CN209675303U - 一种具有反射镜结构的正面入射式雪崩二极管 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有反射镜结构的正面入射式雪崩二极管，涉及光学元件制作领域，该装置包括管体、菲涅尔透镜和金属反射层，所述管体包括衬底层，所述衬底层上从下至上依次设有缓冲层、吸收层、过渡层、电荷层和无掺杂倍增层，所述无掺杂倍增层上设有光接收口；所述菲涅尔透镜贴设于所述衬底层的底部，所述菲涅尔透镜用于接收光信号并将所述光信号汇聚至所述光接收口上，所述金属反射层贴设于所述菲涅尔透镜远离所述衬底层的一面上，所述衬底层与菲涅尔透镜不接触的区域也设有所述金属反射层。本实用新型提供的一种具有反射镜结构的正面入射式雪崩二极管，能在光采用正面入射的方式时保证光接收面积，提高对光的利用率。

Description

一种具有反射镜结构的正面入射式雪崩二极管

技术领域

本实用新型涉及光学元件制作领域，具体涉及一种具有反射镜结构的正面入射式雪崩二极管。

背景技术

在光纤通信系统中，普遍采用雪崩二极管(Avalanche Photo Diode，APD)为光接收模块的光探测器，作用是探测经过传输过程中的微弱的光信号。其作用原理是：光子在吸收层被吸收产生电子-空穴对，当外加很强的反向偏压时，耗尽层内的场强达到某一值，空穴通过渐变层和电荷层进入倍增层并在倍增层内强场作用下加速而获得足够的能量，随之与晶格碰撞，电离产生电子-空穴对，产生的电子-空穴被称为二次电子-空穴对。二次电子-空穴对同样可以在强场强获得足够的能量的情况下可以引起新的碰撞电离，此过程不断重复，造成载流子的倍增，这被称为雪崩效应。光电流在APD内部得到几十、甚至成千上百倍放大，因此，APD是一种有雪崩效应的将光信号转变为电信号的高灵敏度探测器。

在正面入射的APD管中，光注入APD芯片时，从光纤出来的光通过APD正面的光接受口进入到芯片内部的吸收层，光正面入射时，为了减少结电容及提高工作速率，光电探测器的光接受口的直径不能做的太大，光接收口较小，增加了光纤耦合难度，同时也降低了芯片与光纤的耦合效率，这种结构的APD对光的利用效率较低，不便于光纤的耦合。

目前商用上的正面入射APD芯片普遍采用将光从正面入射到光接收口内的方式，但光接收口的直径较小，光接收口的面积仅占光入射面积的0.78％，光利用率很低，影响其使用的效果和性能，无法满足目前的而需求。

实用新型内容

针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种具有反射镜结构的正面入射式雪崩二极管，能在光采用正面入射的方式时保证光接收面积，提高对光的利用率。

为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是：

管体，所述管体包括衬底层，所述衬底层上从下至上依次设有缓冲层、吸收层、过渡层、电荷层和无掺杂倍增层，所述无掺杂倍增层上设有光接收口；

菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜贴设于所述衬底层的底部，所述菲涅尔透镜用于接收光信号并将所述光信号汇聚至所述光接收口上；

金属反射层，所述金属反射层覆盖于所述菲涅尔透镜远离所述衬底层的一面上，且所述金属反射层至少部分延伸至所述衬底层上。

在上述技术方案的基础上，所述金属反射层为金属银材料。

在上述技术方案的基础上，所述菲涅尔透镜的中心与所述衬底层的中心对齐设置。

在上述技术方案的基础上，所述菲涅尔透镜与衬底层相互接触的两个面的面积比值为0.7。

在上述技术方案的基础上，所述菲涅尔透镜为磷化铟InP材料。

在上述技术方案的基础上，所述光接收口的两侧设有P极和N极，所述P极和N极上均镀有金属电极。

在上述技术方案的基础上，所述光接收口的下方设有锌扩散层。

在上述技术方案的基础上，所述锌扩散层的扩散浓度为2×10¹⁸～5×10¹⁸cm^-3，所述锌扩散层的扩散深度为2～3μm。

在上述技术方案的基础上，所述衬底层为n型衬底。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型提供的一种具有反射镜结构的正面入射式雪崩二极管，相比于传统的凸透镜，菲涅尔透镜的结构具有更加轻薄、紧凑的特点，在芯片本身厚度一定的条件下，其收光面积比有限，而菲涅尔透镜厚度薄，收光面积比不受厚度影响，且在菲涅尔透镜和部分衬底层的表面贴设有一层金属反射层，当光从正面入射至芯片时，菲涅尔透镜及金属反射层结构利用金属反射层的反射及菲涅尔透镜对光的汇聚可以将正面入射的光汇聚到光接受口，相比于传统直径较小的光接受口，采用菲涅尔透镜及金属反射层结构的芯片可较明显的增加收光面积，光接受口不仅直接接收从正面入射的光，还接收经金属反射层反射并通过菲涅尔透镜汇聚到光接受口的光，增加了对光的利用效率，能在光正面入射时保证光接收面积，可有效提高光效率，降低耦合难度，提高光纤的耦合效率。

附图说明

图1为本实用新型实施例中的具有反射镜结构的正面入射式雪崩二极管的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中的具有反射镜结构的正面入射式雪崩二极管的底部示意图。

图中：1-管体，10-衬底层，11-缓冲层，12-吸收层，13-过渡层，14-电荷层，15-无掺杂倍增层，16-光接收口，2-菲涅尔透镜，3-金属反射层，4-锌扩散层。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例作进一步详细说明。

参见图1-图2所示，本实用新型实施例提供一种具有反射镜结构的正面入射式雪崩二极管，包括管体1、菲涅尔透镜2和金属反射层3，其中，管体1包括设于底部的衬底层10，衬底层10上从下至上依次设有缓冲层11、吸收层12、过渡层13、电荷层14和无掺杂倍增层15，无掺杂倍增层15上设有光接收口16，光接收口16主要用于接收光信号。具体的，这里衬底层10为磷化铟(Indium phosphide，InP)衬底层，缓冲层11为InP缓冲层，吸收层12为铟砷化镓InGaAs吸收层，过渡层13为InGaAsP过渡层，电荷层14为InP电荷层，无掺杂倍增层15为InP无掺杂倍增层。

菲涅尔透镜2贴设于衬底层10的底部，菲涅尔透镜2用于接收光信号并将光信号汇聚至光接收口16上，金属反射层3覆盖于菲涅尔透镜2远离衬底层10的一面上，且金属反射层3至少部分延伸至衬底层10上。当光从正面入射至APD芯片时，此结构利用金属反射层3的反射及菲涅尔透镜2对光的汇聚可以将正面入射至金属反射面3上的光信号大部分汇聚到光接收口16上。具体的，在光正面入射时，入射至金属反射层3上的光一部分经过反射并通过菲涅尔透镜2后聚集至光接受口16处，一部分直接反射至光接受口16处，相比于传统直径较小的光接受口，光接收口16不仅直接接收从正面入射的光，还接收经金属反射层3反射并通过菲涅尔透镜2汇聚到光接收口16的光，采用菲涅尔透镜2及金属反射层结构的芯片可较明显的增加收光面积，从而增加对光的利用效率，能在光正面入射时保证光接收面积，可有效提高光效率，降低耦合难度，提高光纤的耦合效率。

进一步的，金属反射层3延伸至衬底层10上，并将衬底层10与菲涅尔透镜2不接触的区域均覆盖上金属反射层3，保证尽可能多的光线投射至金属反射层3后并被其反射。

菲涅尔透镜2(Fresnel lens)又叫螺纹透镜，镜片表面的一面为平面，另一面刻录了直径依次由小到大变化的同心圆，其同心圆的曲率与普通透镜的曲率一致，因而与透镜一样具有对光进行汇集的作用。菲涅尔透镜2的结构相比于一般的凸透镜更加轻薄、紧凑，将菲涅尔透镜2集成在APD芯片背面，在相同厚度的情况下，由于菲涅尔透镜2的收光面积比不受厚度的影响，因此，在同样厚度要求的芯片上，菲涅尔透镜2具有更大的收光面积，能对光起到更好汇聚的作用，耦合难度降低，光纤的耦合效率高，利用菲涅尔透镜2对光的汇聚大幅度提高芯片与光纤的耦合效率。

InP材料对波长为1550nm左右波段的光的折射率为3.167，无透镜时，光接收口16的收光面积占光入射面积比仅为0.78％；添加凸透镜时，为了控制APD芯片的整体厚度小于100um，并保证光汇聚在光接收口16上，凸透镜不能做大，凸透镜的收光面积占光入射的面积比仅为20％左右；设置菲涅尔透镜2时，由于其不受厚度的影响，因此其光接收面积大幅提高，收光面积占光入射的面积比可达到50％以上，明显的增加收光面积，从而增加对光的利用效率，能在减小芯片厚度的同时保证光接收面积。

磷化铟InP材料对波长为1550nm左右的光是透明的，因此主要是汇聚波长为1550nm左右的光信号。InGaAs现主要应用于电子半导体领域，电子在InGaAs中的传输速度是硅的数倍，采用其制作的晶体管传输电流的速度是最先进的硅晶体管的2.5倍，InGaAsP过渡层13的作用主要是减少InGaAs吸收层12与InP电荷层14界面处价带不连续性，减少空穴被俘获的可能，有助于空穴向倍增层注入。

参见图1-图2所示，进一步的，菲涅尔透镜2的中心与衬底层10的中心对齐设置，菲涅尔透镜2与衬底层10相互接触的两个面的面积比值为0.7。

参见图1所示，光接收口16的两侧设有P极和N极，P极和N极上均镀有金属电极，以形成P型欧姆接触电极和N型欧姆接触电极。电极的作用主要是提供反向偏压，当光在InGaAs吸收层12分解出空穴电子后，空穴电子受反向偏压的作用就会朝两端运动。

参见图1所示，光接收口16的下方设有锌扩散层4，锌扩散层4的扩散浓度为2×10¹⁸～5×10¹⁸cm^-3，锌扩散层4的扩散深度为2～3μm。

进一步的，衬底层10为n型衬底，金属反射层3采用金属银材料制成。

进一步的，菲涅尔透镜2为磷化铟InP材料，其主要采用纳米压印和刻蚀技术制得，其制作步骤依次包括外延生长、锌扩散工艺、制作电极、制作背面透镜和制作反射层。具体的，通过金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD设备，依次在InP材料的衬底层10上生长InP缓冲层11、InGaAs吸收层12、InGaAsP过渡层13、InP电荷层14和InP无掺杂倍增层15；随后，通过MOCVD设备，有选择性地在APD光接收口16上进行一定浓度和深度的锌扩散，其中扩散浓度为2×10¹⁸～5×10¹⁸cm^-3，扩散深度为2～3μm；然后通过光刻和蒸镀工艺，分别在P极和N极上镀上金属电极形成P型欧姆接触电极和N型欧姆接触电极；最后制作背面透镜，并在背面透镜远离衬底层10的一面上制作金属反射层3，利用真空蒸发镀膜设备，在菲涅尔透镜2表面和部分衬底层10的表面镀上一层薄薄的金属银层，使正面入射的光射到金属反射层3时被反射，再通过菲涅尔透镜2将经过其的光汇聚到光接收口16上。

具体的，制作背面透镜具体包括制作压印母版、涂胶、模压、脱模和刻蚀，具体的，首先利用电子束光刻技术，在蓝宝石片上制作设计尺寸大小的菲涅尔透镜图形，并通过干法刻蚀工艺，将菲涅尔图形转移到蓝宝石片上形成压印母版；随后在InP衬底层10底部利用旋转涂布的方式，涂布一层厚度为10-30um的光刻胶，如AZ4620；然后将制作好的压印母版通过双面对准技术，均匀压印在InP衬底层10的光刻胶上；由于蓝宝石为透明材质，利用紫外光对蓝宝石表面进行曝光使InP衬底层10表面的光刻胶固化，然后进行脱模，使蓝宝石母版脱离光刻胶，从而在InP衬底层10上形成了菲尼尔透镜结构的光刻胶图形；最后使用BCl₃和Cl₂作为工艺气体对光刻胶进行刻蚀，调整刻蚀选择比为1:1，将光刻胶图形转移至APD晶片背面，形成压印母版上的菲涅尔图形结构，即在InP衬底层10底部制成了菲涅尔透镜2。

本实用新型不仅局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本实用新型相同或相近似的技术方案，均在其保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有反射镜结构的正面入射式雪崩二极管，其特征在于，其包括：

管体(1)，所述管体(1)包括衬底层(10)，所述衬底层(10)上从下至上依次设有缓冲层(11)、吸收层(12)、过渡层(13)、电荷层(14)和无掺杂倍增层(15)，所述无掺杂倍增层(15)上设有光接收口(16)；

菲涅尔透镜(2)，所述菲涅尔透镜(2)贴设于所述衬底层(10)的底部，所述菲涅尔透镜(2)用于接收光信号并将所述光信号汇聚至所述光接收口(16)上；

金属反射层(3)，所述金属反射层(3)覆盖于所述菲涅尔透镜(2)远离所述衬底层(10)的一面上，且所述金属反射层(3)至少部分延伸至所述衬底层(10)上。

2.如权利要求1所述的一种具有反射镜结构的正面入射式雪崩二极管，其特征在于：所述金属反射层(3)为金属银材料。

3.如权利要求1所述的一种具有反射镜结构的正面入射式雪崩二极管，其特征在于：所述菲涅尔透镜(2)的中心与所述衬底层(10)的中心对齐设置。

4.如权利要求3所述的一种具有反射镜结构的正面入射式雪崩二极管，其特征在于：所述菲涅尔透镜(2)与衬底层(10)相互接触的两个面的面积比值为0.7。

5.如权利要求1所述的一种具有反射镜结构的正面入射式雪崩二极管，其特征在于：所述菲涅尔透镜(2)为磷化铟InP材料。

6.如权利要求1所述的一种具有反射镜结构的正面入射式雪崩二极管，其特征在于：所述光接收口(16)的两侧设有P极和N极，所述P极和N极上均镀有金属电极。

7.如权利要求1所述的一种具有反射镜结构的正面入射式雪崩二极管，其特征在于：所述光接收口(16)的下方设有锌扩散层(4)。

8.如权利要求7所述的一种具有反射镜结构的正面入射式雪崩二极管，其特征在于：所述锌扩散层(4)的扩散浓度为2×10¹⁸～5×10¹⁸cm^-3，所述锌扩散层(4)的扩散深度为2～3μm。

9.如权利要求1所述的一种具有反射镜结构的正面入射式雪崩二极管，其特征在于：所述衬底层(10)为n型衬底。