CN113707731A - 基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管及其制备方法，所述雪崩光电二极管包括阳极、Ge电极接触层、吸收层、电荷层、倍增层、阴极、SOI衬底、保护层、第一多周期布拉格反射镜、第二多周期布拉格反射镜、第三多周期布拉格反射镜和光波导，其中，第三多周期布拉格反射镜叠放在SOI衬底内部；阴极包括设置在SOI衬底上表面的第一阴极部分和第二阴极部分，第一多周期布拉格反射镜位于第一阴极部分与倍增层和电荷层形成的叠层结构之间，第二多周期布拉格反射镜位于第二阴极部分与叠层结构之间。该雪崩光电二极管利用多周期布拉格反射镜的强反射作用，可提高光的耦合效率，增强器件的光吸收，有效提高器件的响应度。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管及其制备方法。
背景技术
随着当今信息化和互联网业务的飞速发展，光纤通信系统作为信息化的主要技术支柱之一，已成为非常重要的战略性产业。随着光纤通信和量子通信技术的高速发展，对高速率、长距离、低成本的光纤通信系统提出迫切需求。
光纤通信的重要组成部分之一是光电探测器，它利用光电效应的原理，对接收到的光信号进行响应并转换为电信号输出。为了实现高性能、低成本的光纤通信，迫切需要开发高性能光电探测器。近年来，随着对微弱光探测技术的需求以及光纤通信技术的发展，雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，APD)凭借高灵敏度和高增益被广泛地应用于高速率、长距离的光纤通信系统。
半导体雪崩光电二极管是一种具有内部增益的光伏器件，它利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应，以获得大量的光电流，具有体积小、功耗低、具有内部增益、易形成二维阵列等优点，被广泛应用在光纤通信、激光测距和量子成像等方面。根据结构的不同APD可以分为PN结APD，PIN型APD，吸收倍增分离(Separate Absorption andMultiplication,SAM)型APD，吸收层、电荷层、倍增层分离(Separate Absorption,Charge,Multiplication,SACM)型APD等以及以这些结构为基础演变的APD。其中，SACM结构雪崩光电二极管能实现载流子倍增、高量子效率和高响应速度的统一，非常适合应用在高速率、长距离光纤通信系统中的近红外光探测器。
由于光信号要从光纤耦合进入光电探测器，光垂直入射的耦合方式下APD的响应度较低，虽然可以通过增大吸收区的厚度来提高器件的量子效率，但量子效率提高的同时会导致载流子的渡越时间增大，进而使得APD的带宽降低。而波导耦合型雪崩光电二极管由于光吸收方向与载流子输运方向相分离，更适合设计和制作具有高灵敏度的高速器件。波导型雪崩光电二极管通过使用长的水平光路径增强了对光的吸收，且改变了光吸收路径，并有利于光生载流子在光探测器吸收区的均匀分布，还可在量子效率和带宽之间进行折中，以实现载流子传输时间的最小化，进而平衡APD量子效率和带宽之间的关系，适用于高速光电探测器，已成为当今的研究热点。
然而目前传统的单模或多模波导APD在近红外波段的耦合效率比较低，这极大地限制了波导型APD的光吸收，虽然可以通过增加水平方向吸收区长度来提高APD的光吸收，但会导致结面积增大，引起结电容随之增大，进而对APD的带宽产生不利影响。如何进一步提高波导型APD的耦合效率、光吸收和响应度并减小APD的暗电流，已成为国内外主要研究热点。一些新的器件结构和改进措施被提出，例如一种具有低高度剖面的波导型APD，该结构虽然提高了光生载流子被边缘电场的收集，但是边缘电场难以控制，并且会产生较高噪声；例如一种台阶波导型APD结构，该结构提高了波导的耦合效率，但对光吸收确有较大的影响；因此，如何进一步提高波导型APD的耦合效率和光吸收，减小器件的暗电流，仍然是目前急需解决的关键问题。
发明内容
为了提高波导型雪崩光电二极管的耦合效率，增强器件的光吸收，提高器件的响应度，实现远距离光纤通信，本发明提供了一种基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明的一个方面提供了一种基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管，包括阳极、Ge电极接触层、吸收层、电荷层、倍增层、阴极、SOI衬底、保护层、第一多周期布拉格反射镜、第二多周期布拉格反射镜、第三多周期布拉格反射镜和光波导，其中，
所述SOI衬底自下而上依次包括Si衬底、SiO2埋氧化层和Si电极接触层，所述第三多周期布拉格反射镜横向叠放在所述Si电极接触层与所述SiO2埋氧化层之间；所述倍增层、所述电荷层、所述吸收层、所述Ge电极接触层和所述阳极自下而上依次设置在所述Si电极接触层上；
所述阴极包括设置在所述Si电极接触层上表面的第一阴极部分和第二阴极部分，所述第一阴极部分和所述第二阴极部分分别位于所述倍增层和所述电荷层形成的叠层结构的相对两侧，所述第一多周期布拉格反射镜竖向叠放在所述第一阴极部分与所述叠层结构之间，所述第二多周期布拉格反射镜竖向叠放在所述第二阴极部分与所述叠层结构之间；
所述光波导位于所述叠层结构的不同于所述第一多周期布拉格反射镜和所述第二多周期布拉格反射镜的另一侧，所述保护层覆盖在整个器件的上表面。
在本发明的一个实施例中，所述Si电极接触层的表面积小于所述第三多周期布拉格反射镜的表面积，所述光波导设置在所述第三多周期布拉格反射镜上表面未被所述Si电极接触层覆盖的区域，且所述光波导的内侧面同时与所述倍增层、所述电荷层和所述Si电极接触层的侧面接触。
在本发明的一个实施例中，所述基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管还包括第四多周期布拉格反射镜，竖向叠放在所述叠层结构的与所述光波导相对的另一侧。
在本发明的一个实施例中，所述第四多周期布拉格反射镜设置在所述第三多周期布拉格反射镜上表面未被所述Si电极接触层覆盖的区域，且所述第四多周期布拉格反射镜的最内层表面同时与所述倍增层、所述电荷层和所述Si电极接触层的侧面接触。
在本发明的一个实施例中，所述第一多周期布拉格反射镜、所述第二多周期布拉格反射镜和所述第四多周期布拉格反射镜由Si和SiO2，Si和空气或者Si和Si3N4介质材料交替排列组成，所述第三多周期布拉格反射镜由Si和SiO2材料交替排列组成。
本发明的另一方面提供了一种基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的制备方法，包括：
S1：选取SOI衬底并在其顶部形成第三多周期布拉格反射镜，所述第三多周期布拉格反射镜为SiO2/Si叠层结构；
S2：对所述第三多周期布拉格反射镜顶部的Si材料进行离子注入，形成Si电极接触层；
S3：在所述Si电极接触层上表面外延生长Si材料层；
S4：对所述Si材料层进行离子注入，形成Si倍增层和位于所述Si倍增层上方的Si电荷层；
S5：在所述Si倍增层和所述Si电荷层形成的叠层结构的一侧形成光波导；
S6：在所述叠层结构的另外相对两侧分别形成竖向叠放的第一多周期布拉格反射镜和第二多周期布拉格反射镜；
S7：在所述Si电荷层的上方形成Ge吸收层和Ge电极接触层；
S8：在所述Si电极接触层上形成阴极，在所述Ge电极接触层上形成阳极；
S9：在整个器件的上表面和外围形成SiO2或Si3N4保护层。
在本发明的一个实施例中，在步骤S6之前或之后还包括：
在所述叠层结构的与所述光波导相对的一侧形成竖向叠放的第四多周期布拉格反射镜。
在本发明的一个实施例中，所述S1包括：
选取SOI衬底，在SOI衬底的顶部重复进行氧化和生长Si材料，形成由SiO2/Si叠层结构组成的第三多周期布拉格反射镜，且所述第三多周期布拉格反射镜的最顶层为Si材料。
在本发明的一个实施例中，所述S6包括：
采用干法刻蚀技术，在所述叠层结构与所述光波导相邻两侧的Si材料层上分别进行刻蚀，形成刻蚀区域与未刻蚀区域交替的结构，进而形成由空气/Si叠层结构组成且相对于所述叠层结构对称的第一多周期布拉格反射镜和第二多周期布拉格反射镜。
在本发明的一个实施例中，所述S6包括：
采用干法刻蚀技术，在所述叠层结构与所述光波导相邻两侧的Si材料层上分别进行刻蚀，形成刻蚀区域与未刻蚀区域交替的结构；
在所述刻蚀区域中填充SiO2或Si3N4材料，从而形成由SiO2/Si叠层结构或Si3N4/Si叠层结构组成且相对于所述叠层结构对称的第一多周期布拉格反射镜和第二多周期布拉格反射镜。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管，利用布拉格反射镜的强反射作用，可以从多个方向提高光的耦合效率，增强器件的光吸收，有效提高器件的响应度，有利于实现远距离光纤通信。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的结构示意图；
图2是图1所示的基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的XZ平面剖面图；
图3是图1所示的基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的YZ平面剖面图；
图4是图1所示的基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的XY平面剖面图；
图5是本发明实施例提供的另一种基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的结构示意图；
图6是图5所示的基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的YZ平面剖面图；
图7是图5所示的基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的XY平面剖面图；
图8是本发明实施例提供的一种基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的制备方法流程图。
附图标记说明：
1-阳极；2-Ge电极接触层；3-吸收层；4-电荷层；5-倍增层；6-阴极；7-Si电极接触层；8-SiO2埋氧化层；9-Si衬底；10-保护层；11-第一多周期布拉格反射镜；12-第二多周期布拉格反射镜；13-第三多周期布拉格反射镜；14-光波导；15-第四多周期布拉格反射镜。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管及其制备方法进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
应当说明的是，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”或者任何其他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他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例一
请参见图1至图4，图1是本发明实施例提供的一种基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的结构示意图；图2是图1所示的基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的XZ平面剖面图；图3是图1所示的基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的YZ平面剖面图；图4是图1所示的基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的XY平面剖面图。该雪崩光电二极管包括阳极1、Ge电极接触层2、吸收层3、电荷层4、倍增层5、阴极6、SOI衬底、保护层10、第一多周期布拉格反射镜11、第二多周期布拉格反射镜12、第三多周期布拉格反射镜13和光波导14。
所述SOI衬底自下而上依次包括Si衬底9、SiO2埋氧化层8和Si电极接触层7，SOI衬底主要作用是隔离衬底，提高器件的响应速度。Si电极接触层7采用砷(As)或磷(P)掺杂成n型，掺杂浓度大于1×1019cm-3。SiO2埋氧化层8的厚度为1～4μm。
倍增层5、电荷层4、吸收层3、Ge电极接触层2和阳极1自下而上依次设置在Si电极接触层7上，其中，吸收层3用于吸收光子，产生光生载流子；电荷层4用于控制器件内部电场，使得碰撞电离发生在倍增层5。
Ge电极接触层2采用硼(B)掺杂成p型，掺杂浓度大于3×1018cm-3；吸收层3为Ge吸收层，采用B掺杂成p型，掺杂浓度小于1×1016cm-3。电荷层4为Si电荷层，采用B掺杂成p型，掺杂浓度为1×1017～2×1017cm-3；倍增层5为Si倍增层，采用B掺杂成p型，掺杂浓度为5×1015～6×1015cm-3。
进一步地，如图2所示，阴极6包括设置在Si电极接触层7上表面的第一阴极部分61和第二阴极部分62，第一阴极部分61和第二阴极部分62分别位于倍增层5和电荷层4形成的叠层结构的相对两侧，第一多周期布拉格反射镜11竖向叠放在第一阴极部分61与叠层结构之间，第二多周期布拉格反射镜12竖向叠放在第二阴极部分62与叠层结构之间。
一并参见图1和图4，第一阴极部分61和第一多周期布拉格反射镜11位于倍增层5、电荷层4和吸收层3形成的叠层结构的第一侧，第二阴极部分62和第二多周期布拉格反射镜12位于所述叠层结构的第二侧，而光波导14位于所述叠层结构的第三侧。第一阴极部分61、第二阴极部分62和阳极1均由Al或Cu材料制成。
如图2所示，第一多周期布拉格反射镜11的最内层与倍增层5和电荷层4的侧面接触，最外层与第一阴极部分61间隔一定的距离，第二多周期布拉格反射镜12的最内层与倍增层5和电荷层4的侧面接触，最外层与第二阴极部分62间隔一定的距离。第一多周期布拉格反射镜11和第二多周期布拉格反射镜12的高度大致等于倍增层5与电荷层4的高度之和。
进一步地，第三多周期布拉格反射镜13横向叠放在Si电极接触层7与SiO2埋氧化层8之间。在本实施例中，Si电极接触层7的表面积小于第三多周期布拉格反射镜13的表面积，使得第三多周期布拉格反射镜13上表面的左右两端均存在未被Si电极接触层7覆盖的区域。光波导14设置在第三多周期布拉格反射镜13上表面未被Si电极接触层7覆盖的区域，且光波导14的内侧面同时与倍增层5、电荷层4和Si电极接触层7的侧面接触。本实施例的光波导14为多模矩形Si波导，入射光从光波导14的外侧射入，光波导14用于将入射光引导至Ge吸收层3。如图3所示，光波导14的高度大致等于倍增层5、电荷层4和Si电极接触层7的高度之和。
如图1所示，在x轴方向上，光波导14的长度等于倍增层5和电荷层4的长度。如图3所示，在y轴方向上，光波导14的一侧抵靠倍增层5、电荷层4以及Si电极接触层7的侧面，另一侧延伸至与第三多周期布拉格反射镜13的边缘对齐；在y轴方向上，第一多周期布拉格反射镜11、第二多周期布拉格反射镜12、Si电极接触层7、第一阴极部分61以及第二阴极部分62的长度均相同。
本实施例的多周期布拉格反射镜(第一多周期布拉格反射镜11、第二多周期布拉格反射镜12和第三多周期布拉格反射镜13)均由高折射率材料和低折射率材料交替排列组成，起到反射入射光，增强光吸收的作用。需要说明的是，所述多周期布拉格反射镜由若干周期两种折射率相差较大的介质材料交替排列组成。两层介质为一个周期，单个周期内两种折射率不同的介质厚度可由如下公式决定：
d＝λ0/(4n)
其中，λ0为入射光波长，n为介质材料的折射率。例如：1550nm波长下，SiO2和Si的折射率分别为1.46和3.48，由上述公式计算可得，SiO2和Si材料组成的布拉格反射镜，单个周期所需要的厚度分别为0.27μm和0.11μm。
多周期布拉格反射镜所需要的周期数与布拉格反射镜的反射率有关，反射率可由如下公式决定：
其中，n0、ni分别为该多周期布拉格反射镜的出射介质和入射介质的折射率，nH、nL分别为布拉格反射镜中高折射率介质的折射率和低折射率介质的折射率，T为布拉格反射镜的周期数，布拉格反射镜反射率随T增大而增大，同样器件的光吸收也会随着反射率增大而增强。为了实现较高反射率，增强器件的光吸收，T一般要大于2。在本实施例中，入射介质和出射介质材质相同，均为布拉格反射镜中的低折射率介质，即n0/ni的值为1。
优选地，第一多周期布拉格反射镜11、第二多周期布拉格反射镜12由Si和SiO2，Si和空气或者Si和Si3N4介质材料交替排列组成，第三多周期布拉格反射镜13由Si和SiO2材料交替排列组成。
进一步地，请参见图5至图7，图5是本发明实施例提供的另一种基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的结构示意图；图6是图5所示的基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的YZ平面剖面图；图7是图5所示的基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的XY平面剖面图。本实施例的雪崩光电二极管还可以包括第四多周期布拉格反射镜15，竖向叠放在叠层结构的与光波导14相对的另一侧。
第四多周期布拉格反射镜15设置在第三多周期布拉格反射镜13上表面未被Si电极接触层7覆盖的区域，且第四多周期布拉格反射镜15的最内层表面同时与倍增层5、电荷层4和Si电极接触层7的侧面接触，第四多周期布拉格反射镜15的高度也大致等于倍增层5、电荷层4和Si电极接触层7的高度之和。进一步地，该第四多周期布拉格反射镜15的一侧抵靠倍增层5和电荷层4的侧面，第四多周期布拉格反射镜15的另一侧未延伸至第三多周期布拉格反射镜13的边缘，使得第四多周期布拉格反射镜15整体包覆在保护层10中。
优选地，第四多周期布拉格反射镜15由Si和SiO2，Si和空气或者Si和Si3N4介质材料交替排列组成。
保护层10由SiO2或Si3N4材料制成，覆盖在整个器件的上表面，一方面充当光波导14的包层，另一方面起到保护器件的作用。
本实施例的雪崩光电二极管的工作过程如下：
光信号从光纤通过端面耦合进入光波导14并沿光波导14传播，逐渐耦合到Ge吸收层3，被Ge吸收后产生光生载流子。在阳极1外加反向偏压的作用下，Ge吸收层3产生的光生载流子运动到达电荷层4，并在电荷层4的高电场下加速运动，在倍增区5发生碰撞电离，触发雪崩倍增效应，从而形成光电流。在光沿着光波导14传输过程中，未被耦合的光继续沿着光波导14内部传播，当光到达第一多周期布拉格反射镜11、第二多周期布拉格反射镜12、第三多周期布拉格反射镜13和第四多周期布拉格反射镜15处，未被耦合的光子将会在各个布拉格反射镜的强反射作用下，一部分光会通过反射进入Ge层，一部分光则会返回并逐渐被耦合到Ge吸收层，从而实现提高耦合效率的目的，提高了光子利用率，增强了器件的光吸收。其中，第一多周期布拉格反射镜11和第二多周期布拉格反射镜12可以用于减少光在器件内部传播过程中x方向的损失，第三多周期布拉格反射镜13有利于减小入射光在传播过程中z方向的损失，第四多周期布拉格反射镜15可以用于减少光在器件内部传播过程中y方向的损失。
本实施例基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管，利用布拉格反射镜的强反射作用，可以提高各个方向上光的耦合效率，增强器件的光吸收，有效提高器件的响应度，有利于实现远距离光纤通信。
实施例二
在上述实施例的基础上，本实施例提供了一种基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的制备方法，用于制备实施例一所述的雪崩光电二极管。如图8所示，本实施例的制备方法包括：
S1：选取SOI衬底并在其顶部形成第三多周期布拉格反射镜，所述第三多周期布拉格反射镜为SiO2/Si叠层结构；
具体地，选取SOI衬底，在SOI衬底的顶部重复进行氧化和生长Si材料，形成由SiO2/Si叠层结构组成的第三多周期布拉格反射镜，且所述第三多周期布拉格反射镜的最顶层为Si材料。
S2：对所述第三多周期布拉格反射镜顶部的Si材料进行离子注入，形成Si电极接触层；
具体地，对所述第三多周期布拉格反射镜顶部的Si材料进行As或P离子注入，掺杂成n型，掺杂浓度大于1×1019cm-3，形成Si电极接触层。
S3：在所述Si电极接触层上表面外延生长Si材料层；
S4：对所述Si材料层进行离子注入，形成Si倍增层和位于所述Si倍增层上方的Si电荷层；
具体地，对步骤S3中外延生长的Si材料层进行离子注入，其中，Si倍增层采用B掺杂成p型，掺杂浓度为5×1015～6×1015cm-3，Si电荷层采用B掺杂成p型，掺杂浓度为1×1017～2×1017cm-3。
S5：在所述Si倍增层和所述Si电荷层形成的叠层结构的一侧形成光波导；
具体地，利用干法刻蚀技术，对所述Si倍增层和所述Si电荷层一侧的Si材料层进行刻蚀，形成多模矩形光波导。
S6：在所述叠层结构的另外相对两侧分别形成竖向叠放的第一多周期布拉格反射镜和第二多周期布拉格反射镜；
具体地，采用干法刻蚀技术，在所述叠层结构的与所述光波导相邻两侧的Si材料层上分别进行刻蚀，形成刻蚀区域与未刻蚀区域交替的结构，进而形成由空气/Si叠层结构组成且相对于所述叠层结构对称的第一多周期布拉格反射镜和第二多周期布拉格反射镜。
在另一实施例中，该步骤还可以包括：
采用干法刻蚀技术，在所述叠层结构与所述光波导相邻两侧的Si材料层上分别进行刻蚀，形成刻蚀区域与未刻蚀区域交替的结构；
在所述刻蚀区域中填充SiO2或Si3N4材料，从而形成由SiO2/Si叠层结构或Si3N4/Si叠层结构组成且相对于所述叠层结构对称的第一多周期布拉格反射镜和第二多周期布拉格反射镜。
S7：在所述Si电荷层的上方形成Ge吸收层和Ge电极接触层；
具体地，在所述Si电荷层的上方外延生长Ge材料层，对所述Ge材料层进行离子注入，形成Ge吸收层和位于所述Ge吸收层上方的Ge电极接触层，其中，Ge吸收层采用B掺杂成p型，掺杂浓度小于1×1016cm-3，Ge电极接触层采用B掺杂成p型，掺杂浓度大于3×1018cm-3。
S8：在所述Si电极接触层上形成阴极，在所述Ge电极接触层上形成阳极；
具体地，在所述Si倍增层两侧的Si电极接触层上表面分别淀积金属铝或铜材料制作阴极，在Ge电极接触层的上表面淀积金属铝或铜制作阳极。
S9：在整个器件的上表面和外围形成SiO2或Si3N4保护层。
进一步地，在步骤S6之前或之后还可以包括：
在所述叠层结构的与所述光波导相对的一侧形成竖向叠放的第四多周期布拉格反射镜。
具体地，采用干法刻蚀技术，在所述叠层结构的与所述光波导相对一侧的Si材料层上进行刻蚀，形成刻蚀区域与未刻蚀区域交替的结构，进而形成由空气/Si叠层结构组成的第四多周期布拉格反射镜。
在另一实施例中，该步骤还可以包括：
采用干法刻蚀技术，在所述叠层结构的与所述光波导相对一侧的Si材料层上进行刻蚀，形成刻蚀区域与未刻蚀区域交替的结构；在所述刻蚀区域中填充SiO2或Si3N4材料，从而形成由SiO2/Si叠层结构或Si3N4/Si叠层结构组成的第四多周期布拉格反射镜。
利用本实施例的方法制备的雪崩光电二极管利用布拉格反射镜的强反射作用，可以减小光在器件内部传播过程中x、y和z方向的损失，增强器件的光吸收，提高器件性能，且制备方法简单，制作成本低。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管，其特征在于，包括阳极(1)、Ge电极接触层(2)、吸收层(3)、电荷层(4)、倍增层(5)、阴极(6)、SOI衬底、保护层(10)、第一多周期布拉格反射镜(11)、第二多周期布拉格反射镜(12)、第三多周期布拉格反射镜(13)和光波导(14)，其中，
所述SOI衬底自下而上依次包括Si衬底(9)、SiO2埋氧化层(8)和Si电极接触层(7)，所述第三多周期布拉格反射镜(13)横向叠放在所述Si电极接触层(7)与所述SiO2埋氧化层(8)之间；所述倍增层(5)、所述电荷层(4)、所述吸收层(3)、所述Ge电极接触层(2)和所述阳极(1)自下而上依次设置在所述Si电极接触层(7)上；
所述阴极(6)包括设置在所述Si电极接触层(7)上表面的第一阴极部分(61)和第二阴极部分(62)，所述第一阴极部分(61)和所述第二阴极部分(62)分别位于所述倍增层(5)和所述电荷层(4)形成的叠层结构的相对两侧，所述第一多周期布拉格反射镜(11)竖向叠放在所述第一阴极部分(61)与所述叠层结构之间，所述第二多周期布拉格反射镜(12)竖向叠放在所述第二阴极部分(62)与所述叠层结构之间；
所述光波导(14)位于所述叠层结构的不同于所述第一多周期布拉格反射镜(11)和所述第二多周期布拉格反射镜(12)的另一侧，所述保护层(10)覆盖在整个器件的上表面。
2.根据权利要求1所述的基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管，其特征在于，所述Si电极接触层(7)的表面积小于所述第三多周期布拉格反射镜(13)的表面积，所述光波导(14)设置在所述第三多周期布拉格反射镜(13)上表面未被所述Si电极接触层(7)覆盖的区域，且所述光波导(14)的内侧面同时与所述倍增层(5)、所述电荷层(4)和所述Si电极接触层(7)的侧面接触。
3.根据权利要求1所述的基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管，其特征在于，还包括第四多周期布拉格反射镜(15)，竖向叠放在所述叠层结构的与所述光波导(14)相对的另一侧。
4.根据权利要求3所述的基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管，其特征在于，所述第四多周期布拉格反射镜(15)设置在所述第三多周期布拉格反射镜(13)上表面未被所述Si电极接触层(7)覆盖的区域，且所述第四多周期布拉格反射镜(15)的最内层表面同时与所述倍增层(5)、所述电荷层(4)和所述Si电极接触层(7)的侧面接触。
5.根据权利要求1所述的基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管，其特征在于，所述第一多周期布拉格反射镜(11)、所述第二多周期布拉格反射镜(12)和所述第四多周期布拉格反射镜(15)由Si和SiO2，Si和空气或者Si和Si3N4介质材料交替排列组成，所述第三多周期布拉格反射镜(13)由Si和SiO2材料交替排列组成。
6.一种基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于，包括：
S1：选取SOI衬底并在其顶部形成第三多周期布拉格反射镜，所述第三多周期布拉格反射镜为SiO2/Si叠层结构；
S2：对所述第三多周期布拉格反射镜顶部的Si材料进行离子注入，形成Si电极接触层；
S3：在所述Si电极接触层上表面外延生长Si材料层；
S4：对所述Si材料层进行离子注入，形成Si倍增层和位于所述Si倍增层上方的Si电荷层；
S5：在所述Si倍增层和所述Si电荷层形成的叠层结构的一侧形成光波导；
S6：在所述叠层结构的另外相对两侧分别形成竖向叠放的第一多周期布拉格反射镜和第二多周期布拉格反射镜；
S7：在所述Si电荷层的上方形成Ge吸收层和Ge电极接触层；
S8：在所述Si电极接触层上形成阴极，在所述Ge电极接触层上形成阳极；
S9：在整个器件的上表面和外围形成SiO2或Si3N4保护层。
7.根据权利要求6所述的基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于，在步骤S6之前或之后还包括：
在所述叠层结构的与所述光波导相对的一侧形成竖向叠放的第四多周期布拉格反射镜。
8.根据权利要求6所述的基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于，所述S1包括：
选取SOI衬底，在SOI衬底的顶部重复进行氧化和生长Si材料，形成由SiO2/Si叠层结构组成的第三多周期布拉格反射镜，且所述第三多周期布拉格反射镜的最顶层为Si材料。
9.根据权利要求6所述的基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于，所述S6包括：
采用干法刻蚀技术，在所述叠层结构与所述光波导相邻两侧的Si材料层上分别进行刻蚀，形成刻蚀区域与未刻蚀区域交替的结构，进而形成由空气/Si叠层结构组成且相对于所述叠层结构对称的第一多周期布拉格反射镜和第二多周期布拉格反射镜。
10.根据权利要求6所述的基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管的制备方法，其特征在于，所述S6包括：
采用干法刻蚀技术，在所述叠层结构与所述光波导相邻两侧的Si材料层上分别进行刻蚀，形成刻蚀区域与未刻蚀区域交替的结构；
在所述刻蚀区域中填充SiO2或Si3N4材料，从而形成由SiO2/Si叠层结构或Si3N4/Si叠层结构组成且相对于所述叠层结构对称的第一多周期布拉格反射镜和第二多周期布拉格反射镜。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023169203A1 (zh) * | 2022-03-08 | 2023-09-14 | 华为技术有限公司 | 一种光电探测器、接收端设备和工作模式的切换方法 |
| CN116884981A (zh) * | 2023-06-07 | 2023-10-13 | 边际科技(珠海)有限公司 | 一种响应0.85微米雪崩二极管与平面透镜的集成结构及其制程 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6437062A (en) * | 1987-07-31 | 1989-02-07 | Shimadzu Corp | Photodiode |
| CN103681897A (zh) * | 2013-11-18 | 2014-03-26 | 北京大学 | 一种红外光电探测器及其制备方法 |
| CN110880539A (zh) * | 2018-12-06 | 2020-03-13 | 希烽光电科技(南京)有限公司 | 波导集成雪崩光电二极管 |
| CN110931575A (zh) * | 2019-10-24 | 2020-03-27 | 重庆邮电大学 | 与dbr包层及反射镜单片集成的波导光探测器 |
-
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- 2021-08-05 CN CN202110898534.0A patent/CN113707731A/zh not_active Withdrawn
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6437062A (en) * | 1987-07-31 | 1989-02-07 | Shimadzu Corp | Photodiode |
| CN103681897A (zh) * | 2013-11-18 | 2014-03-26 | 北京大学 | 一种红外光电探测器及其制备方法 |
| CN110880539A (zh) * | 2018-12-06 | 2020-03-13 | 希烽光电科技(南京)有限公司 | 波导集成雪崩光电二极管 |
| CN110931575A (zh) * | 2019-10-24 | 2020-03-27 | 重庆邮电大学 | 与dbr包层及反射镜单片集成的波导光探测器 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| YUAN YUAN等: "High-Speed Si/Ge Avalanche Photodiodes with Enhanced Responsivity", OSA ADVANCED PHOTONICS CONGRESS 2021, pages 1 - 2 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023169203A1 (zh) * | 2022-03-08 | 2023-09-14 | 华为技术有限公司 | 一种光电探测器、接收端设备和工作模式的切换方法 |
| CN116884981A (zh) * | 2023-06-07 | 2023-10-13 | 边际科技(珠海)有限公司 | 一种响应0.85微米雪崩二极管与平面透镜的集成结构及其制程 |
| CN116884981B (zh) * | 2023-06-07 | 2024-04-23 | 边际科技(珠海)有限公司 | 一种响应0.85微米雪崩二极管与平面透镜的集成结构及其制程 |
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