專利名稱：周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光電探測(cè)器及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電探測(cè)器，更具體地說，本發(fā)明涉及到具有周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光電探測(cè)器及制作方法。
在工作波長(zhǎng)處吸收系數(shù)比較小的半導(dǎo)體材料，用它作為光探測(cè)吸收響應(yīng)介質(zhì)制作光電探測(cè)器時(shí)，為了獲得高的量子效率，必須有較長(zhǎng)的有效吸收長(zhǎng)度，波導(dǎo)型結(jié)構(gòu)則是好的選擇。現(xiàn)研究表明，如果制作成具有周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光電探測(cè)器，即將這種半導(dǎo)體光吸收響應(yīng)介質(zhì)置于周期性光波導(dǎo)中來制作光電探測(cè)器，選擇好適當(dāng)?shù)牟▽?dǎo)結(jié)構(gòu)和周期，使其與所要探測(cè)的光的波長(zhǎng)相匹配，則至少有以下多方面的優(yōu)點(diǎn)(1)可以獲得高的量子效率；(2)可以減小器件尺寸，獲得高的響應(yīng)速率；(3)具有波長(zhǎng)選擇性和窄的光譜響應(yīng)。
本發(fā)明的目的是由以下方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明一種具有周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器，其特征在于，它包括有導(dǎo)波區(qū)，該導(dǎo)波區(qū)可對(duì)入射光進(jìn)行吸收和傳播，在導(dǎo)波區(qū)上制作周期光柵結(jié)構(gòu)；上限制層，該上限制層生長(zhǎng)在導(dǎo)波區(qū)之上，該上限制層的折射率小于導(dǎo)波區(qū)的折射率；下限制層，該下限制層制作在導(dǎo)波區(qū)下，該下限制層的折射率小于導(dǎo)波區(qū)的折射率；一襯底，上述結(jié)構(gòu)均制作在該襯底上；在襯底及上限制層上分別制作下電極及上電極。
其光波導(dǎo)區(qū)的周期光柵結(jié)構(gòu)具有幾段周期不同的周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
其光波導(dǎo)區(qū)的周期光柵結(jié)構(gòu)具有一段或幾段周期相同的周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
該下電極還可以直接制作在下限制層上。
本發(fā)明一種具有周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟步驟(1)在襯底上用分子束外延或化學(xué)汽相淀積等方法生長(zhǎng)下限制層和導(dǎo)波區(qū)；步驟(2)用電子束光刻或其它光刻手段及干法刻蝕或濕法化學(xué)腐蝕等方法在導(dǎo)波區(qū)制作出周期光柵結(jié)構(gòu)；步驟(3)生長(zhǎng)上限制層；步驟(4)刻蝕，以形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；步驟(5)制作上下電極。
其中步驟2所述的周期光柵結(jié)構(gòu)，可以是矩形皺階、鋸齒形皺階、對(duì)稱三角形皺階或正弦波形皺階等各種周期性結(jié)構(gòu)。
其中步驟4所述的刻蝕，可以刻蝕到上限制層或下限制層或刻蝕到導(dǎo)波層中。
圖2是為制作

圖1所示的具有周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光電探測(cè)器的工藝流程示意圖；圖3是本發(fā)明具有兩段周期不同的周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器的沿波導(dǎo)方向的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明另一具有兩段周期相同的周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器的沿波導(dǎo)方向的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。
請(qǐng)參閱圖2所示，本發(fā)明周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光電探測(cè)器的制作方法，包括如下步驟步驟(1)在襯底10上用分子束外延或化學(xué)汽相淀積等方法生長(zhǎng)下限制層11和導(dǎo)波區(qū)12(圖2a為其側(cè)視圖)；步驟(2)用電子束光刻或其它光刻手段及干法刻蝕或濕法化學(xué)腐蝕等方法在導(dǎo)波區(qū)制作出周期光柵結(jié)構(gòu)16；其形狀可以是矩形皺階、鋸齒形皺階、對(duì)稱三角形皺階或正弦波形皺階等各種周期性結(jié)構(gòu)，本實(shí)例給出的是矩形皺階周期結(jié)構(gòu)(圖2b為步驟(2)沿波導(dǎo)方向的側(cè)視圖)；步驟(3)生長(zhǎng)上限制層13(圖2c為步驟(3)的側(cè)視圖)；步驟(4)刻蝕，以形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；按照設(shè)計(jì)要求，可以刻蝕到下限制層或刻蝕到導(dǎo)波層中，也可以只刻蝕到上限制層中間(圖2d為步驟(4)的器件端面圖)；步驟(5)制作上電極14和下電極15；具有周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器就制作完成了。
圖3是一例具有兩段周期不同的周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器的沿波導(dǎo)方向的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例與前一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)基本相同，它有上限制層13、上限制層18、下限制層11、導(dǎo)波區(qū)12，還有電極14、15和19，10為襯底。其不同之處在于，其導(dǎo)波區(qū)12的周期光柵結(jié)構(gòu)16具有幾段周期不同的周期性光柵結(jié)構(gòu)16、17。其中導(dǎo)波區(qū)12為光響應(yīng)吸收介質(zhì)或有一部分為光響應(yīng)吸收介質(zhì)，導(dǎo)波區(qū)12具有周期光柵結(jié)構(gòu)16和17，其中周期光柵16的周期為P1，周期光柵17的周期為P2，且P1≠P2。兩波長(zhǎng)不同的光可以分別由兩段周期不同的周期性波導(dǎo)進(jìn)行探測(cè)。
圖4是一例具有兩段周期相同的周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器的沿波導(dǎo)方向的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例與前兩實(shí)施例的結(jié)構(gòu)基本相同，具有襯底10，下限制層11，上限制層13，電極14和15，上限制層18，導(dǎo)波區(qū)12和光吸收區(qū)19，其中光響應(yīng)介質(zhì)置于光吸收區(qū)19內(nèi)，光可以由導(dǎo)波區(qū)12耦合進(jìn)光吸收區(qū)19，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光的探測(cè)。
其光導(dǎo)波區(qū)12的周期光柵結(jié)構(gòu)16具有幾段周期相同的周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)16、17。
當(dāng)然，本專利涉及到所有具有周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器，它們可以有很多種結(jié)構(gòu)，例如周期光柵也可以做在靠近下限制層處等等。在此我們只列出了三種典型的結(jié)構(gòu)來闡述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和特征。
本發(fā)明的核心思想是利用周期性波導(dǎo)對(duì)在波導(dǎo)中傳播的光的反射等作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)光的窄帶增強(qiáng)吸收，制作出量子效率高、響應(yīng)速度快、具有波長(zhǎng)選擇響應(yīng)的半導(dǎo)體光電探測(cè)器。如果制作的這種器件具有幾段不同周期的波導(dǎo)，則同時(shí)可以對(duì)幾個(gè)不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行選擇探測(cè)。由于它是波導(dǎo)型結(jié)構(gòu)，容易與光波導(dǎo)、光開關(guān)、光調(diào)制器等波導(dǎo)器件集成，可以在半導(dǎo)體光子集成和半導(dǎo)體光電子集成技術(shù)中發(fā)揮作用。
權(quán)利要求
1.一種具有周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器，其特征在于，它包括有導(dǎo)波區(qū)，該導(dǎo)波區(qū)可對(duì)入射光進(jìn)行吸收和傳播，在導(dǎo)波區(qū)上制作周期光柵結(jié)構(gòu)；上限制層，該上限制層生長(zhǎng)在導(dǎo)波區(qū)之上，該上限制層的折射率小于導(dǎo)波區(qū)的折射率；下限制層，該下限制層制作在導(dǎo)波區(qū)下，該下限制層的折射率小于導(dǎo)波區(qū)的折射率；一襯底，上述結(jié)構(gòu)均制作在該襯底上；在襯底及上限制層上分別制作下電極及上電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器件，其特征在于其光波導(dǎo)區(qū)的周期光柵結(jié)構(gòu)具有幾段周期不同的周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器件，其特征在于其光波導(dǎo)區(qū)的周期光柵結(jié)構(gòu)具有幾段周期相同的周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器件，其特征在于該下電極還可以直接制作在下限制層上。
5.一種具有周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟步驟(1)在襯底上用分子束外延或化學(xué)汽相淀積等方法生長(zhǎng)下限制層和導(dǎo)波區(qū)；步驟(2)用電子束光刻或其它光刻手段及干法刻蝕或濕法化學(xué)腐蝕等方法在導(dǎo)波區(qū)制作出周期光柵結(jié)構(gòu)；步驟(3)生長(zhǎng)上限制層；步驟(4)刻蝕，以形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；步驟(5)制作上下電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器件的制作方法，其特征在于其中步驟2所述的周期光柵結(jié)構(gòu)，可以是矩形皺階、鋸齒形皺階、對(duì)稱三角形皺階或正弦波形皺階等各種周期性結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器件的制作方法，其特征在于其中步驟4所述的刻蝕，可以刻蝕到上限制層或下限制層或刻蝕到導(dǎo)波層中。
全文摘要
一種具有周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器，它包括有導(dǎo)波區(qū)，該導(dǎo)波區(qū)可對(duì)入射光進(jìn)行吸收和傳播，在導(dǎo)波區(qū)上制作周期光柵結(jié)構(gòu)；上限制層，該上限制層生長(zhǎng)在導(dǎo)波區(qū)之上，該上限制層的折射率小于導(dǎo)波區(qū)的折射率；下限制層，該下限制層制作在導(dǎo)波區(qū)下，該下限制層的折射率小于導(dǎo)波區(qū)的折射率；一襯底，上述結(jié)構(gòu)均制作在該襯底上；在襯底及上限制層上分別制作下電極及上電極。
文檔編號(hào)H01L31/00GK1427486SQ01144710
公開日2003年7月2日 申請(qǐng)日期2001年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月20日
發(fā)明者成步文 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所