CN115036377A - 一种光电探测器、阵列及终端 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光电探测器、阵列及终端，该光电探测器包括半导体衬底和形成于所述半导体衬底之上的光学结构；所述光学结构包括光波导和光吸收层；光波导，所述光波导悬浮于所述光吸收层的上侧，所述光波导包括第一段部和第二段部，所述第一段部为光栅结构，所述第二段部为锥形结构，所述光栅结构用于使入射光形成衍射、改变部分光传播方向；光吸收层，所述光吸收层置于所述半导体衬底上，用于吸收透过光栅结构的光线或吸收经过所述光栅结构衍射后的部分光线。本发明提供的光电探测器的的光吸收效率较高。
Description
技术领域
本发明涉及集成光学元器件领域，尤其涉及一种光电探测器、阵列及终端。
背景技术
光电探测器已广泛应用于各种应用，如光通信和光传感。光电探测器用于吸收光并将光转化为光电流。在光子学集成电路等许多光电产品中，光电探测器经常用于片上功率监控、高速光电解调等。响应度是光电转换效率的量度，响应度是光电探测器的一个重要性能参数。在集成光子学的一些应用中，光需要从不同的位置耦合到光电探测器的吸收区域。在某些情况下，例如在光电探测器上的表面垂直入射，光可能无法有效地耦合到光电探测器的吸收区域，因为一部分光会通过吸收区域向下穿透到衬底并丢失。这导致光电探测器具有低回应率，因此在这种情况下保持高回应率是一个挑战。
因此，亟需提供一种新的光电探测器，能够改善光电探测器的光吸收效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光电探测器，用以提高光电转换效率。
第一方面，本发明提供一种光电探测器、阵列及终端，该光电探测器包括半导体衬底和形成于所述半导体衬底之上的光学结构；所述光学结构包括光波导和光吸收层；光波导，所述光波导悬浮于所述光吸收层的上侧，所述光波导包括第一段部和第二段部，所述第一段部为光栅结构，所述第二段部为锥形结构，所述光栅结构用于使入射光形成衍射、改变部分光传播方向；光吸收层，所述光吸收层置于所述半导体衬底上，用于吸收透过所述光栅结构的光线或吸收经过所述光栅结构衍射后的部分光线。
本发明提供的光电探测器的有益效果在于：波导被制成锥形结构，使光束的大小逐渐扩展并平缓的地耦合到吸收区域，这样，入射光可以在沿波导传播的过程中逐渐被光吸收层吸收，使得光电探测器具有较高的光电转换效率。另外除了增强光探测器的响应率外，光栅结构还有助于提高光电探测器在大光入射情形下的承受能力，避免探测器饱和或损坏。光栅结构可以根据需要设计成来自任何入射角的光可以在任何期望的方向上传播，以改善光与吸收材料的相互作用。
一种可能的实施例中，所述光栅结构为透蚀光栅结构或者浅蚀刻光栅结构。又或者，所述光栅结构为多层结构。
又一种可能的实施例中，所述光栅结构的光栅呈向第二段部聚焦的弯曲形状。
再一种可能的实施例中，所述光栅结构的光栅为矩形的侧波纹。
又一种可能的实施例中，所述光栅结构的光栅为圆形的侧立管。
其它种可能的实施例中，所述光栅结构的光栅为光子晶体孔。
再一种可能的实施例中，在所述光吸收层下表面和所述半导体衬底的交界面设有光栅结构；所述光栅结构，用于将投射过吸收层的光反射回所述光吸收层。
又一种可能的实施例中，远离所述光吸收层的所述半导体衬底的下表面设有光反射层；这样穿透基底的光可以以任何期望的角度反射到吸收区域，以进一步提高响应率。
又一种可能的实施例中，所述光反射层的实现方式包括为布拉格反射镜、金属反射镜、反射薄膜中的任意一种。
再一种可能的实施例中，所述第一段部的表面为光栅结构。
再一种可能的实施例中，临近所述光波导的光吸收层的上表面设有光栅结构。
另外一种可能的实施例中，所述光电探测器还包括与所述光吸收层电连接的电路层，所述电路层用于将所述光吸收层所吸收的光信号转换为电信号。
第二方面，本发明还提供一种光电探测器阵列，包括呈阵列式分布的多个光电探测器；其中，所述光电探测器包括如第一方面任意一实施例所述的光电探测器。
第三方面，本发明还提供一种光电探测终端，包括：设备本体；与所述设备本体连接的如第二方面中所述的光电探测器阵列；其中，所述设备本体通过所述光电探测器阵列进行光子的光电探测。
上述第二方面和第三方面的有益效果可以参照第一方面的有益效果部分，在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明提供的一种光电探测器的剖面图和俯视图；
图2为本发明提供的另一种不同光波导结构的光电探测器结构示意图；
图3为本发明提供的另一种不同光波导结构的光电探测器结构示意图；
图4为本发明提供的几种不同的栅极结构示意图；
图5为本发明提供的吸收层下表面和衬底交界面具有光栅结构的光电探测器结构示意图；
图6为本发明提供的衬底具有布拉格反射镜的光电探测器结构示意图；
图7为本发明提供的一种光吸收层上表面具有栅极结构的光电探测器结构示意图。
图中标号：
10、半导体衬底；101、光反射层；20、光学结构；
201、光波导；202、光吸收层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
针对现有技术存在的问题，本发明的实施例提供了一种光电探测器10，图1中的(a)示出了一种光电探测器的剖面图，图1中的(b)示出了一种光电探测器的俯视图，该光电探测器包括：半导体衬底10和形成于所述半导体衬底10之上的光学结构20。其中：
光学结构20包括光波导201和光吸收层202。光波导201悬浮于所述光吸收层202的上侧，所述光波导201包括第一段部和第二段部，所述第一段部为光栅结构，所述第二段部为锥形结构，所述光栅结构用于使入射光形成衍射、改变部分光传播方向。示例地，图1中的(b)示出了光波导201的第一段部可以是均匀的光栅结构，也可以是不均匀的光栅结构。
本实施例中，该光波导可由一种或多种材料制造，包括但不限于硅、氮化硅、氮氧化硅、二氧化硅、聚合物、铌酸锂、磷化铟、氧化铝等。光波导的类型可以是通道波导、脊波导、槽波导、扩散波导、光子晶体波导或其他类型。锥形波导不仅可以沿着直线存在，还可以以螺旋、环、折叠形等的形式存在。其中锥形结构的轮廓曲线可以是多种，例如线性、二次曲线、抛物线、欧拉曲线、贝塞尔曲线。光波导可以在单层或多层上。
光吸收层202，置于所述半导体衬底10上，用于吸收透过所述光波导201衍射后的光线。可选地，光吸收层202可由多种材料制成，包括但不限于锗、硅、金属、III-V材料等。另外，光吸收层202的形状可以是立方体、圆柱体、圆锥体、金字塔、凹槽、环或其他形状。吸收层可以是单层或多层。
本实施例中，光电探测器可以基于许多不同的工作原理，如PIN二极管、金属-半导体-金属光电探测器、雪崩光电二极管等。本实施例中，光电二极管结的方向可以是横向的，也可以是垂直的。结也可以做成复杂的形状，如L形、U型等。
值得说明的是，图1中的(b)示出了光波导201的第一段部是透蚀光栅，即可以通过完全蚀刻光波导的第一段部来制作光栅结构；另一种可能的实施方式中，图2示出了光波导201的第一段部是浅蚀光栅，即可以通过部分蚀刻光波导的第一段部来制作光栅结构。
又一种可能的实施例中，如图3所示，所述第一段部的上表面为光栅结构，所述上表面为远离所述光波导的光吸收层的表面，一种情况下，可以通过在波导的第一段部的上表面设置另一种材料形成光栅结构；另一种情况下，通过在波导的第一段部的上表面设置同一种材料形成光栅结构，从而制造出光栅，如图3所示的光电探测器的侧视图。应理解，第一段部的上表面设置的另一种材料或同一种材料可以是覆盖第一段部的上表面，也可以与第一段部的上表面之间存在一定间隙。
再一种可能的实施例中，所述第一段部的下表面为光栅结构(图中未示出)，所述下表面为靠近所述光波导的光吸收层的表面，一种情况下，可以通过在波导的第一段部的下表面设置另一种材料形成光栅结构；另一种情况下，通过在波导的第一段部的下表面设置同一种材料形成光栅结构，从而制造出光栅。应理解，第一段部的下表面设置的另一种材料或同一种材料可以是覆盖第一段部的下表面，也可以与第一段部的下表面之间存在一定间隙。
参见图2或图3所示，一部分外部入射光通过光波导201的光栅结构之后，向下进入光吸收层202并被吸收，而其他部分光耦合到光栅结构。图2中的箭头说明方向入射/衍射/渗透/传播。光波导的第二段部为锥形结构，使光束的大小逐渐扩展并平缓地耦合到吸收区域，如图2所示。这样，光可以在沿波导传播的过程中逐渐被吸收，具有较高的光电转换效率。从图2中可见，根据不同应用需要，光栅设计可以实现将来自任何入射角的光改变到任何期望的方向上传播，以改善光与吸收材料的相互作用。另外，光栅可以设计为不同的耦合系数，即进入光波导的光功率占入射光功率的比例可以根据需要调整，例如50％、80％或任何其他比例。
与现有技术相比，因现有的光电探测器没有光栅结构，所有的光将直接进入吸收区，然后一部分光穿透基底，被浪费，导致光电转换效率低。而本申请提供的光电探测器结构可以将部分入射光耦合金光波导，进而在沿光波导传播的过程中逐渐被光吸收层吸收，使得光电探测器具有较高的光电转换效率，另外除了增强光探测器的响应率外，光栅结构还有助于提高光电探测器在大光入射情形下的承受能力，避免探测器饱和或损坏。在不具有光栅结构的传统光电探测器中，强光入射可能使光探测器饱和或损耗，本实施例中由于部分光被引导到波导中，然后逐渐被光吸收层所吸收，与传统的光电探测器相比，可以在探测器不饱和的情况下处理更高的光学照明强度。
一种可能的实施例中，如图4中的(a)的俯视图所示，光栅可以是聚焦光栅，形状弯曲；或者，如图4中的(b)中的俯视图所示，光栅可以有矩形的侧波纹；或者，如图4中的(c)中的俯视图所示，光栅可以有圆形的侧立管。或者，如图4中的(d)的俯视图所示，光栅在波导内可能有光子晶体孔。
一种可能的实施例中，临近所述光波导的光吸收层的下表面设有光栅结构，如图5所示。在所述光吸收层下表面与半导体衬底交界面上可以设有另一种光栅结构。具体的，本实施例可以通过薄膜沉积、光刻、刻蚀等工艺，可以在衬底的底表面形成布拉格反射光栅结构，这样射向半导体衬底的光可以以任何期望的角度衍射或反射到吸收区域，以进一步提高响应率。示例性地，光吸收层的下表面设有光栅结构对应的光电探测器可以如图5中的(a)所示，又或者光吸收层的下表面设有光栅结构对应的光电探测器可以如图5中的(b)所示，再或者光吸收层的下表面设有光栅结构对应的光电探测器可以如图5中的(c)所示。值得说明的是，光吸收层的上表面设有光栅结构对应的光电探测器可以如图5中的(d)所示，即该光电探测器也可以不具有上层的波导光栅。
又一种可能的实施例中，远离所述光吸收层的所述半导体衬底的下表面设有光反射层101，如图6所示，这样射向半导体衬底的光可以以任何期望的角度反射到吸收区域，以进一步提高响应率。示例性地，半导体衬底的下表面设有光反射层对应的光电探测器可以如图6中的(a)所示，又或者半导体衬底的下表面设有光反射层对应的光电探测器可以如图6中的(b)所示，再或者半导体衬底的下表面设有光反射层对应的光电探测器可以如图6中的(c)所示。
再一种可能的实施例中，临近所述光波导的光吸收层的上表面设有光栅结构，如图7所示，这样射向半导体衬底的光可以以任何期望的角度反射到吸收区域，以进一步提高响应率。示例性地，半导体衬底的表面设有光反射层对应的光电探测器可以如图7中的(a)所示。又或者半导体衬底的表面设有光反射层对应的光电探测器可以如图7中的(b)所示，即光电探测器不包括光波导。
所述光电探测器的工作波长范围包括：可见光波段、O波段、E波段、S波段、C波段、L波段、U波段、中红外波段中的至少一种。所述光电探测器的波导光栅，可以根据需要设计在某一个或多个波长范围内工作。所述光电探测器的波导光栅的带宽、强度、旁瓣、损耗等参数也可以根据应用需要来设计调整。
所述光电探测器的波导光栅可以是均匀周期的，也可以是不均匀周期的。所述光电探测器的波导光栅的刻蚀深度、宽度、厚度等尺寸可以是均匀的，也可以是不均匀的。
所述光电探测器的吸收区的形状、长度、宽度、厚度等尺寸可以根据应用需要来设计或调整。
在一个可能的实施例中，本申请还提供了一种光电探测器阵列，例如单光子探测器阵列或硅光倍增管可包括呈阵列式分布的多个光感测单元，而每个光感测单元均可包括如本申请任一实施例中所阐述的光电探测器。其中每个单元可以工作在相同或不同波长范围内。其中每个单元可以具有相同或不同的光响应度。其中每个单元可以基于不同的结构。
在一个可能的实施例中，本申请还提供了一种光子芯片，可包括上述任一实施例中所阐述的光电探测器或光电探测器阵列，该光子芯片可为测距芯片、深度成像芯片和飞行时间芯片等。
在一个可能的实施例中，本申请还提供了一种光电探测终端，可包括相互连接的设备本体和上述的光电探测器阵列，且设备本体可通过本申请任一实施例中所阐述的光电探测器阵列进行光子的光电感测。其中，上述的光电探测终端可包括感光测距设备、移动通讯设备、图像处理设备、光传感设备、光互联设备等。
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。
Claims (14)
1.一种光电探测器，其特征在于，包括半导体衬底和形成于所述半导体衬底之上的光学结构；所述光学结构包括光波导和光吸收层；
光波导，所述光波导悬浮于所述光吸收层的上侧，所述光波导包括第一段部和第二段部，所述第一段部为光栅结构，所述第二段部为锥形结构，所述光栅结构用于使入射光形成衍射、改变部分光传播方向；
光吸收层，所述光吸收层置于所述半导体衬底上，用于吸收透过所述光栅结构的光线或吸收经过所述光栅结构衍射后的部分光线。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光栅结构为透蚀光栅结构或者浅蚀刻光栅结构，或者所述光栅结构为多层结构。
3.根据权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，所述光栅结构的光栅呈向第二段部聚焦的弯曲形状。
4.根据权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，所述光栅结构的光栅为矩形的侧波纹。
5.根据权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，所述光栅结构的光栅为圆形的侧立管。
6.根据权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，所述光栅结构的光栅为光子晶体孔。
7.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，在所述光吸收层下表面和所述半导体衬底的交界面设有光栅结构；
所述光栅结构，用于将投射过吸收层的光反射回所述光吸收层。
8.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述半导体衬底下表面设有光反射层。
9.根据权利要求8所述的光电探测器，所述光反射层的实现方式包括布拉格反射镜、金属反射镜、反射薄膜中的任意一种。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的光电探测器，其特征在于，临近所述光波导的光吸收层的上表面设有光栅结构。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的光电探测器，其特征在于，所述第一段部的表面为光栅结构。
12.根据权利要求1至8中任一项所述的光电探测器，其特征在于，所述光电探测器还包括与所述光吸收层电连接的电路层，所述电路层用于将所述光吸收层所吸收的光信号转换为电信号。
13.一种光电探测器阵列，其特征在于，包括呈阵列式分布的多个光电探测器；其中，所述光电探测器包括如权利要求1至12中任意一项所述的光电探测器。
14.一种光电探测终端，其特征在于，包括：设备本体；与所述设备本体连接的如权利要求13中所述的光电探测器阵列；其中，所述设备本体通过所述光电探测器阵列进行光子的光电探测。
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