CN209296572U - 一种基于硅基光电探测器的生化传感系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于硅基光电探测器的生化传感系统，属于半导体光信号传输技术领域。该基于硅基光电探测器的生化传感系统，包括光源、从下至上的SOI晶片的衬底、SOI晶片的埋氧层、硅层和SiO2上包层，所述硅层包括输入波导、传感元件、传输波导、示踪元件、输出波导以及探测器，光源输出端通过输入波导与传感元件输入端相连，传感元件输出端通过传输波导与示踪元件输入端相连，示踪元件输出端通过输出波导与探测器相连，输入波导、传感元件、传输波导、示踪元件、输出波导以及探测器外层设有SiO2上包层。本系统通过硅光子生化系统并设置硅基光电探测器，可以有效解决生化传感系统器件复杂和光谱仪昂贵的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于硅基光电探测器的生化传感系统，属于半导体光信号传输技术领域。
背景技术
目前，生化传感系统主要采用光学表面等离子体共振技术，该技术采用耦合的方式利用入射光在介质表面激发等离子波实现生化分子信息传感。基于这种工作原理制备的传感系统具有灵敏度高、响应快、无需标记等优势，但现在的工艺水平，这种方法制备的仪器构造相对复杂，成本较高，不便携带。基于光元件有效折射率变化的光学生化系统，对有效折射率变化的灵敏度高，器件尺寸小，响应快，可以与传统的表面等离子共振技术相媲美，且该器件便于携带，容易操作，在实际应用上有独特的优势，然而，该系统也面临着关键问题即需要测量有效折射率变化后光元件传输的波长，在目前的应用中，通常使用光谱仪扫描波长的方法，该方法虽然简单，但光谱仪十分昂贵，会增加该系统制备成本，严重阻碍其广泛应用。而硅基光电探测器是基于硅光子波导的器件，能够反映光波强度，通过增加含调谐系统的示踪元件，就能测量出变化后的波长，代替光谱仪。近年来，硅光子光电集成波导器件持续发展，其工艺与CMOS器件工艺兼容，能与现有的集成电路进行集成，硅基光电子探测器的制备条件趋于成熟，而且常用的绝缘层上硅材料具有高折射率对比度，器件尺寸可达纳米级别，能实现低成本的大批量生产。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本实用新型提供一种基于硅基光电探测器的生化传感系统。本系统通过硅光子生化系统并设置硅基光电探测器，可以有效解决生化传感系统器件复杂和光谱仪昂贵的问题，本实用新型通过以下技术方案实现。
一种基于硅基光电探测器的生化传感系统，包括光源100、从下至上的SOI晶片的衬底18、SOI晶片的埋氧层17、硅层和SiO2上包层16，所述硅层包括输入波导101、传感元件110、传输波导102、示踪元件120、输出波导103以及探测器130，光源100输出端通过输入波导101与传感元件110输入端相连，传感元件110输出端通过传输波导102与示踪元件120输入端相连，示踪元件120输出端通过输出波导103与探测器130相连，输入波导101、传感元件110、传输波导102、示踪元件120、输出波导103以及探测器130外层设有SiO2上包层16。
所述输入波导101、传输波导102和输出波导103其横截面为条形或脊型结构。
所述传感元件110包括2×2MMI耦合器Ⅰ1、2×2MMI耦合器Ⅱ2两个2×2MMI耦合器和无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3、无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4两个无上包层布拉格波导光栅，2×2MMI耦合器Ⅰ1输出端上端口通过无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3连接2×2MMI耦合器Ⅱ2输入端上端口，2×2MMI耦合器Ⅰ1输出端下端口通过无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4连接2×2MMI耦合器Ⅱ2输入端下端口。为了实现超低能耗，减低温度限制，在技术条件允许的情况下可以掏空波导光栅的底层。2×2MMI耦合器Ⅰ1、2×2MMI耦合器Ⅱ2一般采用对称干涉模式。无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3和无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4效折射率随上包层折射率变化而变化，有效折射率的变化导致反射波长的变化，被施加于布拉格波导光栅上方的被测物相当于布拉格波导光栅的上包层，通过不同的反射波长可以鉴别出被测物。传感元件110用于连接样品，鉴别被测物，光源100发出的光波通过输入波导101进入2×2MMI耦合器Ⅰ1，之后从该耦合器的输出端口进入无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3和无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4，符合无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3和无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4布拉格条件的光波被其反射回2×2MMI耦合器Ⅰ1的多模干涉区，并从该耦合器的输入端下端口输出，通过传输波导102耦合进入示踪元件120。
所述示踪元件120包括2×2MMI耦合器Ⅲ5、2×2MMI耦合器Ⅳ6两个2×2MMI耦合器，布拉格波导光栅Ⅰ7、布拉格波导光栅Ⅱ8两个布拉格波导光栅，以及调谐系统9；2×2MMI耦合器Ⅲ5输出端上端口通过布拉格波导光栅Ⅰ7连接2×2MMI耦合器Ⅳ6输入端上端口，2×2MMI耦合器Ⅲ5输出端下端口通过布拉格波导光栅Ⅱ8连接2×2MMI耦合器Ⅳ6输入端下端口，布拉格波导光栅Ⅰ7、布拉格波导光栅Ⅱ8上设有可调节电流或电压的调谐系统9；示踪元件120中的2×2MMI耦合器Ⅰ1、2×2MMI耦合器Ⅱ2与传感元件110中2×2MMI耦合器Ⅲ5、2×2MMI耦合器Ⅳ6结构相同，2×2MMI耦合器横截面为条形或脊型，示踪元件120中的布拉格波导光栅Ⅰ7、布拉格波导光栅Ⅱ8和传感元件110中无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3、无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4除了示踪元件120中的布拉格波导光栅Ⅰ7、布拉格波导光栅Ⅱ8有上包层外其他结构均相同。示踪元件120用于配合测量传感元件110中布拉格波导光栅的反射波长，传输波导102输入的光波通过2×2MMI耦合器Ⅲ5进入布拉格波导光栅Ⅰ7和布拉格波导光栅Ⅱ8，符合其布拉格条件的光波被其反射回2×2MMI耦合器Ⅲ5的多模干涉区，并从该耦合器的输入端下端口输出，通过输出波导103耦合进入探测器130。
所述调谐系统9为连接驱动电压或者电流的加热器。
所述示踪元件120中的布拉格波导光栅Ⅰ7、布拉格波导光栅Ⅱ8的上包层为SiO2上包层17。
所述探测器130为硅基光电探测器A；硅基光电探测器A基于硅光子条形波导19，包括P++掺杂区10、P+掺杂区11、本征吸收区12、N++掺杂区13、金属电极15和引线孔，硅基光电探测器A中的硅光子条形波导19由SOI晶片埋氧层17上的硅层制备而成，P+掺杂区11位于硅光子条形波导19顶部中间，两侧均为P++掺杂区10且相连，本征吸收区12位于P+掺杂区11正上方，其顶部中间为N++掺杂区13，一个金属电极15一端通过引线孔与P++掺杂区10相连，另外两个金属电极15一端分别通过引线孔与N++掺杂区13相连，三个金属电极15另一端均位于引线孔上端并穿透SiO2上包层16。
所述探测器130为硅基光电探测器B；硅基光电探测器B基于硅光子条形波导19，包括P++掺杂区10、P+掺杂区11、本征吸收区12、N++掺杂区13、N+掺杂区14、金属电极15和引线孔，光电探测器中的硅光子条形波导19由SOI晶片埋氧层17上的硅层制备而成，本征吸收区12位于硅光子条形波导19顶部中间，两侧分别与P+掺杂区11和N+掺杂区14相连，P+掺杂区11另一侧与P++掺杂区10相连，N+掺杂区14另一侧与N++掺杂区13相连，其中一个金属电极15一端通过引线孔与P++掺杂区10相连，另一个金属电极15一端通过引线孔与N++掺杂区13相连，两个金属电极15另一端均位于引线孔上端并穿透SiO2上包层16。
上述P++掺杂区10和N++掺杂区13分别由III族离子和V族离子超重掺杂形成，所述P+掺杂区11与N+掺杂区14分别由III族离子和V族离子重掺杂形成。本征吸收区12材料为Ge材料，不同硅基光电探测器Ge材料厚度不同。金属电极15材料为金属，如W、Cu、Al等，引线孔位于P++掺杂区10与N++掺杂区13上方，用于沉积金属材料，制备电极。
所述传感元件110中的2×2MMI耦合器Ⅰ1和示踪元件120中的2×2MMI耦合器Ⅲ5上设有热光效应的调谐系统9。为了将偏移的反射波长能成像在2×2MMI耦合器Ⅰ1输入端下端口处，以及为了确保调节后的布拉格波长能成像在2×2MMI耦合器Ⅲ5输入端下端口处，在2×2MMI耦合器Ⅰ1和2×2MMI耦合器Ⅲ5上方增加基于热光效应或电光效应的调谐系统，调节光场输出位置。在这两处增加调谐系统，能最大程度地保证该系统的可行性。
本基于硅基光电探测器的生化传感系统的工作原理为：
在测试前，建立示踪元件120中的调谐系统9驱动电压或电流与布拉格波导光栅反射波长的变化量间的关联数据库。将传感元件110置于被测物中，由于其有效折射变化，无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3和无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4的反射的波长λ1与示踪元件120中布拉格波导光栅Ⅰ7和布拉格波导光栅Ⅱ8反射的波长λ不再相同，探测器130的光电流变小，调节调谐系统9的驱动电压或电流，观察探测器130的电流变化直至该电流最大，此时无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3和无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4以及布拉格波导光栅Ⅰ7和布拉格波导光栅Ⅱ8的反射波长再次相同，通过数据库可得该驱动电压或电流下布拉格波导光栅Ⅰ7和布拉格波导光栅Ⅱ8反射波长的变化量△λ，原始波长λ是已知的，通过计算可得的变化后的波长，即无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3和无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4反射的波长λ1，该波长可以反映被测物的折射率，鉴别被测物。
该基于硅基光电探测器的生化传感系统工艺处理流程图如图8所示：
采用SOI晶片，基于半导体CMOS制作工艺，主要集成工艺流程如下。
步骤一：如图8-1所示，器件是基于SOI晶片。经过光刻、曝光和Si浅刻蚀工艺形成布拉格波导光栅、2×2MMI耦合器的初步结构，采用二次光刻、曝光和Si刻蚀工艺，制备得到完整的布拉格波导光栅、完整的2×2MMI耦合器，如图8-2所示。采用以上相同的两次光刻、曝光和Si刻蚀工艺，在相同的SOI晶片上也可以得到条形硅光子波导（输入硅光子波导、输出硅光子波导、制备硅基光电探测器的条形波导）和脊型波导（传输硅光子波导）。
步骤二：该步骤制备Si基Ge探测器中除金属电极外的结构。在Si波导上沉积一层screen SiO2保护层，该保护层用于防止注入的离子对硅波导表面的伤害。随后进行光刻、曝光形成P++掺杂图形。采用III族离子注入，完成P++的掺杂，如图8-3所示。P++掺杂完成后，去胶清洗，随后再进行光刻、曝光形成P+掺杂图形，采用浓度较低的III族离子注入，完成P+的掺杂，如图8-4示。去胶清洗，随后进行光刻、曝光形成Ge图形，采用外延技术，生长一定厚度的Ge材料，如图8-5所示。去胶清洗，随后光刻、曝光在Ge上形成N++掺杂图形，采用V族离子注入，完成N++区的掺杂。如图8-6所示
步骤三：用PECVD沉积方法，在硅光子波导上方沉积一层厚(厚度通常1.1微米)的SiO2包层，通过反向SiO2刻蚀和抛光得到平整的上表面。
步骤四：该步骤制备Si基Ge探测器的金属电极。通过光刻、曝光与SiO2刻蚀工艺在Si基Ge探测器上方制作引线孔，刻蚀停在P++/N++掺杂Si上表面，在晶片上沉积金属钨层，如图8-7所示。之后在SiO2包层上方再沉积一层厚(厚度通常2.5微米)的SiO2包层，通过反向SiO2刻蚀和抛光得到平整的上表面，通过光刻、曝光与SiO2刻蚀工艺制作引线孔，刻蚀停在金属钨上，在晶片上沉积金属铜，如图8-8示。
步骤五：该步骤主要制备调谐系统。通过光刻、曝光与SiO2刻蚀工艺在示踪元件的布拉格波导光栅上方形成调谐系统图形，沉积TiN金属，完成调谐系统制备并沉积一层SiO2包层，采用相同的光刻、曝光、刻蚀与沉积工艺在调谐系统上制备Cu金属电极。如图8-9所示。
步骤六：沉积一层厚(厚度通常300纳米)的SiO2包层通过干刻的方法，在金属铜上制备铝电极，如图8-10所示。并进行去胶清洗。
步骤七：此步骤去除示踪元件布拉格波导光栅的上包层。对示踪元件的两个布拉格波导光栅上方进行干刻蚀，刻蚀停在波导Si上表面，形成一个窗口，之后用氢氟酸进行湿刻蚀，将波导光栅刻蚀处沉积的SiO2除去，如图8-11所示。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型是对目前生化传感系统的有效改进，基于布拉格波导光栅对折射率变化的灵敏度高的特点，通过硅基光电探测器与示踪元件测量由于传感元件布拉格波导光栅上包层折射率的变化引起的波长变化，在保证准确率的情况下，极大简化了设备的复杂程度，避免使用昂贵的光谱仪。本实用新型中所有工艺均与目前CMOS工艺完全兼容，能够实现本系统的大规模量产，在医学诊断、医疗保健、环境监测等领域有着广泛地应用前景。
附图说明
图1是本实用新型基于硅基光电探测器的生化传感系统连接示意图；
图2是本实用新型顶部刻蚀的传感元件示意图；
图3是本实用新型顶部刻蚀的示踪元件示意图；
图4是本实用新型侧部刻蚀的传感元件示意图；
图5是本实用新型侧部刻蚀的示踪元件示意图；
图6是本实用新型硅基光电探测器A截面示意图；
图7是本实用新型硅基光电探测器B截面示意图；
图8是本实用新型硅基光电探测器A组成的硅基光电探测器的生化传感系统工艺处理流程图；
图9是本实用新型硅基光电探测器B组成的硅基光电探测器的生化传感系统工艺处理流程图。
图中：1-2×2MMI耦合器Ⅰ，2-2×2MMI耦合器Ⅱ，3-无上包层布拉格波导光栅Ⅰ，4-无上包层布拉格波导光栅Ⅱ，5-2×2MMI耦合器Ⅲ，6-2×2MMI耦合器Ⅳ，7-布拉格波导光栅Ⅰ，8-布拉格波导光栅Ⅱ，9-调谐系统，10-P++掺杂区，11-P+掺杂区，12-本征吸收区，13-N++掺杂区，14-N+掺杂区，15-金属电极，16-SiO2上包层，17-SOI晶片的埋氧层，18-SOI晶片的衬底，19-光电探测器中的硅光子条形波导；100-光源，101-输入波导，110-传感元件，102-传输波导，120-示踪元件，103-输出波导，130-探测器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。
实施例1
如图1至3以及6所示，该基于硅基光电探测器的生化传感系统，包括光源100、从下至上的SOI晶片的衬底18、SOI晶片的埋氧层17、硅层和SiO2上包层16，所述硅层包括输入波导101、传感元件110、传输波导102、示踪元件120、输出波导103以及探测器130，光源100输出端通过输入波导101与传感元件110输入端相连，传感元件110输出端通过传输波导102与示踪元件120输入端相连，示踪元件120输出端通过输出波导103与探测器130相连，输入波导101、传感元件110、传输波导102、示踪元件120、输出波导103以及探测器130外层设有SiO2上包层16。
所述输入波导101和输出波导103其横截面为条形结构，波导高度为220nm，宽度为500nm，传输波导102其横截面为脊型结构，宽度为500nm，内脊高220nm，外脊高为90nm。
所述传感元件110包括2×2MMI耦合器Ⅰ1、2×2MMI耦合器Ⅱ2两个2×2MMI耦合器和无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3、无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4两个无上包层布拉格波导光栅，2×2MMI耦合器Ⅰ1输出端上端口通过无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3连接2×2MMI耦合器Ⅱ2输入端上端口，2×2MMI耦合器Ⅰ1输出端下端口通过无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4连接2×2MMI耦合器Ⅱ2输入端下端口。为了实现超低能耗，减低温度限制，在技术条件允许的情况下可以掏空波导光栅的底层。2×2MMI耦合器Ⅰ1、2×2MMI耦合器Ⅱ2一般采用对称干涉模式。无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3和无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4效折射率随上包层折射率变化而变化，有效折射率的变化导致反射波长的变化，被施加于布拉格波导光栅上方的被测物相当于布拉格波导光栅的上包层，通过不同的反射波长可以鉴别出被测物。传感元件110用于连接样品，鉴别被测物，光源100发出的光波通过输入波导101进入2×2MMI耦合器Ⅰ1，之后从该耦合器的输出端口进入无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3和无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4，符合无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3和无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4布拉格条件的光波被其反射回2×2MMI耦合器Ⅰ1的多模干涉区，并从该耦合器的输入端下端口输出，通过传输波导102耦合进入示踪元件120。
所述示踪元件120包括2×2MMI耦合器Ⅲ5、2×2MMI耦合器Ⅳ6两个2×2MMI耦合器，布拉格波导光栅Ⅰ7、布拉格波导光栅Ⅱ8两个布拉格波导光栅，以及调谐系统9；2×2MMI耦合器Ⅲ5输出端上端口通过布拉格波导光栅Ⅰ7连接2×2MMI耦合器Ⅳ6输入端上端口，2×2MMI耦合器Ⅲ5输出端下端口通过布拉格波导光栅Ⅱ8连接2×2MMI耦合器Ⅳ6输入端下端口，布拉格波导光栅Ⅰ7、布拉格波导光栅Ⅱ8上设有可调节电流或电压的调谐系统9；示踪元件120中的2×2MMI耦合器Ⅰ1、2×2MMI耦合器Ⅱ2与传感元件110中2×2MMI耦合器Ⅲ5、2×2MMI耦合器Ⅳ6结构相同，2×2MMI耦合器横截面为条形结构，多模干涉区长为18.5µm，宽为4µm，左侧的输入端两端口与右侧输出端两端口宽度均为0.8µm，两端口间间隔均为0.5µm，在1.55µm的TE模下，能实现最低损耗，示踪元件120中的布拉格波导光栅Ⅰ7、布拉格波导光栅Ⅱ8和传感元件110中无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3、无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4除了示踪元件120中的布拉格波导光栅Ⅰ7、布拉格波导光栅Ⅱ8有上包层外其他结构均相同，波导光栅长度为200µm，宽度为0.45µm，切趾模型为余弦型，刻蚀区位于条形波导顶部。示踪元件120用于配合测量传感元件110中布拉格波导光栅的反射波长，传输波导102输入的光波通过2×2MMI耦合器Ⅲ5进入布拉格波导光栅Ⅰ7和布拉格波导光栅Ⅱ8，符合其布拉格条件的光波被其反射回2×2MMI耦合器Ⅲ5的多模干涉区，并从该耦合器的输入端下端口输出，通过输出波导103耦合进入探测器130。所述调谐系统9为连接驱动电压的加热器。
所述示踪元件120中的布拉格波导光栅Ⅰ7、布拉格波导光栅Ⅱ8的上包层为SiO2上包层17。
所述探测器130为硅基光电探测器A，长度为25µm；硅基光电探测器A基于硅光子条形波导19，包括P++掺杂区10、P+掺杂区11、本征吸收区12、N++掺杂区13、金属电极15和引线孔，硅基光电探测器A中的硅光子条形波导19由SOI晶片埋氧层17上的硅层制备而成，P+掺杂区11位于硅光子条形波导19顶部中间，两侧均为P++掺杂区10且相连，本征吸收区12位于P+掺杂区11正上方，其顶部中间为N++掺杂区13，一个金属电极15一端通过引线孔与P++掺杂区10相连，另外两个金属电极15一端分别通过引线孔与N++掺杂区13相连，三个金属电极15另一端均位于引线孔上端并穿透SiO2上包层16。P++掺杂区10（硼离子重掺杂，注入浓度为4e15/cm2）和N++掺杂区13（注入的为磷离子，注入浓度为4e15/cm2），所述P+掺杂区11（硼离子重掺杂，注入浓度为6e12/cm2）。本征吸收区12材料为Ge材料，本征吸收区12宽度为5µm，高度为0.5µm。金属电极15材料为金属，如W、Cu、Al等。
所述传感元件110中的2×2MMI耦合器Ⅰ1和示踪元件120中的2×2MMI耦合器Ⅲ5上设有热光效应或电光效应的调谐系统9。为了将偏移的反射波长能成像在2×2MMI耦合器Ⅰ1输入端下端口处，以及为了确保调节后的布拉格波长能成像在2×2MMI耦合器Ⅲ5输入端下端口处，在2×2MMI耦合器Ⅰ1和2×2MMI耦合器Ⅲ5上方增加基于热光效应调谐系统，调节光场输出位置。在这两处增加调谐系统，能最大程度地保证该系统的可行性。
实施例2
如图1、4、5、7所示，该基于硅基光电探测器的生化传感系统，包括光源100、从下至上的SOI晶片的衬底18、SOI晶片的埋氧层17、硅层和SiO2上包层16，所述硅层包括输入波导101、传感元件110、传输波导102、示踪元件120、输出波导103以及探测器130，光源100输出端通过输入波导101与传感元件110输入端相连，传感元件110输出端通过传输波导102与示踪元件120输入端相连，示踪元件120输出端通过输出波导103与探测器130相连，输入波导101、传感元件110、传输波导102、示踪元件120、输出波导103以及探测器130外层设有SiO2上包层16。
所述输入波导101和输出波导103其横截面为条形结构，波导高度为220nm，宽度为500nm，传输波导102其横截面为脊型结构，宽度为500nm，内脊高220nm，外脊高为90nm。
所述传感元件110包括2×2MMI耦合器Ⅰ1、2×2MMI耦合器Ⅱ2两个2×2MMI耦合器和无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3、无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4两个无上包层布拉格波导光栅，2×2MMI耦合器Ⅰ1输出端上端口通过无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3连接2×2MMI耦合器Ⅱ2输入端上端口，2×2MMI耦合器Ⅰ1输出端下端口通过无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4连接2×2MMI耦合器Ⅱ2输入端下端口。为了实现超低能耗，减低温度限制，在技术条件允许的情况下可以掏空波导光栅的底层。2×2MMI耦合器Ⅰ1、2×2MMI耦合器Ⅱ2一般采用对称干涉模式。无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3和无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4效折射率随上包层折射率变化而变化，有效折射率的变化导致反射波长的变化，被施加于布拉格波导光栅上方的被测物相当于布拉格波导光栅的上包层，通过不同的反射波长可以鉴别出被测物。传感元件110用于连接样品，鉴别被测物，光源100发出的光波通过输入波导101进入2×2MMI耦合器Ⅰ1，之后从该耦合器的输出端口进入无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3和无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4，符合无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3和无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4布拉格条件的光波被其反射回2×2MMI耦合器Ⅰ1的多模干涉区，并从该耦合器的输入端下端口输出，通过传输波导102耦合进入示踪元件120。
所述示踪元件120包括2×2MMI耦合器Ⅲ5、2×2MMI耦合器Ⅳ6两个2×2MMI耦合器，布拉格波导光栅Ⅰ7、布拉格波导光栅Ⅱ8两个布拉格波导光栅，以及调谐系统9；2×2MMI耦合器Ⅲ5输出端上端口通过布拉格波导光栅Ⅰ7连接2×2MMI耦合器Ⅳ6输入端上端口，2×2MMI耦合器Ⅲ5输出端下端口通过布拉格波导光栅Ⅱ8连接2×2MMI耦合器Ⅳ6输入端下端口，布拉格波导光栅Ⅰ7、布拉格波导光栅Ⅱ8上设有调节电流或电压调谐系统9；示踪元件120中的2×2MMI耦合器Ⅰ1、2×2MMI耦合器Ⅱ2与传感元件110中2×2MMI耦合器Ⅲ5、2×2MMI耦合器Ⅳ6结构相同，2×2MMI耦合器横截面为条形结构，多模干涉区长为18.5µm，宽为4µm，左侧的输入端两端口与右侧输出端两端口宽度均为0.8µm，两端口间间隔均为0.5µm，在1.55µm的TE模下，能实现最低损耗，示踪元件120中的布拉格波导光栅Ⅰ7、布拉格波导光栅Ⅱ8和传感元件110中无上包层布拉格波导光栅Ⅰ3、无上包层布拉格波导光栅Ⅱ4除了示踪元件120中的布拉格波导光栅Ⅰ7、布拉格波导光栅Ⅱ8有上包层外其他结构均相同，波导光栅长度为200µm，宽度为0.45µm，切趾模型为余弦型，刻蚀区位于条形波导顶部。示踪元件120用于配合测量传感元件110中布拉格波导光栅的反射波长，传输波导102输入的光波通过2×2MMI耦合器Ⅲ5进入布拉格波导光栅Ⅰ7和布拉格波导光栅Ⅱ8，符合其布拉格条件的光波被其反射回2×2MMI耦合器Ⅲ5的多模干涉区，并从该耦合器的输入端下端口输出，通过输出波导103耦合进入探测器130。所述调谐系统9为连接驱动电流的加热器。
所述示踪元件120中的布拉格波导光栅Ⅰ7、布拉格波导光栅Ⅱ8的上包层为SiO2上包层17。
所述探测器130为硅基光电探测器B，长度为5µm；硅基光电探测器B基于硅光子条形波导19，包括P++掺杂区10、P+掺杂区11、本征吸收区12、N++掺杂区13、N+掺杂区14、金属电极15和引线孔，光电探测器中的硅光子条形波导19由SOI晶片埋氧层17上的硅层制备而成，本征吸收区12位于硅光子条形波导19顶部中间，两侧分别与P+掺杂区11和N+掺杂区14相连，P+掺杂区11另一侧与P++掺杂区10相连，N+掺杂区14另一侧与N++掺杂区13相连，其中一个金属电极15一端通过引线孔与P++掺杂区10相连，另一个金属电极15一端通过引线孔与N++掺杂区13相连，两个金属电极15另一端均位于引线孔上端并穿透SiO2上包层16。
所述传感元件110中的2×2MMI耦合器Ⅰ1和示踪元件120中的2×2MMI耦合器Ⅲ5上设有热光效应或电光效应的调谐系统9。为了使偏移的反射波长能成像在2×2MMI耦合器Ⅰ1输入端下端口处，以及为了确保调节后的布拉格波长能成像在2×2MMI耦合器Ⅲ5输入端下端口处，在2×2MMI耦合器Ⅰ1和2×2MMI耦合器Ⅲ5上方增加基于热光效应的调谐系统，调节光场输出位置。在这两处增加调谐系统，能最大程度地保证该系统的可行性。
本基于硅基光电探测器的生化传感系统的工艺处理流程图如图9所示：
使用SOI晶片，如图9-1所示；通过两次曝光、光刻与硅刻蚀可以得到完整的脊型波导结构、条形波导与布拉格波导光栅，如图9-2所示；采用干刻蚀与湿刻蚀相结合的方法，在制备硅基光电探测器的Si波导上刻蚀出宽为0.5µm、长为5µm、高为200nm的槽，用于生长Ge材料如图9-3所示；沉积一层screen SiO2保护层，该保护层用于防止注入的离子对硅波导表面的伤害，通过四次曝光、光刻、掺杂与清洗工艺完成P+/N+/P++/N++掺杂区离子的注入，如图9-4至图9-7所示；之后在1100℃下进行5分钟退火处理。掺杂、退火处理后，利用外延生长技术，在开好的槽中生长略高于槽的Ge材料，如图9-8所示；由于生长的Ge材料不是矩形，将高于条形波导的部分清除，如图9-9所示；在波导上生成1.1µm SiO2上包层，通过两次曝光、光刻和SiO2刻蚀工艺形成相连的两Via，沉积相应厚度W与Cu金属层，如图9-10与图9-11所示；通过曝光、光刻、SiO2刻蚀工艺制备调谐系统后，再用如上工艺生成SiO2包层并通过Via沉积Cu金属层，如图9-12所示；再次通过曝光、光刻和SiO2刻蚀工艺在金属Cu层形成Via，沉积金属Al，如图9-13所示；在示踪元件的两个布拉格波导光栅上方进行干刻蚀，刻蚀停在波导上表面，形成一个窗口，之后用氢氟酸进行湿刻蚀，将波导光栅刻蚀处沉积的SiO2除去，如图9-14所示。
以上结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (9)
1.一种基于硅基光电探测器的生化传感系统，其特征在于：包括光源（100）、从下至上的SOI晶片的衬底（18）、SOI晶片的埋氧层（17）、硅层和SiO2上包层（16），所述硅层包括输入波导（101）、传感元件（110）、传输波导（102）、示踪元件（120）、输出波导（103）以及探测器（130），光源（100）输出端通过输入波导（101）与传感元件（110）输入端相连，传感元件（110）输出端通过传输波导（102）与示踪元件（120）输入端相连，示踪元件（120）输出端通过输出波导（103）与探测器（130）相连，输入波导（101）、传感元件（110）、传输波导（102）、示踪元件（120）、输出波导（103）以及探测器（130）外层设有SiO2上包层（16）。
2.根据权利要求1所述的基于硅基光电探测器的生化传感系统，其特征在于：所述输入波导（101）、传输波导（102）和输出波导（103）其横截面为条形或脊型结构。
3.根据权利要求1所述的基于硅基光电探测器的生化传感系统，其特征在于：所述传感元件（110）包括2×2MMI耦合器Ⅰ（1）、2×2MMI耦合器Ⅱ（2）两个2×2MMI耦合器和无上包层布拉格波导光栅Ⅰ（3）、无上包层布拉格波导光栅Ⅱ（4）两个无上包层布拉格波导光栅，2×2MMI耦合器Ⅰ（1）输出端上端口通过无上包层布拉格波导光栅Ⅰ（3）连接2×2MMI耦合器Ⅱ（2）输入端上端口，2×2MMI耦合器Ⅰ（1）输出端下端口通过无上包层布拉格波导光栅Ⅱ（4）连接2×2MMI耦合器Ⅱ（2）输入端下端口。
4.根据权利要求3所述的基于硅基光电探测器的生化传感系统，其特征在于：所述示踪元件（120）包括2×2MMI耦合器Ⅲ（5）、2×2MMI耦合器Ⅳ（6）两个2×2MMI耦合器，布拉格波导光栅Ⅰ（7）、布拉格波导光栅Ⅱ（8）两个布拉格波导光栅，以及调谐系统（9）；2×2MMI耦合器Ⅲ（5）输出端上端口通过布拉格波导光栅Ⅰ（7）连接2×2MMI耦合器Ⅳ（6）输出端上端口，2×2MMI耦合器Ⅲ（5）输出端下端口通过布拉格波导光栅Ⅱ（8）连接2×2MMI耦合器Ⅳ（6）输出端下端口，布拉格波导光栅Ⅰ（7）、布拉格波导光栅Ⅱ（8）上设有可调节电流或电压的调谐系统（9）；示踪元件（120）中的2×2MMI耦合器Ⅰ（1）、2×2MMI耦合器Ⅱ（2）与传感元件（110）中2×2MMI耦合器Ⅲ（5）、2×2MMI耦合器Ⅳ（6）结构相同，2×2MMI耦合器横截面为条形或脊型，示踪元件（120）中的布拉格波导光栅Ⅰ（7）、布拉格波导光栅Ⅱ（8）和传感元件（110）中无上包层布拉格波导光栅Ⅰ（3）、无上包层布拉格波导光栅Ⅱ（4）除了示踪元件（120）中的布拉格波导光栅Ⅰ（7）、布拉格波导光栅Ⅱ（8）有上包层外其他结构均相同。
5.根据权利要求4所述的基于硅基光电探测器的生化传感系统，其特征在于：所述调谐系统（9）为连接驱动电压或者电流的加热器。
6.根据权利要求4所述的基于硅基光电探测器的生化传感系统，其特征在于：所述示踪元件（120）中的布拉格波导光栅Ⅰ（7）、布拉格波导光栅Ⅱ（8）的上包层为SiO2上包层（16）。
7.根据权利要求1所述的基于硅基光电探测器的生化传感系统，其特征在于：所述探测器（130）为硅基光电探测器A；硅基光电探测器A基于硅光子条形波导（19），包括P++掺杂区（10）、P+掺杂区（11）、本征吸收区（12）、N++掺杂区（13）、金属电极（15）和引线孔，硅基光电探测器A中的硅光子条形波导（19）由SOI晶片埋氧层（17）上的硅层制备而成，P+掺杂区（11）位于硅光子条形波导（19）顶部中间，两侧均为P++掺杂区（10）且相连，本征吸收区（12）位于P+掺杂区（11）正上方，其顶部中间为N++掺杂区（13），一个金属电极（15）一端通过引线孔与P++掺杂区（10）相连，另外两个金属电极（15）一端分别通过引线孔与N++掺杂区（13）相连，三个金属电极（15）另一端均位于引线孔上端并穿透SiO2上包层（16）。
8.根据权利要求1所述的基于硅基光电探测器的生化传感系统，其特征在于：所述探测器（130）为硅基光电探测器B；硅基光电探测器B基于硅光子条形波导（19），包括P++掺杂区（10）、P+掺杂区（11）、本征吸收区（12）、N++掺杂区（13）、N+掺杂区（14）、金属电极（15）和引线孔，光电探测器中的硅光子条形波导（19）由SOI晶片埋氧层（17）上的硅层制备而成，本征吸收区（12）位于硅光子条形波导（19）顶部中间，两侧分别与P+掺杂区（11）和N+掺杂区（14）相连，P+掺杂区（11）另一侧与P++掺杂区（10）相连，N+掺杂区（14）另一侧与N++掺杂区（13）相连，其中一个金属电极（15）一端通过引线孔与P++掺杂区（10）相连，另一个金属电极（15）一端通过引线孔与N++掺杂区（13）相连，两个金属电极（15）另一端均位于引线孔上端并穿透SiO2上包层（16）。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的基于硅基光电探测器的生化传感系统，其特征在于：所述传感元件（110）中的2×2MMI耦合器Ⅰ（1）和示踪元件（120）中的2×2MMI耦合器Ⅲ（5）上设有调谐系统（9）。
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| CN201821727962.7U CN209296572U (zh) | 2018-10-24 | 2018-10-24 | 一种基于硅基光电探测器的生化传感系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109596570A (zh) * | 2018-10-24 | 2019-04-09 | 昆明理工大学 | 一种基于硅基光电探测器的生化传感系统 |
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2018
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