CN114188426A - 一种高带宽高响应度的光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高带宽高响应度的光电探测器，属半导体器件领域，其包括InP衬底，在InP衬底上依次生长有InP隔离台、N型接触层、N型InP层、InGaAs光吸收层、P型InP层以及P型接触层，其特征在于：在P型接触层上设有用于将P型接触层射出的光线反射至InGaAs光吸收层的第一光栅层，在InP衬底背对InP隔离台的一侧设有用于汇聚、透射和自动耦合光束的第二光栅层，第二光栅层包括多个同心设置的环形光栅条，InGaAs光吸收层的直径为5‑10µm，厚度为500‑3000nm。本发明能够提高PD带宽的同时，可以兼顾提升PD响应度和降低PD耦光难度。
Description
技术领域
本发明涉及一种高带宽高响应度的光电探测器。
背景技术
光电探测器（PD）是一种将光信号转换成电信号的器件。5G通信、数据中心/云计算、物联网和智慧城市的发展使光信息和光网络成为国家战略性信息基础设施。光模块是光信息和光网络的核心。光芯片是光模块的核心元件，其价值在光模块/光器件成本中占比接近50%，且随着光模块性能指标的提高而提升，占据整个产业链的价值制高点，是光器件的“明珠”。PD一般与VCSEL和DFB配合使用，主要应用于电信市场、数据中心市场等工业领域及消费电子市场。
PD的工作原理：光入射到PD吸收区并被吸收，引起电子从价带到导带的受激跃迁，产生光生载流子（电子-空穴对）。PD工作的时候，在PD两端加有反偏电压（N极接正电压）。光生载流子（电子-空穴对）在PN结反偏电场的作用下，通过扩散、漂移作用，被反偏电场分开，分别达到各自电极。于是，在外电路中形成光电流。
由于受激吸收跃迁的速率与入射光的强度呈正比，所以每单位时间内产生的光生载流子数目与入射光波的强度呈正比。于是，通过测量光电流，就可以探测到光波强度所携带的信号，进而实现信号的高速传输和通信。
衡量高带宽PD（比如：25 Gb/s PD、50 Gb/s PD）优劣的性能指标主要有暗电流、电容、响应度以及响应速度：暗电流（Id）：在无入射光照射时，在规定的反向电压VR下，器件内部产生的电流。PD的暗电流越低越好。电容（Ct）：在无入射光照射时，在规定的反向电压VR下，被测器件两端的电容值。电容越小越好。响应度：表征PD将入射光信号转换成电信号的能力，即：在给定波长（如：1310nm、1550nm等）的光照条件下，PD的输出平均光电流Ip与平均入射光功率Pi的比值，单位为A/W。PD的响应度越高越好。响应速度可以用光生载流子的渡越时间表示，载流子的渡越时间外在的频率响应的表现就是探测器的带宽。
PD目前主要有几个问题，即：提高带宽、提高响应度与降低耦光难度之间的平衡优化。主要是涉及到吸收层的设计，包括吸收层的面积、厚度等。
PD吸收层有效收光面积大小的矛盾：根据电容公式C=εS/d（ε为介电常数、S为电极面积、d为电极之间的距离），面积越大，那么电容越大，反应时间越慢，不适于高频高速使用；但是如果收光面积设计得太小的话，对入射光的反射损失会增大，会增加耦光的难度，会对测试和使用带来很大的影响，最终会影响产品的规格性能参数和使用体验感。
PD吸收层的厚度矛盾：为实现高带宽，吸收层越薄越好（如：中间采用薄的InGaAs吸收层，0.5-1µm）。吸收层厚度越大，渡越时间越长，影响高速工作。但是为提高响应度，吸收层的厚度越大，响应度越大。
现在的通信需求，对PD带宽的要求越来越高。所以，现在的很多PD为提高PD带宽性能，吸收层的设计为面积小、厚度薄的方式。这样做只是单方面追求带宽，牺牲了响应度，并且大大增加了耦光难度，严重影响测试和使用时的便利性。
为降低PD的耦光难度，除了可以通过增大光吸收区的面积来实现，还可以通过增加对入射光的汇聚的方法来实现。现有的设计，一般都是采用增加耦光透镜的方法来达到降低PD的耦光难度的目的。然而耦光透镜的制造工艺复杂难控制，工艺重复性差，产品良率低。
鉴于此，本案发明人对上述问题进行深入研究，遂有本案产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高PD带宽的同时，可以兼顾提升PD响应度和降低PD耦光难度的光电探测器。
为了达到上述目的，本发明采用这样的技术方案：一种高带宽高响应度的光电探测器，包括InP衬底，在InP衬底上依次生长有InP隔离台、N型接触层、N型InP层、InGaAs光吸收层、P型InP层以及P型接触层，在P型接触层上设有用于将P型接触层射出的光线反射至InGaAs光吸收层的第一光栅层，在InP衬底背对InP隔离台的一侧设有用于汇聚、透射和自动耦合光束的第二光栅层，第一光栅层的反射率大于99%，第一光栅层的厚度在180-600nm，第二光栅层的透射率大于98%，第二光栅层的厚度为180-600nm，第二光栅层包括多个同心设置的光栅条，InGaAs光吸收层的直径为5-10µm，厚度为500-3000nm。
作为本发明的一种优选方式，所述第一光栅层包括第一外框、第一内框以及连接第一外框与第一内框的连接部，第一内框内设有多个第一光栅条，各第一光栅条平行设置，相邻第一光栅条之间形成气隙。
作为本发明的一种优选方式，所述P型接触层对应所述第一外框的内周沿围成的区域形成沉腔。
作为本发明的一种优选方式，所述沉腔的深度为所述P型接触层的厚度一半。
作为本发明的一种优选方式，所述第一光栅层采用SiO2或Si3N4,厚度为195nm，所述第一光栅条的宽度为370nm，所述气隙的宽度为700nm。
作为本发明的一种优选方式，所述第二光栅层采用InP。
作为本发明的一种优选方式，所述InP衬底与所述第二光栅层之间还设有间隔层，间隔层形状与环形光栅条匹配，间隔层采用InAlAs，厚度在180-600nm，间隔层最终再经氧化处理，主要成分为低折射率的Al2O3。
作为本发明的一种优选方式，所述P型接触层采用InGaAs，掺杂Zn，掺杂浓度大于1e18cm-3，厚度在20-100nm，所述P型InP层掺杂Zn，掺杂浓度大于1e18cm-3，厚度为300-400nm，所述N型InP层掺杂Si，掺杂浓度大于1e18cm-3，厚度为20-50nm，所述N型接触层采用InGaAs，掺杂Si，掺杂浓度大于2e18cm-3，厚度为20-50nm，所述InP隔离台掺杂Si，掺杂浓度大于1e18cm-3，厚度大于等于1.5µm，所述InP衬底掺杂Fe，掺杂浓度大于5e15cm-3，厚度在80-120µm。
采用本发明的技术方案后，在光电探测器的P型接触层上设有用于将P型接触层射出的光线反射至InGaAs光吸收层的第一光栅层，第一光栅层形成反射镜，InP衬底背对InP隔离台的一侧设有用于汇聚、透射和自动耦合光束的第二光栅层，第二光栅层为多个同心设置的光栅条，具有更好的汇聚效果，更容易调控焦点和焦距，结合光吸收层厚度和直径的合理选择，可以保证PD在有高速传输速率（≥50Gb/s）的同时，具有良好的响应度（≥0.65A/W），而且具有能够自动耦光的便捷性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图（图中箭头表示光线传输的路径）。
图2为本发明中第一光栅层的结构示意图。
图3为本发明中优选方式中第一光栅层、P型接触层以及P型InP层的结构示意图。
图4为本发明中第二光栅层以及InP衬底的结构示意图。
图5为本发明中第一光栅层的制作流程示意图。
图6为本发明中第二光栅层的另一种实施方式的结构示意图。
图中：第一光栅层1，P型接触层 2，P型InP层3，InGaAs光吸收层4，N型InP层5，N型接触层6，InP隔离台7，InP衬底8，间隔层9，第二光栅层10，光纤 100，第一外框11，第一内框12，连接部13，第一光栅条14，气隙15，沉腔21，环形光栅条101。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合实施例进行详细阐述。
参照图1至图6，一种高带宽高响应度的光电探测器（即PD），包括InP衬底8，在InP衬底8上依次生长有InP隔离台7、N型接触层6、N型InP层5、InGaAs光吸收层4、P型InP层3以及P型接触层2，在P型接触层2上设有用于将P型接触层2射出的光线反射至InGaAs光吸收层4的第一光栅层1，在InP衬底8背对InP隔离台7的一侧设有用于汇聚、透射和自动耦合光束的第二光栅层10，第一光栅层1的反射率大于99%，第一光栅层1的厚度在180-600nm，第二光栅层10包括多个同心设置的环形光栅条101，第二光栅层10的透射率大于98%，第二光栅层10的厚度为180-600nm，InGaAs光吸收层4的直径为5-10µm，厚度为500-3000nm。
关于带宽：为保证高带宽（≥50 Gb/s），本专利的PD的吸收层设计为面积小（如：InGaAs光吸收层5的直径≤10µm）、厚度薄（如：≤0.5µm）的方式。对于这种设计可能带来的对响应度和耦光难度的影响，本专利同时采取了针对性的设计。
关于响应度：为提高响应度，需要增加对光的吸收。为增加对光的吸收，除了可以通过增加PD吸收区的吸收面积来实现，还可以通过增加反射设计，再对反射回来的光进行二次吸收的方法来实现。本专利的具体实现方法为将PD设计为背面接收入射光的方式，并在PD的顶面增加反射镜设计。具体地，顶面反射镜采用均匀HCG。
关于耦光难度：耦合是指半导体激光器的输出光通过适当的方式进入光纤或其他光电子器件中，实现光的传输和应用。耦合光纤芯径需要考虑与PD光敏面积的良好匹配。为降低PD的耦光难度，除了可以通过增大光吸收区的面积来实现，还可以通过增加对入射光束进行汇聚的方法来实现。现有的设计，一般都是在PD的光入射侧采用增加耦光透镜的方法来增加入射光束的汇聚，达到降低PD的耦光难度的目的。然而耦光透镜的制造工艺复杂难控制，成本高、重复性差、良率低，而且可能影响器件的整体结构的紧凑性。
高对比度光栅（HCG）：HCG 是单层亚波长光栅，光栅周期小于光波长，HCG可以用来实现对光束的准直、倾斜、模式控制、反射、透射和汇聚等功能。HCG对光束的反射、透射和汇聚的程度可通过调节每个HCG光栅条的宽度（s）、气隙（a）和HCG光栅条的厚度（t）决定。光栅条的形状可以是矩形、菱形、纺锤形、柱状排列等多种形状。
作为本发明的优选方式，所述第一光栅层1包括第一外框11、第一内框12以及连接第一外框11与第一内框12的连接部13，第一内框12内设有多个第一光栅条14，各第一光栅条14平行设置，相邻第一光栅条14之间形成气隙15。
优选地，所述P型接触层2对应所述第一外框11的内周沿围成的区域形成沉腔21，所述沉腔21的深度为所述P型接触层2的厚度一半，也即P型接触层2中心区域形成向下延伸的腔室。此设计使第一光栅条14的底面悬空，直接与空气接触，增强HCG光栅与空气的折射率的对比效果，最终反射效果最好。
参照图4，作为本发明的一种实施方式，所述InP衬底8与所述第二光栅层10之间还设有间隔层9，间隔层9形状与环形光栅条匹配，间隔层9采用InAlAs，厚度在180-600nm，间隔层9最终再经氧化处理，主要成分为低折射率的Al2O3。
参照图6，本发明的第二光栅层10的另一种实施方式中，其与上述结构的不同之处在于：第二光栅层10中设有圆孔，圆孔中设有多个光栅条，多个光栅条平行设置，各光栅条的宽度不全相同或相邻光栅条之间的间隙不全相同，在第二光栅层10与衬底8之间设有间隔层9，间隔层9具有内圆空腔，间隔层采用InAlAs，厚度在180-600nm。
作为本发明的优选方式，所述第一光栅层采用SiO2或Si3N4,厚度为195nm，所述第二光栅层10采用InP。本发明的工作原理如下：入射光经光纤100等传输方式，从PD背面射入；入射光经第二光栅层10自动汇聚、耦合并透射，经InP衬底8、InP隔离台7、N型接触层6、N型InP层5入射到InGaAs光吸收层4并被吸收，引起电子从价带到导带的受激跃迁，产生光生载流子（电子-空穴对）；入射时未被完全吸收的光，再透射经过P型InP层3、P型接触层2，再被第一光栅层1反射回来，再经P型接触层2、P型InP层3，到InGaAs光吸收层4，InGaAs光吸收层4再对反射回来的光进行二次吸收，可进一步提高PD的响应度。
PD各层材料如下表（序号与各层一一对应）：
本专利设计的PD结构中的第一光栅层1设计用来实现高度反射光。第一光栅层1的HCG光栅是均匀HCG，即第一光栅条14的宽度（s）相同、气隙15（a）相同和第一光栅条14的厚度（t）相同的。具体地，该结构中的HCG光栅条厚度（t）为195nm，气隙15（a）为700nm，半导体光栅条宽度（s）为370nm。第一光栅层1被设计为对TE光（电场沿光栅方向偏振的光）具有高度反射性。
第二光栅层10用于将入射激光光束进行汇聚、透射和自动耦合，能够有效降低接收光的损失和提高测试及使用中的操作便捷性。使用高斯光源执行3D FDTD模拟。透镜设计为TE偏振（电场平行于光栅条方向），入射光束从3.5µm的腰部半径聚焦到仅0.89µm，使峰值强度增加了12倍以上，证明这种第二光栅层10可以有效实现对入射光的收敛聚焦和自动耦合。
本发明中的第一光栅层1可以采用如下步骤进行制作：
a)对于生长好顶面HCG材料的PD外延片，在顶面HCG光栅材料的上表面旋涂光刻胶；
b)通过电子束曝光技术，形成顶面HCG光栅的目标图案；
c)通过干法刻蚀（如：离子束轰击等），将顶面HCG光栅层的目标结构转移至顶面HCG光栅层；
d)去除光刻胶（如：氧气等离子灰化方法等），得到顶面HCG的结构，即第一光栅层1；
e)通过选择性刻蚀，对顶面HCG光栅下的P型接触层2域进行刻蚀形成沉腔21。
本发明设计了特定结构的第一光栅层1和第二光栅层10，提高PD带宽的同时，可以兼顾提升PD响应度和降低PD耦光难度，且能兼顾结构强度。
本发明的产品形式并非限于本案实施例，任何人对其进行类似思路的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。
Claims (8)
1.一种高带宽高响应度的光电探测器，包括InP衬底，在InP衬底上依次生长有InP隔离台、N型接触层、N型InP层、InGaAs光吸收层、P型InP层以及P型接触层，其特征在于：在P型接触层上设有用于将P型接触层射出的光线反射至InGaAs光吸收层的第一光栅层，在InP衬底背对InP隔离台的一侧设有用于汇聚、透射和自动耦合光束的第二光栅层，第一光栅层的反射率大于99%，第一光栅层的厚度在180-600nm，第二光栅层的透射率大于98%，第二光栅层的厚度为180-600nm，第二光栅层包括多个同心设置的环形光栅条，InGaAs光吸收层的直径为5-10µm，厚度为500-3000nm。
2.如权利要求1所述的一种高带宽高响应度的光电探测器，其特征在于：所述第一光栅层包括第一外框、第一内框以及连接第一外框与第一内框的连接部，第一内框内设有多个第一光栅条，各第一光栅条平行设置，相邻第一光栅条之间形成气隙。
3.如权利要求2所述的一种高带宽高响应度的光电探测器，其特征在于：所述P型接触层对应所述第一外框的内周沿围成的区域形成沉腔。
4.如权利要求3所述的一种高带宽高响应度的光电探测器，其特征在于：所述沉腔的深度为所述P型接触层的厚度一半。
5.如权利要求4所述的一种高带宽高响应度的光电探测器，其特征在于：所述第一光栅层采用SiO2或Si3N4,厚度为195nm，所述第一光栅条的宽度为370nm，所述气隙的宽度为700nm。
6.如权利要求5所述的一种高带宽高响应度的光电探测器，其特征在于：所述第二光栅层采用InP。
7.如权利要求6所述的一种高带宽高响应度的光电探测器，其特征在于：所述InP衬底与所述第二光栅层之间还设有间隔层，间隔层形状与环形光栅条匹配，间隔层采用InAlAs，厚度在180-600nm。
8.如权利要求7所述的一种高带宽高响应度的光电探测器，其特征在于：所述P型接触层采用InGaAs，掺杂Zn，掺杂浓度大于1e18cm-3，厚度在20-100nm，所述P型InP层掺杂Zn，掺杂浓度大于1e18cm-3，厚度为300-400nm，所述N型InP层掺杂Si，掺杂浓度大于1e18cm-3，厚度为20-50nm，所述N型接触层采用InGaAs，掺杂Si，掺杂浓度大于2e18cm-3，厚度为20-50nm，所述InP隔离台掺杂Si，掺杂浓度大于1e18cm-3，厚度大于等于1.5µm，所述InP衬底掺杂Fe，掺杂浓度大于5e15cm-3，厚度在80-120µm。
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