CN201885758U - 一种雪崩光电探测器及光能检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型适用于光电技术领域，提供了一种雪崩光电探测器及光能检测装置，所述探测器包括衬底，波导区，位于波导区的末端的吸收区，位于吸收区的侧壁的倍增区、位于倍增区与吸收区两侧的金属接触层，以及位于金属接触层顶端的金属电极，所述吸收区、倍增区以及金属接触层横向分布。本实用新型实施例采用吸收区、倍增区和金属接触层横向分布的结构，使光传输方向和载流子运动方向垂直，降低了各区的宽度，进而降低了雪崩效应的工作电压，也大大降低了制作工艺难度，增强了器件的灵活性。
Description
技术领域
本实用新型属于光电技术领域，尤其涉及一种雪崩光电探测器及光能检测装置。
背景技术
光电探测器是光通信、光互连和光电集成技术中关键的光电器件之一，目前在军事和国民经济的各个领域都有广泛的用途，而雪崩光电探测器又以高响应度和灵敏度受到市场欢迎。
目前，雪崩光电探测器分为：垂直入射结构和波导边入射结构，垂直入射结构的光传输方向和载流子运动方向平行，因而器件的响应度和带宽相互制约，严重影响了器件的整体性能；而波导边入射结构虽然使器件的响应度和带宽不再互相影响，但是由于吸收区与倍增区依然采用垂直结构，各层厚度较大，使得产生雪崩效应的工作电压偏高，并且制作工艺难度大，灵活性不足。
实用新型内容
本实用新型实施例的目的在于提供一种雪崩光电探测器，旨在解决现有的光电探测器各个性能参数间互相制约，工作电压偏高，工艺难度大，灵活性不足的问题。
本实用新型实施例是这样实现的，一种雪崩光电探测器，所述探测器包括衬底、波导区和金属电极，所述探测器还包括：
位于所述波导区末端的吸收区，用于吸收所述波导区传输的入射光，并产生光生载流子；
位于所述吸收区一侧的倍增区，用于对所述吸收区产生的光生载流子实行雪崩倍增的过程；以及
分别位于所述倍增区与所述吸收区两侧的金属接触层，所述金属接触层顶端连接所述金属电极，用于收集电子、空穴形成电流，并与所述金属电极形成欧姆接触；
所述吸收区、倍增区以及金属接触层横向分布。
更进一步地，所述吸收区由纯锗或锗化硅合金材料构成。
更进一步地，所述吸收区的宽度大于或等于所述波导区的宽度。
更进一步地，所述倍增区由本征硅材料构成。
更进一步地，所述探测器还包括位于所述倍增区与所述吸收区之间的电荷区，所述电荷区与所述倍增区和所述吸收区横向分布，用于调节所述倍增区的电场强度分布。
更进一步地，所述电荷区由轻掺杂P型硅材料构成。
更进一步地，位于倍增区一侧的所述金属接触层由重掺杂N型硅材料构成，位于吸收区一侧的所述金属接触层由重掺杂P型硅材料构成。
本实用新型的另一目的在于提供一种包括上述雪崩光电探测器的光能检测装置。
本实用新型实施例采用吸收区、倍增区和金属接触层横向分布的结构，使光传输方向和载流子运动方向垂直，降低了各区的宽度，进而降低了雪崩效应的工作电压，也大大降低了制作工艺难度，增强了器件的灵活性。
附图说明
图1为本实用新型一个实施例提供的硅基波导型吸收倍增分离式雪崩光电探测器的立体结构示意图；
图2为本实用新型一个实施例提供的硅基波导型吸收倍增分离式雪崩光电探测器的横向截面示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
本实用新型实施例采用吸收区、倍增区和金属接触层横向分布的结构，使光传输方向和载流子运动方向垂直，同时降低了各区的宽度。
作为本实用新型一实施例提供的雪崩光电探测器，所述探测器包括衬底、波导区和金属电极，所述探测器还包括：
位于所述波导区末端的吸收区，所述吸收区由大吸收系数材料组成，用于吸收所述波导区传输的入射光，并产生光生载流子；
位于所述吸收区一侧的倍增区，所述倍增区由空穴-电子离化率比值较低的材料组成，用于对所述吸收区产生的光生载流子实行雪崩倍增的过程；以及
分别位于所述倍增区与所述吸收区两侧的金属接触层，所述金属接触层顶端连接所述金属电极，用于收集电子、空穴形成电流，并与所述金属电极形成欧姆接触；
所述吸收区、倍增区以及金属接触层横向分布。
以下结合具体实施例对本实用新型的实现进行详细说明。
图1示出了本实用新型实施例提供的硅基波导型吸收倍增分离式雪崩光电探测器的三维结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分。
衬底包括：由下至上依次层叠的底层支撑20、埋层11以及顶层21，参照图2。作为本实用新型一实施例，埋层11可以采用二氧化硅(SiO2)材料制成、底层支撑20和顶层21均可以采用硅(Si)材料制成，埋层11与顶层21的厚度均可以调整。
波导区26为衬底经过标准湿式化学清洗(RCA)，再经过光刻及干法离子刻蚀，形成的一脊形光波导，该光波导由折射率不同的Si和SiO2材料组成，其尺寸可调整，以满足单模或者多模传输的要求。
吸收区31由波导区的末端经过湿法化学反应或干法等离子体刻蚀凹槽，并于凹槽内选择性生长吸收区材料制成。其中吸收区材料可以采用选区外延法制备的纯锗(Ge)材料，也可以采用高锗成分的锗化硅(SiGe)合金材料制成，以增加所吸收入射光的波长范围，其生长设备可以采用化学气相沉积(CVD)或者分子束外延(MBE)等系统。在本实用新型实施例中，吸收区31与波导区26的宽度相等或者略大，吸收区31的宽度与长度均可调整，入射光通过波导区26与吸收区31的端面直接耦合或近似直接耦合。
倍增区23可以采用本征硅材料制成，用于对光生载流子实现雪崩倍增的过程。
作为在实用新型一实施例，还可以于倍增区23与吸收区31之间增加一电荷区24，该电荷区24与倍增区23、吸收区31横向分布，由经离子注入或扩散工艺制成的轻掺杂P型硅(P-Si)材料构成，并可以通过改变宽度和掺杂浓度来调整电场强度的分布。
金属接触层22位于倍增区23的一侧，由重掺杂N型硅(N-Si)材料制成，其顶端直接与金属电极41接触。金属接触层25位于吸收区31的另一侧，由重掺杂P型硅(P-Si)材料25制成，其顶端直接与金属电极42接触。
金属电极41位于金属接触层22的顶端，金属电极42位于金属接触层25的顶端，该金属电极均可以采用铝(Al)、金(Au)、银(Ag)等单层金属材料，也可以采用多层金属材料。
在本实用新型实施例中，吸收区31位于波导区26的末端，入射光51经过波导区26近似直接耦合进入吸收区31，吸收区31吸收入射光51并产生光生载流子，由于吸收区31与倍增区23、金属接触层22、金属接触层25横向分布，由入射光产生的电子和空穴垂直于入射光方向分别向两金属电极运动，电子在经过倍增区23时加速，在获得足够的能量后与晶格碰撞产生新的电子-空穴，即产生雪崩倍增过程，所有电子最后通过金属接触层22向金属电极41运动，并由金属电极41收集，而所有的空穴通过金属接触层25向金属电极42运动，并由金属电极42收集，最后由金属电极41与金属电极42将所收集的电子和空穴传输到外部电路。
在本实用新型实施例中，波导区26与吸收区31端面直接耦合，提高了入射光的耦合效率，进而提高器件的响应度；减小吸收区的尺寸，进而减少了载流子渡越时间，降低了RC时间常数，提高器件的带宽，同时降低了工作电压。
作为本实用新型的一个实现示例，可以设定衬底材料为绝缘硅SOI(100)材料，埋层SiO2的厚度为1μm，顶层Si的厚度为500nm；波导区26的长度为10μm，宽度为500nm。形成波导后，在波导的末端选择性刻蚀形成一个凹槽，凹槽的宽度和波导相等，长度10μm，深度为400nm，并留有100nm单晶Si供吸收区选择性生长，凹槽内采用CVD系统选择性生长400nm厚的Ge，另外采用离子注入并高温退火激活的工艺形成浓度2×1019cm-3、宽度10μm的重掺杂P-Si金属接触层25，浓度1×1017cm-3、宽度100nm的轻掺杂P-Si电荷区24，以及浓度2×1019cm-3、宽度10μm的重掺杂N-Si金属接触层22，另外倍增区本征Si 23的宽度为500nm。金属电极41和金属电极42为淀积1μm厚的金属铝。
本实用新型实施例采用吸收区、倍增区和金属接触层横向分布的结构，提高了入射光的耦合效率和器件的响应度；通过降低吸收区的宽度，提高器件的带宽，降低雪崩效应的工作电压，同时也大大降低了制作工艺难度，增强了器件的灵活性。
以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种雪崩光电探测器，所述探测器包括衬底、波导区和金属电极，其特征在于，所述探测器还包括：
位于所述波导区末端的吸收区，用于吸收所述波导区传输的入射光，并产生光生载流子；
位于所述吸收区一侧的倍增区，用于对所述吸收区产生的光生载流子实行雪崩倍增的过程；以及
分别位于所述倍增区与所述吸收区两侧的金属接触层，所述金属接触层顶端连接所述金属电极，用于收集电子、空穴形成电流，并与所述金属电极形成欧姆接触；
所述吸收区、倍增区以及金属接触层横向分布。
2.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述吸收区由纯锗或锗化硅合金材料构成。
3.如权利要求2所述的探测器，其特征在于，所述吸收区的宽度大于或等于所述波导区的宽度。
4.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述倍增区由本征硅材料构成。
5.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述探测器还包括位于所述倍增区与所述吸收区之间的电荷区，所述电荷区与所述倍增区和所述吸收区横向分布，用于调节所述倍增区的电场强度分布。
6.如权利要求5所述的探测器，其特征在于，所述电荷区由轻掺杂P型硅材料构成。
7.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，位于倍增区一侧的所述金属接触层由重掺杂N型硅材料构成，位于吸收区一侧的所述金属接触层由重掺杂P型硅材料构成。
8.一种光能检测装置，其特征在于，所述装置包括如权利要求1至7任一项所述的雪崩光电探测器。
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