TW202337045A - 光電探測器結構及光電積體晶片 - Google Patents

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Abstract

本發明公開了一種光電探測器結構及光電積體晶片，其旨在通過在波導層的矽基部分內設置第一摻雜體和第二摻雜體以實現光電轉換。第一摻雜體包括多個第一指狀電極，第二摻雜體包括多個第二指狀電極，並且該些第一指狀電極和該些第二指狀電極以梳齒狀互插的形式間隔布置，以構成波導區域，鍺層位於波導區域之上並且與該些第一指狀電極以及與該些第二指狀電極接觸，以有效提取出流入鍺層內部的光電流，從而使得光電探測器結構具有較高的靈敏度和響應度。

Description

光電探測器結構及光電積體晶片
本發明係主張中國專利申請案第202210230747.0號（申請日：2022年03月10日）之優先權，該申請案之完整內容納入為本發明專利說明書的一部分以供參照。
本發明涉及光通訊技術領域，特別涉及一種光電探測器結構及光電積體晶片。
高性能的光電探測器（Photoelectric Detector，PD）是高速光通訊的核心裝置之一，波導式光接收裝置對於高度積體化有很大的優勢，尤其是監控用光電探測器（Monitor PD，MPD）在發射端（TX）的使用，並將監控到的光訊號轉換成電訊號回饋至光晶片（光子積體電路，PIC）中。故其裝置本身的響應度和暗電流都必須有良好的表現，以便於能夠測到相對低的光強度（μW）。加上長時間使用，其可靠性問題給MPD帶來了更大的挑戰，譬如製程的穩定性和裝置的再現性等。
因此，對於矽上鍺的光電探測器，亟需提出改進。
本發明的目的在於，本發明實施例提供一種光電探測器結構及光電積體晶片，能夠具有較高的靈敏度和響應度。
根據本發明的一方面，本發明一實施例提供了一種光電探測器結構，包括基板、設於基板上的波導層以及設於波導層上的鍺層。波導層包括矽基部分以及設置在矽基部分內的第一摻雜體和第二摻雜體，第一摻雜體和第二摻雜體的摻雜類型不同，第一摻雜體包括第一主電極以及與第一主電極電連接的多個第一指狀電極，第二摻雜體包括第二主電極以及與第二主電極電連接的多個第二指狀電極，第一主電極和第二主電極相對設置，並且該些第一指狀電極和該些第二指狀電極以梳齒狀互插的形式間隔布置，以構成波導區域。鍺層位於波導區域之上並且與該些第一指狀電極以及與該些第二指狀電極接觸。
進一步地，鍺層的一側邊緣設置有光接收部，光接收部用於與外部的光導體進行光耦合對位以接收光波。
進一步地，鍺層的主延伸方向與波導區域上光波的傳導方向相同。
進一步地，在垂直於波導層的方向上，鍺層的投影至少部分覆蓋波導區域。
進一步地，在垂直於波導層的方向上，鍺層的投影與第一主電極以及與第二主電極的投影均不交疊。
進一步地，波導層凸設於鍺層的一部分作為光接收部，光接收部與第一摻雜體和第二摻雜體位於同一膜層。
進一步地，光接收部還包括光模轉換器，以用於光訊號的導入。
進一步地，光電探測器結構還包括第一金屬接觸，第一金屬接觸與第一主電極電連接，以及第二金屬接觸，第二金屬接觸與第二主電極電連接，第一金屬接觸以及第二金屬接觸用於導出鍺層產生的光電流。
進一步地，光電探測器結構還包括鈍化層，鈍化層覆蓋在鍺層以及波導層之上。
根據本發明的另一方面，本發明一實施例提供了一種採用如本發明任意一實施例所述的光電積體晶片。
本發明實施例提供了光電探測器結構及光電積體晶片，旨在通過在波導層的矽基部分內設置第一摻雜體和第二摻雜體以實現光電轉換。第一摻雜體包括多個第一指狀電極，第二摻雜體包括多個第二指狀電極，並且該些第一指狀電極和該些第二指狀電極以梳齒狀互插的形式間隔布置，以構成波導區域，鍺層位於波導區域之上並且與該些第一指狀電極以及與該些第二指狀電極接觸，以實現有效提取出流入鍺層內部的光電流，從而使得光電探測器結構具有較高的靈敏度和響應度。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所提供的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所提供的內容並非用以限制本發明的保護範圍。
文中的術語“第一”、“第二”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個所述特徵。在本發明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接或可以相互通訊；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域具有通常知識者而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
下文的公開提供了許多不同的實施方式或例子用來實現本發明的不同結構。為了簡化本發明的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。當然，它們僅僅為示例，並且目的不在於限制本發明。此外，本發明可以在不同例子中重複參考數字和/或參考字母，這種重複是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施方式和/或設置之間的關係。
圖1為現有技術所提供的一種光電探測器結構的平面結構示意圖。圖2為圖1沿A- A’方向的截面結構示意圖。
參閱圖1至圖2，現有技術中提供的光電探測器結構1000’，其包括波導層200’，以及位於波導層200’兩側的P型摻雜體和N型摻雜體，鍺層400’位於P型摻雜體、N型摻雜體以及波導層200’的一側表面之上，並且在垂直於波導層200’所在的平面方向上，鍺層400’的投影與P型摻雜體的投影以及N型摻雜體的投影部分交疊。
現有技術中的光電探測器（PD）中，由於P型摻雜體和N型摻雜體之間形成的側向電場用於提取鍺層400’內部的光電流，所以必須嚴格控制P型摻雜體和N型摻雜體的摻雜濃度以及控制鍺層400’與P型摻雜體、N型摻雜體之間的交疊面積，以確保P型摻雜體與N型摻雜體之間形成的強電場效應能夠盡可能多的用於提取鍺層400’內部的光電流，以提高光電探測器結構1000’的輸出效率。因此，在此情形下，鍺層400’的寬度需要被嚴格控制在數百納米以上。
圖3為本發明一實施例所提供的一種光電探測器結構的平面結構示意圖。圖4為圖3沿B-B’方向的截面結構示意圖。圖5為圖3中的鍺層的結構示意圖。圖6為本發明又一實施例所提供的一種光電探測器結構的平面結構示意圖。
參閱圖3至圖6，本發明一實施例提供了一種光電探測器結構1000，其包括波導層200，其中，待探測的光訊號在給定方向（例如X方向）上傳輸，並被限制在其中；所述波導層200包括矽基部分201以及設置在矽基部分201內的第一摻雜體210和第二摻雜體220，第一摻雜體210和第二摻雜體220的摻雜類型不同。第一摻雜體210包括第一主電極211以及與第一主電極211電連接的多個第一指狀電極212。第二摻雜體220包括第二主電極221以及與第二主電極221電連接的多個第二指狀電極222。在本實施例中，第一主電極211和第二主電極221分別位於波導層200的兩側，第一主電極211和第二主電極221相對設置。並且該些第一指狀電極212和該些第二指狀電極222以梳齒狀互插的形式間隔布置，以構成波導區域300。光電探測器結構1000還包括鍺層400，鍺層400位於波導區域300之上並且與該些第一指狀電極212以及該些第二指狀電極222接觸，使得在波導層200中傳輸的光訊號的逐漸消失的尾部耦合入鍺層400中。
進一步地，光電探測器結構1000還包括：基板（圖未示出），基板用於支撐波導層200以及位於波導層200之上的鍺層400。
進一步地，第一摻雜體210為P型摻雜體，第二摻雜體210為N型摻雜體，也可以是，第一摻雜體210為N型摻雜體，第二摻雜體210為P型摻雜體。本發明在此不做限制，只要第一摻雜體210和第二摻雜體210的摻雜類型不同即可。
本發明所述的光電探測器結構1000在波導層200中採用多個第一指狀電極212和多個第二指狀電極222以梳齒狀互插的形式間隔布置。一方面，使得第一摻雜體210內的各第一指狀電極212和第二摻雜體220內的各第二指狀電極222的末端沿光訊號的傳輸方向交替排列形成週期性排列的耗盡層，增加了波導層中PN結耗盡層的有效長度；另一方面，通過第一摻雜體210內的各第一指狀電極212和第二摻雜體220內的各第二指狀電極222形成的內建邊緣電場（fringe field）的形式，可以有效提取出流入鍺層400內部的光電流，並經由所述第一主電極211和所述第二主電極221將所述電訊號傳送出光電探測器。從而使得該光電探測器結構1000具有較高的靈敏度和響應度。此外，該些第一指狀電極212和該些第二指狀電極222以梳齒狀互插的形式間隔布置還能夠允許在垂直於光訊號傳輸方向的截面寬度較寬的波導層200的設計，從而能夠提高該光電探測器結構1000的良率以及裝置的性能。
本發明所述的光電探測器結構1000為不具有金屬層的水平結構，因此，相比于傳統的垂直電極結構更加具有優勢，具有較高的響應度以及具有較低的暗電流。
為了降低裝置的暗電流，通常除了控制鍺層400的外延生長以及保證光電探測器結構1000的製造製程的準確性以外，材料的能隙（bandgap）一直是主導暗電流的主因，因此，將上述鍺層400與波導層200中的矽基部分201直接接觸，即將鍺與矽接觸（Si-contact），利用矽的能隙比鍺的能隙要高的緣故，以降低裝置的暗電流，並增加裝置的響應度。
在本實施例中，波導層200用於在光學裝置和光電子裝置之間傳送光訊號，單模波導和多模波導被廣泛應用於光子積體電路或者光晶片（光子積體電路，PIC）中，其中，所述光晶片是用光子為資訊載體進行資訊的處理與資料的傳送，其可以是基於矽的光晶片。術語“單模波導”可用於僅支援橫向電場（TE）或者僅支持橫向磁場（TM）的波導形式，該單模波導例如可以是基於矽的條狀波導或者脊狀波導，單模操作使得能夠直接連接至光訊號處理和聯網元件。術語“多模波導”即既支持橫向電場（TE），又支持橫向磁場（TM）的波導形式，該多模波導例如可以是在矽基上形成的直通波導和交叉波導，以用於合波光訊號的取樣與分離。在本實施例中，採用上述設計的鍺層400能夠既相容單模波導的形式，又相容多模波導形式。
進一步地，如圖3-圖5所示，鍺層400的主延伸方向與波導區域300上光波的傳導方向（例如光訊號傳輸方向沿X方向）相同。示例性地，鍺層400包括一檯面，檯面具有沿光訊號傳輸方向（X方向）的長度L和沿基本上垂直於光訊號傳輸方向（X方向）的方向（Z方向）的寬度W，其中，檯面的寬度W小於其長度L。鍺層400的主延伸方向既是指的是鍺層400的長度L的方向，通常與波導層200的延伸方向保持一致。
進一步地，在垂直於波導層200的方向上，鍺層400的投影覆蓋波導區域300，以使得在波導區域300內傳播的光線能夠完全被鍺層400吸收，並產生光電流，以提高光電探測器結構1000的輸出效率。
基於波導層200的寬度較寬的情形下，鍺層400的寬度對於第一摻雜體210和第二摻雜體220的容忍度也較高，進一步地，在垂直於波導層200的方向上，鍺層400的投影與第一主電極211以及與第二主電極221的投影均不交疊，也即，第一主電極211與第二主電極221之間的間隙寬度大於鍺層400垂直於其延伸方向的截面寬度。使得鍺層400無需與第一主電極211以及與第二主電極221之間進行接觸，即無需設置鍺層400與第一主電極211以及與第二主電極221之間的交疊寬度，由於鍺層400的寬度不受限制，使得矽上鍺外延的製程製造相對比較簡單，在製程製造過程中無需嚴苛的對位等。在本實施例中，第一主電極211與第二主電極221能夠用於將所述電訊號傳送出光電探測器，故第一主電極211與第二主電極221的上表面沒有鍺層400的接觸，也有利於後續電訊號的導出。
進一步地，在所述鍺層的一側邊緣設置有光接收部501，光接收部501用於與外部的光導體進行光耦合對位以接收光波訊號。進一步地，可將波導層200凸設於鍺層400的一部分作為光接收部501，用於光耦合對位，以優化耦合效率。此外，光接收部501可與第一摻雜體210和第二摻雜體220位於同一膜層，而且採用將波導層200凸設於鍺層400的一部分作為光接收部501，也能夠節省製造製程，降低製造成本。光接收部501還可包括光模轉換器（圖未示出）， 以用於光訊號的導入。
進一步地，將鍺層400的厚度、被摻雜的第一指狀電極212與被摻雜的第二指狀電極222之間的間隙（spacing）同時考慮，以將位於鍺層400頂部產生的光電流全部萃取下來，從而能夠實現：即使透過擴散（diffusion）的慢速載子(slow carrier)依然不影響光電探測器結構1000的光功率提取。
在本實施例中，鍺層400的厚度對此光電探測器結構1000幾乎沒有影響，厚度較厚反而可以提升消逝波耦合的最佳條件。
此外，第一摻雜體210和第二摻雜體220操作電壓的閾值大小等條件也可以通過調節第一摻雜體210和第二摻雜體220的摻雜寬度以及摻雜的濃度來進行改變，而不受具體製程製造的限制。
進一步地，在本發明的一實施例中，光電探測器結構1000還包括鈍化層（圖未示出），所述鈍化層覆蓋在鍺層400以及波導層200之上。所述鈍化層具有表面鈍化的作用，能夠用於降低光電探測器的暗電流。此外，所述鈍化層還具有耐刮擦性，能夠保護其內部膜層結構不被損傷，同時還用於防止鍺層400以及波導層200不被外部環境污染以及水汽腐蝕等。
進一步地，在本發明的一實施例中，光電探測器結構1000還包括第一金屬接觸（圖未示出），所述第一金屬接觸與第一主電極211電連接，以及第二金屬接觸（圖未示出），所述第二金屬接觸與第二主電極221電連接，所述第一金屬接觸以及所述第二金屬接觸用於收集由鍺層400的光吸收產生的電子以導出產生的光電流。上述第一金屬接觸設置在第一主電極211之上，上述第二金屬接觸設置在第二主電極221之上，由於在垂直於波導層200的方向上，鍺層400的投影與第一主電極211以及與第二主電極221的投影均不交疊，故上述第一金屬接觸與上述第二金屬接觸能夠避開與鍺層400進行直接接觸，由此可以避免鍺層400之下有金屬層所導致的電子被金屬層吸收，影響裝置的響應度。此外，由於第一主電極211和第二主電極221分別為重摻雜的P區和N區，因此，上述第一金屬接觸可與所述第一主電極211之間形成較佳的歐姆接觸，上述第二金屬接觸可與所述第二主電極221之間形成較佳的歐姆接觸，以應用所需要的偏置並且注入和提取所產生的電流，並能夠克服矽層的存在對裝置的電氣特性的不利影響。
本發明另一實施例提供了一種光電積體晶片，其包括前述實施例所述的光電探測器結構。
本發明實施例提供了光電探測器結構及光電積體晶片，旨在通過在波導層的矽基部分內設置第一摻雜體和第二摻雜體以實現光電轉換。第一摻雜體包括多個第一指狀電極，第二摻雜體包括多個第二指狀電極，並且該些第一指狀電極和該些二指狀電極以梳齒狀互插的形式間隔布置，以構成波導區域，鍺層位於波導區域之上並且與該些第一指狀電極以及與該些第二指狀電極接觸，以實現有效提取出流入鍺層內部的光電流，從而使得光電探測器結構具有較高的靈敏度和響應度。
在上述實施例中，對各個實施例的描述都各有側重，某個實施例中沒有詳述的部分，可以參見其他實施例的相關描述。
以上所提供的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。
1000’,1000:電探測器結構 200’,200:波導層 201:矽基部分 210:第一摻雜體 211:第一主電極 212:第一指狀電極 220:第二摻雜體 221:第二主電極 222:第二指狀電極 300:波導區域 400’,400:鍺層 501:光接收部 L:長度 W:寬度
圖1為現有技術所提供的一種光電探測器結構的平面結構示意圖。
圖2為圖1沿A-A’方向的截面結構示意圖。
圖3為本發明一實施例所提供的一種光電探測器結構的平面結構示意圖。
圖4為圖3沿B-B’方向的截面結構示意圖。
圖5為圖3中的鍺層的結構示意圖。
圖6為本發明另一實施例所提供的一種光電探測器結構的平面結構示意圖。
1000:電探測器結構
200:波導層
201:矽基部分
210:第一摻雜體
211:第一主電極
212:第一指狀電極
220:第二摻雜體
221:第二主電極
222:第二指狀電極
300:波導區域
400:鍺層
501:光接收部

Claims (10)

  1. 一種光電探測器結構，包括： 基板、設於該基板上的波導層以及設於該波導層上的鍺層； 其中，該波導層包括矽基部分以及設置在該矽基部分內的第一摻雜體和第二摻雜體，該第一摻雜體和該第二摻雜體的摻雜類型不同，該第一摻雜體包括第一主電極以及與該第一主電極電連接的多個第一指狀電極，該第二摻雜體包括第二主電極以及與該第二主電極電連接的多個第二指狀電極，該第一主電極和該第二主電極相對設置，並且該些第一指狀電極和該些第二指狀電極以梳齒狀互插的形式間隔布置，以構成波導區域；以及 其中，該鍺層位於該波導區域之上並且與該些第一指狀電極以及與該些第二指狀電極接觸。
  2. 如請求項1所述的光電探測器結構，其中，該鍺層的一側邊緣設置有光接收部，該光接收部用於與外部的光導體進行光耦合對位以接收光波。
  3. 如請求項2所述的光電探測器結構，其中，該鍺層的主延伸方向與該波導區域上光波的傳導方向相同。
  4. 如請求項3所述的光電探測器結構，其中，在垂直於該波導層的方向上，該鍺層的投影至少部分覆蓋該波導區域。
  5. 如請求項4所述的光電探測器結構，其中，在垂直於該波導層的方向上，該鍺層的投影與該第一主電極以及與該第二主電極的投影均不交疊。
  6. 如請求項2所述的光電探測器結構，其中，該波導層凸設於該鍺層的一部分作為光接收部，該光接收部與該第一摻雜體和該第二摻雜體位於同一膜層。
  7. 如請求項2所述的光電探測器結構，其中，該光接收部還包括光模轉換器，以用於光訊號的導入。
  8. 如請求項1所述的光電探測器結構，還包括第一金屬接觸，該第一金屬接觸與該第一主電極電連接，以及第二金屬接觸，該第二金屬接觸與該第二主電極電連接，該第一金屬接觸以及該第二金屬接觸用於導出該鍺層產生的光電流。
  9. 如請求項1所述的光電探測器結構，還包括鈍化層，該鈍化層覆蓋在該鍺層以及該波導層之上。
  10. 一種光電積體晶片，包括如請求項1-9中任一項所述的光電探測器結構。
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