[發(fā)明專利]一種基于Bragg光柵和橫向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的雪崩光電探測(cè)器

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110337673.6
• 申請(qǐng)日: 2021-03-30
• 公開（公告）號(hào): CN112993065A
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 汪毅;顏旭;鄧萌;王旭
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L31/0232
• 分類號(hào): H01L31/0232;H01L31/107
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 尹麗媛;李智

本發(fā)明公開了一種基于Bragg光柵和橫向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的雪崩光電探測(cè)器，包括：襯底；形成于襯底之上的波導(dǎo)，用于光傳輸并將光場(chǎng)耦合到吸收層，同時(shí)作為電荷層對(duì)吸收層和倍增層的電場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)；位于波導(dǎo)兩側(cè)的倍增層，用于提供載流子雪崩倍增效應(yīng)；位于倍增層兩側(cè)并與陰極電極形成歐姆接觸的第一接觸層；位于波導(dǎo)之上的吸收層，用于吸收光子并將其轉(zhuǎn)化成為電子與空穴，以提供光電流；內(nèi)嵌于吸收層上方并與陽(yáng)極電極形成歐姆接觸的第二接觸層；與電源和第一接觸層相連的陰極電極；與電源和第二接觸層相連的陽(yáng)極電極；位于波導(dǎo)末端的Bragg光柵，用于將波導(dǎo)末端出射光場(chǎng)進(jìn)行反射。通過Bragg光柵與橫向波導(dǎo)結(jié)合，使得器件響應(yīng)度較高的同時(shí)減小Ge吸收層長(zhǎng)度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光探測(cè)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于Bragg光柵和橫向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的雪崩光電探測(cè)器。

背景技術(shù)

信息傳輸已從電子時(shí)代跨入光電子時(shí)代。能將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的光電探測(cè)器成為了光電集成鏈路中必不可少的元件?，F(xiàn)代光通信系統(tǒng)對(duì)光電探測(cè)器的響應(yīng)度，靈敏度和制作成本等方面提出了更高的要求。雪崩光電二極管(avalanche photodiode，APD)器件由于具有靈敏度高、響應(yīng)度高、體積小和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在光通信、數(shù)據(jù)中心、光傳感、人工智能和光學(xué)成像中得到了廣泛的應(yīng)用。

對(duì)于傳統(tǒng)雪崩光電探測(cè)器而言，其響應(yīng)速度和量子效應(yīng)是相互制約的，厚的吸收層可以提高量子效率，而薄的吸收層可以提高響應(yīng)速度。為了解決這一問題，人們提出了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的雪崩光電探測(cè)器，波導(dǎo)集成型結(jié)構(gòu)由于其載流子輸運(yùn)方向與光吸收方向互相垂直，避免了載流子渡越時(shí)間和響應(yīng)度之間的制約關(guān)系，可以同時(shí)具備高響應(yīng)度和高帶寬的優(yōu)點(diǎn)。

近年來(lái)，Ge/Si波導(dǎo)型APD已成為了研究熱點(diǎn)。在近紅外光通信中，利用鍺材料的高吸收以及硅材料低的碰撞電離系數(shù)比(k值)的特點(diǎn)，以Ge為吸收層，Si為倍增層制備的分離的吸收電荷倍增多層(Separate Absorption Charge Multiplication，SACM)結(jié)構(gòu)理論上具有很高的響應(yīng)度和增益。同時(shí)，鍺硅材料能夠較好地與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容，相較于傳統(tǒng)的三五族APD器件，制備工藝更簡(jiǎn)單，成本更低，產(chǎn)品良率更高，且更易于與硅基光器件混合集成，適用于低成本光互聯(lián)芯片系統(tǒng)。

波導(dǎo)型SACM雪崩光探測(cè)器又包括縱向和橫向兩種結(jié)構(gòu)：縱向結(jié)構(gòu)中，APD器件的波導(dǎo)層、倍增層、電荷層以及吸收層由下至上向依次排列；橫向結(jié)構(gòu)中，倍增層往往位于波導(dǎo)層兩側(cè)，鍺吸收層直接外延生長(zhǎng)于波導(dǎo)層上。相較于較傳統(tǒng)的縱向SACM結(jié)構(gòu)，橫向結(jié)構(gòu)不需要外延Si作為器件的倍增層，大大簡(jiǎn)化了器件的工藝制備流程，降低了制作成本。同時(shí)，器件整體厚度的減小也有利于增加器件的帶寬。近年來(lái)，橫向SACM結(jié)構(gòu)已成為當(dāng)前領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

然而，無(wú)論是橫向還是縱向SACM結(jié)構(gòu)，由于生長(zhǎng)工藝條件的限制，缺陷和位錯(cuò)會(huì)帶來(lái)較大的暗電流；而且器件的帶寬與響應(yīng)度仍存在一定的制約關(guān)系：Ge吸收層長(zhǎng)度越長(zhǎng)，器件響應(yīng)度越高，但器件較高的結(jié)電容則降低了器件的帶寬；具有較短吸收層長(zhǎng)度的器件具有較高的帶寬，但響應(yīng)度較低。因而，設(shè)計(jì)新型的結(jié)構(gòu)以克服吸收層長(zhǎng)度對(duì)于器件帶寬和響應(yīng)度的制約是十分有意義的。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于Bragg光柵和橫向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的雪崩光電探測(cè)器，其目的在于解決Ge吸收層長(zhǎng)度對(duì)APD器件帶寬和響應(yīng)度的制約。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于Bragg光柵和橫向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的雪崩光電探測(cè)器，包括：襯底；形成于襯底之上的波導(dǎo)，用于光傳輸并將光場(chǎng)耦合到吸收層，同時(shí)作為電荷層對(duì)吸收層和倍增層的電場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)；位于波導(dǎo)兩側(cè)的倍增層，用于提供載流子雪崩倍增效應(yīng)；位于倍增層兩側(cè)并與陰極電極形成歐姆接觸的第一接觸層；位于波導(dǎo)之上的吸收層，用于吸收光子并將其轉(zhuǎn)化成為電子與空穴，以提供光電流；內(nèi)嵌于吸收層上方并與陽(yáng)極電極形成歐姆接觸的第二接觸層；與電源和第一接觸層相連的陰極電極；與電源和第二接觸層相連的陽(yáng)極電極；位于波導(dǎo)末端的Bragg光柵，用于將波導(dǎo)末端出射光場(chǎng)進(jìn)行反射。