CN114335207A - 一种基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器，包括由下至上依次层叠的第一硅平板波导、锗亚波长光栅结构、硅亚波长光栅结构、第二硅平板波导；入射光分别从所述的第二硅平板波导的两端同时入射至所述的第二硅平板波导的中心区域；所述的第二硅平板波导与所述的硅亚波长光栅结构相互耦合，即利用波导的传播模式与硅亚波长光栅中的模式相耦合，将所述的第二硅平板波导面内传输的入射光通过所述的硅亚波长光栅结构耦合到面外出射；出射光会垂直入射至所述的锗亚波长光栅结构中，所述的锗亚波长光栅结构与所述的第一硅平板波导组成的复合结构利用导模共振效应吸收入射光，将入射光转换为光生电子‑空穴对，也即光生载流子。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体的，涉及一种基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器。
背景技术
在光纤无线电系统、微波光子雷达和相控阵天线等模拟光通信链路中，需要具有高饱功率和大带宽的光电探测器，用来将光信号转换为电信号。目前，可以基于多种材料体系来实现高性能探测器，如基于Ⅲ-Ⅴ族材料的铟磷体系、砷化镓体系，基于Ⅳ族材料的硅光体系等。其中，硅光体系具备与标准半导体(CMOS)工艺兼容、成本低、集成度高的优点，逐渐被业界广泛采用。由于硅的禁带宽度为1.12eV，无法有效吸收波长大于1.1μm的光信号，因此纯硅的光电探测器无法胜任近红外光探测。而同为IV族元素的锗材料，在近红外和光通信波段具有较高的响应，且与现有的硅CMOS工艺可以实现兼容，可以有效地降低成本。
近年来随着硅基锗材料外延技术的突破，锗硅光电探测器被认为是硅基光电探测器的重要选择之一。经过几十年的发展，锗硅光电探测器在结构上不断优化，性能进一步提高。按照是否与波导集成可将探测器分为波导集成型光电探测器与端面直入射光电探测器。从电学结构看，光电探测器可分为PN结光电探测器、PIN光电探测器、APD光电探测器和MSM光电探测器。
锗硅探测器的带宽受到载流子渡越时间和RC截止效应的限制。锗硅探测器的饱和功率受到空间电荷效应的限制。当前，锗硅探测器的饱和功率和带宽难以同时提升。这是因为对于传统的波导集成型锗硅探测器，光从一端入射，从对应的另一端出射，经历单程吸收。但是，大部分入射光在结构最初的几微米内被吸收，显示出指数衰减的吸收曲线，入射光功率从入射端到出射端迅速减小。在大功率入射情况下，入射端很容易出现饱和吸收的情况，探测器的光吸收区会积累高密度的光生载流子，产生强大的空间电荷场，从而屏蔽外部施加的偏置场。减弱的偏置场会降低光生载流子的漂移速度，导致器件性能降低。提高饱和功率需要大的吸收体积来降低光生载流子的密度。然而，增加吸收体积会增大载流子渡越时间和加剧RC截止效应，最终会降低带宽。
当前的研究主要通过三种不同的方式来同时提升饱和功率和带宽。
第一种方式是将光电流分配到几个子部分，例如行波光电探测器和阵列光电探测器。如XianshuLuo等人公开了一种使用多级级联锗层结构，采用行波电极结构来实现输出电信号饱和功率提升的锗硅光电探测器。入射的光信号通过多级级联功分器，均分到多个并排级联的锗层结构中，然后每个锗层结构输出的电信号通过行波电极汇总输出。这种方法有效提升了锗硅探测器的饱和功率。
第二种方式是调节吸收层或收集层中的掺杂条件，例如单行载流子光电探测器。John Bowers等人提出并实现一种硅基锗单行载流子探测器(UTC-PD)。由于大多数半导体材料的空穴和电子的迁移率相差很大。因此，器件的载流子渡越时间主要受限于迁移率较低的载流子运动。如果能够限制迁移率较低的载流子的传输，只使用迁移率较高的载流子进行信号传输，那么就可以提升探测器的带宽。与此同时，由于只有一种载流子存在于耗尽区，空间电荷效应得以有效的避免，从而使得探测器的饱和功率提高。
第三种方式是基于倏逝光耦合方法重新设计吸收区域中的光场分布，从而避免由光强分布不均导致的饱和吸收。包括基于模式演化的耦合器光电探测器、边缘耦合光电探测器和双侧/四侧照明光电探测器。Yu Yu等人提出了一种双端入射、并联双锗区的结构，通过在探测器的两端输入光功率，相比单端输入有效降低了峰值功率强度，改善了空间电荷效应，实现饱和功率提升。同时，并联锗区的设计使得带宽并没有显著劣化[G.Chen,Y.Yu,X.Xiao,and X.Zhang,“High speed and high power polarization insensitivegermanium photodetector with lumped structure,”Opt.Express 24(9),10030–10039(2016)]。Shao hua Yu等人设计了波导四端入射的探测器结构，试图进一步提高锗区光场均匀性，从而进一步提升饱和功率和带宽[X.Hu,D.Wu,H.Zhang,W.Li,D.Chen,L.Wang,X.Xiao,and S.Yu,“High-speed lateral PIN germanium photodetector with 4-directional light input,”Opt.Express 28,38343–38354(2020)]。
在上述现有技术即基于倏逝光耦合优化方法设计的探测器，如双侧/四侧照明光电探测器，当锗吸收区的长度较长时，由于入射光仍遵循指数衰减的吸收曲线，导致中心区域的光功率仍然很弱，在传统方案中面临类似的问题。光功率无法均匀的分布在整个锗吸收区内，这会导致饱和功率与带宽难以进一步提高。
因此，现有技术仅适用于长度/体积较短的探测器，缺乏设计灵活性。
发明内容
本发明为了解决以上现有技术存在饱和功率与带宽难以进一步提高的问题，提供了一种基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器，其能进一步提高饱和功率与带宽，以满足光纤无线电系统等模拟光通信链路的要求。
为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：
一种基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器，包括由下至上依次层叠的第一硅平板波导、锗亚波长光栅结构、硅亚波长光栅结构、第二硅平板波导；
所述的锗亚波长光栅结构设置在所述的第一硅平板波导上，且所述第一硅平板波导与所述锗亚波长光栅结构之间无间隙连接；所述的锗亚波长光栅结构的空隙处填充有二氧化硅介质；
所述的硅亚波长光栅结构设置在所述的锗亚波长光栅结构的上方，所述的硅亚波长光栅结构与所述的锗亚波长光栅结构之间设有第一间隙结构，所述的第一间隙结构填充有二氧化硅介质；所述的硅亚波长光栅结构的空隙处填充有二氧化硅介质；
所述的第二硅平板波导设置在所述的硅亚波长光栅结构的上方，所述的第二硅平板波导与所述的硅亚波长光栅结构之间设有第二间隙结构，所述的第二间隙结构填充有二氧化硅介质。
本发明的工作原理如下：入射光分别从所述的第二硅平板波导的两端同时入射至所述的第二硅平板波导的中心区域；所述的第二硅平板波导与所述的硅亚波长光栅结构相互耦合，即利用波导的传播模式与硅亚波长光栅中的模式相耦合，将所述的第二硅平板波导面内传输的入射光通过所述的硅亚波长光栅结构耦合到面外出射；出射光会垂直入射至所述的锗亚波长光栅结构中，所述的锗亚波长光栅结构与所述的第一硅平板波导组成的复合结构利用导模共振效应吸收入射光，将入射光转换为光生电子-空穴对，也即光生载流子。
优选地，所述的第一硅平板波导的上表面形成有P掺杂区，其掺杂浓度大于1×1018cm-3；
所述的锗亚波长光栅结构的上表面形成有N掺杂区，其掺杂浓度大于1×1018cm-3。
进一步地，还包括两个正电极、两个负电极；所述负电极设置在所述的锗亚波长光栅结构上，且分别位于所述锗亚波长光栅结构的两侧，所述的锗亚波长光栅结构与所述的负电极电性连接；
所述的硅亚波长光栅结构、所述的第二硅平板波均位于两个负电极之间；
所述的正电极设置在所述的第一硅平板波导上，且分别位于所述的第一硅平板波导的两侧，所述的第一硅平板波导与所述正电极电性连接；
所述锗亚波长光栅结构位于两个正电极之间。
所述的光生电子-空穴对在所述正电极5、负电极6和掺杂共同形成的电场作用下分别向正、负电极漂移，最终进入外电路形成电流，从而完成光电转换。
优选地，所述的锗亚波长光栅结构的长度为15μm，宽度为5μm，厚度t1为200nm～500nm，占空比为0.1～0.9，刻蚀深度为0～t1，周期为0.4λ～λ，其中，λ表示所述的锗硅光电探测器的工作中心波长。
优选地，所述的硅亚波长光栅结构的长度为15μm，宽度为3μm，厚度t2为0.4λ～0.7λ，占空比为0.1～0.9，刻蚀深度与厚度t2一致，周期为0.3λ～λ，其中，λ表示所述锗硅光电探测器的工作中心波长。
优选地，所述的第一间隙结构的大小为0.3λ～2λ；其中，λ表示所述锗硅光电探测器的工作中心波长。
优选地，所述的第二间隙结构的大小为0.1λ～0.2λ，其中，λ表示所述锗硅光电探测器的工作中心波长。
优选地，所述的第一硅平板波导的宽度大于所述第二硅平板波导的宽度，所述的第一硅平板波导的厚度大于所述第二硅平板波导的厚度。
再进一步地，两个所述正电极之间的间距大于两个所述负电极之间的间距。
优选地，入射光分别从所述的第二硅平板波导的两端同时入射至所述的第二硅平板波导的中心区域；所述的第二硅平板波导与所述的硅亚波长光栅结构相互耦合，即利用波导的传播模式与硅亚波长光栅中的模式相耦合，将所述的第二硅平板波导面内传输的入射光通过所述的硅亚波长光栅结构耦合到面外出射；出射光会垂直入射至所述的锗亚波长光栅结构中，所述的锗亚波长光栅结构与所述的第一硅平板波导组成的复合结构利用导模共振效应吸收入射光，将入射光转换为光生电子-空穴对，也即光生载流子。
本发明的有益效果如下：
本发明通过所述的硅亚波长光栅结构耦合出射的光场强度在空间上是相对均匀的，这有利于缓解下方锗亚波长光栅结构的空间电荷效应，从而有助于提高探测器的饱和功率。
本发明利用所述的锗亚波长光栅结构有效调制入射光场，通过导模共振增强效果将入射到锗亚波长光栅结构的光限制在锗亚波长光栅结构内，极大地增强了对入射光的吸收和转换，有效提高了光响应的同时可以将锗亚波长光栅结构做得很薄。这有利于减小载流子渡越时间，增大探测器的带宽。
此外，上述效果几乎不受探测器结构尺寸的影响，无论探测器的尺寸如何设计，在锗吸收区都可实现均匀的光功率分布与导模共振增强的吸收，增加了设计的灵活性。
附图说明
图1是本发明所述的锗硅光电探测器的三维示意图。
图2是本发明所述的锗硅光电探测器的xz截面示意图。
图3是本发明所述的锗硅光电探测器的yz截面示意图。
图4是本实施例中，为入射光从所述第二硅平板波导的两端输入后，经所述硅亚波长光栅结构耦合出射后的光场分布图。
图5为某一出射平面对应的光强分布。
图6是本实施例中，所述的锗亚波长光栅结构对入射光的吸收效率。
图7是本实施例锗吸收区光功率强度分布。
图8是传统波导集成型锗硅探测器锗吸收区光功率强度分布。
图9是现有方案之一的双端耦合锗硅探测器锗吸收区光功率强度分布。
图中，1-第一硅平板波导、2-锗亚波长光栅结构、3-硅亚波长光栅结构、4-第二硅平板波导、5-正电极、6-负电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
本实施例中涉及的专业术语解释如下：
饱和功率：定义为首次使得探测器输出最大电流的输入光功率，在此之后继续增加输入光功率，电流不会继续增加。这一指标直接反应了探测器能够承受的最大光功率，一旦输入光功率超过这个值，探测器便不再工作。饱和功率表征了探测器的功率承受能力。
带宽：定义为探测器的响应从低频开始下降3dB后对应的频率点。它表征了探测器的高速响应能力，是衡量探测器对入射光信号功率变化反应能力的一个指标。根据PIN型探测器的基本原理，带宽的影响因素可以归结为2类：(1)载流子渡越时间；(2)RC截止效应。其中最慢的的一个分量决定了器件的最终带宽。
实施例1
如图1、图2所示，一种基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器，包括由下至上依次层叠的第一硅平板波导1、锗亚波长光栅结构2、硅亚波长光栅结构3、第二硅平板波导4；
所述的锗亚波长光栅结构2设置在所述的第一硅平板波导1上，且所述第一硅平板波导2与所述锗亚波长光栅结构1之间无间隙连接；所述的锗亚波长光栅结构2的空隙处填充有二氧化硅介质；
所述的硅亚波长光栅结构3设置在所述的锗亚波长光栅结构2的上方，所述的硅亚波长光栅结构3与所述的锗亚波长光栅结构2之间设有第一间隙结构，所述的第一间隙结构填充有二氧化硅介质；所述的硅亚波长光栅结构3的空隙处填充有二氧化硅介质；
所述的第二硅平板波导4设置在所述的硅亚波长光栅结构3的上方，所述的第二硅平板波导4与所述的硅亚波长光栅结构3之间设有第二间隙结构，所述的第二间隙结构填充有二氧化硅介质。
本实施例的工作原理如下：入射光分别从所述的第二硅平板波导4的两端同时入射至所述的第二硅平板波导4的中心区域；所述的第二硅平板波导4与所述的硅亚波长光栅结构3相互耦合，即利用波导的传播模式与硅亚波长光栅中的模式相耦合，将所述的第二硅平板波导4面内传输的入射光通过所述的硅亚波长光栅结构3耦合到面外出射；出射光会垂直入射至所述的锗亚波长光栅结构2中，所述的锗亚波长光栅结构2与所述的第一硅平板波导1组成的复合结构利用导模共振效应吸收入射光，将入射光转换为光生电子-空穴对，也即光生载流子。
本实施例提出了一种基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器，两层光栅各有不同的用途。顶部的硅亚波长光栅结构3将来自面内波导的入射光均匀高效地耦合到面外(锗吸收区)，使其被更均匀地吸收，从而缓解空间电荷效应，有助于提高探测器的饱和功率。在底部的锗亚波长光栅结构2，利用导模共振效应增强锗亚波长光栅结构对入射光的吸收，有助于在保持高响应的同时获得大带宽。本实施例可以通过调控锗区的光场分布以实现提升饱和功率的效果。
实施例2
如图1、图2、图3所示，一种基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器，包括由下至上依次层叠的第一硅平板波导1、锗亚波长光栅结构2、硅亚波长光栅结构3、第二硅平板波导4；
所述的锗亚波长光栅结构2设置在所述的第一硅平板波导1上，且所述第一硅平板波导1与所述锗亚波长光栅结构2之间无间隙连接；所述的锗亚波长光栅结构2的空隙处填充有二氧化硅介质。
所述的硅亚波长光栅结构3设置在所述锗亚波长光栅结构2的上方，所述的硅亚波长光栅结构3与所述锗亚波长光栅结构2之间设有第一间隙结构，所述的第一间隙结构填充有二氧化硅介质；所述硅亚波长光栅结构3的空隙处填充有二氧化硅介质。
所述的第二硅平板波导4设置在所述的硅亚波长光栅结构3的上方，所述的第二硅平板波导4与所述的硅亚波长光栅结构3之间设有第二间隙结构，所述的第二间隙结构填充有二氧化硅介质。
在一个具体的实施例中，所述的第一硅平板波导1的上表面形成有P掺杂区，其掺杂浓度大于1×1018cm-3；
所述的锗亚波长光栅结构2的上表面形成有N掺杂区，其掺杂浓度大于1×1018cm-3。
在一个具体的实施例中，还包括两个正电极5、两个负电极6；所述负电极6设置在所述的锗亚波长光栅结构2上，且分别位于所述锗亚波长光栅结构2的两侧，所述的锗亚波长光栅结构2与所述的负电极6电性连接；
所述的硅亚波长光栅结构3、所述的第二硅平板波均位于两个负电极6之间；
所述的正电极5设置在所述的第一硅平板波导1上，且分别位于所述的第一硅平板波导1的两侧，所述的第一硅平板波导1与所述正电极5电性连接；
所述的锗亚波长光栅结构2位于两个正电极5之间。
本实施例的工作原理如下：入射光分别从所述的第二硅平板波导4的两端同时入射至所述的第二硅平板波导4的中心区域；所述的第二硅平板波导4与所述的硅亚波长光栅结构3相互耦合，即利用波导的传播模式与硅亚波长光栅中的模式相耦合，将所述的第二硅平板波导4面内传输的入射光通过所述的硅亚波长光栅结构3耦合到面外出射；出射光会垂直入射至所述的锗亚波长光栅结构2中，所述的锗亚波长光栅结构2与所述的第一硅平板波导1组成的复合结构利用导模共振效应吸收入射光，将入射光转换为光生电子-空穴对，也即光生载流子。
光生电子-空穴对在所述正电极5、负电极6和掺杂共同形成的电场作用下分别向正、负电极6漂移，最终进入外电路形成电流，从而完成光电转换。
如图3所示，所述的正电极5、负电极6的方向从第二硅平板波导4向第一硅平板波导1的方向垂直设置，两个负电极6在两个正电极5的之间，且两个负电极6的出线端、两个正电极5的出线端均位于所述的锗硅光电探测器相同的一侧，两个负电极6的出线端相互连接。
在一个具体的实施例中，所述的锗亚波长光栅结构2的长度为15μm，宽度为5μm，厚度t1为200nm～500nm，占空比为0.1～0.9，刻蚀深度为0～t1，周期为0.4λ～λ，其中，λ表示所述的锗硅光电探测器的工作中心波长。
在一个具体的实施例中，所述的硅亚波长光栅结构3的长度为15μm，宽度为3μm，厚度t2为0.4λ～0.7λ，占空比为0.1～0.9，刻蚀深度与厚度t2一致，周期为0.3λ～λ，其中，λ表示所述锗硅光电探测器的工作中心波长。
在一个具体的实施例中，所述的第二间隙结构的大小为0.3λ～2λ；所述的第二间隙结构的大小为0.1λ～0.2λ，其中，λ表示所述锗硅光电探测器的工作中心波长，λ范围在1530～1560nm内都可以，一般取1550nm。。
如图1、图2所示，本实施例中所述的硅亚波长光栅结构3两边的第一个空隙，与所述的锗亚波长光栅结构2两边的第一个空隙对齐设置，但是在具体应用中所述的硅亚波长光栅结构3两边的第一个空隙，与所述的锗亚波长光栅结构2两边的第一个空隙也可以不用对齐设置。
在一个具体的实施例中，所述的第一硅平板波导1的长度与所述第二硅平板波导4的长度相同，但是在具体应用中所述的第一硅平板波导1的长度与所述第二硅平板波导4的长度可以不相同；所述的第一硅平板波导1的宽度大于所述第二硅平板波导4的宽度，所述的第一硅平板波导1的厚度大于所述第二硅平板波导4的厚度。
在一个具体的实施例中，两个所述正电极5之间的间距大于两个所述负电极6之间的间距。
上述方案中，通过调整所述的锗亚波长光栅结构2的厚度可以使锗硅光电探测器获得不同的带宽。通过调整所述的锗亚波长光栅结构2的周期、占空比与刻蚀深度可以使锗硅光电探测器获得不同的吸收效率，从而影响锗硅探测器的饱和功率。通过调整所述的锗亚波长光栅结构2与所述的硅亚波长光栅结构3之间的第一间隙结构的大小可以使锗硅光电探测器获得不同的吸收效率，从而影响锗硅探测器的饱和功率。通过调整所述的硅亚波长光栅结构3的周期、占空比可以获得不同的耦合出射效率和出光均匀性，从而影响锗硅探测器的饱和功率。通过调整所述的第二硅平板波导4与所述的硅亚波长光栅结构3之间的第二间隙结构的大小可以获得不同的耦合出射效率和出光均匀性，从而影响锗硅探测器的饱和功率。通过调整两个正电极5之间的间距可以使锗硅光电探测器获得不同的带宽。通过调整两个负电极6之间的间距可以使锗硅光电探测器获得不同的带宽。
实施例3
基于实施例2所述的基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器，本实施例所述的基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器具体如下：
作为实施方式的进一步改进，所述的第一硅平板波导1的长度为20μm，宽度为10μm，厚度为220nm。
作为实施方式的进一步改进，两个所述的正电极5之间的间距为7μm，所述的正电极5材料为铝。
作为实施方式的进一步改进，所述的锗亚波长光栅结构2的长度为15μm，宽度为5μm，厚度为466nm，占空比为0.78，刻蚀深度为242nm，周期为993nm。
作为实施方式的进一步改进，两个所述负电极6之间的间距为4.5μm，所述的负电极6材料为铝。
作为实施方式的进一步改进，所述的锗亚波长光栅结构2与所述的硅亚波长光栅结构3之间的第一间隙结构的大小为650nm。
作为实施方式的进一步改进，所述的硅亚波长光栅结构3的长度为15μm，宽度为3μm，厚度为852nm，占空比为0.65，刻蚀深度与厚度一致(完全刻蚀)，周期为651nm。
作为实施方式的进一步改进，所述第二硅平板波导4与所述硅亚波长光栅结构3之间的第二间隙结构的大小为241nm。
作为实施方式的进一步改进，所述第二硅平板波导4的长度为20μm，宽度为3μm，厚度为131nm。
作为实施方式的进一步改进，所述第一硅平板波导1上表面的P掺杂区，掺杂浓度大于1×1018cm-3。
作为实施方式的进一步改进，所述第一硅平板波导1上表面的N掺杂区，掺杂浓度大于1×1018cm-3。
为了进一步验证本实施例所述的基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器的技术效果，通过仿真软件建立本实施例的结构模型，模拟计算入射光从所述的第二硅平板波导4的两端输入后，经所述的硅亚波长光栅结构3耦合出射后的光场分布，效果如图4所示。模拟计算某一出射平面对应的光强分布，效果如图5所示，该效果表示了通过所述的硅亚波长光栅结构3耦合出射的光场强度在空间上是相对均匀的。
更进一步的，模拟计算所述的锗亚波长光栅结构2对入射光的吸收效率，效果如图6所示，该效果表示利用所述的锗亚波长光栅结构2有效调制入射光场，通过导模共振增强效果将入射到锗层的光限制在锗层内，极大地增强了器件对入射光的吸收和转换，中心波长(1550nm)处吸收效率接近90％。有效提高了光响应的同时可以将锗层做得很薄。这有利于减小载流子渡越时间，增大探测器的带宽。
更进一步的，模拟计算本实施例的技术方案(图7)与传统波导集成型锗硅探测器(图8)、现有方案之一的双端耦合锗硅探测器(图9)，在锗吸收区光功率强度分布上的区别，效果分别如图7、8、9所示。效果表明相比之下本技术方案在锗吸收区能有更均匀的光功率分布，这有利于缓解空间电荷效应，从而有助于提高探测器的饱和功率。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器，其特征在于：包括由下至上依次层叠的第一硅平板波导(1)、锗亚波长光栅结构(2)、硅亚波长光栅结构(3)、第二硅平板波导(4)；
所述的锗亚波长光栅结构(2)设置在所述的第一硅平板波导(1)上，且所述第一硅平板波导(1)与所述锗亚波长光栅结构(2)之间无间隙连接；所述的锗亚波长光栅结构(2)的空隙处填充有二氧化硅介质；
所述的硅亚波长光栅结构(3)设置在所述的锗亚波长光栅结构(2)的上方，所述的硅亚波长光栅结构(3)与所述的锗亚波长光栅结构(2)之间设有第一间隙结构，所述的第一间隙结构填充有二氧化硅介质；所述的硅亚波长光栅结构(3)的空隙处填充有二氧化硅介质；
所述的第二硅平板波导(4)设置在所述的硅亚波长光栅结构(3)的上方，所述的第二硅平板波导(4)与所述的硅亚波长光栅结构(3)之间设有第二间隙结构，所述的第二间隙结构填充有二氧化硅介质。
2.根据权利要求1所述的基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器，其特征在于：所述的第一硅平板波导(1)的上表面形成有P掺杂区，其掺杂浓度大于1×1018cm-3；
所述的锗亚波长光栅结构(2)的上表面形成有N掺杂区，其掺杂浓度大于1×1018cm-3。
3.根据权利要求1～2任一项所述的基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器，其特征在于：还包括两个正电极(5)、两个负电极(6)；所述负电极(6)设置在所述的锗亚波长光栅结构(2)上，且分别位于所述锗亚波长光栅结构(2)的两侧，所述的锗亚波长光栅结构(2)与所述的负电极(6)电性连接；
所述的硅亚波长光栅结构(3)、所述的第二硅平板波均位于两个负电极(6)之间；
所述的正电极(5)设置在所述的第一硅平板波导(1)上，且分别位于所述的第一硅平板波导(1)的两侧，所述的第一硅平板波导(1)与所述正电极(5)电性连接；
所述锗亚波长光栅结构(2)位于两个正电极(5)之间。
4.根据权利要求1所述的基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器，其特征在于：所述的锗亚波长光栅结构(2)的长度为15μm，宽度为5μm，厚度t1为200nm～500nm，占空比为0.1～0.9，刻蚀深度为0～t1，周期为0.4λ～λ，其中，λ表示所述的锗硅光电探测器的工作中心波长。
5.根据权利要求1所述的基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器，其特征在于：所述的硅亚波长光栅结构(3)的长度为15μm，宽度为3μm，厚度t2为0.4λ～0.7λ，占空比为0.1～0.9，刻蚀深度与厚度t2一致，周期为0.3λ～λ，其中，λ表示所述锗硅光电探测器的工作中心波长。
6.根据权利要求1所述的基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器，其特征在于：所述的第一间隙结构的大小为0.3λ～2λ；其中，λ表示所述锗硅光电探测器的工作中心波长。
7.根据权利要求1所述的基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器，其特征在于：所述的第二间隙结构的大小为0.1λ～0.2λ，其中，λ表示所述锗硅光电探测器的工作中心波长。
8.根据权利要求1所述的基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器，其特征在于：所述的第一硅平板波导(1)的宽度大于所述第二硅平板波导(4)的宽度，所述的第一硅平板波导(1)的厚度大于所述第二硅平板波导(4)的厚度。
9.根据权利要求3所述的基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器，其特征在于：两个所述正电极(5)之间的间距大于两个所述负电极(6)之间的间距。
10.根据权利要求1～9任一项所述的基于双层亚波长光栅的锗硅光电探测器，其特征在于：入射光分别从所述的第二硅平板波导的两端同时入射至所述的第二硅平板波导的中心区域；所述的第二硅平板波导与所述的硅亚波长光栅结构相互耦合，即利用波导的传播模式与硅亚波长光栅中的模式相耦合，将所述的第二硅平板波导面内传输的入射光通过所述的硅亚波长光栅结构耦合到面外出射；出射光会垂直入射至所述的锗亚波长光栅结构中，所述的锗亚波长光栅结构与所述的第一硅平板波导组成的复合结构利用导模共振效应吸收入射光，将入射光转换为光生电子-空穴对，也即光生载流子。
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