CN112582496A - 一种光探测器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种光探测器，包括依次层叠的衬底、主动层和介电质层；所述主动层的下方或下表面形成有第一掺杂区，所述主动层的上方或上表面形成有第二掺杂区；所述第二掺杂区与所述第一掺杂区的掺杂类型不同，构成PIN结构；所述介电质层包括光栅结构。本申请在光探测器的主动层入射面上方增加一光栅结构，通过导模共振增强效果将入射到主动层的光限制在主动层内，极大地增强了器件对入射光的吸收和转换，有效提高了光响应度；而且主动层可以做得很薄，实现更高的传输速率；另外，采用面入射方式，避免了偏振相关损耗的问题。
Description
技术领域
本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光探测器。
背景技术
随着大数据、物联网以及5G业务的迅速发展，网络速度和容量需求日益激增，这使得下一代高速大容量光网络成为现代通信技术发展的趋势。高性能的光电探测器是高速光通信的核心器件之一。不断提升其性能是当前此类器件的研究热点。器件的光响应率是其中一个很重要的指标。高速的要求使得吸收层厚度减薄，同时也降低了对光的吸收以及光响应率。改善的途径包括新材料，新器件结构以及增强对光的耦合吸收。现代PD器件以25G为主流，为了满足更高速度的要求，必须降低光电转换层的厚度以减少载流子渡越时间，而与此同时也造成对光的吸收不足，响应度低的问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种光探测器，具有高速、高响应度、低损耗和偏振不敏感等优点。
为了实现上述目的之一，本申请提供了光探测器，包括依次层叠的衬底、主动层和介电质层；
所述主动层的下方或下表面形成有第一掺杂区，所述主动层的上方或上表面形成有第二掺杂区；所述第二掺杂区与所述第一掺杂区的掺杂类型不同，所述第一掺杂区、主动层和第二掺杂区形成PIN结构；所述介电质层包括光栅结构。
作为实施方式的进一步改进，所述介电质层还包括设于所述光栅结构下面的过渡层。
作为实施方式的进一步改进，所述介电质层的材质为折射率小于所述主动层折射率的介电质材料。
作为实施方式的进一步改进，所述主动层与所述衬底之间还设有缓冲层。
作为实施方式的进一步改进，所述缓冲层为具有结晶或单晶的缓冲介电质层，所述第一掺杂区临近所述主动层，形成于所述缓冲层上，或者形成于所述缓冲层和所述衬底上。
作为实施方式的进一步改进，所述缓冲层为外延硅层；所述第一掺杂区形成于所述衬底临近所述缓冲层的上表层；所述外延硅层临近所述主动层的上表层形成第三掺杂区；所述第三掺杂区与所述第二掺杂区的掺杂类型相同，所述第二掺杂区、第三掺杂区和第一掺杂区形成PIPIN结构或NINIP结构。
作为实施方式的进一步改进，所述介电质层的下层形成所述第二掺杂区。
作为实施方式的进一步改进，所述主动层厚度在0.1λ～1λ范围内，所述λ为所述光探测器吸收光谱的中心波长。
作为实施方式的进一步改进，所述主动层厚度在50nm～1000nm范围内。
作为实施方式的进一步改进，所述光栅结构的光栅高度在0.1λ～1λ范围内，光栅周期在0.1λ～1λ范围内，占空比在0.1～0.9范围内，所述λ为所述光探测器吸收光谱的中心波长。
作为实施方式的进一步改进，所述主动层包括硅层、锗硅层、锗层或锗锡层其中的一种或多种的组合。
作为实施方式的进一步改进，所述锗硅层为SixGe1-x，其中x≤10％；所述锗锡层为SnxGe1-x，其中x≤10％。
作为实施方式的进一步改进，所述光栅结构为一维光栅或二维光栅。
本申请的有益效果：在光探测器的主动层入射面上方增加一光栅结构，通过导模共振增强效果将入射到主动层的光限制在主动层内，极大地增强了器件对入射光的吸收和转换，有效提高了光响应度；而且主动层可以做得很薄，实现更高的传输速率；另外，采用面入射方式，避免了偏振相关损耗的问题。
附图说明
图1为本申请光探测器实施例1芯片结构示意图；
图2为本申请光探测器实施例1的另一种变形示意图；
图3为本申请光探测器的吸收光谱；
图4为本申请光探测器光栅结构排列方式1示意图；
图5为本申请光探测器光栅结构排列方式2示意图；
图6为本申请光探测器光栅结构排列方式3示意图；
图7为本申请光探测器实施例1结构示意图；
图8为本申请光探测器实施例2芯片结构示意图；
图9为本申请光探测器实施例3芯片结构示意图；
图10为本申请光探测器实施例4芯片结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述。但这些实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。
在本申请的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分夸大，因此，仅用于图示本申请的主题的基本结构。
另外，本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。当元件或层被称为在另一部件或层“上”、与另一部件或层“连接”时，其可以直接在该另一部件或层上、连接到该另一部件或层，或者可以存在中间元件或层。
本申请的光探测器在其主动层入射面上方增加一光栅结构，通过导模共振增强效果将入射到主动层的光限制在主动层内，极大地增强了器件对入射光的吸收和转换，有效提高了光响应度；而且主动层可以做得很薄，实现更高的传输速率；另外，采用面入射方式，避免了偏振相关损耗的问题。具体的，如下面各实施例所阐述。
实施例1
如图1所示的光探测器芯片结构，本实施例1的光探测器包括依次层叠的衬底10、主动层20和介电质层30。其中，主动层20的下方或下表面形成有第一掺杂区41，主动层20的上方或上表面形成有第二掺杂区42，上述第二掺杂区42与第一掺杂区41的掺杂类型不同，构成PIN结构。上述介电质层30包括光栅结构31，该实施例中，介电质层30包括上层和下层，其中，下层为临近主动层20的过渡层32或波导层，上层形成上述光栅结构31。在其它实施例中，介电质层30也可以只有形成光栅结构31的上层，即上述光栅结构临近主动层20。这里，介电质层30的材质采用折射率低于主动层20折射率的介电质材料，如二氧化硅、氮化硅或金属氧化物等，该实施例中采用的是二氧化硅。主动层20包括硅层、锗硅层、锗层或锗锡层其中的一种或多种的组合，该实施例中采用的是锗层。上述锗硅层为SixGe1-x，其中x≤10％，锗锡层为SnxGe1-x，其中x≤10％。
该实施例中，衬底10采用的是一硅基板11，在硅基板11的上表层掺杂形成第一掺杂区41，在介电质层30的下层32掺杂形成第二掺杂区42；在其它实施例中，如图2所示，也可以将第二掺杂区42设于主动层20的上表层。其中，主动层20厚度在0.1λ～1λ范围内，这里λ为该光探测器吸收光谱的中心波长，为了进一步提高光探测器的探测速度，即缩短光生载流子的渡越时间，可将主动层20厚度设在50nm～1000nm范围内，例如1000nm、950nm、650nm、500nm、480nm等；而光栅结构31的光栅高度可在0.1λ～1λ范围内，光栅周期在0.1λ～1λ范围内，占空比在0.1～0.9范围内，这里λ同样为光探测器吸收光谱的中心波长。本申请在常用面入射型光探测器的主动层上增加一带有光栅结构31的介电质层30，介电质层30分为上下两层，光栅结构31位于上层，临近主动层20的下层32为平板或波导结构。介电质层30的光栅结构31在这里起到导模共振增强的效果，使得入射光在主动20层内形成波导模式谐振，有效地抑制了光的反射和透射，将入射光限制在光电转换材料(即主动层)中，从而极大地增强了器件对入射光的吸收和转换，提高了器件的光响应度。即使将主动层的厚度减薄至低于1000nm，以缩短载流子的渡越时间来提高器件的速度，也能保持高响应度。
如图3所示，为具有500nm厚度的锗层(即主动层)的光探测器的吸收光谱，其中介电质层采用的是非晶硅，上层是非晶硅的光栅结构，下层是硅平板或硅波导，其光栅周期780nm，占空比为0.4，光栅高度400nm，介电质层的下层厚度为200nm。从图3的吸收光谱中可以看出，在通信波段1310nm附近具有较高的吸收率和较宽的吸收光谱，吸收率可高于0.85，带宽在80nm以上。该实施例中，光栅结构采用的是如图4所示的一维光栅。在其它实施例中，也可以采用二维光栅，如图5所示的轴对称和/或中心对称的二维光栅。在二维光栅中，各光栅凸起可以是截面为圆形、多边形或其它形状的立柱或锥状体，还可以如图6所示的多个中心对称的环形光栅凸起形成的光栅。
设计的时候，根据需要的探测速度，以及宽的吸收光谱或窄的吸收光谱，先确定主动层的厚度，一般在50～1600nm的范围内，之后再调整光栅结构的参数以获得最佳的反射率和吸收率。可以根据应用需要设计成吸收范围(△λ1dB)大于100nm的宽吸收频带探测器，也可以设计成吸收范围极窄的窄吸收频带探测器。
如图7所示，光探测器的光栅结构31上还覆盖有包层60，主动层20外周的包层60内设有第一导电通道71，第一导电通道71与第一掺杂区41导电连接；光栅结构31上方的包层60内设有第二导电通道72，第二导电通道72与第二掺杂区42导电连接。第一导电通道71和第二导电通道72分别接外部的正负电极。图示为本申请的光探测器电结构的一种示意，当然还可以采用其它方式引出第一掺杂区和第二掺杂区上的电信号，例如将导电通道设置在侧面，从侧面引出第一掺杂区和第二掺杂区的电信号等。这里包层可以是折射率低于光栅结构31折射率的介电质材料，使得入射光在光栅结构与主动层下表面之间形成更好的谐振。
实施例2
如图8所示，与实施例1不同的是，该实施例中衬底10还包括依次叠置于硅基板11上的掩埋绝缘层12(BOX)和顶层硅13，即衬底10采用SOI(绝缘体上硅)的结构。在SOI的顶层硅13上表层掺杂形成第一掺杂区41，或者在整个顶层硅13上掺杂形成第一掺杂区41，该第一掺杂区41与上述第二掺杂区42形成PIN结构。
上述各实施例中，还可在主动层与衬底之间设置缓冲层。这里衬底可以如实施例1中采用的硅基板，也可以如实施例2中采用的SOI结构。缓冲层的结构可以如下面的实施例3和4所示。
实施例3
如图9所示，该实施例中的缓冲层为一外延硅层50，上述第一掺杂区41设于上述衬底10临近缓冲层的上表层；在外延硅层50临近主动层20的上表层掺杂形成第三掺杂区43。该第三掺杂区43与上述第二掺杂区42的掺杂类型相同，第二掺杂区42、第三掺杂区43和第一掺杂区41形成PIPIN结构或NINIP结构，各掺杂区分别与不同的导电通道导电连接，构成具导模共振增强的APD(雪崩光电二极管，光探测器的一种)。
实施例4
如图10所示，该实施例中的缓冲层为具有结晶或单晶的缓冲介电质层80，上述第一掺杂区41临近主动层20，设于该缓冲介电质层80上，或者设于缓冲介电质层80和衬底10上。即在该缓冲介电质层80上靠近主动层20的位置掺杂形成第一掺杂区41，根据该缓冲介电质层80的厚度情况，第一掺杂区41的掺杂深度可能只在缓冲介电质层80的上表层，也可能在整个缓冲介电质层80的厚度上，还可能渗透至衬底10的上表层。该实施例中，缓冲介电质层80可以是硅、锗硅或者锗等具有结晶或单晶的材料，可以起到调节光学折射率的作用，或者作为外延缓冲层增加外延的品质。
上述各实施例中，还可在光栅结构的光入射面上镀上抗反射膜或抗反射层，以减少光***损耗，进一步提高光响应度。上述各图示的光栅凸起的数量仅仅是一种示意，实际光栅凸起的数量可能更多或更少。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本申请的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本申请的保护范围，凡未脱离本申请技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种光探测器，其特征在于：包括依次层叠的衬底、主动层和介电质层；
所述主动层的下方或下表面形成有第一掺杂区，所述主动层的上方或上表面形成有第二掺杂区；所述第二掺杂区与所述第一掺杂区的掺杂类型不同，所述第一掺杂区、主动层和第二掺杂区形成PIN结构；
所述介电质层包括光栅结构。
2.根据权利要求1所述的光探测器，其特征在于：所述介电质层还包括设于所述光栅结构下面的过渡层。
3.根据权利要求1所述的光探测器，其特征在于：所述介电质层的材质为折射率小于所述主动层折射率的介电质材料。
4.根据权利要求1所述的光探测器，其特征在于：所述主动层与所述衬底之间还设有缓冲层。
5.根据权利要求4所述的光探测器，其特征在于：所述缓冲层为具有结晶或单晶的缓冲介电质层，所述第一掺杂区临近所述主动层，形成于所述缓冲层上，或者形成于所述缓冲层和所述衬底上。
6.根据权利要求4所述的光探测器，其特征在于：所述缓冲层为外延硅层；所述第一掺杂区形成于所述衬底临近所述缓冲层的上表层；所述外延硅层临近所述主动层的上表层形成第三掺杂区；所述第三掺杂区与所述第二掺杂区的掺杂类型相同，所述第二掺杂区、第三掺杂区和第一掺杂区形成PIPIN结构或NINIP结构。
7.根据权利要求1所述的光探测器，其特征在于：所述介电质层的下层形成所述第二掺杂区。
8.根据权利要求1-7任一项所述的光探测器，其特征在于：所述主动层厚度在0.1λ～1λ范围内，所述λ为所述光探测器吸收光谱的中心波长。
9.根据权利要求8所述的光探测器，其特征在于：所述主动层厚度在50nm～1000nm范围内。
10.根据权利要求1-7任一项所述的光探测器，其特征在于：所述光栅结构的光栅高度在0.1λ～1λ范围内，光栅周期在0.1λ～1λ范围内，占空比在0.1～0.9范围内，所述λ为所述光探测器吸收光谱的中心波长。
11.根据权利要求1-7任一项所述的光探测器，其特征在于：所述主动层包括硅层、锗硅层、锗层或锗锡层其中的一种或多种的组合。
12.根据权利要求1-7任一项所述的光探测器，其特征在于：所述锗硅层为SixGe1-x，其中x≤10％；所述锗锡层为SnxGe1-x，其中x≤10％。
13.根据权利要求1-7任一项所述的光探测器，其特征在于：所述光栅结构为一维光栅或二维光栅。
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- 2019-09-12 CN CN201910865274.XA patent/CN112582496A/zh active Pending
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