高效率频宽乘积锗光探测器

摘要

本发明公开了一种高效率频宽乘积锗光探测器，通过在硅基板上蚀刻一开口向下的凹槽，并于凹槽内部周缘镀制一金属反射镜面层，再于光探测器上加一介电质反射镜面层，且于金属反射镜面层与介电质反射镜面层间夹置一锗吸光层，其可为P-I-N结构或其它类型结构；通过上述结构配上共振腔的临界耦合公式调整，可将所有入射光完全闭锁于金属反射镜面层与介电质反射镜面层之间的腔体构造内而达成临界耦合，可具有接近百分之百吸收效率而不漏光，进而可在临界耦合的基础上突破频宽与效率之间的取舍而达到超过50GHz的高响应度与高频宽的目的，以增加光转电吸收的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光探测器，尤其涉及一种高效率频宽乘积锗光探测器，特 别指经由上、下反射镜可将所有入射光完全闭锁于其间的腔体构造内而达成临 界耦合，可具有接近百分之百吸收效率而不漏光，进而可在临界耦合的基础上 突破频宽与效率之间的取舍而达到高响应度与高频宽的目的，以增加光转电吸 收的效率。

背景技术

目前，光探测器技术已发展成熟，且运用于多种光通讯产品。在半导体光 探测器中，光探测器暴露于光源时经由感测体吸收光能并转换成电子信号而输 出电流，可通过此用于光通讯及光探测。

在光学期刊《OPTICS EXPRESS》18,16474,2010中标题为“高灵敏度的 10Gbps硅上锗光接收器操作在”（Jiho Joo,“High-sensitivity 10Gbps Ge-on-Si photoreceiver operating at”，OPTICS EXPRESS 16479,2010）一文中提出了一种以垂直面照式硅上锗光探测器为基础的高灵敏 度光接收器。制作具有90μm直径台面的PIN光探测器的-3dB频宽为7.7GHz， 以及在对应于72%的外部量子效率为0.9A/W的响应度。一TO-can 封装锗光接收器在10Gbps的数据率为10-12的BER展现-18.5dBm的灵敏度。 该结果证明符合成本效益的硅上锗光接收器，及可以随时替换III-V相对物而用 于光通信的能力。然而，此已用技术虽有较高的响应度，但频宽较低。

且在应用物理通信《APPLIED PHYSICS LETTERS》95,151116,2009中标 题为“40Gb/s的面照射式硅上锗光探测器”（Johann Osmond,40Gb/s surface-illuminated Ge-on-Si photodetectors,APPLIED PHYSICS LETTERS95, 151116,2009）一文中提出了一种描述单芯片整合在硅基板上并在C与L波段 操作的面照式锗光探测器。无偏压锗台式直径范围从分别在波长为 1.5μm的范围从A/W的响应。在波长为1.5μm的一5V的反偏压下 测得的-3dB截止频率高达49GHz。另展示一个开放高达40Gb/s的眼图。此已 用制作具有15μm直径台面的PIN光探测器的-3dB频宽为40GHz，以及在对应于10%的外部量子效率为0.12A/W的响应度，虽然可通过此提高 频宽，但在频宽被改善而提高时，响应度却下降。

另外，在高速光纤网络的市场中，垂直共振腔面射型激光（Vertical Cavity  Surface Emitting Laser,VCSEL）的结构中虽有提出于发光层上下使用多层膜反 射层（Distributed Bragg Reflector,DBR），但VCSEL为一种发光组件结构，而 光探测器则是一种吸光组件的结构，两者不同的原理有不同的作用，VCSEL中 的DBR虽是被当作共振腔两面的反射镜使用，但其材料为非金属材料，因此无 论在材料的选择与结构的设计上均不相同，非相似技术。

再者，如图4所示，其为一种已用光探测器可整合的光耦合装置，其在基 板300下方蚀刻一斜面，并镀上一第一全反射表面353，而另一斜面镀上一第 二全反射表面354，当入射光进入抗反射膜352之后碰到第一全反射表面353， 光被反射入光探测器360，部分光被光探测器360吸收，部分光则反射至第二 全反射表面354，再反射至第三全反射表面351，并从第三全反射表面351经反 射至第二全反射表面354最后反射至光探测器360吸收。然而，该技术的光探 测器360并无提及厚度范围，因此其可能很薄也可能很厚。当很厚时该光探测 器具有低频宽，若很薄时该光探测器则吸收不了全部的光线将致使光线从原路 径折回而发生漏光的问题。因此图4所示的光探测器无法达到高效率频宽乘积。 并且，此技术于基板300下方的反射表面无法做成平面结构，设计明显受限， 其基板300下方斜度也需要在某一个角度才能有效反射，若角度没计算好，或 制作过程中稍微偏差，则将导致光反射时出现路径差，进而影响吸光效率。故， 一般已用产品无法符合使用者在实际使用时达到完全不漏光需要。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种高效率频宽乘积锗光探 测器，可在临界耦合的基础上突破频宽与效率之间的取舍而提高响应度与频宽。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：

一种高效率频宽乘积锗光探测器，包括：一硅基板，具有一开口向下的凹 槽；一金属反射镜面层，沿着该硅基板的凹槽内部周缘设置而具有开口向下的 结构；一吸收层，设置在该金属反射镜面层之上，该吸收层具有一PIN结构， 该PIN结构具有一P型非晶硅层、一I型锗层以及一N型磊晶硅层；以及一介 电质反射镜面层，设置在该吸收层之上，搭配该金属反射镜面层形成一使光线 产生多次反射的共振腔；其中，该介电质反射镜面层与该金属反射镜面层的反 射率比值等于共振腔内的吸收率，通过共振腔的临界耦合，使所有入射光闭锁 于该金属反射镜面层与该介电质反射镜面层之间的共振腔内，达到百分之百的 吸收效率。

作为优选方案，该吸收层与该金属反射镜面层之间设置有一埋入氧化层。

作为优选方案，该金属反射镜面层以平表面形式设置在该吸收层之下。

作为优选方案，该介电质反射镜面层为分布式布拉格反射镜。

作为优选方案，该金属反射镜面层的直径大于该介电质反射镜面层。

作为优选方案，该吸收层中N型磊晶硅层的厚度介于200～300nm范围。

作为优选方案，该共振腔的临界耦合经由下列公式使该介电质反射镜面层 与该金属反射镜面层的反射率比值等于共振腔内的吸收率，使其在此条件下达 到理论上百分之百吸收效率：

$\frac{r_D}{r_M}=e^{-n_i{k}_{0}2d},$

其中，该r_M为金属反射镜面层的反射率；以及该r_D为介电质反射镜面层的 反射率。

作为优选方案，该P型非晶硅层的部分区域设置一P型欧姆接触层。

作为优选方案，该P型欧姆接触层上更进一步包含一金属导电层。

作为优选方案，该N型磊晶硅层的部分区域设置一N型欧姆接触层。

作为优选方案，该N型欧姆接触层上更进一步包含一金属导电层。

本发明提供的另一种技术方案：一种高效率频宽乘积锗光探测器，包括： 一第一反射层，包含分布式布拉格反射镜结构；一第二反射层，包含一金属反 射镜面层；一吸收层包含一锗层，分布于所述第一反射层及所述第二反射层中， 形成一共振腔；其中，该第一反射层与该第二反射层的反射率比值等于共振腔 内的吸收率，通过共振腔的临界耦合，使所有入射光闭锁于该第二反射层与该 第一反射层之间的共振腔体内，达到百分之百的吸收效率。

作为优选方案，该吸收层与该第二反射层之间设置有一埋入氧化层。

作为优选方案，该吸收层包含一PIN结构，该PIN结构具有一P型非晶硅 层、一I型锗层以及一N型磊晶硅层。

本发明达到的技术效果如下：本发明高效率频宽乘积锗光探测器经由上、 下反射镜将所有入射光完全闭锁于其间的腔体构造内而达成临界耦合，可具有 接近百分之百吸收效率而不漏光，进而可在临界耦合的基础上突破频宽与效率 之间的取舍而达到高响应度与高频宽的效果，以增加光转电吸收的效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明运用时的光闭锁状态示意图；

图3为本发明一具体实施例的结构示意图；

图4为一种已用光探测器可整合的光耦合装置示意图。

【符号说明】

硅基板  11、21；

倒U字型凹槽  111、211；

金属反射镜面层  12、12a、22；

埋入氧化层  13、23；

吸收层  14、24；

P型非晶硅层  141、241；

I型锗层  142、242；

N型磊晶硅层  143、243；

介电质反射镜面层  15、25；

P型欧姆接触层  26；

P型金属导电层  261；

N型欧姆接触层  27；

N型金属导电层  271；

基板  300；

第三全反射表面  351；

抗反射膜  352；

第一全反射表面  353；

第二全反射表面  354；

光探测器  360。

具体实施方式

请参阅图1及图2所示，分别为本发明的结构示意图以及本发明运用时的 光闭锁状态示意图。如图所示：本发明一种高效率频宽乘积锗光探测器，其至 少包括一硅基板11、一金属反射镜面层（Metal Mirror）12、一埋入氧化层（Buried  Oxide,BOX）13、一吸收层14以及一介电质反射镜面层（Dielectric Mirror）15 所组成。

该硅基板11具有一开口向下的倒U字型凹槽111。

该金属反射镜面层12沿着该硅基板11的倒U字型凹槽111内部周缘设置 而具有开口向下的倒U字型结构。

该埋入氧化层13设置在该金属反射镜面层12之上。

该吸收层14设置在该埋入氧化层13之上，该吸收层14具有一PIN结构， 该PIN结构包含有一P型非晶硅层（a-Si）141、一I型锗层142以及一N型磊 晶硅层（epi-Si）143。

该介电质反射镜面层15设置在该吸收层14之上，配合该金属反射镜面层 12形成一使光线产生多次反射的共振腔。

上述所提的金属反射镜面层12的直径大于该介电质反射镜面层15，且该 金属反射镜面层12的形状结构也可以平表面形式设置，如图2所示的金属反射 镜面层12a。

本发明通过由下列公式达成共振腔的临界耦合（Resonance-Critical  Coupling），使该介电质反射镜面层15与该金属反射镜面层12的反射率比值等 于共振腔内的吸收率，使所有入射光闭锁于该金属反射镜面层12与该介电质反 射镜面层15之间的共振腔内，达到理论上百分之百吸收效率，如图2所示的光 闭锁状态。该公式为：

$\frac{r_D}{r_M}=e^{-n_i{k}_{0}2d},$

其中，该r_M为金属反射镜面层的反射率；以及该r_D为介电质反射镜面层的 反射率。

如是，通过上述结构构成一全新的高效率频宽乘积锗光探测器。

请参阅图3所示，为本发明一具体实施例的结构示意图。如图所示：本发 明的高效率频宽乘积锗光探测器，在一具体实施例中，包括一硅基板21、一金 属反射镜面层22、一埋入氧化层23、一吸收层24、一介电质反射镜面层25、 一P型欧姆接触层26以及一N型欧姆接触层27所组成。其中，本发明光探测 器可选择性地更包含一P型金属导电层261及一N型金属导电层271，通过连 接并导通该吸收层24。

该硅基板21具有一开口向下的倒U字型凹槽211。

该金属反射镜面层22沿着该硅基板21的倒U字型凹槽211内部周缘设置 而具有开口向下的倒U字型结构。

该埋入氧化层23设置在该金属反射镜面层22之上，其厚度约2～3μm。

该吸收层24设置在该埋入氧化层23之上，该吸收层24具有一PIN结构， 该PIN结构包含有一P型非晶硅层241、一I型锗层242以及一厚度约200～ 300nm的N型磊晶硅层243。

该介电质反射镜面层25为分布式布拉格反射镜（Distributed Bragg reflector, DBR），设置在该吸收层24之上，配合该金属反射镜面层22形成一使光线产生 多次反射的共振腔。

该P型欧姆接触层26为P型掺杂的硅化镍（NiSi），用以作为P型电极。 该P型欧姆接触层26设置在该P型非晶硅层241的部分区域，且在该P型欧 姆接触层26上可进一步包含该P型金属导电层261，其中，该P型金属导电层 261可为铝金属。

该N型欧姆接触层27为N型掺杂的硅化镍，用以作为N型电极。该N型 欧姆接触层27设置在该N型磊晶硅层243的部分区域，且在该N型欧姆接触 层27上可进一步包含该N型金属导电层271，其中，该N型金属导电层271 可为铝金属。

通过上述结构配上经由前述公式调整，使该介电质反射镜面层与该金属反 射镜面层的反射率比值等于共振腔内的吸收率，可将所有入射光完全闭锁于该 金属反射镜面层与该介电质反射镜面层之间的共振腔体内而达成临界耦合，可 具有接近百分之百吸收效率而不漏光，进而可在临界耦合的基础上突破频宽与 效率之间的取舍而达到50GHz的高响应度与高频宽的目的，以增加光转电吸 收的效率。

综上所述，本发明为一种高效率频宽乘积锗光探测器，可有效改善已用的 种种缺点，通过在硅基板上蚀刻一开口向下的倒U字型凹槽，并于倒U字型凹 槽内部周缘镀制一为倒U字型结构的金属反射镜面层（Metal Mirror），再于光 探测器上加一介电质反射镜面层（Dielectric Mirror），且在金属反射镜面层与介 电质反射镜面层间夹置一P-I-N结构或其它类型结构；此一结构配上共振腔的 临界耦合（Critical Coupling）公式调整，可将所有入射光完全闭锁于金属反射 镜面层与介电质反射镜面层之间的共振腔体内而达成临界耦合，可具有接近百 分之百吸收效率而不漏光，进而可在临界耦合的基础上突破频宽与效率之间的 取舍而达到50GHz的高响应度与高频宽的目的，以增加光转电吸收的效率， 进而使本发明的产生能更进步、更实用、更符合使用者所须。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范 围。