CN1443312A - 水平入口半导体光检测器 - Google Patents

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Abstract

一种水平入口半导体光检测器(2)，包括一个水平光吸收层(8)，用来将光转换成光电流，该层的形状使得光被约束在其中成为耳语廊传播模。检测器制成有一个第一波导段(18)和一个第二光约束段(20，21)，它们被设置成使得波导段将光耦合进检测器内，并将光传送至光约束段，从而围绕光约束段激发耳语廊传播模。光吸收层可以是光约束段的一部分，或者是光被耦合进光约束段内，也可以通过瞬息耦合将光从光约束段耦合进光吸收层内。在光吸收层内激发出耳语廊模大大地增加了光吸收层的有效吸收系数。

Description

水平入口半导体光检测器
本发明涉及光检测器，特别是水平入口光检测器，例如金属-半导体-金属(m-s-m)检测器，p-i-n检测器和水平入口分离式吸收和倍增(SAM)雪崩检测器等。
硅(Si)雪崩光二极管(APD)工作在模拟模式时具有很低噪声的雪崩增益，因而在短波长下最好采用Si材料，此时Si是一个在短波长下的很好的吸收体。工作在盖革(Geiga)模式下的Si雪崩检测器目前是短波长下最好的甚低电平光检测器，此时Si是一种很好的光吸收体。商用Si单个光子雪崩检测器(SPAD)可提供约300皮秒的时间分辨率，而且有报导称已做出室温下30皮秒时间分辨率的实验室器件。为获得如此短的时间分辨率的高速特性，一个重要因素被认为是采用小型结构，一般是1μm厚的光吸收层和5μm的横截面长度。
通讯业目前感兴趣的是通常用来检微弱信号的工作在模拟模式的雪崩光二极管，以及用于光波长在1.3μm至1.55μm量级的量子保密术(在该波长下Si是一种差的光吸收器)的SPAD检测器。在这些波长下，铟镓砷化物/磷化铟(InGaAs/InP)结构能提供较好的光吸收。用这些材料制成的检测器的缺点是，APD产生噪声大的雪崩增益，而SPAD检测器目前需要低温冷却以消除无照的脉冲并提供300Ps时间分辨率量级的最好的速度特性。CdHgTe材料系和AlGaSb系也是用来在较长波长下进行低噪声雪崩检测的可选材料，但也许需要冷却以抑制暗电流。
对于很高速的检测器，需要减小吸收区的厚度来降低跃迁时间。此外，为使电容小应该让吸收区的横截面积尽可能小。这使得用来吸收光的半导体体积很小，因而量子效率低。被检测的光的波长接近材料的吸收限时，这个问题就显得很突出，因为这时吸收变弱。
为使以Si为基础的结构在1.3μm至1.55μm波长量级(即超出Si的吸收限)下仍有良好的电性能，可以利用检测器中的有应变的硅锗(SiGe)合金窄缝吸收层(epi层)来吸收光。采用较高浓度的Ge可以使应变SiGe吸收阈值延伸至1.3μm以外。另外，为克服SiGe在1.3μm左右波长下光吸收差的问题，可以采用水平入口的波导形状。采用水平入口可以让入射光通过比较长的SiGe长度(103μm量级)，而在光电流的方向SiGe光吸收层的厚度仍能保持很小(1μm左右)，以使这类检测器高速运行。不过，SiGe层是漏电流的一个重要来源，因此SiGe层的体积越大，漏电流就越大。此外，对于SPAD检测器而言，大的水平横截面积将导致雪崩建立时间产生离散，同时将产生与之相关的不稳定性。还有，之所以希望这类检测器的水平横截面积小，是为了减小电容，从而降低与检测器有关的RC常数，这对有效抑制此类检测器中的雪崩过程是很重要的。
使用Si以外的半导体材料制成光检测器时，若其工作在接近吸收限时，也会产生和上面说的与Si同样的问题。
本发明提供一种能克服上面讨论过的问题的光检测器设计。
根据本发明第一方面，本发明首先提供一种水平入口半导体光检测器，它包含一个水平光吸收层，用来把光线转换成光电流，此吸收层被构型为能将光约束在层内，形成耳语廊(whisperinggallery)传播模。通过激发低损耗、全内含反射的耳语廊传播模，射入检测器的光将重复地传过光吸收层的体积。这样，当采用在光电流流动方向很薄而且水平横截面较小的光吸收层时，光吸收层的有效吸收系数将会增大。根据本发明制成的器件可以将光响应向长波长延伸，或增加本质上为弱吸收体的材料的有效吸收系数。因此，由于入射光重复地通过光吸收层周围而使有效吸收系数很高，按本发明制造的检测器在保持高量子效率的同时，还可以很快而且电容量低。
由本发明提供的光学约束可以和其它的特性结合在一起，其中一个特别有用的应用是将Si雪崩光电二极管的响应向较长波长延伸。例如，据估算，含有可高达50％的Ge的应变SiGe层可以吸收长于1.55μm波长的光。这意味着如结合由本发明的耳语廊模提供的高光学约束度而采用一个外加电场，则可以制成工作于重要的1.55μm波长的高效检测器。
如果该光吸收层的折射率比它上面和下面的材料都高，则此层有一种波导效应，而将光在垂直方向约束在吸收层附近的范围内。SiGe的折射率比Si高，故满足这个要求。通常光吸收层的禁带较小，往往具有比周围材料更高的折射率。然而在某些情况下，通过增添低折射率的包层来增加在光吸收层附近的垂直约束可能有好处。例如，铝镓砷化物(AlGaAs)包层就经常用在以GaAs为基础的波导结构中。
在一种优选结构中，把光检测器构型成具有一个波导段和一个光约束段，它们被设置成能使波导段将光耦合进检测器并将光传送至光约束段，以围绕该光约束段激发耳语廊模。在这种装置中，波导段将光对光限制部分以一个比边界临界角更大的边界角传至光限制段。因此，传至光约束段的光围绕光约束段边界周边作重复的内全反射，使得光按耳语廊模围绕光约束段重复地传播。优选地使把光约束段具有圆柱形外边界，同时波导段把光相对于此圆柱形外边界基本上沿切线注入光约束段。后者对激发强而持久的耳语廊传播模是一种好的结构。
对于直径只有几个波长的小型结构，采用具有多边形横截面代替圆截面来的光约束段可能有些好处。弯曲厉害的波导面可能引起辐射损耗，故用多边形结构的几个平面边代替圆柱结构的弯曲边可以使约束度得到改善。
在一种优选实施装置中，检测器包括一个纵向波导段和一个圆柱形光约束段。如果把光约束结构做成环状或环形从而减小检测器的水平横截面，则可以改善这种结构。因为耳语廊模将围绕光约束结构的周边传播，因而这是可能的。
为减小波导段和光约束段之间的接口尺寸，可以把波导段做成锥形。这可以降低离开光约束段周边的约束光在波导段和光约束段之间交界处的散射量。设计这种光斑尺寸转换器的技术已经很成熟，而且目前3维锥体也可以做，这样就很容易将光耦合至按本发明制成的检测器内。
根据一种特定的优选实施装置，水平光吸收层是光约束段的一层。这样光就可通过波导段耦合至检测器内，波导段将光线耦合至光约束段，因而也就耦合至光吸收层。这样耦合至光约束层的光线围绕光约束层以耳语廊传播模传播并转换成光电流。
在另一种没有展示这种损耗机制的优选实施装置中，一种由折射率小于光吸收层折射率的材料制成的波导可以用于本发明的检测器中，以通过瞬息(evanescent)耦合将光耦合至光吸收层内，并在其中激发耳语廊传播模。
在采用瞬息耦合的第一实施装置中，水平光吸收层可以在光约束段上面或下面垂直地生长，而且其折射率比光约束段的折射率高，因此光是通过瞬息耦合从光约束段垂直地耦合至水平光吸收层。在这个实施装置中，光约束层和光吸收层具有公共的周边，它们的周边形状相同而且相互对齐。
在第二个采用瞬息耦合的优选实施装置中，制造波导段和光约束段的材料的折射率比光吸收层的折射率低，而且光约束段延伸至光吸收层周边附近，以通过瞬息耦合在光吸收层内激励耳语廊模。
当使用瞬息耦合时，低折射率的波导段和光约束段可以是一种聚合物波导，或一种氮化物波导(例如由Si3N4构成的波导)。
上面讨论的光检测器可以是一种p-i-n检测器。或者，具有上述特性的光检测器可以是一种分离式吸收和倍增雪崩检测器。在后一情况下，光吸收层可以位于雪崩层的垂直上方。雪崩层可以与光吸收层有同样的横截面形状，或者可以把光吸收层做成雪崩层上的台面形状，以将光电流注入雪崩区的中心(此处电场最强)。这将减少检测器的不稳定性。若雪崩区和光吸收层具有相同的横截面，则可采用新的掺杂方式以降低雪崩区的表面场。更常用的方法是将雪崩区的侧面做成斜面等形状，以降低表面场。
该检测器可以是以硅为基础的，而且包含一个硅锗光吸收层，它可以吸收波长为1.3μm左右的光。或者检测器是一个基于砷化镓(GaAs)的检测器，它包含一个InGaAsN光吸收层，该层可吸收波长为1.3μm左右的光。
下面将参照各附图来描述本发明，这些图中：
图1是一个包含光子瓶结构的光检测器的透视示意图，它具有按本发明的圆柱形光约束段。
图2是沿图1的A-A线通过水平面的一个横截面。
图3a至3c为图1和图2的光检测器的模拟计算结果，表示在不同的模拟时间步长下入射光脉冲的场强分布情况。
图4是一个包含光子瓶结构的光检测器的透视示意图，它具有按本发明的环形光约束段。
图5为沿图4的光检测器的A-A线通过水平面的一个横截面。
图6为图4和图5的光检测器的模拟计算结果，表示在不同的模拟时间步长下入射光脉冲的场强分布情况。
图7是图1，2，4，5中光检测器的进一步模拟结果，表示对于SPAD的环形或圆柱形(RAI＝0)光约束段的不同内径，检测器场贮能随时间的衰减情况。
图8是一个与图1和图4类似但具有锥形波导段的光检测器。
图9是一个与图1和图4类似但具有聚合物波导的光检测器，它通过从低折射率聚合物至高折射率半导体的耦合将光传送至光吸收层内。
图10a至10d是图9的光检测器的模拟结果，表示在不同的模拟时间步长下入射光脉冲的场强分布情况。
图11是图9的光检测器的进一步模拟结果，表示在模拟过程中介质(包括聚合物和半导体)，SiGe吸收层及周围大气内的贮存的场能随时间的变化情况。
图12是按本发明的一种p-i-n检测器。
图13是图1所示光检测器的另一种形式，其中在结构的下部安装了一个波导，且圆柱体不吸收光。
p-i-n和m-s-m(金属-半导体-金属)检测器使用得很广，而本发明由于增大了有效吸收系数，可以把它们的工作范围延伸至更接近于用在这些检测器的吸收材料的吸收限。这种思想也可用于采用Franz-Keldysh效应的新型检测器中，在该检测器中的光学吸收可在反偏压二极管的高电场区内延伸至更长的波长。如能同时通过光约束增强有效吸收，则后一种类型器件的应用可以大大增加。其它可能的应用包括与雪崩光二极管的雪崩增益相结合的新型光约束结构。当这种结构是一个简单的p-i-n或m-s-m二极管，其结构处于“i”区内并被加上反向偏压以产生雪崩倍增，而且形状做成可以增加光约束，则可以把吸收区和雪崩区结合在一起。也可以在分离式吸收和倍增器件中把吸收区和雪崩区分开。
图1是一种光检测器的示意透视图，它包括一个光子瓶结构，该结构具有本发明的圆柱形光约束段。光约束结构由一个半导体层支撑，对于p-i-n检测器，这一层将用来制造下接触片。对于SAM APD，可以将雪崩区做在这个层内。图2是沿图1的光检测器的AA线通过水平面的横截面。在图2的下半部，支撑光约束结构的半导体层已被做成SAM APD的雪崩区。图1和图2中支撑层的多余部分将被刻蚀掉。那时图2将代表沿任何线(通过将从线围绕中心旋转至与波导的接合点而得到)的纵向剖面。
图1和2所示的结构是按本发明的光子瓶SPAD(2)的一个例子，它是一个分离式吸收和倍增雪崩光电二极管(SAM APD)。该SPAD(2)包括一个重掺杂P+接触区(4)，一个硅和硅锗(SiGe)多量子井结构(8)的重掺杂N+接触区(6)，后者用来吸收光。需要的话，可在P+接触区(4)和SiGe多量子井结构(8)之间放置一个硅隔离层(10)。层(12)是一层掺杂硅，用来把垂直电场从吸收区(8)的低值转变成雪崩区(14)的高值。在SiGe层(8)上、下的硅层(10，16)将光在垂直方向约束在SiGe层(8)之内。如图1和2所示，雪崩区(14)是倾斜的，以降低表面场强。层(16)是多量子井结构(8)和雪崩区(14)之间另一个硅隔离层。需要的话，可把层(12)置于上台面内。
由于SPAD(2)的吸收台面面积小于雪崩区(14)的面积，光电流将流入雪崩区的中心区(即远离雪崩区的倾斜边缘处)，那里的电场最强。这将减少雪崩电流上升时间的不稳定性。此外，在雪崩电流开始上升时，强电场区内雪崩过程中过大的噪声将会减小。
SPAD(2)的上部台面包括隔离层(16)的上部，多量子井结构(8)，隔离层(10)，和P+接触区(4)，它被构型成如图1所示的光子瓶结构，它包含一段不长的纵向波导(18)，它终止于一个圆柱形段(20)。入射光从端面(22)进入波导(18)。此光沿着波导(18)传播并基本上沿切线注入圆柱段(20)并被捕集(trap)在圆柱部分之内，成为耳语廊型模，从而围绕圆柱结构的圆周区域重复地传播。
耳语廊模(有时叫做与形貌有关的谐振)是一种高角动量电磁模式，它对应于以掠入射从圆柱内表面经重复内全反射而被约束在圆柱段(20)内，并满足环绕内圆周表面后的一个相位条件的光子。为激发这些耳语廊模，必须让光在超过约束内圆周表面处的材料界面的临界角的条件下耦合进圆柱段(20)，以实现内全反射。因此，光子瓶SPAD(2)被构型成具有波导(18)其基本上沿着圆柱段(20)的内圆周表面的切线方向。
SiGe/空气界面的临界角是一个15°左右的角，因此光约束结构的内圆周表面不一定要是圆水平横截面，而可以是一个多角形水平横截面。另外，光是否切向注入并不重要，尽管必须对内圆周约束面以一个大于临界角的角度注入，以激发耳语廊模。
光将通过端面(22)水平地进入SPAD(2)，将沿着波导段(18)前进，然后围绕圆柱光约束段(20)传播。这样入射光就可以被约束在圆柱段(20)内的SiGe层(8)体积内，以产生光电流。此光电流沿垂直方向流动并被雪崩区(14)倍增，以产生适当的电流输出。光约束圆柱结构(20)具有显著增加SiGe层(8)的有效吸收长度的作用。因而SiGe层(8)所占的体积很小。由于光是水平进入SPAD(2)而且是围绕圆柱段(20)重复传播，所以层(8)可以是一个纵向很薄的层(约1μm量级)，而同时还能提供一个足够长的有效吸收长度，以使在低入射光水平下能产生可检测到的光电流。这使得按本发明的SPAD(2)比起现有的以Si/SiGe为基础的检测器(工作于1.3μm左右的波长)更快而且量子效率更高。此外，层(8)的水平横截面积很小，这可以降低漏电流并减小在倍增过程中的不稳定性。
曾经通过分析在SPAD(2)内传播的光脉冲的光学位置对SPAD(2)的工作进行过模拟，所用的方法是三维有限差分时间域(FDTD)模拟法。因而可以通过脉冲在介质内的时间演进来研究约束，还可以提供有关通过表面及来自波导与圆柱体的接口处的散射的寄生损耗的信息。关于这类模拟的进一步详情可从下列书藉中找到：A.Taflove著的“Computational Electrodynamics，The Finite-Difference Time-Domain Method”，1995年Artech House出版；Karl S.Kunz和Raymond J.Lubbersn著的，“The FiniteDifference Time Domain Method for Electromagnetics”，1993年CRC Press出版。这种模拟首先从注入一个高斯脉冲至波导(18)的颈部开始。脉冲在SPAD(2)介质内的时间演进可以用基于Yee算法的标准FDTD技术(详见K.S.Yee，1996，IEEE Trans Antennasand Propagation 14，302)和二阶Mur吸收边界(详见G.Mur，1981，IEEE Trans Electromagnetic Compatibility 23，1073-1077)来模拟。脉冲被均匀地注入波导(18)颈部内的一个垂直平面上，采用的是以下形式的调制余弦波的高斯包络：
         E(t)∝θ-α(t-t0)cos[ω(t-t0)]，t≥0
式中
E(t)＝脉冲在时间t的电场幅值
α＝脉冲宽度
t0＝脉冲取峰值的时间
ω＝相应于1.3μm自由空间波长的频率
t＝时间。
模拟从t＝0开始，t0的值应该这样来设定：使得脉冲幅值从t＝0时的10-6升至t＝t0时的1。然后，所产生的脉冲就可按照麦克斯韦方程传播。SPAD(2)的空间结构是用一个立方网格来模拟的，这将使对SPAD(2)圆柱结构(20)的模拟产生阶梯形误差。网格的尺寸应选得使网格立方体的边约为介质中光波长的十分之一，而且在被模拟的圆柱曲线边缘上将有一些从圆柱体(20)来的寄生弱辐射损耗，实现上看不见该现象。因而预计模拟的结果将比实际情况更糟，而且将给由SPAD(2)光子瓶结构提供的SiGe层(8)的有效吸收系数的增加一个较低的限制。
耳语廊模在附图3a，3b和3c中给予说明，这些是对光通过图1和2所示的光子瓶SPAD(2)的SiGe层(8)传播的计算机模拟结果。图3a至3c所示的图表示取自圆柱中间一个水平面的光子瓶的平面视图。在图3a至3c中，波导(18)和圆柱体(20)的边缘由实线表示，环绕的方形边界是Mur吸收层(见上)。图3a和3b绘出了在不同的模拟时间步长数下，在SPAD(2)边界内场强大于0.9倍平均场强的模拟网格点，而图3c绘出了在不同的模拟时间步长数下，场强大于0.1倍平均场强的模拟网格点。模拟中所用的每个时间步长Δt为10-16秒。
图3a表示一个输入高斯光脉冲如何沿着波导(18)和围绕圆柱体(20)的周边传播。它显示了与此脉冲扩展成许多耳语廊型模有关的色散效应。在图3a中，在时刻t＝500×10-16秒，可以看见一个光脉冲在波导(18)内正要在区域(24)处进入圆柱体(20)。在时刻t＝1500×10-16秒，可见此光脉冲到了区域(26)，大约围绕圆柱体(20)的约束内圆柱表面传播了1/4的路程。在时刻t＝2500×10-16秒，可见此脉冲到了区域(28)，大约围绕圆柱体(20)的约束内圆柱表面传播了一半的路程。在时刻t＝3500×10-16秒，可见此光脉冲到了区域(30)，已经围绕圆柱体(20)的约束内圆柱表面传播了3/4以上的路程。可以看出，此脉冲色散成一些围绕圆柱体(20)传播的耳语廊型模。图3b表示注入脉冲在围绕圆柱体(20)一周以后的情况，在时刻t＝4500×10-16秒，脉冲已到了区域(32)，同时可看到在波导(18)和圆柱体(20)的接口处产生了散射，脉冲的一部分从区域(32)处的主脉冲分裂出来，并带着垂直于圆柱体(20)内圆周表面的分量传播。这个散射效应代表着光脉冲约束的损耗机制。脉冲带着某些色散继续围绕圆柱体(20)传播，在t＝5500×10- 16秒时刻到达区域(34)，在t＝6500×10-16秒时到达区域(36)。图3c表示主脉冲环绕圆柱体三圈以后的场强分布，并绘出了在t＝12000×10-16秒时场强大于0.1倍平均值的网格点。应指出，在圆柱体(20)中心附近几乎没有什么场强，因此在图4和5的实施例中示出了一种环形光约束结构的改进设计。
图4为一种包括光子瓶结构的光检测器的示意透视图，它具有一个按本发明的环形光约束段。此光约束结构由一个半导体层支撑，而且在p-i-n型检测器中将用这一层来制造下面的接触层。在SAMAPD中，可把雪崩区做在此层内。图5为沿图4的光检测器的AA线通过水平面的剖面图。图5的下半部，即半导体层支撑的光约束结构已做成SAM APD的雪崩区。图4中支持层的多余部分将被刻蚀掉。这样图5将代表沿通过将AA线围绕中心旋转至与波导的接合点而得到的任何线的纵向剖面。图5中中心腔体(38)终止于雪崩区的上面。也可以把此腔体延伸穿过雪崩区，后一种结构对于大直径的光约束结构可能更好。
计算机模拟指出，耳语廊模中的能量是处于朝向圆柱体的圆周边的位置。因此考虑一种环状结构可能更好，在该结构中圆柱体的中心部分被刻蚀掉。通过减小水平横截面面积，这些器件可能会改善SPAD器件的不稳定性和时间分辨率，同时也会降低电容。通过减小窄隙吸收材料的体积，这类结构还应当会降低体漏电流，不过以增加表面漏电流作为代价。
图4和5为另一种类似于图1和2的按本发明的SPAD(2’)结构，其中相似的部件以类似带撇(’)的数字表示，所不同的是用环形体(21)代替圆柱体(20)，也即中心腔体(38)是形成在图1和2的圆柱体(20)内。对于一种外径D为9μ，内径d为0.4D的环形结构(21)，图6表示一个输入光脉冲如何沿着波导(18’)和围绕环形体(21)周边传播。图6中，在时刻t＝1000×10-16秒，当沿切向从波导(18’)注入区域40中的环形体(21)时可看见一个光脉冲。在时刻t＝3000×10-16秒，光脉冲到了区域(42)，已经围绕环形体(21)的约束内圆柱面传播了大约2/3的路程。通过采用环形结构检测器上台面的水平横截面积将大大减小，这将改善时间分辨率并减小电容量。此外，环形结构中SiGe层(8)的体积减小了，这将使与此层有关的体漏电流相应减小，不过以相应增加表面漏电流为代价。
现在回到模拟实验上来，一个高斯脉冲在SPAD结构(2’)中的平均场贮能<F2>定义为结构中所有网格点上电场模量的平方的总和。图7绘出了一个环形结构SPAD器件(2)中<F2>值与时间的关系，器件的外径D为9μm，变化的内径(图4和5中的d或图7中的RAI)分别为0μm，0.4D和0.75D。d＝0μm的曲线就是图1和2的SPAD结构(2)的曲线。对于较小的内径(d，RAI)值，图7的曲线对中心腔体(38)的存在不敏感，这表明图4和5的环形结构(21)对于光约束是有用的。还应指出，模拟中采用立方体网格将会在模拟环形体(21)的弯曲内外圆周表面时引起阶梯形误差。这种不光滑将在模拟中造成辐射损耗，而实际上这点不会发生，所以图7中看到的对于大的内径(d，RAI)，例如RAI＝7.5D，贮能的跌落至少部分是与这个作用有关的，因为内圆周面的表面积增加了。假设贮存的场能<F2>近似随时间按指数变化，即e-t/τ(τ为寿命)，则从图7可估算出在图4和5所示结构中脉冲的衰减时间(即不吸收光来产生光电流)为τ＝5×10-12秒，这相当于0.5mm Si内的衰减长度。这是一种与通过约束结构边界的损耗有关的寄生衰减，它只与折射率有关，而且对于Si和SiGe几乎是一样的。然而，这个0.5mm衰减长度是由一个外径D为9μm的环形结构提供的，这就证明当把SiGe层(8)做成具有一个颈部或波导段(18，18’)的光子瓶结构和一个圆柱形或环形段(20，21)时，其吸收系数是增加了。应该指出，在此模拟中，没有围绕SiGe层传播的光被吸收。
为了使波导段(18)和光吸收层(8)的光约束段(20，21)之间接口处的散射减至最小，可以把波导(18，18’)做成锥形(如图8所示)，以便使它与圆柱或环形段(20，21)的圆柱外表面接合部分尽可能小，而不会由于成锥形产生太大的反射损耗。当对波导段(18，18’)的输入是来自光纤时，需要把波导段(18’，18’)设计成在光切向注入圆柱或环形部分(20，21)之前，让光从光纤开始聚集成一个很小的斑点。
对于图4的环形结构，其主要的寄生损耗来自由于弯曲而引起的通过介质/空气界面的辐射，以及表面不光滑及来自波导和环形结构间的接口的散射。图9所示为另一个可能性，此时波导(18)用聚合物或氮化物波导(44)代替，而且使用阶式折射率，或瞬息耦合，来将光从聚合物波导(44)耦合到光约束段(20，21)的圆柱形或环形结构内。该波导有一个纵向部分(44a)(光通过端面(44c)耦合到其中)和一个环形部分(44b)，后者围绕着光约束段(20，21)的圆柱形或环形结构。聚合物波导(44)被淀积在一个钝化氧化物层上。氧化物层(43)的厚度应大于0.4μm左右，以便与衬底(45)的耦合最小(详情请参见Slegert等，1998，IEEE Journal of Selected Topicsin Quantum Electronics，4，970-74)。在波导(44)的环形部分(44b)内光波导模将通过瞬息耦合耦合到围绕圆柱形或环形光约束段(20，21)的周边的耳语廊模(由于后者具有较高的折射率)。也可以把波导(44)的纵向部分(44a)做成锥形以使入射光聚集起来。
采用聚合物波导可以把波导的设计和环形结构的设计分开，因而可做成例如三维锥体。
图9的光检测器内的波导(44)也可以用Si3N4来制作，其折射率介乎SiO2和Si之间。
如果把聚合物或Si3N4结构(44)淀积在一个SiO2水平层(43)上，它的折射率(n)必须介乎SiO2(n＝1.447)和Si(n＝3.4)之间。聚合物或氮化物直接与光约束段(20，21)的垂直壁接触，因此聚合物或氮化物(44b)中以耳语廊模传播的能量将传递给较高折射率半导体(20，21)内的耳语廊模，并被约束在其中。也可以在圆柱体(20，21)和波导(44)之间设置一层对光透明的材料(如SiO2)。若此界面层的折射率低于波导材料的折射率，则它的厚度必须足够薄，以使光瞬息耦合至内圆柱体(20，21)内的耳语廊模。采用聚合物或氮化物可以独立设计波导元件和半导体检测器。同时还能消除波导(44)和半导体检测器中约束结构(20，21)的接口，后者是产生寄生损耗的一个来源。
图9的光检测器的工作已如上述经过模拟计算(所不同的是聚合物波导和圆柱体的半径是以自由空间波长为单位而不是以μm来计量的)，其结果示于图10a至10d和图11。图10a表示一个输入高斯光脉冲如何沿着聚合物波导(44)传播，以及它是怎样耦合至圆柱体(20)的。图10a中，在时刻t＝500×10-16秒，光脉冲主要处于波导(44)的区域(50)。在时刻t＝1500×10-16秒，光脉冲可在区域(52)见到，其已经围绕波导(44)的约束内圆柱表面传播了大约1/3的路程，而且大部分光已耦合到圆柱体(20)。图10b中，在时刻t＝2500×10-16秒，光脉冲可在区域(54)见到，其已经绕着波导(44)和圆柱体(20)的约束内圆柱表面传播了2/3左右的路程。图10c中，在时刻t＝4500×10-16秒，光脉冲在围绕波导(44)和圆柱体(20)的约束内圆柱表面一整圈后在区域(56)弥散开来。图10d表示注入脉冲在t＝7000×10-16秒时的状态。图10a至10d的图形表示场强从低折射率的外聚合物(44)转变至高折射率的Si/SiGe内圆柱体(20)的情形。这表明光的传递很快，看来不会限制器件的速度。聚合物是直接和圆柱体相接触，所以能量可传递给高折射率的材料。根据这些图形看出，在Si/SiGe层内的约束情况好象比上面讨论过的原先的一些结构要好。图11表示根据模拟，介质(包括聚合物和半导体)(44)内，和圆柱体(20)的SiGe吸收层内，以及环绕波导的空气内的贮存的场能如何随时间变化。它表示出SiGe层内的光约束情况，这种约束将增加SiGe层的有效吸收率。SiGe吸收层内贮能的寄生衰减非常小，在图中看不见。这表明在这种结构中辐射损耗被大大地减小了。
如图1，2，4，5，8和9所示，SPAD(2，2’)的上部是作为一个台面形成在雪崩区(14，14’)的上面，因此在吸收层(8，8’)内产生的光电流将流入远离边缘(14a，14b)的雪崩区(14，14’)的中心区域(那儿的电场最强)。这将降低雪崩过程的不稳定性，而且对于吸收层(8，8’)表面漏电流小的场合特别有用。
图1，2，4，5，8和9所示的光子瓶SPAD也可采用以砷化镓或磷化铟为基础的材料结构，而不用以硅为基础的材料结构形成。这样SPAD(2，2’)可以形成一个重掺杂P+接触区(4，4’)，一个重掺杂N+接触区(6，6’)，场转换层(12，12’)和隔离层(10，10’，16，16’)，它们都是具有镓砷氮化物的多量子井结构(8，8’)的砷化镓，可以用来吸收光。这种检测器适合于吸收能量稍高于氮化物层禁带的光。
图12表示一种按本发明的p-i-n检测器，类似的部件以类似的数字加上”来标识。p-i-n检测器具有的光子瓶结构与图1和4所示的SPAD上台面类似，带一个波导段(18”)和一个光约束结构(20”，21”)。p-i-n检测器包括一个P+掺杂GaAs层(60)，一个InGaAsN晶格匹配层(62)，一个n+掺杂GaAs层(64)，一个顶部金属接触片(66)和一个底部金属接触片(68)，此检测器是生长在一个GaAs半绝缘衬底(70)上。波导段(18”)形成有一个隔离凹槽(72)，其通过把P+层蚀刻掉就可以形成凹槽。如果把波导(18”)的长度做得很短以使其中的光吸收尽可能小，就不一定要有这个隔离凹槽(72)。若顶部接触片(66)是一个肖特基(Shottky)接触片，那么层(60)的P掺杂水平将很低，此时也不需要有这个隔离凹槽(72)。如若图12的检测器是利用Franz Keldysh效应来工作的，则在波导(18”)内没有吸收，这时把电场加到圆柱或环形部分(20”，21”)，仅仅是为了诱发吸收。也可以在这种结构的吸收层上面和下面包括低折射率AlGaAs覆盖层以改善纵向约束。
也可以不用波导(18”)而采用一个聚合物或氮化物波导将光耦合进光约束段(20”，21”)，其方式和上面讨论过的有关图9的SPAD的类似。利用本发明，一个带铝镓砷化物(AlGaAs)覆盖层的GaAsp-i-n检测器可以工作在比一般适用的更长的波长上。这样就可以把p-i-n与GaAs雪崩区结合起来，其方式和上面说过的对SiGe/Si的方法几乎一样。人们对掺N的GaAs也很感兴趣，掺入4％的N可以得到禁带为1eV的应变材料，而GaAs的禁带是1.4eV。GaAsN应变层被夹在各GaAs层之间(与对于SiGe/Si的方法类似)，光约束结构可以按照本发明来制作。类似地，掺NinGaAs层可以按晶格与GaAs匹配，同时通过改变In和N的百分数，可以预期将检测器的响应扩展到1.3μ和1.5μ。此外，可以应用根据本发明的光约束结构的新材料系统和结构正在不断发展。将Franz Keldysh效应(将吸收限向高电场推移)与增加由本发明的光约束结构提供的有效吸收相结合即是一个例子。在本发明的情况下，电场将被加到上面讨论过的结构的圆柱形检测部分上。
上述Si/Ge结构可以采用标准的Si生长技术制造，它包括半导体层的最初外延生长和后续处理(包括光刻(lithography)和刻蚀)。类似地，上面所述以GaAs为基础的结构可以采用标准的GaAs生长技术来制造。
对图1和2所示的另一种补充的具体实施结构如图13所示，其中类似的部分用类似的数字表示。在图1和2的实施装置中，波导(18)和圆柱体(20)两者都包含吸收材料，而且在波导中的吸收是一种不希望有的损耗来源。这种损耗机构在图13的实施装置中被除掉了，因为波导(46a)和圆柱体的下部(46b)不吸收光。在圆柱体下部(46b)以上是圆柱体的上部，它由一种折射率比较高的光吸收材料(8)制成。圆柱的上部可以用外延等方法生长出来。
注入波导(46a)的端面(46c)的光被捕集在圆柱下部的耳语廊模中，并被很快传送到圆柱上部的高折射率材料中的耳语廊模，在那里被光吸收层(8)所吸收。

Claims (20)

1.一种水平入口半导体光检测器(2)，包括一个水平光吸收层(8)，其用于将光转换成光电流，该层被构型为将光以耳语廊传播模约束在其中。
2.按权利要求1所述的检测器，其中检测器被构型成具有一个波导段(18)和一个光约束段(20，21)，它们安排成由波导段将光耦合到检测器内并将光传送至光约束段，从而围绕光约束段激发耳语廊传播模。
3.按权利要求2所述的检测器，其中波导段(18)对光约束段边界以一个比边界临界角大的角度，将光传送到光约束段(20，21)内。
4.按权利要求2或3所述的检测器，其中光约束段(20，21)具有一个圆柱形外边界。
5.按权利要求4所述的检测器，其中波导段(18)相对于圆柱形外边界基本上以切向将光注入到光约束段(18)。
6.按上述任一项权利要求所述的检测器，包括一个纵向波导段(18)和一个圆柱形光约束段(20)。
7.按上述权利要求1-5中任一项所述的检测器，包括一个纵向波导段(18)和一个环形光约束段(21)。
8.按权利要求2至7所述的检测器，其中波导段(18)制成锥形，以减小波导段和光约束段(20，21)之间的接口尺寸。
9.按上述任一项权利要求所述的检测器，其中水平光吸收层(8)处于第二光约束段(20，21)内的一个层。
10.按权利要求1所述的检测器，其中波导(18，20，44，46)是用折射率比光吸收层(8)的折射率低的材料制成的，它被用来通过瞬息耦合将光耦合到光吸收层内，并在其中激发耳语廊传播模。
11.按权利要求1至8和10中任一项所述的检测器，其中水平光吸收层(8)垂直地位于光约束段(46b)的上面或下面，其折射率比光约束段的折射率高，光通过瞬息耦合从光约束段垂直地耦合到水平光吸收层内。
12.按权利要求2至5和10中任一项所述的检测器，其中波导段(44a)和光约束段(44b)是用折射率比光吸收层(8)的折射率低的材料制成的，而且光约束段围绕光吸收层的周边伸展，以通过瞬息耦合在光吸收层中激发耳语廊模。
13.按权利要求10至12中任一项所述的检测器，其中波导段(44a，46a)和光约束段(44b，46b)是由聚合物制成的。
14.按权利要求10-12任一项所述的检测器，其中波导段(44a，46a)和光约束段(44b，46b)是用氮化物制成的。
15.一种按上述任一项权利要求所述的分离式吸收和倍增雪崩检测器。
16.一种按上述任一项权利要求所述的p-i-n光检测器。
17.一种按上述任一项权利要求所述的硅基检测器，包含一个硅锗光吸收层。
18.一种按上述任一项权利要求所述的雪崩检测器，具有一个雪崩区，其中的光吸收层(8)是以一个台面的形式形成在雪崩区(14)的中央部分之上。
19.一种按上述权利要求2至18中任一项所述的雪崩检测器，其中波导段的水平宽度小于光约束段的水平宽度。
20.一种按权利要求19所述的雪崩检测器，其中波导段的水平宽度小于光约束段的水平宽度的1/8。
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