一種雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器(APD)，該雪崩光電探測器包括：襯底；形成于襯底之上的單模傳輸光波導(dǎo)，用于實現(xiàn)匹配光斑在其中低損耗單模傳輸，并使光漸漸向上消逝場耦合進入光匹配層；形成于單模傳輸光波導(dǎo)之上的光匹配層，用于實現(xiàn)光功率從單模傳輸光波導(dǎo)高效率消逝場耦合到APD吸收層中，并將光限制在APD吸收層中被完全吸收；以及形成于光匹配層之上的APD臺面，采用分離吸收電荷倍增區(qū)的結(jié)構(gòu)，與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)集成可實現(xiàn)高速高響應(yīng)度的光探測。本發(fā)明通過將具有內(nèi)部增益以及高靈敏度的APD與消逝場耦合的單模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)集成，解決了普通探測器光損耗大、靈敏度低、響應(yīng)度與帶寬相互制約以及不利于片上光互連等問題。
【專利說明】一種雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及邊入光的高性能波導(dǎo)探測器設(shè)計【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是指一種雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]光電探測器是光子學(xué)系統(tǒng)中重要的元件，探測器的性能是制約光子學(xué)系統(tǒng)性能的重要因素。未來隨著光子系統(tǒng)對高帶寬、高集成度的要求越來越高，傳統(tǒng)的探測器結(jié)構(gòu)已難以滿足高帶寬、高響應(yīng)度的光子系統(tǒng)的需求:傳統(tǒng)面入射探測器為了保證必要的光敏面，電學(xué)尺寸難以降低，器件帶寬受限；要滿足高帶寬性能的需要，又必須犧牲光響應(yīng)性能；并且面入射器件與波導(dǎo)功能結(jié)構(gòu)的集成也收到極大制約。因此發(fā)展一種新型的探測器是很有意義的工作。
[0003]波導(dǎo)型雪崩探測器將光傳輸吸收與載流子的輸運有效分離，解除了載流子渡越時間與響應(yīng)度之間的制約關(guān)系，在滿足高響應(yīng)度的同時還可以有效的減小器件的電學(xué)尺寸，降低器件電容及工作電壓，利用這種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)微小電容結(jié)構(gòu)的高響應(yīng)器件，并且APD由于其內(nèi)部增益和高靈敏度而更具競爭力，多用于探測具有高靈敏度的低功率信號。同時，波導(dǎo)集成的雪崩光電探測器的側(cè)面入光結(jié)構(gòu)使其非常適合于平面集成，為實現(xiàn)高度集成的高速光子學(xué)系統(tǒng)提供了一種很好的探測解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術(shù)問題
[0005]本發(fā)明的主要目的在于提供一種高響應(yīng)度、高帶寬的雙步消逝場耦合的波導(dǎo)雪崩探測器，以解決普通探測器光損耗大、靈敏度低、響應(yīng)度與帶寬相互制約以及不利于片上光互連等問題。要解決這些問題，關(guān)鍵有三點，一是單模傳輸光波導(dǎo)和光匹配層的設(shè)計，以實現(xiàn)光低損耗傳輸以及高效率消逝場耦合進入探測器吸收層中；二是采用具有內(nèi)部增益的雪崩光電探測器，以提高光電探測的靈敏度；三是采用邊入光的消逝場耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使光傳輸方向與載流子輸運方向垂直，以解決響應(yīng)度與帶寬相互制約的問題，并且這種平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)也易于片上光互連。從而可實現(xiàn)一種高響應(yīng)度、高帶寬的雙步消逝場耦合的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)雪崩光電探測器。。
[0006]( 二 )技術(shù)方案
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器，該雪崩光電探測器包括:襯底I ;形成于襯底I之上的單模傳輸光波導(dǎo)2,用于實現(xiàn)匹配光斑在其中低損耗單模傳輸，并使光漸漸向上消逝場耦合進入光匹配層；形成于單模傳輸光波導(dǎo)2之上的光匹配層，用于實現(xiàn)光功率從單模傳輸光波導(dǎo)高效率消逝場耦合到APD臺面的吸收層中，即雙步消逝場耦合，并將光限制在APD臺面的吸收層中被完全吸收；以及形成于光匹配層之上的APD臺面，采用分離吸收電荷倍增區(qū)的結(jié)構(gòu)，與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)集成可實現(xiàn)高速高響應(yīng)度的光探測。[0008]上述方案中，所述襯底I為InP襯底。
[0009]上述方案中，所述單模傳輸光波導(dǎo)2為由多對InGaAsP層與InP層交替外延形成的稀釋波導(dǎo)層結(jié)構(gòu)，從底部到頂部InGaAsP的厚度從IOOnm增加到300?450nm，增加的步長為25?35nm，其間的InP層的厚度為70?90nm。所述單模傳輸光波導(dǎo)2中InGaAsP的組分可調(diào)，其截至波長為I?1.15 μ m，單模傳輸光波導(dǎo)相對于光匹配層的伸出長度為25?300 μ m0
[0010]上述方案中，所述光匹配層由下至上依次包括第一光匹配層3和第二光匹配層4，光匹配層相對于APD臺面的伸出長度為10?40μπι。所述第一光匹配層3是厚度為100?300nm的In0.522Ala 478As/InGaAsP,所述第二光匹配層4是厚度為200?400nm的In0.78Ga0.22As0.47P0.53°所述第一光匹配層3和所述第二光匹配層4均為η型重摻雜，摻雜濃度為 IXlO17 ?2 X IO1WO
[0011]上述方案中，所述APD臺面由下至上依次包括倍增層5、電荷層6、吸收層7和上包層8，倍增層5是厚度為100?300nm的未摻雜的Ina 522Ala 478As ;電荷層6是p型摻雜的Ina52Ala 48As，厚度為40?70nm，摻雜濃度為6 X IO17?IX IO18CnT3 ;吸收層7是厚度為100?300nm的未摻雜的InGaAs，In的組分為0.53 ;上包層8由下至上依次包括InGaAsP、InP和InGaAs,用于實現(xiàn)上包層和p型歐姆接觸。
[0012]上述方案中，所述APD臺面的長度為20?50 μ m，單模傳輸光波導(dǎo)、光匹配層和APD臺面的寬度均為3?7μπι。
[0013](三)有益效果
[0014]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0015]1、本發(fā)明提供的雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器，利用單模傳輸光波導(dǎo)可減小光在傳播過程中的損耗。通過研究稀釋波導(dǎo)特性及模場與其各個結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，可實現(xiàn)光在其中單模穩(wěn)定低損耗傳輸，并且特殊的層結(jié)構(gòu)設(shè)計可實現(xiàn)從襯底向上有效折射率逐漸提高，實現(xiàn)光高效率耦合到匹配層中。
[0016]2、本發(fā)明提供的雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器，其光匹配層部分可實現(xiàn)光功率從單模傳輸光波導(dǎo)高效率耦合到APD吸收層中，并將光限制在APD吸收層中被完全吸收，從而減小耦合損耗。光匹配層采用折射率較高的雙層結(jié)構(gòu)，其折射率大小在單模傳輸光波導(dǎo)和APD吸收層之間，有緩慢的過渡作用，可使光通過雙步消逝場耦合進入APD吸收層中，其相對于APD吸收層有較低的有效折射率，可將光限制在APD中被完全吸收。
[0017]3、本發(fā)明提供的雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器，采用了具有內(nèi)部增益的雪崩光電探測器與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)集成，可實現(xiàn)高靈敏度光探測。Aro采用分離吸收電荷倍增區(qū)的結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)內(nèi)部光生載流子雪崩倍增，從而可探測較小的光信號，實現(xiàn)高靈敏度光探測。
[0018]4、本發(fā)明提供的雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器，其側(cè)面入光的消逝場耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)使其非常適合于平面集成，光傳播方向與載流子輸運方向垂直，解決了帶寬與響應(yīng)度相互制約的問題。光在稀釋波導(dǎo)中以倏逝波的形式，沿器件長度逐漸耦合到APD吸收層中，從而可以在不犧牲響應(yīng)度的情況下采用薄吸收區(qū)域來減小載流子渡越時間，進而實現(xiàn)高響應(yīng)度、高帶寬的光探測。
【專利附圖】

【附圖說明】[0019]圖1為依照本發(fā)明實施的雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器，稀釋波導(dǎo)中光傳播模式的仿真截面圖。
[0020]圖2為依照本發(fā)明實施的雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器的外延層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3為依照本發(fā)明實施的雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器，采用雙步濕法腐蝕刻出的APD臺面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖4為依照本發(fā)明實施的雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器，采用濕法腐蝕刻出光匹配層臺面的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖5為依照本發(fā)明實施的雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器，采用干法刻蝕刻出的深脊稀釋波導(dǎo)示意圖。
[0024]圖6為依照本發(fā)明實施的雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器的側(cè)視光走向示意圖。
[0025]圖7為依照本發(fā)明實施的雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器，總的光功率隨波導(dǎo)長度變化的仿真模擬結(jié)果。
[0026]所有的圖僅為結(jié)構(gòu)示意圖，不反映器件的具體尺寸。
【具體實施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0028]如圖5所示是本發(fā)明提出的雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖，該雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器包括:襯底I ;形成于襯底I之上的單模傳輸光波導(dǎo)2 ；形成于單模傳輸光波導(dǎo)2之上的光匹配層；以及形成于光匹配層之上的雪崩光電探測器(APD)臺面。單模傳輸光波導(dǎo)2相對于光匹配層的伸出長度由解理過程決定,優(yōu)選為50 μ m ;光匹配層相對于APD吸收層的伸出長度由光刻掩模版的設(shè)計決定，優(yōu)選為25 μ m ;以及APD吸收層的長度為40 μ m,單模傳輸光波導(dǎo)、光匹配層和APD吸收層的寬度均為5 μ m。單模傳輸光波導(dǎo)2可實現(xiàn)匹配光斑在其中低損耗單模傳輸，并使光漸漸向上耦合進入光匹配層，如圖6所示；光匹配層可實現(xiàn)光功率從單模傳輸光波導(dǎo)高效率耦合到AH)吸收層中，并將光限制在APD吸收層中被完全吸收；APD采用分離吸收電荷倍增區(qū)的結(jié)構(gòu)，與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)集成可實現(xiàn)聞速聞響應(yīng)度的光探測。
[0029]根據(jù)模擬優(yōu)化的器件結(jié)構(gòu)，采用金屬有機物化學(xué)氣相外延(MOCVD)的方法完成如圖2所不的實施例中的器件外延生長,其中，襯底I為InP襯底；單模傳輸光波導(dǎo)2為由多對InGaAsP層與InP層交替外延形成的稀釋波導(dǎo)層結(jié)構(gòu)，優(yōu)選為10對，其組分為1? W5Gaatl95Asa2Pa8，從底部到頂部，InGaAsP的厚度從IOOnm增加到370nm，增加的步長為30nm，其間的InP層厚度均為80nm，整個光`波導(dǎo)的厚度為3.07 μ m。光匹配層由下至上依次包括第一光匹配層3和第二光匹配層4,第一光匹配層3是厚度為IOOnm的Ina 522Ala 478As,第二光匹配層4是厚度為300nm的Ina78Gaa22Asa47Pa53,第一光匹配層3和第二光匹配層4均為η型重摻雜，摻雜濃度均為2X1018cm_3。APD臺面由下至上依次包括倍增層5、電荷層
6、吸收層7和上包層8，倍增層5是厚度為150nm的未摻雜的Ina 522Ala 478As ;電荷層6是p型摻雜的Ina52Ala48As，厚度為60nm，摻雜濃度為7 X IO17CnT3 ;吸收層7是厚度為200nm的未摻雜的InGaAs，In的組分為0.53 ;上包層8由下至上依次包括InGaAsP、InP和InGaAs，主要實現(xiàn)上包層和P型歐姆接觸。
[0030]基于如上結(jié)構(gòu)，采用半導(dǎo)體工藝完成器件結(jié)構(gòu)的刻蝕，如圖3?圖5，包括:采用剝離或腐蝕法蒸出APD臺面的P接觸電極；以金屬為掩模，用濕法腐蝕刻出APD臺面，大小為5X40 μ m2，如圖3所示；以光刻膠為掩模，用濕法腐蝕刻出光匹配層的臺面，寬5 μ m，長度L。=25 μ m，如圖4所示；以SiO2為掩模，用干法刻蝕刻出稀釋波導(dǎo)深脊臺面，控制深度刻到InP襯底即可，光波導(dǎo)寬5 μ m，長度Lf = 50 μ m，如圖5所示；最后用SiO2作鈍化，開窗口，蒸電極引線，完成整體器件結(jié)構(gòu)。
[0031]本發(fā)明所述的這種雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器，采用3μπιΧ3μπι的匹配光斑側(cè)向入光進入5 μ mX 3.17 μ m的光波導(dǎo)截面,如圖6所不,光通過光波導(dǎo)低損耗單模傳輸，如圖1為光在光波導(dǎo)中傳播的仿真截面圖，并逐漸向上耦合進入光匹配層，由于吸收層的高折射率，光最終會從光匹配層進入吸收層，在吸收層中被吸收，實現(xiàn)高響應(yīng)度探測。光在所述實例探測器中的高性能傳輸情況可從圖7中看出，在單模傳輸光波導(dǎo)和光匹配層中，光耦合進入后可以無損耗穩(wěn)定傳輸，并在進入APD部分后幾乎被完全吸收。
[0032]進一步地，本發(fā)明所提供的雪崩光電探測器由于其內(nèi)部增益和高靈敏度而更具競爭力，其中吸收層7用于吸收目標探測光，將目標探測光的光子轉(zhuǎn)化成電子空穴對；電荷層6用于調(diào)控器件內(nèi)部電場分布；倍增層5用于使進入其中的載流子引發(fā)雪崩倍增效應(yīng)，產(chǎn)生更多自由載流子對，如圖2所示，本實施例采用InAlAs倍增區(qū)，實現(xiàn)電子倍增。整個ATO吸收層采用窄吸收層和窄倍增層，可降低載流子渡越時間和RC常數(shù)，實現(xiàn)高速、低噪聲探測。由此，利用此器件結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)高響應(yīng)度、高帶寬以及低噪聲的光探測，并且，其側(cè)面入光的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)使其非常適合于平面集成，為實現(xiàn)高度集成的高速光子學(xué)系統(tǒng)提供了一種很好的探測解決方案。
[0033]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器，其特征在于，該雪崩光電探測器包括: 襯底⑴； 形成于襯底(I)之上的單模傳輸光波導(dǎo)(2),用于實現(xiàn)匹配光斑在其中低損耗單模傳輸，并使光漸漸向上消逝場耦合進入光匹配層； 形成于單模傳輸光波導(dǎo)(2)之上的光匹配層,用于實現(xiàn)光功率從單模傳輸光波導(dǎo)高效率消逝場耦合到APD臺面的吸收層中，即雙步消逝場耦合，并將光限制在APD臺面的吸收層中被完全吸收；以及 形成于光匹配層之上的APD臺面，采用分離吸收電荷倍增區(qū)的結(jié)構(gòu)，與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)集成可實現(xiàn)高速高響應(yīng)度的光探測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器，其特征在于，所述襯底(I)為InP襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器，其特征在于，所述單模傳輸光波導(dǎo)(2)為由多對InGaAsP層與InP層交替外延形成的稀釋波導(dǎo)層結(jié)構(gòu)，從底部到頂部InGaAsP的厚度從IOOnm增加到300~450nm，增加的步長為25~35nm，其間的InP層的厚度為70~90nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器，其特征在于，所述單模傳輸光波導(dǎo)(2)中InGaAsP的組分是可調(diào)的，其截至波長為I~1.15 μ m，單模傳輸光波導(dǎo)相對于光匹配層的伸出長度為25~300 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器，其特征在于，所述光匹配層由下至上依次包括第一光`匹配層(3)和第二光匹配層(4)，光匹配層相對于Aro臺面的伸出長度為10~40 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器，其特征在于，所述第一光匹配層(3)是厚度為100~300nm的InQ.522AlQ.478As/InGaAsP,所述第二光匹配層(4)是厚度為 200 ~400nm 的 In0.78Ga0.22As0.47P0.53。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器，其特征在于，所述第一光匹配層⑶和所述第二光匹配層⑷均為η型重摻雜，摻雜濃度為I X IO17~2 X 1018cm_3。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器，其特征在于，所述APD臺面由下至上依次包括倍增層(5)、電荷層(6)、吸收層(7)和上包層(8)，倍增層(5)是厚度為100~300nm的未摻雜的In0 522Al0 478As ;電荷層(6)是p型摻雜的Ina52Ala48As,厚度為40~70nm，摻雜濃度為6X IO17~IX IO18CnT3 ;吸收層(7)是厚度為100~300nm的未摻雜的InGaAs，In的組分為0.53 ;上包層(8)由下至上依次包括InGaAsP、InP和InGaAs，用于實現(xiàn)上包層和P型歐姆接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙步消逝場耦合的雪崩光電探測器，其特征在于，所述Aro臺面的長度為20~50 μ m,單模傳輸光波導(dǎo)、光匹配層和APD臺面的寬度均為3~7 μ m。
【文檔編號】H01L31/0232GK103489953SQ201310406865
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月9日
【發(fā)明者】崔榮, 楊曉紅, 李彬, 尹偉紅, 呂倩倩, 韓勤 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所