CN211428186U - 一种基于全介质超透镜的高速高效光电探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于全介质超透镜的高速高效光电探测器，涉及光电探测器技术领域。本实用新型的基于全介质超透镜的高速高效光电探测器，包括探测器和形成于所述探测器的上方的超表面透镜；所述探测器包括自下而上依次设置的p型层、本征层和n型层；所述超表面透镜为具有梯度相位分布的超表面结构，所述超表面透镜具有消色差的特性，所述超表面透镜构造为将垂直入射光聚焦到所述本征层。相对于现有技术，本实用新型协调了光电探测器的响应度和带宽之间的矛盾，具有高速高效的优点，同时解决了波长敏感性的问题；而且，本实用新型的光电探测器的超表面透镜是在全介质材料上实现的，具有损耗小、效率高的优点。

Description

一种基于全介质超透镜的高速高效光电探测器

技术领域

本实用新型涉及光电探测器技术领域，尤其涉及一种基于全介质超透镜的高速高效光电探测器。

背景技术

在高度信息化的时代，信息量十分庞大，信息传输和处理的速度十分迅速，同时利用光子和电子作为能量和信息的载体，可以实现高速、大容量、低串扰和低热耗散的信息传输，这促使了光电集成技术的发展。光电探测器是光电集成电路中不可或缺的器件之一，它可以利用半导体的光电效应将光信号转换为电信号，建立了光信号与电信号之间的联系，在军事、生活、科研等方面都起着至关重要的作用，因此对光电探测器的研究越来越受到人们的重视。

响应度和带宽是衡量光电探测器性能好坏的两个非常重要的物理量。对于垂直入射pin型光电探测器，本征层的厚度直接影响了载流子的渡越时间。本征层越厚，载流子的渡越时间越长，从而限制了光电探测器的响应速度。从响应速度的角度考虑，为了获得高速光电探测器，本征层应尽可能薄一些。但是，另一方面，pin型光电探测器的本征层越厚，吸收的光子越多，光电探测器的量子效率或响应度越高。从响应度的角度来讲，pin型光电探测器的本征层应尽可能厚一些。所以，响应速度(或带宽)和响应度是光电探测器中两个相互制约的物理量。为了协调光电探测器的带宽和响应度之间的矛盾，大量的共振腔增强型光电探测器被相继提出。然而，共振腔增强型光电探测器与生俱来的一个缺点就是具有极强的波长敏感性，这极大地限制了其应用。

有鉴于此，提供一种新的光电探测器，以协调响应度和带宽之间的矛盾，同时解决波长敏感性的问题，将具有巨大的实际应用价值。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于全介质超透镜的高速高效光电探测器，用以克服背景技术中的光电探测器存在的上述技术问题。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型提供一种基于全介质超透镜的高速高效光电探测器，包括探测器和形成于所述探测器的上方的超表面透镜；

所述探测器包括自下而上依次设置的p型层、本征层和n型层；

所述超表面透镜为具有梯度相位分布的超表面结构，所述超表面透镜构造为将垂直入射光聚焦到所述本征层。

进一步地，所述超表面透镜由非周期性的矩形介质共振腔阵列组成。

进一步地，所述超表面透镜的相位分布与波长的关系满足如下公式：

式中，

表示相位，λ表示入射光的波长，x表示相对所述元胞几何中心的位置坐标，f表示所述超表面透镜的焦距。

进一步地，所述超表面透镜具有消色差的特性。

进一步地，所述超表面透镜采用介质材料制成。

进一步地，所述超表面透镜通过刻蚀方式形成。

进一步地，所述探测器是由元素周期表中的III-V族化合物或IV族元素构成的光电二极管。

进一步地，所述探测器为硅光电探测器或锗光电探测器。

进一步地，所述探测器还包括电极，所述电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极形成于所述p型层上，所述第二电极形成于所述n型层上。

实施本实用新型，具有如下有益效果：

本实用新型的基于全介质超透镜的高速高效光电探测器，通过在光电探测器中设置超透镜结构，可以将垂直入射光聚焦到本征层中，从而提高了光电探测器的量子效率；通过调节超透镜的结构参数，可以减小超透镜的焦距，从而可以获得较薄的本征层，提高了光电探测器的响应速度。而且，超透镜结构具有消色差的特性，解决了光电探测器波长敏感性的问题。相对于现有技术，本实用新型协调了光电探测器的响应度和带宽之间的矛盾，具有高速高效的优点，同时解决了波长敏感性的问题。另外，本实用新型的光电探测器中的超表面透镜是在全介质材料上实现的，全介质超表面透镜可以克服表面等离子体超表面透镜损耗大、效率低的问题，具有损耗小、效率高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本实用新型实施例的超透镜的单元结构示意图；

图2是本实用新型实施例中的w1、g取不同值时，在0～2π的相位调制范围内w2的取值情况图；

图3是本实用新型实施例的光电探测器的结构示意图；

图4是本实用新型实施例的另一光电探测器的结构示意图；

其中，附图标记对应为：1-基底、2-p+-Si层、2’-p+-Ge层、3-本征层、4-n+-Si层、4’-n+-Ge层、5-超表面透镜、6-第一电极、7-第二电极。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

实施例

本实施例提供了一种基于全介质超透镜的高速高效光电探测器，包括探测器和形成于探测器的上方的超表面透镜5；探测器为pin型探测器，探测器包括自下而上依次设置的p型层、本征层3和n型层；超表面透镜5为具有梯度相位分布的超表面结构，超表面透镜5构造为将垂直入射光聚焦到本征层3。

本实施例中，通过在探测器上设置超表面透镜5，可以实现垂直入射光在本征层3的聚焦，提高了光电转换效率，从而可以提高光电探测器的量子效率或响应度。

本实施例中，超表面透镜5由非周期性的矩形介质共振腔阵列组成。

在一个具体的实施方式中，参阅图1，超表面透镜5由非周期性的矩形介质共振腔阵列组成，其中每个元胞包括2个矩形柱结构，分别为第一矩形柱和第二矩形柱。

在一个具体的实施方式中，考虑到0～2π的相位调制，矩形柱结构的高度与元胞的宽度满足：t＝s，其中，t表示矩形柱结构的高度，s表示元胞的宽度，元胞的宽度在百纳米量级。

需要说明的是，在其他的一些实施方式中，元胞的宽度可以是其他大小，矩形柱结构的高度与元胞宽度的关系也可以根据实际需要进行调节，只要能够实现相同的功能即可。

进一步地，超表面透镜5的相位分布与波长的关系满足如下公式：

式中，

表示相位，λ表示入射光的波长，x表示相对元胞几何中心的位置坐标，f表示超表面透镜的焦距。

在一个具体的实施方式中，第一矩形柱和第二矩形柱在宽度和间距上满足：w1、w2、g≥0，w1+w2+g≤s，其中w1表示第一矩形柱的宽度、w2表示第二矩形柱的宽度、g表示第一矩形柱与第二矩形柱的间距。

在一个具体的实施方式中，相对元胞几何中心的位置坐标x可分别用p、p1、p2标记，继续参阅图1，分别定义p、p1、p2为：

p＝w1+w2+g；

p1＝-p/2；

p2＝p1+w1+g；

当t＝s＝550nm时，在w1和g取不同值的情况下，仿真计算得出的可以实现0～2π范围内相位调制的第二矩形柱宽度w2的取值如图2所示，其中，横坐标phase代表相位。根据超表面透镜5的相位分布公式，对应于一定的焦距f，在第n(n＝0,1,2,……)个元胞的位置x(x＝±ns)处总能找出一组[w1,w2,g]的取值使得该处的实际相位满足相位分布公式。矩形介质共振腔的作用就在于可以通过调节[w1,w2,g]的取值使得超表面透镜5具有消色差的特性，以解决光电探测器波长敏感性的问题。元胞个数越多，聚焦效果越好，实际所采用的元胞个数可以根据实际需要而定。

本实施例中，通过调节超表面透镜的结构参数，可以减小超表面透镜的焦距，从而可以有效地减小本征层3的厚度，获得较薄的本征层，有利于提高光电探测器的响应速度或带宽。

需要说明的是，超表面透镜5的结构不唯一，任何具有聚焦特性的超表面结构都属于本实用新型的超表面透镜。在其他的一些实施方式中，根据上述公式，可以根据需要对s、t等参数进行调节，通过仿真计算得到其他数量的元胞及其他的结构参数，对超表面透镜的结构参数进行的调节也在本实用新型的保护范围内。

本实施例的光电探测器，通过在光电探测器中引入超透镜结构，可以实现入射光在本征层的聚焦，从而可以极大地提高光电探测器的量子效率。另一方面，通过调节超透镜的结构参数可以改变超透镜的焦距，以获得较薄的本征层，从而可以提高光电探测器的响应速度，具有高速高效的优点。

在一个具体的实施方式中，超表面透镜5具有消色差的特性。

在一个具体的实施方式中，超表面透镜5采用介质材料制成，克服了表面等离子体超透镜损耗大、效率低的问题，具有损耗小，效率高等优点。

本实施例中，由于超表面透镜具有消色差的特性，从而可以解决光电探测器波长敏感性的问题，另外，由于超表面透镜是在全介质材料上实现的，克服了表面等离子体超透镜结构损耗大、效率低的问题，具有损耗小，效率高等优点。

作为一种具体的实施方式，探测器还包括基底1，p型层、本征层3和n型层依次设于基底1上。

作为一种具体的实施方式，探测器还包括电极，电极包括第一电极6和第二电极7，第一电极6形成于p型层上，第二电极7形成于n型层上，第一电极6和第二电极7均为金属电极。

作为一种可选的实施方式，参阅图3，探测器为硅光电探测器，硅光电探测器包括基底1、p+-Si层2、i-Si层和n+-Si层4，i-Si层作为本征层3，其中超表面透镜5形成于n+-Si层4的上方，p+-Si层2接第一电极6，n+-Si层4接第二电极7。硅光电探测器的制备方法包括以下步骤：

S1、清洗和准备晶圆，包括基底1、p+-Si层2、i-Si层和n+-Si层4；

S2、在步骤S1所准备晶圆的n+-Si层4上外延生长一层硅层；

S3、在步骤S2外延生长的硅层上旋涂一层光刻胶，并进行曝光显影；

S4、刻蚀形成相应的超表面透镜结构；

S5、分两步进行光刻胶涂层、曝光显影和刻蚀，第一步刻蚀到p+-Si层2，第二步刻蚀到基底层1；

S6、在p+-Si层2和n+-Si层4上分别沉积金属电极，分别为第一电极6和第二电极7。

作为一种可选的实施方式，参阅图4，探测器为锗光电探测器，锗光电探测器包括基底1、p+-Si层2、p+-Ge层2’、i-Ge层、n+-Ge层4’和n+-Si层4，i-Ge层作为本征层3，其中超表面透镜5形成于n+-Si层4的上方，p+-Si层2接第一电极6，n+-Si层4接第二电极7。锗光电探测器的制备方法包括以下步骤：

S1、清洗和准备晶圆，包括基底1、p+-Si层2、p+-Ge层2’、i-Ge层、n+-Ge层4’、和n+-Si层4；

S2、在步骤S1所准备晶圆的n+-Si层4上外延生长一层硅层；

S3、在步骤S2外延生长的硅层上旋涂一层光刻胶，并进行曝光显影；

S4、刻蚀形成相应的超表面透镜结构；

S5、分两步进行光刻胶涂层、曝光显影和刻蚀，第一步刻蚀到p+-Si层2，第二步刻蚀到基底层1；

S6、在p+-Si层2和n+-Si层4上分别沉积金属电极，分别为第一电极6和第二电极7。

在其他的实施方式中，锗光电探测器还可以不包括p+-Ge层2’，本实用新型对此不作限定。

在其他的实施方式中，探测器还可以是由元素周期表中的III-V族化合物或IV族元素构成的光电二极管，其上设置超表面透镜，将垂直入射光聚焦到本征层，从而提高光电探测器的量子效率和响应速度。

本实施例的光电探测器，通过在光电探测器中引入超透镜结构，可以实现入射光在本征层的聚焦，从而可以极大地提高光电探测器的量子效率。另一方面，通过调节超透镜的结构参数可以改变超透镜的焦距，以获得较薄的本征层，从而可以提高光电探测器的响应速度。而且，由于在光电探测器中所引入的超透镜结构具有消色差的特性，所以超透镜光电探测器可以克服波长敏感性的问题。最后，本实施例的光电探测器中的超透镜结构是在全介质材料上实现的，全介质超透镜可以克服表面等离子体超透镜损耗大、效率低的问题，具有损耗小，效率高等优点。

本实用新型的上述实施例，具有如下有益效果：本实用新型的基于全介质超透镜的高速高效光电探测器，通过在光电探测器中设置超透镜结构，可以将垂直入射光聚焦到本征层中，从而提高了光电探测器的量子效率；通过调节超透镜的结构参数，可以减小超透镜的焦距，从而可以获得较薄的本征层，提高了光电探测器的响应速度。而且，超透镜结构具有消色差的特性，解决了光电探测器波长敏感性的问题。相对于现有技术，本实用新型协调了光电探测器的响应度和带宽之间的矛盾，具有高速高效的优点，同时解决了波长敏感性的问题。另外，本实用新型的光电探测器中的超表面透镜是在全介质材料上实现的，全介质超表面透镜可以克服表面等离子体超表面透镜损耗大、效率低的问题，具有损耗小、效率高的优点。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于全介质超透镜的高速高效光电探测器，其特征在于，包括探测器和形成于所述探测器的上方的超表面透镜(5)；

所述探测器包括自下而上依次设置的p型层、本征层(3)和n型层；

所述超表面透镜(5)为具有梯度相位分布的超表面结构，所述超表面透镜(5)构造为将垂直入射光聚焦到所述本征层(3)。

2.根据权利要求1所述的基于全介质超透镜的高速高效光电探测器，其特征在于，所述超表面透镜(5)由非周期性的矩形介质共振腔阵列组成。

3.根据权利要求2所述的基于全介质超透镜的高速高效光电探测器，其特征在于，所述超表面透镜(5)的相位分布与波长的关系满足如下公式：

式中，φ表示相位，λ表示入射光的波长，x表示相对所述矩形介质共振腔阵列的元胞几何中心的位置坐标，f表示所述超表面透镜的焦距。

4.根据权利要求3所述的基于全介质超透镜的高速高效光电探测器，其特征在于，所述超表面透镜(5)具有消色差的特性。

5.根据权利要求1所述的基于全介质超透镜的高速高效光电探测器，其特征在于，所述超表面透镜(5)采用介质材料制成。

6.根据权利要求1所述的基于全介质超透镜的高速高效光电探测器，其特征在于，所述超表面透镜(5)通过刻蚀方式形成。

7.根据权利要求1所述的基于全介质超透镜的高速高效光电探测器，其特征在于，所述探测器是由元素周期表中的III-V族化合物或IV族元素构成的光电二极管。

8.根据权利要求1所述的基于全介质超透镜的高速高效光电探测器，其特征在于，所述探测器为硅光电探测器或锗光电探测器。

9.根据权利要求1所述的基于全介质超透镜的高速高效光电探测器，其特征在于，所述探测器还包括电极，所述电极包括第一电极(6)和第二电极(7)，所述第一电极(6)形成于所述p型层上，所述第二电极(7)形成于所述n型层上。

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