本發(fā)明涉及光電探測(cè)器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種硅基鍺光電探測(cè)器。

背景技術(shù)：

在半導(dǎo)體光電探測(cè)器中，光電探測(cè)器暴露于光源時(shí)經(jīng)由探測(cè)材料吸收光能并轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)而輸出電流，可通過此用于光通訊及光探測(cè)。

作為硅基光電集成技術(shù)中的重要代表之一的硅基鍺光電探測(cè)器，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)上不斷優(yōu)化，性能進(jìn)一步提高。根據(jù)其光的入射角度，光電探測(cè)器可分為垂直入射(自由空間)和邊入射(波導(dǎo)集成)這兩種類型。其中波導(dǎo)集成的光電探測(cè)器由于光的傳播和吸收沿著波導(dǎo)方向，而載流子輸運(yùn)則沿著與之相垂直的方向，因此在保持吸收區(qū)厚度不變的前提下，可以通過增大吸收長(zhǎng)度來提高器件的響應(yīng)度。

近年來，各種高性能指標(biāo)的波導(dǎo)集成的硅基鍺光電探測(cè)器不斷被提出，部分性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了商用三五族探測(cè)器的水平。比如現(xiàn)有對(duì)接耦合的Ge波導(dǎo)探測(cè)器，其能在零偏壓下很好地工作在40Gb/s的光纖傳輸系統(tǒng)中，響應(yīng)度0.8A/W，但是器件的暗電流比較大，在-1V下的暗電流達(dá)4μA，器件的暗電流密度達(dá)80A/cm2；又比如采用電感耦合的Ge探測(cè)器，通過引入電感結(jié)構(gòu)來改變器件的等效電路，從而提高RC時(shí)間常數(shù)限制的3dB帶寬，其3dB帶寬達(dá)到60GHz，但是器件的暗電流也比較大，在-2V偏壓下的暗電流是3μA?？傊?，在目前所知波導(dǎo)集成的硅基鍺光電探測(cè)器中，暫未有器件能夠在抑制暗電流的前提下提高帶寬，難以從整體上提高器件的綜合性能指標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種硅基鍺光電探測(cè)器，旨在提高其綜合性能指標(biāo)，以滿足硅基集成高速光通信和光互連系統(tǒng)的要求。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種硅基鍺光電探測(cè)器，包括由上至下依次層疊的光波導(dǎo)層、硅氧化層和硅襯底，所述光波導(dǎo)層包括沿著光信號(hào)的傳 播方向依次分布的光耦合區(qū)、平面光波導(dǎo)區(qū)和光輸出區(qū)，所述光耦合區(qū)上形成有用于接收光信號(hào)并將所述光信號(hào)引導(dǎo)至所述平面光波導(dǎo)區(qū)的耦合光柵；所述硅基鍺光電探測(cè)器還包括疊在所述光輸出區(qū)上的鍺層、疊在所述鍺層上的硅覆蓋層、形成在所述硅覆蓋層上的第一電極和形成在所述光輸出區(qū)上的第二電極，所述鍺層接收來自所述光輸出區(qū)的光信號(hào)并將所述光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

優(yōu)選地，所述硅覆蓋層為N型半導(dǎo)體層，所述光輸出區(qū)為P型半導(dǎo)體層。

優(yōu)選地，所述光波導(dǎo)層還包括自所述光輸出區(qū)的端面沿著光信號(hào)的傳播方向延伸出的光反射區(qū)，所述光反射區(qū)上形成有用于將未被所述鍺層吸收的光信號(hào)反射至所述光輸出區(qū)的反射光柵。

優(yōu)選地，所述反射光柵為布拉格反射光柵。

優(yōu)選地，所述硅覆蓋層上設(shè)有若干間隔排布的第一電極通孔，所述光輸出區(qū)上設(shè)有若干間隔排布的第二電極通孔，所述第一電極插入所述第一電極通孔內(nèi)，所述第二電極插入所述第二電極通孔內(nèi)，并且所述第一電極通孔和所述第二電極通孔內(nèi)分別填充有接觸材料。

優(yōu)選地，所述第一電極通孔為圓形孔，或者所述第一電極通孔和所述第二電極通孔均為圓形孔。

優(yōu)選地，所述接觸材料為摻雜鋁的氮化鉭。

優(yōu)選地，所述第二電極分布在所述硅覆蓋層的相對(duì)兩側(cè)，所述第一電極與兩所述第二電極之間分別通過一片上電阻連接。

優(yōu)選地，所述耦合光柵為全刻蝕光柵、淺刻蝕光柵、均勻光柵和二元閃耀光柵中的一種。

優(yōu)選地，所述硅覆蓋層、鍺層、光波導(dǎo)層、硅氧化層和硅襯底結(jié)合形成堆疊結(jié)構(gòu)，所述硅基鍺光電探測(cè)器還包括形成在所述堆疊結(jié)構(gòu)的表面上的保護(hù)層。

本發(fā)明所提供的一種硅基鍺光電探測(cè)器，先通過光耦合區(qū)將光信號(hào)耦合進(jìn)平面光波導(dǎo)區(qū)，再通過平面光波導(dǎo)區(qū)將光信號(hào)引導(dǎo)至光輸出區(qū)，最后通過倏逝波耦合的方式將光信號(hào)耦合進(jìn)鍺層，從而產(chǎn)生光電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換；由于使用硅覆蓋層，一方面可將其與金屬電極之間的接觸電 阻大大降低，從而降低了RC時(shí)間常數(shù)對(duì)帶寬的限制，另一方面通過堆疊形成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)，從而進(jìn)一步提高了帶寬，而通過引入硅覆蓋層，還可以鈍化和保護(hù)鍺材料的表面，降低器件的暗電流，從而提高了器件的綜合性能指標(biāo)，能更好地滿足高速光通信和光互連系統(tǒng)的要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的硅基鍺光電探測(cè)器一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的硅基鍺光電探測(cè)器中的光耦合部分的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的硅基鍺光電探測(cè)器中的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換主體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的硅基鍺光電探測(cè)器中的光信號(hào)傳播路徑示意圖。

本發(fā)明目的的實(shí)現(xiàn)、功能特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合實(shí)施例，參照附圖做進(jìn)一步說明。

具體實(shí)施方式

應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提供一種硅基鍺光電探測(cè)器，參見圖1至圖3，在一實(shí)施例中，該硅基鍺光電探測(cè)器包括由上至下依次層疊的光波導(dǎo)層120、硅氧化層110和硅襯底100，其中硅襯底100為由硅材料制成的絕緣體，可以通過在硅襯底100上生長(zhǎng)出硅氧化層110，比如硅氧化層110的構(gòu)成材料為二氧化硅，當(dāng)然也可以是其他任意適用的化合物半導(dǎo)體材料，同理，在硅氧化層110上生長(zhǎng)出光波導(dǎo)層120，光波導(dǎo)層120為形成在硅氧化層110上的硅結(jié)構(gòu)，用于接收光信號(hào)并對(duì)光信號(hào)的傳播方向進(jìn)行引導(dǎo)，本發(fā)明的器件采用硅基材料實(shí)現(xiàn)，與CMOS工藝兼容，成本更低。本實(shí)施例中，光波導(dǎo)層120的幾何形狀是任意的，可以根據(jù)器件的實(shí)際應(yīng)用選擇對(duì)應(yīng)的幾何形狀，比如片形、條形或脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，選擇楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換。

具體地，光波導(dǎo)層120包括沿著光信號(hào)的傳播方向依次分布的光耦合區(qū)121、平面光波導(dǎo)區(qū)122和光輸出區(qū)123，其中光耦合區(qū)121上形成有用于接收光信號(hào)并將光信號(hào)引導(dǎo)至平面光波導(dǎo)區(qū)122的耦合光柵1211，該耦合光柵1211 可以通過在光耦合區(qū)121的硅片上刻蝕形成，根據(jù)光信號(hào)的入射方式可以選擇對(duì)應(yīng)的光柵結(jié)構(gòu)，比如耦合光柵1211為全刻蝕光柵、淺刻蝕光柵、均勻光柵和二元閃耀光柵中的一種，如圖2所示，光纖200以一定大小的入射角度將光信號(hào)入射至耦合光柵1211上，d為耦合光柵1211的刻蝕深度，g為耦合光柵1211的刻蝕寬度，γ為耦合光柵1211的脊寬度，則耦合光柵1211的光柵周期T＝g+γ，光柵占空比x＝g/T＝g/(g+γ)，其中占空比定義為每個(gè)光柵周期內(nèi)被刻蝕區(qū)域與光柵周期的比值，可以通過控制T、x、d等參數(shù)控制光柵的耦合效率和光譜寬度等參數(shù)，使光纖200與耦合光柵1211之間的光信號(hào)傳輸穩(wěn)定可靠。

此外，該硅基鍺光電探測(cè)器還包括疊在光輸出區(qū)123上的鍺層130、疊在鍺層130上的硅覆蓋層140、形成在硅覆蓋層140上的第一電極150和形成在光輸出區(qū)123上的第二電極160，其中第一電極150可以是器件的陽極，而第二電極160是器件的陰極，鍺層130接收來自光輸出區(qū)123的光信號(hào)并將該光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可以通過在光輸出區(qū)123的表面上生長(zhǎng)鍺材料而形成鍺層130，比如該鍺層130為I型半導(dǎo)體層，而硅覆蓋層140可以通過化學(xué)氣相沉積的方式來生長(zhǎng)形成，當(dāng)然還可以選擇其他任意適用的制作工藝形成鍺層130和硅覆蓋層140，本發(fā)明對(duì)此不作限制。本實(shí)施例中，到達(dá)光輸出區(qū)123的光信號(hào)可以通過倏逝波耦合的方式進(jìn)入鍺層130并被鍺層130吸收，從而產(chǎn)生光電效應(yīng)，完成光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，最后通過第一電極150和第二電極160輸出電信號(hào)。由于使用硅覆蓋層140，一方面可將其與金屬電極(第一電極150)之間的接觸電阻大大降低，從而降低了RC時(shí)間常數(shù)對(duì)帶寬的限制，另一方面通過堆疊形成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)，從而進(jìn)一步提高了帶寬，而通過引入硅覆蓋層140，還可以鈍化和保護(hù)鍺材料的表面，降低器件的暗電流，從而提高了器件的綜合性能指標(biāo)，能更好地滿足高速光通信和光互連系統(tǒng)的要求。

結(jié)合圖3，在可選實(shí)施方式中，硅覆蓋層140為N型半導(dǎo)體層，光輸出區(qū)123為P型半導(dǎo)體層，比如對(duì)鍺層130上方的硅覆蓋層140摻雜來獲得N型區(qū)，對(duì)光輸出區(qū)123摻雜來獲得P型區(qū)，從而形成垂直的PIN結(jié)構(gòu)。通過采用波導(dǎo)集成的結(jié)構(gòu)，可以克服光信號(hào)垂直入射時(shí)光電探測(cè)器的量子效率和帶寬之間的制約關(guān)系，在獲得高帶寬的同時(shí)，保證了較高的響應(yīng)度。另外，通過采用PIN結(jié)構(gòu)，使得加工工藝簡(jiǎn)單和器件偏置電壓小。

參見圖3，在另一實(shí)施例中，光波導(dǎo)層120還包括自光輸出區(qū)123的端面沿 著光信號(hào)的傳播方向延伸出的光反射區(qū)124，可以理解的是，為了便于形成光發(fā)射區(qū)124，硅襯底100和硅氧化層110的端面分別往光反射區(qū)124的延伸方向延伸出一與該光反射區(qū)124等長(zhǎng)的延伸部，相當(dāng)于由光波導(dǎo)層120、硅氧化層110和硅襯底100結(jié)合形成的堆疊結(jié)構(gòu)的一端整體延伸出一段，并且光反射區(qū)124上形成有用于將未被鍺層130吸收的光信號(hào)反射至光輸出區(qū)123的反射光柵1241，從而提高光信號(hào)的吸收轉(zhuǎn)換效率和改善器件的響應(yīng)度。其中，反射光柵1241與耦合光柵1211的結(jié)構(gòu)相類似，并且在功能上具有一定相似性，用于改變光信號(hào)的傳播方向，比如在光反射區(qū)124上刻蝕出反射光柵1241，本實(shí)施例優(yōu)選采用布拉格反射光柵來將未被鍺層130吸收的光信號(hào)反射回光輸出區(qū)123，光信號(hào)重新得以吸收，從而提高器件的響應(yīng)度。

另外，作為提高器件的響應(yīng)度的另一實(shí)施方式，本實(shí)施例通過減小金屬電極與光信號(hào)的接觸面積來實(shí)現(xiàn)。具體地，硅覆蓋層140上設(shè)有若干間隔排布的第一電極通孔(圖中未示出)，光輸出區(qū)123上設(shè)有若干間隔排布的第二電極通孔，第一電極150插入第一電極通孔內(nèi)，第二電極160插入第二電極通孔內(nèi)，并且第一電極通孔和第二電極通孔內(nèi)分別填充有接觸材料，比如該接觸材料為摻雜鋁的氮化鉭，當(dāng)然也可以采用其他具有低電阻率的氮化物，以使金屬電極與硅覆蓋層140和光輸出區(qū)123充分接觸，從而降低接觸電阻。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可將第一電極通孔構(gòu)造成圓形孔，或者將第一電極通孔和第二電極通孔構(gòu)造成圓形孔，當(dāng)然也可以構(gòu)造成其他任意適用的形狀，并且采用離散分布方式可大大減小金屬電極與光信號(hào)的接觸面積，而將各電極通孔放置在光強(qiáng)弱的位置還能進(jìn)一步減小金屬電極與光信號(hào)的接觸面積，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)根據(jù)器件的結(jié)構(gòu)布局控制電極通孔的尺寸和分布位置來提高器件的響應(yīng)度。

而為了更進(jìn)一步提高帶寬，使得器件的綜合性能指標(biāo)滿足高速光通信和光互連系統(tǒng)的要求，結(jié)合圖3，第二電極160分布在硅覆蓋層140的相對(duì)兩側(cè)，第一電極150與兩第二電極160之間分別通過一片上電阻(圖未示)連接，比如該片上電阻的電阻值為100Ω，即兩個(gè)片上電阻并聯(lián)后形成50Ω的匹配電阻，從而使得器件的等效電阻為50Ω，以此來減小由于阻抗不匹配而引入的高頻信號(hào)的反射，從而提高帶寬，同時(shí)避免了測(cè)試時(shí)需外接匹配電阻帶來的復(fù)雜操作。其中片上電阻的形成方式有多種，比如采用氮化鈦或其他金屬材 料來制作成型。需要說明的是，上述所列舉的電阻值僅為舉例說明，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)器件的特性、參數(shù)等靈活選擇，本發(fā)明對(duì)此不作限制。

另外在以上各實(shí)施例的基礎(chǔ)上，還可以通過在器件的表面上覆蓋保護(hù)材料來保護(hù)器件的表面，其中硅覆蓋層140、鍺層130、光波導(dǎo)層120、硅氧化層110和硅襯底100結(jié)合形成堆疊結(jié)構(gòu)，硅基鍺光電探測(cè)器還包括形成在該堆疊結(jié)構(gòu)的表面上的保護(hù)層(圖未示)，從而保證光信號(hào)在堆疊結(jié)構(gòu)內(nèi)完成傳播、光電轉(zhuǎn)換等。在具體應(yīng)用時(shí)，可選用二氧化硅作為保護(hù)層的制作材料，比如采用化學(xué)氣相沉積的方法在堆疊結(jié)構(gòu)的表面上生長(zhǎng)出保護(hù)層。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，首先優(yōu)選地減小器件本征區(qū)(即鍺層130)的厚度，在保證器件響應(yīng)度的同時(shí)，提高了器件理論帶寬的上限；另外，在電極上增加匹配電阻，以減小由于阻抗不匹配而引入的高頻信號(hào)的反射和損耗，從而提高帶寬，同時(shí)也避免了測(cè)試時(shí)需外接匹配電阻帶來的復(fù)雜操作；再者，由于增加硅覆蓋層140，因此可以獲得低的暗電流和高的帶寬；最后，還通過增加反射光柵1241，改變電極通孔的形狀、大小和分布方式來保證了高響應(yīng)度。由此，本發(fā)明通過集各高性能指標(biāo)于一體，能更好地滿足高速光通信和光互連系統(tǒng)的要求。

以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。