專利名稱：一種探測功率范圍可調(diào)的光電探測器及其列陣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種涉及一種探測功率范圍的光電探測器，特別是指一種探測功率范圍可調(diào)的光電探測器及其列陣。
可變光學(xué)衰減器和光電探測器是波分復(fù)用系統(tǒng)中的兩個關(guān)鍵器件?？勺児鈱W(xué)衰減器是用來進(jìn)行功率衰減和均衡的器件。光電探測器的主要功能是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，使信息處理更為方便。波分復(fù)用系統(tǒng)的發(fā)展要求器件向小型化和集成化的方向發(fā)展。
本發(fā)明一種探測功率范圍可調(diào)的光電探測器及其列陣，包括一個可以提供光信號衰減功能的波導(dǎo)型光學(xué)衰減器、能對光信號進(jìn)行探測的波導(dǎo)型光電探測器，其特征在于，其中該波導(dǎo)型光電探測器通過其硅波導(dǎo)層與波導(dǎo)型光學(xué)衰減器相連，利用光學(xué)衰減器對光信號連續(xù)衰減的功能來實現(xiàn)對進(jìn)入光電探測器的光信號的強(qiáng)度的調(diào)節(jié)從而實現(xiàn)實現(xiàn)光電探測器的探測功率范圍可調(diào)，將多個這種類型的光電探測器集成在一塊芯片上制成列陣，能夠?qū)Σǚ謴?fù)用系統(tǒng)中不同強(qiáng)度的、多個波長的光信號同時進(jìn)行功率均衡和探測。
光學(xué)衰減器必須采用波導(dǎo)型光學(xué)衰減器的結(jié)構(gòu)，光電探測器必須采用波導(dǎo)型光電探測器的結(jié)構(gòu)。
光學(xué)衰減器直接形成于SOI(SOI在半導(dǎo)體領(lǐng)域沒有相應(yīng)的中文解釋)材料的硅波導(dǎo)層上，光學(xué)衰減器之上還要形成上包層，光電探測器的光電探測層生長于SOI材料的硅波導(dǎo)層上，利用SOI材料的硅波導(dǎo)層來形成光電探測器與光學(xué)衰減器集成的結(jié)構(gòu)，并提供光信號進(jìn)入光電探測層的耦合結(jié)構(gòu)。
光電探測器的光電探測層可以是硅鍺合金結(jié)構(gòu)或者是硅鍺/硅多量子阱結(jié)構(gòu)。
無論是采用硅鍺合金結(jié)構(gòu)還是硅鍺/硅多量子阱結(jié)構(gòu)，該光電探測器的光電探測層的厚度要滿足以下要求，一方面，要保證對入射光信號的充分吸收，另一方面，要保證在SOI材料硅波導(dǎo)層上生長的硅鍺合金和硅鍺/硅多量子阱結(jié)構(gòu)的晶格完整性。
用于調(diào)節(jié)入射光信號功率的可變光學(xué)衰減器可以是Y分支型結(jié)構(gòu)、定向耦合器型結(jié)構(gòu)、多模干涉型結(jié)構(gòu)。
可以用熱光效應(yīng)或者等離子體色散效應(yīng)來提供光學(xué)衰減器實現(xiàn)衰減功能所需要的位相差；對于采用熱光效應(yīng)的光學(xué)衰減器，上包層二氧化硅材料的厚度必須首先保證金屬加熱電極及電極引線的存在不引起光信號額外的傳輸損耗，還要保證金屬加熱電極產(chǎn)生的熱量能盡可能快地傳到硅波導(dǎo)層，提高光學(xué)衰減器的響應(yīng)速度。
整個器件的后端面的傾角要大于90度，該傾角要保證從其端面反射的光信號正好投射到光電探測器的光電探測層的底部，并在其上鍍上一層增反膜，保證未進(jìn)入光電探測器光電探測層的光信號能夠被反射回去，保證光電探測器對入射光信號高的量子效率。
光電探測器的光電探測層的長度應(yīng)該選擇合適，保證光電探測器的響應(yīng)速度能滿足通信網(wǎng)絡(luò)的要求。
請參閱

圖1所示，其是多模干涉型光學(xué)衰減器的立體示意圖，多模干涉型光學(xué)衰減器在水平方向由三部分組成1×2光學(xué)分束器104，相位調(diào)制區(qū)105，2×1光學(xué)合束器106。在垂直方向上主要有四層硅襯底層101、掩埋二氧化硅層102、硅波導(dǎo)層103，為了減小器件的傳輸損耗和外界信號的干擾，在硅波導(dǎo)層103之上還要再沉積一層上包層，一般采用二氧化硅作為上包層材料。對于采用熱光效應(yīng)的光學(xué)衰減器，在二氧化硅層之上還要有加熱電極和電極引線。由于金屬的折射率具有很大的虛部，因而光信號在其中傳播時將受到很大的光衰減，所以，為了盡可能減小光信號的傳輸損耗，要求上包層二氧化硅具有足夠的厚度，保證金屬加熱電極及電極引線的存在不會引起光信號額外的傳輸損耗。另外，由于二氧化硅的熱導(dǎo)率(σSiO2＝0.014W/cm.K)比硅(σSiO2＝1.7W/cm.K)小近100倍，所以上包層SiO2的厚度不能太厚，以保證金屬加熱電極產(chǎn)生的熱量能盡可能快地傳到硅波導(dǎo)層103，提高光學(xué)衰減器的響應(yīng)速度。對于采用等離子體色散效應(yīng)的光學(xué)衰減器，還要在硅波導(dǎo)層103上形成P+和N+摻雜，然后還要形成電極引線。
在通常情況下，由于光學(xué)衰減器與光電探測器所采用的工藝不兼容，所以很難實現(xiàn)光學(xué)衰減器與光電探測器的單片集成。從材料性質(zhì)方面看，硅鍺(SiGe)材料的禁帶寬度隨鍺(Ge)組分增加而降低；另一方面，在Si襯底上生長的SiGe層由于應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)致帶隙收縮，從而引起吸收邊紅移。利用SiGe這兩個方面的特點，可以通過改變組分和調(diào)整應(yīng)力制作探測波長范圍在1.1～1.6μm的SiGe光電探測器。但是，由于SiGe材料仍然為間接帶隙材料，對光的吸收系數(shù)比III-V族半導(dǎo)體材料低3-5個數(shù)量級，為了增加光電探測器的量子效率，本發(fā)明將光學(xué)衰減器制成波導(dǎo)型的結(jié)構(gòu)。
請參閱圖2，其是光電探測器的立體示意圖，它包括硅襯底層101，掩埋二氧化硅層102、硅波導(dǎo)層103、光電探測層(可以是SiGe合金結(jié)構(gòu)、SiGe/Si多量子阱結(jié)構(gòu))201、P+摻雜層202、N+摻雜層203，金屬電極層204。光電探測層201位于硅波導(dǎo)層103之上。當(dāng)有光信號從輸入波導(dǎo)進(jìn)入光電探測器區(qū)的硅波導(dǎo)層103時，由于其上SiGe層具有更大的材料折射率(SiGe合金的材料折射率隨著Ge組分的增加而增加)，根據(jù)導(dǎo)波光學(xué)中的折射率定則在一個像波導(dǎo)這樣的與光傳播方向相平行的多層結(jié)構(gòu)中，光趨向于在折射率最大的區(qū)域中傳播，光信號將趨向于向光電探測層201中傳播，利用這種方式就能夠?qū)崿F(xiàn)對輸入光信號的探測功能。通過這種方式實現(xiàn)高效率的耦合，往往需要較長的傳播距離，從而增加了光電探測器的面積，使結(jié)電容相應(yīng)增加，而這對光電探測器的響應(yīng)速度將造成重要影響。我們將光電探測器后的波導(dǎo)區(qū)的后端面刨成一定傾角，并在其上鍍上一層增反膜301，將輸入光信號反射回光電探測器區(qū)的硅波導(dǎo)層103中，光電探測器后的波導(dǎo)區(qū)的后端面傾角必須保證從該端面反射回去的光信號正好在光電探測器光電探測層的光接收面上。這樣，由于光在向回傳播的過程中會繼續(xù)耦合進(jìn)光電探測層，另外光信號也會直接進(jìn)入光電探測層。這樣就保證了光電探測器對入射光信號高的量子效率。
下面來介紹這種集成化器件的工作原理如圖3所示，從光學(xué)衰減器出來的光信號通過其輸出波導(dǎo)進(jìn)入光電探測器區(qū)，光電探測器區(qū)的光電探測層201是由SiGe/Si多層膜組成，由于SiGe的材料折射率隨著Ge組分的增加而增大，所以，在光電探測器區(qū)中不能形成很好的導(dǎo)波，光信號將耦合進(jìn)入SiGe/Si多層膜中。隨著光電探測器區(qū)長度的增加，將有更多的光信號能量耦合進(jìn)入光電探測層201，從而大大提高了光電探測器的量子效率。但是在提高光電探測器量子效率的同時，由于光電探測器長度的增加會增加整個器件的面積，使得結(jié)電容相應(yīng)增大，光電探測器的響應(yīng)速度會相應(yīng)地有所下降。為了保證光電探測器既有一定的量子效率，又有一定的響應(yīng)速度，我們采用如圖3所示的結(jié)構(gòu)，首先保證光電探測器具有較高的響應(yīng)速度，這要求光電探測器的長度比較短，因而，從光學(xué)衰減器耦合進(jìn)來的光信號只有一部分進(jìn)入到光電探測器的光電探測層201中，另外一部分光信號將進(jìn)入光電探測器之后的波導(dǎo)區(qū)中。我們將波導(dǎo)區(qū)的尾端刨成一定的傾角，并鍍上一層增反膜301。這樣，未耦合進(jìn)光電探測層的光信號在到達(dá)波導(dǎo)區(qū)的尾部時將全部被反射回去，返回的光束在經(jīng)過光電探測層201時，由于導(dǎo)波光學(xué)的折射率定則，又有一部分耦合進(jìn)光電探測層201中。只要端面傾角設(shè)計的合適，我們就能使從其端面反射回去的光束全部進(jìn)入光電探測器的光電探測層201中，從而提高了光電探測器對入射光信號的量子效率。這樣，通過本發(fā)明提供的方法就實現(xiàn)了既具有高的量子效率又具有快的效應(yīng)速度的光電探測器。當(dāng)入射光的功率過高的時候，或者說當(dāng)光電探測器達(dá)到吸收飽和時，可以通過調(diào)節(jié)光學(xué)衰減器的工作電流或者是電壓，將入射光的功率衰減到光電探測器能夠正常探測的范圍，這樣，就大大提高了光電探測器可以探測的光功率范圍，原則上講，這種類型的光電探測器能夠探測大于某閾值功率的任何強(qiáng)度的光信號。另外，將多個這種集成了光學(xué)衰減器的光電探測器集成在一起做成陣列，就能夠?qū)牟ǚ謴?fù)用系統(tǒng)中出來的具有不同強(qiáng)度的多個波長的光信號同時實現(xiàn)功率均衡和探測的功能。
為了更好地理解本發(fā)明，下面以采用等離子體色散效應(yīng)實現(xiàn)相位調(diào)制的光學(xué)衰減器與光電探測器集成為例，具體介紹實施本發(fā)明的工藝步驟1、熱氧化SOI硅片，在光學(xué)衰減器區(qū)和光電探測器區(qū)的特定位置上光刻腐蝕出P+注入窗口，在SOI材料的硅波導(dǎo)層103上形成P+摻雜層202，然后去掉SiO2層。
2、用光刻膠或者其他的材料掩蓋住光電探測器區(qū)，利用常規(guī)硅刻蝕工藝在光學(xué)衰減器區(qū)刻蝕出光學(xué)衰減器的波導(dǎo)圖形，光電探測器區(qū)的硅不被刻蝕。光學(xué)衰減器可以采用Y分支型結(jié)構(gòu)、定向耦合器結(jié)構(gòu)或者多模干涉型結(jié)構(gòu)。然后去掉掩蔽用的光刻膠。
3、用光刻膠或者是其他的掩蔽材料將光學(xué)衰減器區(qū)蓋好，在光電探測器區(qū)生長SiGe光電探測層，其組份根據(jù)系統(tǒng)的工作波長來選擇，使光電探測層201的帶隙能量小于系統(tǒng)工作波長對應(yīng)的能量，以保證進(jìn)入光電探測層201的光信號能盡可能多地被吸收。在實際生長過程中SiGe層的厚度受臨界厚度的限制，為了生長足夠厚的光電探測層，需要生長SiGe/Si多量子阱結(jié)構(gòu)。
4、用PECVD生長SiO2層，在光學(xué)衰減器區(qū)和光電探測器區(qū)的特定位置上光刻并腐蝕出N+窗口，然后形成N+摻雜層203。
5、濺射一層金屬膜，然后刻蝕出金屬電極層204及電極引線圖形。
對于采用熱光效應(yīng)實現(xiàn)相位調(diào)制的可變光學(xué)衰減器與光電探測器集成的情況，其工藝可以采用如下步驟1、用光刻膠或者是其他的材料掩蓋住光電探測器區(qū)，利用常規(guī)硅刻蝕工藝在光學(xué)衰減器區(qū)刻蝕出光學(xué)衰減器的波導(dǎo)圖形，光電探測器區(qū)的硅不被刻蝕。
2、用PECVD方法或者熱氧化的方法在光學(xué)衰減器區(qū)和光電探測器區(qū)生長一層二氧化硅層，要求該層二氧化硅膜的厚度滿足(1)頂層的金屬加熱電極和電極引線的存在不會使光信號受到額外的吸收損耗。(2)使得金屬加熱電極產(chǎn)生的熱量盡可能快的傳到波導(dǎo)芯區(qū)，以提高光學(xué)衰減器的響應(yīng)速度。在光電探測器區(qū)光刻并腐蝕出P+摻雜窗口，然后形成P+摻雜層202。
3、去掉SiO2，生長SiGe多量子阱光電探測層201。
4、在光學(xué)衰減器區(qū)和光電探測器區(qū)的特定位置上光刻并腐蝕出N+窗口，然后實現(xiàn)N+摻雜層203。
5、用光刻膠或者是其他的材料掩蓋住光電探測器區(qū)，濺射一層金屬Ti或NiCr等金屬，刻蝕出加熱電極。
6、濺射一層金屬膜，然后刻蝕出金屬電極層204及電極引線圖形。
權(quán)利要求
1.一種探測功率范圍可調(diào)的光電探測器及其列陣，包括一個可以提供光信號衰減功能的波導(dǎo)型光學(xué)衰減器、能對光信號進(jìn)行探測的波導(dǎo)型光電探測器，其特征在于，其中該波導(dǎo)型光電探測器通過其硅波導(dǎo)層與波導(dǎo)型光學(xué)衰減器相連，利用光學(xué)衰減器對光信號連續(xù)衰減的功能來實現(xiàn)對進(jìn)入光電探測器的光信號的強(qiáng)度的調(diào)節(jié)從而實現(xiàn)實現(xiàn)光電探測器的探測功率范圍可調(diào)，將多個這種類型的光電探測器集成在一塊芯片上制成列陣，能夠?qū)Σǚ謴?fù)用系統(tǒng)中不同強(qiáng)度的、多個波長的光信號同時進(jìn)行功率均衡和探測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測功率范圍可調(diào)的光電探測器及其列陣，其特征在于，光學(xué)衰減器必須采用波導(dǎo)型光學(xué)衰減器的結(jié)構(gòu)，光電探測器必須采用波導(dǎo)型光電探測器的結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的探測功率范圍可調(diào)的光電探測器及其列陣，其特征在于，光學(xué)衰減器直接形成于SOI材料的硅波導(dǎo)層上，光學(xué)衰減器之上還要形成上包層，光電探測器的光電探測層生長于SOI材料的硅波導(dǎo)層上，利用SOI材料的硅波導(dǎo)層來形成光電探測器與光學(xué)衰減器集成的結(jié)構(gòu)，并提供光信號進(jìn)入光電探測層的耦合結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測功率范圍可調(diào)的光電探測器及其列陣，其特征在于，光電探測器的光電探測層可以是硅鍺合金結(jié)構(gòu)或者是硅鍺/硅多量子阱結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測功率范圍可調(diào)的光電探測器及其列陣，其特征在于，無論是采用硅鍺合金結(jié)構(gòu)還是硅鍺/硅多量子阱結(jié)構(gòu)，該光電探測器的光電探測層的厚度要滿足以下要求，一方面，要保證對入射光信號的充分吸收，另一方面，要保證在SOI材料硅波導(dǎo)層上生長的硅鍺合金和硅鍺/硅多量子阱結(jié)構(gòu)的晶格完整性。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測功率范圍可調(diào)的光電探測器及其列陣，其特征在于，用于調(diào)節(jié)入射光信號功率的可變光學(xué)衰減器可以是Y分支型結(jié)構(gòu)、定向耦合器型結(jié)構(gòu)、多模干涉型結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測功率范圍可調(diào)的光電探測器及其列陣，其特征在于，可以用熱光效應(yīng)或者等離子體色散效應(yīng)來提供光學(xué)衰減器實現(xiàn)衰減功能所需要的位相差；對于采用熱光效應(yīng)的光學(xué)衰減器，上包層二氧化硅材料的厚度必須首先保證金屬加熱電極及電極引線的存在不引起光信號額外的傳輸損耗，還要保證金屬加熱電極產(chǎn)生的熱量能盡可能快地傳到硅波導(dǎo)層，提高光學(xué)衰減器的響應(yīng)速度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測功率范圍可調(diào)的光電探測器及其列陣，其特征在于，整個器件的后端面的傾角要大于90度，該傾角要保證從其端面反射的光信號正好投射到光電探測器的光電探測層的底部，并在其上鍍上一層增反膜，保證未進(jìn)入光電探測器光電探測層的光信號能夠被反射回去，保證光電探測器對入射光信號高的量子效率。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測功率范圍可調(diào)的光電探測器及其列陣，其特征在于，光電探測器的光電探測層的長度應(yīng)該選擇合適，保證光電探測器的響應(yīng)速度能滿足通信網(wǎng)絡(luò)的要求。
全文摘要
本發(fā)明一種探測功率范圍可調(diào)的光電探測器及其列陣，包括一個可以提供光信號衰減功能的波導(dǎo)型光學(xué)衰減器、能對光信號進(jìn)行探測的波導(dǎo)型光電探測器，其中該波導(dǎo)型光電探測器通過其硅波導(dǎo)層與波導(dǎo)型光學(xué)衰減器相連，利用光學(xué)衰減器對光信號連續(xù)衰減的功能來實現(xiàn)對進(jìn)入光電探測器的光信號的強(qiáng)度的調(diào)節(jié)從而實現(xiàn)實現(xiàn)光電探測器的探測功率范圍可調(diào)，將多個這種類型的光電探測器集成在一塊芯片上制成列陣，能夠?qū)Σǚ謴?fù)用系統(tǒng)中不同強(qiáng)度的、多個波長的光信號同時進(jìn)行功率均衡和探測。
文檔編號G02B1/00GK1450746SQ0210549
公開日2003年10月22日 申請日期2002年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月5日
發(fā)明者楊林, 劉育梁, 王啟明 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所