。本申请实施例提供的光模块通过硅光芯片400，实现向光模块外部光纤输出携带数据的光以及从光模块外部光纤接收携带数据的光。
图3和图4所示结构的光模块仅是本申请中的一种实例，本申请提供的光模块中光信号的发射或接收还可以采用其他结构形式的硅光芯片以及组合形式。
为了解决弱光信号探测和拓宽硅光集成技术应用领域，提高光接收的带宽和响应度，本申请实施例中提供了一种光探测器。图5为本申请实施例提供的一种光探测器的俯视图，其中去除了部分BOX层，使能够看到光探测器的内部结构；图6为本申请实施例提供的一种光探测器的剖视图；图5和图6示出了本申请实施例提供的光探测器的基本结构。
如图5和6所示，本申请实施例提供的光探测器700包括衬底710和设置在衬底710上方的掩埋层720。在本申请一些实施例中，衬底710可采用硅材料，掩埋层720采用二氧化硅材料，掩埋层720通过二氧化硅材料薄膜沉积形成。
如图5和6所示，本申请实施例提供的光探测器700的掩埋层720中还包括光耦合器730和脊波导740，光耦合器730的底部和顶部接触连接掩埋层720，脊波导740的底部和部分顶部接触连接掩埋层720，脊波导740的一端连接光耦合器730。光耦合器730用于将外部或外部光纤中的信号光耦合至光探测器700，脊波导740用于传输通过光耦合器730耦合进入光探测器700信号光。更具体的，脊波导740包括连接部741和掺杂部742。连接部741的一端连接光耦合器730、另一端连接掺杂部742，连接部741用于将通过光耦合器730耦合进入光探测器700信号光传输至掺杂部742。掺杂部742用于横向掺杂排布N型掺杂区、电荷区、P型掺杂区等。
在本申请一些实施例中，光耦合器730为光栅耦合器或端面耦合器。
如图5和6所示，本申请实施例提供的光探测器700还包括P型电荷区750、N型掺杂区760、P型掺杂区770、N型接触区761、P型接触区771和锗吸收层780，P型电荷区750、N型掺杂区760、P型掺杂区770、N型接触区761、P型接触区771和锗吸收层780位于掩埋层720内，且P型电荷区750、N型掺杂区760、P型掺杂区770、N型接触区761、P型接触区771掺杂设置在掺杂部742中，锗吸收层780设在脊波导740的顶面上。P型电荷区750设置在掺杂部742的一侧，P型掺杂区设置在掺杂部742的另一侧，N型掺杂区760设置在P型电荷区750远离P型掺杂区的一侧，P型电荷区750与N型掺杂区760之间具有间隔，该间隔为无掺杂的硅区域，用作雪崩倍增区751，N型掺杂区760内掺杂形成N型接触区761，P型掺杂区770内掺杂形成P型接触区771。
在本申请实施例中，P型电荷区750通过P型离子掺杂形成，P型掺杂区770通过P型离子掺杂形成。在本申请一些实施例中，P型电荷区750可与P型掺杂区770接触，或P型电荷区750可与P型掺杂区770有一定的间隔。可选的，P型电荷区750与P型掺杂区770可关于掺杂部742的中心轴对称。P型电荷区750的离子掺杂浓度小于P型掺杂区770的离子掺杂浓度。
N型掺杂区760通过N型离子掺杂设置在P型电荷区750远离P型掺杂区770的一侧，N型掺杂区760与P型电荷区750之间存在间隔，该间隔为无掺杂的硅区域，用于形成雪崩倍增区751。在本申请一些实施例中，远离P型掺杂区770的掺杂部742一侧先P型离子掺杂形成P型电荷区750，再间隔一定距离N型离子掺杂形成N型掺杂区760。P型电荷区750与N型掺杂区760形成PN节。
N型掺杂区760内N型离子掺杂形成N型接触区761，N型接触区761用于电连接相应的电极。在本申请一些实施例中，N型接触区761的N型离子掺杂浓度大于N型掺杂区760的N型离子掺杂浓度，以形成良好的N型接触区761，便于与相应电极形成良好的N型电接触，保证N型掺杂区760与相应电极的电路连接。
P型掺杂区770内P型离子掺杂形成P型接触区771，P型接触区771用于电连接相应的电极。在本申请一些实施例中，P型接触区771的P型离子掺杂浓度大于P型掺杂区770的N型离子掺杂浓度，以形成良好的P型接触区771，便于与相应电极形成良好的P型电接触，保证P型掺杂区770与相应电极的电路连接。
锗吸收层780位于掺杂部742的顶面上，锗吸收层780的底面接触连接掺杂部742，用于光探测器700的光吸收区。在本申请一些实施例中，锗吸收层780的横截面为三角形或梯形，锗吸收层780的宽度自与掺杂部742接触部位向远离掺杂部742的方向逐渐减少。在本申请一些实施例中，掺杂部742的顶面上生长Ge薄膜以形成锗吸收层780，且锗吸收层780接触连接P型电荷区750和P型掺杂区770，Ge薄膜形状按照晶体生长角度要求为三角形或梯形，并且降低锗吸收层780的宽度，从而能够在P型离子掺杂形成的P型电荷区750和P型离子掺杂形成的P型掺杂区770的作用下，在锗吸收层780内部形成较强的电场强度，从而提高光生载流子的移动速率，提高器件的3dB调制带宽。
如图5和6所示，本申请实施例提供的光探测器700还包括第一电极762和第二电极772，第一电极762和第二电极772贯穿于掩埋层720。其中：第一电极762的一端电连接N型接触区761，另一端设置在掩埋层720的表面；第二电极772的一端电连接P型接触区771，另一端设置在掩埋层720的表面。第一电极762和第二电极772用于方便光探测器700电连接TIA(跨阻放大器)，通常光探测器700金丝键合的方式电连接TIA。在本申请一些实施例中，第一电极762和第二电极772可为多层结构或单层结构，图5中第一电极762和第二电极772为双层结构，具体可根据掩埋层720的厚度以及实际需要进行选择。在本申请一些实施例中，第一电极762和第二电极772分别对应在N型接触区761和P型接触区771上方通过沉积金属形成。
本申请实施例提供的光探测器700使用中，外部信号光通过光耦合器730耦合至脊波导740中，通过脊波导740的连接部741传输至脊波导的掺杂部742，然后利用横向设置在掺杂部742的P型电荷区750、N型掺杂区760、雪崩倍增区751、P型掺杂区770、N型接触区761和P型接触区771以及设置在掺杂部742顶面上的锗吸收层780，使N型掺杂区760和雪崩倍增区751分布在脊波导740同一侧区域，锗吸收层780位于脊波导740的掺杂部742区域上方，从而能够实现光场吸收和载流子雪崩倍增区的分开，用于提高光探测器700的带宽和响应度。另外，本申请提供的光探测器700采用波导型的光耦合方式，能够在现有硅光平台实现片上集成，避免了工艺复杂的butt-coupling的端面光耦合方式。
在本申请一些实施例中，脊波导740的掺杂部742包括第一薄波导区7421、第二薄波导区7422和厚波导区7423，第一薄波导区7421位于厚波导区7423的一侧，第二薄波导区7422位于厚波导区7423的另一侧，第一薄波导区7421和第二薄波导区7422的厚度小于厚波导区7423的厚度，如此第一薄波导区7421、第二薄波导区7422和厚波导区7423形成包括厚波导和薄波导的“凸”状结构。N型掺杂区760位于第一薄波导区7421，P型接触区771位于第二薄波导区7422，锗吸收层780位于厚波导区7423的顶面上。可选的，第一薄波导区7421的厚度为90nm，第二薄波导区7422的厚度为90nm，厚波导区7423的厚度为220nm。
在本申请一些实施例中，P型电荷区750自厚波导区7423延伸至第一薄波导区7421，即P型电荷区750的一部分位于厚波导区7423、另一部分位于第一薄波导区7421，进而雪崩倍增区751位于第一薄波导区7421。可选的，P型电荷区750的一端靠近厚波导区7423的中心轴。
在本申请一些实施例中，P型掺杂区770自厚波导区7423延伸至第二薄波导区7422，即P型掺杂区770的一部分位于厚波导区7423、另一部分位于第二薄波导区7422。可选的，P型掺杂区770的一端靠近厚波导区7423的中心轴。
为便于耦合进入光探测器700信号光的传输，在本申请一些实施例中，脊波导740还包括渐变部743，渐变部743的一端连接连接部741、另一端连接掺杂部742，用于实现脊波导740上连接部741到掺杂部742的渐变，如宽度方向的渐变。
在本申请一些实施例中，渐变部包括第一渐变波导区7431、第二渐变波导区7432和第三渐变波导区7433；第一渐变波导区7431的一端连接连接部741、另一端连接第一薄波导区7421，用于实现连接部741到第一薄波导区7421的渐变，如宽度方向上的渐变，即第一渐变波导区7431用于实现连接部741到第一薄波导区7421的宽度延伸渐变；第二渐变波导区7432的一端连接连接部741、另一端连接第二薄波导区7422，用于实现连接部741到第二薄波导区7422的渐变，如宽度方向上的渐变，即第二渐变波导区7432用于实现连接部741到第二薄波导区7422的宽度延伸渐变；第三渐变波导区7433的一端连接连接部741、另一端连接厚波导区7423，用于实现连接部741到厚波导区7423的渐变，如宽度方向上的渐变，即第三渐变波导区7433用于实现连接部741到厚波导区7423的宽度延伸渐变。
本申请实施例提供的光探测器700除了上述集成自上述实施例中的硅光芯片400中，还可以为单独的光探测器，即光探测器700不与光发射部分相关的结构集成在一个硅光芯片中。
基于上述实施例提供的光探测器，本申请还提供了一种光探测器的制备方法，用于制备本申请实施例提供的光探测器。本申请实施例提供的光探测器的制备方法，包括：
在SOI晶圆上形成光耦合器和脊波导，所述脊波导包括连接的连接部和掺杂部，所述连接部的一端连接所述光耦合器；
在所述掺杂部上形成P型掺杂区和P型电荷区,所述P型电荷区的离子掺杂浓度小于所述P型掺杂区的离子掺杂浓度；
在所述掺杂部上形成N型掺杂区，所述N型掺杂区位于所述P型电荷区远离所述P型掺杂区的一侧，所述N型掺杂区与所述P型电荷区形成雪崩倍增区；
在所述P型掺杂区形成P型接触区,所述P型接触区的离子掺杂浓度大于所述P型掺杂区的浓度；
在所述N型掺杂区形成N型接触区，所述N型接触区的离子掺杂浓度大于所述N型掺杂区的离子掺杂浓度；
在所述掺杂部的顶面上形成锗吸收层；
在所述N型接触区上方形成第一电极，所述第一电极电连接所述N型接触区；
在所述P型接触区上方形成第二电极，所述第二电极电连接所述P型接触区。
图7为本申请实施例提供的一种SOI晶圆的结构示意图。如图7所示，SOI晶圆包括衬底710、设置在衬底710上方的中间BOX层721以及设置在中间BOX层721上方的硅层740-1。通过对SOI晶圆顶部的硅层进行CMOS工艺加工形成光耦合器730和脊波导740，光耦合器730连接脊波导740。
图8为本申请实施例提供的一种SOI晶圆顶部硅层被加工后的结构示意图。如图8所示，脊波导740的掺杂部742包括第一薄波导区7421、第二薄波导区7422和厚波导区7423，，第一薄波导区7421位于厚波导区7423的一侧，第二薄波导区7422位于厚波导区7423的另一侧，第一薄波导区7421和第二薄波导区7422的厚度小于厚波导区7423的厚度。
图9为本申请实施例提供的一种脊波导的掺杂部上形成N型掺杂区的结构示意图。如图9所示方向，P型电荷区750在掺杂部742的左侧通过P型离子掺杂形成。可选的，在掺杂部742的左侧上开设窗口，在窗口中注入P型离子，以形成P型电荷区750。可选的，如图9所示，P型电荷区750自厚波导区7423延伸至第一薄波导区7421。
图10为本申请实施例提供的一种脊波导的掺杂部上形成P型掺杂区的结构示意图。如图9所示方向，P型掺杂区770在掺杂部742的右侧通过P型离子掺杂形成。可选的，在掺杂部742的右侧上开设窗口，在窗口中注入P型离子，以形成P型掺杂区770。可选的，如图10所示，P型掺杂区770自厚波导区7423延伸至第二薄波导区7422。P型掺杂区770的掺杂离子浓度大于P型电荷区750的离子掺杂浓度。
图11为本申请实施例提供的一种脊波导的掺杂部上形成电荷区的结构示意图。如图11所示方向，在P型电荷区750的左侧掺杂部742上通过N型离子掺杂形成N型掺杂区760，N型掺杂区760位于P型电荷区750远离P型掺杂区770的一侧，N型掺杂区760与P型电荷区750之间存在间隔，该间隔为无掺杂的硅区域，用以形成雪崩倍增区751。可选的，在P型电荷区750的左侧掺杂部742上开设窗口，在窗口中注入的N型离子，以形成N型掺杂区760。
图12为本申请实施例提供的一种脊波导的掺杂部上形成N型接触区的结构示意图。如图12所示，在N型掺杂区760上通过N型离子掺杂形成N型接触区761。N型接触区761的N型离子掺杂浓度大于N型掺杂区760的N型离子掺杂浓度。可选的，在N型掺杂区760上稍远离P型电荷区750的位置开设窗口，在窗口中注入离子掺杂浓度大于N型掺杂区760的N型离子，以形成N型接触区761。
图13为本申请实施例提供的一种脊波导的掺杂部上形成P型接触区的结构示意图。如图13所示，P型掺杂区770上通过P型离子掺杂形成P型接触区771。P型接触区771的P型离子掺杂浓度大于P型掺杂区770的P型离子掺杂浓度。可选的，在P型掺杂区770上远离P型电荷区750的位置开设窗口，在窗口中注入离子掺杂浓度大于P型掺杂区770的P型离子，以形成P型接触区771。
图14为本申请实施例提供的一种脊波导的掺杂部上形成锗吸收层的结构示意图。如图13所示，在掺杂部742的厚波导区7423上选择性生长Ge薄膜形成锗吸收层780，且锗吸收层780位于P型电荷区750和P型掺杂区770的上方，锗吸收层780在P型电荷区750和P型掺杂区770作用下，可以在锗吸收层780内部形成电场分布。
在锗吸收层780形成完成后，继续生长二氧化硅，形成掩埋层720，用于保护N型掺杂区760、P型电荷区750等。图15为本申请实施例提供的一种掩埋层上形成电极的结构示意图。如图15所示，在N型接触区761和P型接触区771上方分别开设窗口，N型接触区761和P型接触区771上方的窗口中沉积接触电极对应形成第一电极762和第二电极772。图15中第一电极762和第二电极772为单层结构。
图16为本申请实施例提供的一种光探测器的使用状态图。如图16所示，光纤连接光探测器700，光纤中传输的高速光信号通过光耦合器730耦合进入光探测器700，进而将高速光信号耦合进光探测器中完成高速光信号雪崩探测；光探测器700与TIA电芯片之间通过金丝键合的方式连接，光探测器700输出的高速电流信号通过键合金丝流入到TIA电芯片中，经过TIA电芯片的跨阻放大转完成高速电压信号，从而完成高速光信号的探测。在本本申请实施例中，光探测器700集成封装在硅光芯片400中，硅光芯片400可以是单路或多路结构，也可以集成上单路或多路的硅光调制器形成收发一体的光集成芯片。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光探测器，其特征在于，用于光模块，包括：
衬底；
掩埋层，设置在所述衬底的上方；
光耦合器，位于所述掩埋层内，用于耦合外部信号光；
脊波导，位于所述掩埋层内，包括连接的连接部和掺杂部，所述连接部的一端连接所述光耦合器，高速信号光通过所述光耦合器耦合传输至所述连接部；
P型掺杂区，位于所述掺杂部的一侧，采用P型离子掺杂；
P型电荷区，位于所述掺杂部的另一侧，采用P型离子掺杂,所述P型电荷区的离子掺杂浓度小于所述P型掺杂区的离子掺杂浓度；
N型掺杂区，位于所述P型电荷区远离所述P型掺杂区的一侧，采用N型离子掺杂，与所述P型电荷区之间具有间隔，所述间隔用作雪崩倍增区；
P型接触区，位于所述P型掺杂区，所述P型接触区的离子掺杂浓度大于所述P型掺杂区的浓度；
N型接触区，位于所述N型掺杂区，所述N型接触区的离子掺杂浓度大于所述N型掺杂区的离子掺杂浓度；
第一电极，一端电连接所述N型接触区，另一端设置在所述掩埋层的表面；
第二电极，一端电连接所述P型接触区，另一端设置在所述掩埋层的表面；
锗吸收层，位于所述掺杂部的顶面上。
2.根据权利要求1所述光探测器，其特征在于，所述脊波导的掺杂部包括第一薄波导区、第二薄波导区和厚波导区，所述第一薄波导区位于所述厚波导区的一侧，所述第一薄波导区位于所述厚波导区的另一侧；
所述N型掺杂区位于所述第一薄波导区，所述P型接触区位于所述第二薄波导区；
所述锗吸收层位于所述厚波导区的顶面上。
3.根据权利要求1所述的光探测器，其特征在于，所述锗吸收层的横截面为三角形或梯形，较大面积的所述锗吸收层底部与所述掺杂部的顶部接触连接。
4.根据权利要求2所述的光探测器，其特征在于，所述P型掺杂区自所述厚波导区延伸至所述第二薄波导区；
和/或，所述P型电荷区自所述厚波导区延伸至所述第二薄波导区。
5.根据权利要求2所述的光探测器，其特征在于，所述脊波导还包括渐变部，所述渐变部包括第一渐变波导区、第二渐变波导区和第三渐变波导区；
所述第一渐变波导区的一端连接所述连接部、另一端连接所述第一薄波导区，用于实现所述连接部到所述第一薄波导区的宽度延伸渐变；
所述第二渐变波导区的一端连接所述连接部、另一端连接所述第二薄波导区，用于实现所述连接部到所述第二薄波导区的宽度延伸渐变；
所述第三渐变波导区的一端连接所述连接部、另一端连接所述厚波导区，用于实现所述连接部到所述厚波导区的宽度延伸渐变。
6.根据权利要求1所述的光探测器，其特征在于，所述第一电极为单层结构或多层结构；
和/或，所述第二电极为单层结构或多层结构。
7.根据权利要求1所述的光探测器，其特征在于，所述光耦合器为光栅耦合器或端面耦合器；
和/或，所述P型掺杂区与所述N型掺杂区之间存在间隔且轴对称部在所述掺杂部上。
8.根据权利要求2所述的光探测器，其特征在于，所述第一薄波导区的厚度为90nm，所述第二薄波导区的厚度为90nm，所述厚波导区的厚度为220nm。
9.一种光探测器的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1中所述的光探测器，所述方法包括：
在SOI晶圆上形成光耦合器和脊波导，所述脊波导包括连接的连接部和掺杂部，所述连接部的一端连接所述光耦合器；
在所述掺杂部上形成P型掺杂区和P型电荷区,所述P型电荷区的离子掺杂浓度小于所述P型掺杂区的离子掺杂浓度；
在所述掺杂部上形成N型掺杂区，所述N型掺杂区位于所述P型电荷区远离所述P型掺杂区的一侧，所述N型掺杂区与所述P型电荷区形成雪崩倍增区；
在所述P型掺杂区形成P型接触区,所述P型接触区的离子掺杂浓度大于所述P型掺杂区的浓度；
在所述N型掺杂区形成N型接触区，所述N型接触区的离子掺杂浓度大于所述N型掺杂区的离子掺杂浓度；
在所述掺杂部的顶面上形成锗吸收层；
在所述N型接触区上方形成第一电极，所述第一电极电连接所述N型接触区；
在所述P型接触区上方形成第二电极，所述第二电极电连接所述P型接触区。
10.一种光模块，其特征在于，包括：
电路板；
第一光纤带，连接光纤接头，用于接收并传输外部信号光；
硅光芯片，电连接所述电路板以及光连接所述第一光纤带，集成有光探测器，所述光探测器接收通过所述第一光纤带传输的信号光；
其中：所述光探测器为权利要求1所述的光探测器或权利要求9所述的制备方法制备的光探测器。
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