CN205723580U - Si基Ge混合型波导光电探测器 - Google Patents

Si基Ge混合型波导光电探测器 Download PDF

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康品春
郑伟峰
陈松岩
刘翰辉
李成
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Abstract

本实用新型公开了一种Si基Ge混合型波导光电探测器，包括波导和锗探测器；所述的波导与锗探测器耦合；所述的波导采用大截面SOI脊型波导，锗探测器采用PIN结构。由于本实用新型采用大截面的SOI脊型波导，以减少光纤和波导的耦合损耗，入射光既能通过端面直接耦合到Ge器件，又能通过垂直耦合从SOI波导耦合到Ge，以提高耦合效率，锗探测器采用PIN结构，在硅层以及锗层的顶端有不同性质的参杂，以形成一个垂直的P‑I‑N结。

Description

Si基Ge混合型波导光电探测器
技术领域
本实用新型涉及半导体领域，特别是涉及一种Si基Ge混合型波导光电探测器。
背景技术
Si基光子学是近几年十分吸引人的研究课题，因为其在CMOS微电子电路单片集成方面的潜在能力，它被广泛认为是通过光互连实现下一代芯片数据通信的关键技术。硅基光子学，主要为了追求集成光子学和电子学在同一块芯片，它的实现要依靠高性能的光电探测器，因此硅光电探测器是单片集成系统中的重要组成部分。Ge因为其光通信波段大的吸收系数，以及它与Ⅲ-Ⅴ族半导体相比，能与Si微电子工艺相兼容，它被视为芯片光电探测器的最好候选材料，可以实现大规模、高集成度的阵列探测。
然而，传统的正入射Ge探测器其量子效率与Ge吸收层厚度成正比，而带宽却与之成反比。即，Ge的厚度越厚，则响应速度越慢，但，量子效率会越高。因此，要获得更大的响应速度，就需要减小吸收层厚度，但这会导致量子效率的下降，两者的相互制约使其带宽效率乘积受到限制。针对这一问题，波导型Ge探测器就应运而生了。该结构通过波导与Ge探测器的耦合，实现侧面入光，光吸收的方向与载流子收集的方向相互垂直，使器件在较薄吸收层的情况下就能获得高量子效率，同时保证高的响应速度，因此带宽效率乘积得到了很大的改善。
根据波导与探测器耦合方式的不同一般将波导型探测器分为消逝耦合（Evanescent-coupled）型和端面耦合（Butt-coupled）型，如图1、图2所示。消逝耦合型探测器可采用大截面SOI波导，但对于端面耦合的垂直PIN结构，由于需要的光波导尺寸小，输出模场半径小而非圆分布，与单模光纤的近高斯模场相比，两者的模场匹配度较差，还需要另外采用模场匹配器来提高光纤与波导的耦合效率，而且光波导与Ge层需要直接对准，即前部的光波导的水平面要与后部的Ge层的水平面持平，这样，才能使前部的光波导与后部的Ge层完全耦合，相应的为了提高响应速度，则Ge层相对较薄，那么，为了上面所说的直接对准，相应的光波导层也要做得较薄，这将增加器件制备工艺的难度。而消逝耦合虽然可采用大截面SOI波导，但耦合效率与Ge层厚度紧密关联，对Ge厚度要求较为苛刻。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种耦合损耗小、器件长度小的Si基Ge混合型波导光电探测器。
为实现上述目的，本实用新型的技术解决方案是：
本实用新型是一种Si基Ge混合型波导光电探测器，包括波导和锗探测器；所述的波导与锗探测器耦合；所述的波导采用大截面SOI脊型波导，锗探测器采用PIN结构。
所述的锗探测器由本征区Ge、P区和N区构成；本征区Ge将相对而设的P区和N区分开。
所述的本征区Ge为无掺杂的Ge层，形成I区；所述P区为P型掺杂Ge，位于本征区Ge的上层；所述N区为N型掺杂Si，位于本征区Ge的下层；以形成一个垂直的P-I-N结。
所述的本征区Ge为无掺杂的Ge层，形成I区；所述N区为N型掺杂Ge，位于本征区Ge的上层；所述P区为P型掺杂Si，位于本征区Ge的下层；以形成一个垂直的P-I-N结。
所述的大截面SOI脊型波导，由Si材料、SiO2、Si构成。
采用上述方案后，由于本实用新型采用大截面的SOI脊型波导，以减少光纤和波导的耦合损耗，入射光既能通过端面直接耦合到Ge器件，又能通过垂直耦合从SOI波导耦合到Ge，以提高耦合效率。锗探测器采用PIN结构，在硅层以及锗层的顶端有不同性质的参杂，以形成一个垂直的P-I-N结。由光子产生的电子空穴对在外加电场的作用下向两极移动，形成电流信号。本实用新型与MSM光电探测器比较，暗电流较小，量子效率较高。
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明。
附图说明
图1是习用的消逝耦合光电探测器结构示意图；
图2是习用的端面耦合光电探测器结构示意图；
图3是本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
如图3所示，本实用新型是一种Si基Ge混合型波导光电探测器，包括波导1和锗探测器2。所述的波导1与锗探测器2耦合。
所述的波导1采用大截面SOI脊型波导1，由Si材料11、SiO212、Si13构成。
所述的锗探测器2采用PIN结构，它由本征区Ge21、P区22和N区23构成。本征区Ge21将相对而设的P区22和N区23分开。
所述的本征区Ge21为无掺杂的Ge层，形成I区；所述N区23为N型掺杂Ge，位于本征区Ge21的上层；所述P区22为P型掺杂Si，位于本征区Ge21的下层；也可以是：所述P区22为P型掺杂Ge，位于本征区Ge21的上层；所述N区23为N型掺杂Si，位于本征区Ge21的下层；以上两种方式均可以形成一个垂直的P-I-N结。
本结构可以使得锗探测器2中的本征Ge层21较薄，以保证高的响应速度，另外相应的脊型波导1的Si13可以做成相对较厚，这样降低了制备工艺的难度，同时，可通过两种耦合方式来获得高的量子效率。
本实用新型的工作原理：
本实用新型采用大截面的波导1，以减少光纤和波导1的耦合损耗，入射光既能通过端面直接耦合到Ge器件2，又能通过垂直耦合从SOI波导耦合到Ge，以提高耦合效率。
波导1采用大截面SOI脊型波导，锗探测器采用PIN结构，在硅层以及锗层的顶端有不同性质的掺杂，以形成一个垂直的P-I-N结。由光子产生的电子空穴对在外加电场的作用下向两极移动，形成电流信号。
本实用新型的重点就在于：采用混合型的耦合结构。
以上所述，仅为本实用新型较佳实施例而已，故不能以此限定本实用新型实施的范围，即依本实用新型申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本实用新型专利涵盖的范围内。

Claims (4)

1.一种Si基Ge混合型波导光电探测器，包括波导和锗探测器；所述的波导与锗探测器耦合；其特征在于：所述的波导采用大截面SOI脊型波导，锗探测器采用PIN结构。
2.根据权利要求1所述的Si基Ge混合型波导光电探测器，其特征在于：所述的锗探测器由本征区Ge、P区和N区构成；本征区Ge将相对而设的P区和N区分开。
3.根据权利要求2所述的Si基Ge混合型波导光电探测器，其特征在于：所述的本征区Ge为无掺杂的Ge层，形成I区；所述P区为P型掺杂Ge，位于本征区Ge的上层；所述N区为N型掺杂Si，位于本征区Ge的下层；以形成一个垂直的P-I-N结。
4.根据权利要求2所述的Si基Ge混合型波导光电探测器，其特征在于：所述的本征区Ge为无掺杂的Ge层，形成I区；所述N区为N型掺杂Ge，位于本征区Ge的上层；所述P区为P型掺杂Si，位于本征区Ge的下层；以形成一个垂直的P-I-N结。
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