基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器

摘要

本发明提供了一种基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器，涉及集成光电子技术领域。工作时在阴极和阳极加载反偏电压，通过吸光层对脊型波导的脊部呈半包围分布的结构，吸光层可对硅脊波导的顶部和两侧接触面传递的光信号进行高效吸收，在吸光层尺寸相同的条件下，本发明实施例中吸光层对光的吸收效率可达87.1％(归一化数据)，并提高吸光层对光的吸收效率、光生电流以及响应度，进而提高光电转换能力。且与常规的基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器相比，本发明中，波导的宽度和厚度符合相同工艺要求，吸光层的宽度、厚度相同。对吸光层生长工艺精度的要求并无量级上的提升。

说明书

技术领域

本发明涉及集成光电子技术领域，具体涉及一种基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器。

背景技术

光电探测器是利用内光电效应进行光电探测。目前基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器主要采用波导耦合方式，其中又分为对接耦合和倏逝波耦合两种。倏逝波耦合是将波导放置在探测器的顶部或者下面，使入射光通过波导的传输以倏逝波的形式耦合到探测器中。

常规的基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器的截面掺杂如图1所示，包括波导、吸光层、阴极、阳极和包裹层、低浓度P+掺杂区、高浓度P++掺杂区、高浓度N++掺杂区；其中，阳极设置在高浓度P++掺杂区上；阴极设置在高浓度N++掺杂区上；吸光层设置在低浓度P+掺杂区上；包裹层对阴极除顶端部分、阳极除顶端部分、波导、吸光层、低浓度P+掺杂区、高浓度P++掺杂区、高浓度N++掺杂区进行包裹。

但常规的基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器的锗吸光层对光的吸收效率、光生电流、响应度等光电转换能力不高，无法满足日益增长的需求。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器，解决了常规的基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器光电转换能力不高的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器，包括：波导、吸光层、阴极、阳极和包裹层；

所述波导为脊型波导；

所述吸光层对脊型波导的脊部呈半包围分布。

进一步的，所述波导在与吸光层接触的位置设置有第一掺杂区，且设置有位于在第一掺杂区两侧的第二掺杂区和第三掺杂区。

进一步的，所述吸光层包括设置在顶端的第四掺杂区。

进一步的，所述第一掺杂区为低浓度P+掺杂，所述第二掺杂区为高浓度N++掺杂，所述第三掺杂区为高浓度P++掺杂；且所述第二掺杂区与阴极连接，所述第三掺杂区与阳极连接。

进一步的，所述第一掺杂区为低浓度P+掺杂，所述第二掺杂区和第三掺杂区均为高浓度P++掺杂，所述第四掺杂区为高浓度N++掺杂，且第二掺杂区和第三掺杂区分别与一个阳极连接，所述第四掺杂区与阴极连接。

进一步的，所述波导为硅波导，吸光层为锗吸光层，包裹层为二氧化硅。

进一步的，在工作时，所述阴极和阳极加载反偏电压。

进一步的，所述波导集成光电探测器还适用于硅基衍生物材料、III-V族或有机聚合物材料体系。

进一步的，所述波导的最厚处为220nm或250nm。

进一步的，所述波导的脊部宽度不超过1um。

(三)有益效果

本发明提供了一种基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器。与现有技术相比，具备以下有益效果：

由于脊型波导在传输光场时，光场主要集中在脊型波导中心主体附近；通过吸光层对脊型波导的脊部呈半包围分布的结构，吸光层可对硅脊波导的顶部和两侧接触面传递的光信号进行高效吸收，在吸光层尺寸相同的条件下，本发明实施例中吸光层对光的吸收效率可达87.1％(归一化数据)，获得明显提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为常规的基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器截面掺杂示意图；

图2为本发明实施例1中基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器的截面结构示意图；

图3为本发明实施例1中基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器的截面掺杂示意图；

图4为1mW光照下两种结构的光电探测器光生电流与反偏电压关系曲线图；

图5为1mW光照下两种结构的光电探测器响应度与反偏电压关系曲线图；

图6为本发明实施例2中基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器的截面结构示意图；

图7为本发明实施例2中基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器的截面掺杂示意图。

图中：波导1、吸光层2、阴极3、阳极4、包裹层5、第一掺杂区101、第二掺杂区102、第三掺杂区103、第四掺杂区104。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例通过提供一种基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器，解决了常规的基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器光电转换能力不高问题，实现提高基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器光电转换能力的目的。

本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：由于脊型波导在传输光场时，光场主要集中在脊型波导中心主体附近；通过吸光层2对脊型波导的脊部呈半包围分布的结构，吸光层2可对硅脊波导的顶部和两侧接触面传递的光信号进行高效吸收，在吸光层2尺寸相同的条件下，本发明实施例中吸光层2对光的吸收效率可达87.1％(归一化数据)，获得明显提升。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本发明提供了一种基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器，包括：波导1、吸光层2、阴极3、阳极4和包裹层5；

所述波导1为脊型波导；

所述吸光层2对脊型波导的脊部呈半包围分布。

本发明实施例的有益效果为：

由于脊型波导在传输光场时，光场主要集中在脊型波导中心主体附近；通过吸光层2对脊型波导的脊部呈半包围分布的结构，吸光层2可对硅脊波导的顶部和两侧接触面传递的光信号进行高效吸收，在吸光层2尺寸相同的条件下，本发明实施例中吸光层2对光的吸收效率可达87.1％(归一化数据)，获得明显提升。

实施例1：

下面以脊型硅波导、锗吸光层为例，如图2-3所示，详细说明本发明实施例的实现过程：

基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器包括：

波导1、吸光层2、阴极3、阳极4和包裹层5；

所述包裹层5为二氧化硅，且包裹波导1、吸光层2、阴极3以及阳极4，且阴极3、阳极4的上端位于包裹层5外部。

所述波导1为脊型硅波导。用于传输光信号，其最厚处(即中心脊部位置)为流片单位主流工艺指标220nm或250nm，脊部宽度不超过1um；对其中的光场束缚能力较强，损耗相对较小。

所述吸光层2为锗吸光层，且对脊型波导的脊部呈半包围分布；在倏逝波耦合效应下将吸收脊型硅波导顶部和两侧传来的光信号(如2中箭头指示)并生成载流子。

脊型硅波导的中心部分(包含脊部)为第一掺杂区101，且为低浓度P+掺杂，且锗吸光层在低浓度P+掺杂区的范围内。

在低浓度P+掺杂区的两侧均设置第二掺杂区102和第三掺杂区103，且均为高浓度P++掺杂；每个高浓度P++掺杂区均与一个阳极4连接。

在锗吸光层的上端面中间位置设置第四掺杂区201，且为高浓度N++掺杂，且高浓度N++掺杂区与阴极3连接。

在工作时，阴极3和阳极4加载反偏电压，如阴极3接地，阳极4接负电压。

为了验证本实施例的效果，将常规的基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器与本实施例的光电探测器进行对比：

实验1：关于吸光层2对光的吸收率，采用时域有限差分法进行光学仿真，实验结果为：

在吸光层2相同尺寸规格下，常规倏逝波耦合结构下锗区域对光的吸收效率为46.6％(归一化数据)，

而本发明所述的半包围结构下的吸光层2对光的吸收效率可达87.1％(归一化数据)，获得明显提升。

实验2：关于光生电流和响应度，在阴极3接地，阳极4接负电压(0V～-3V)下，光照下的I-V曲线和响应度曲线，如图4-5所示，实线为本发明实施例所述的探测器；虚线为常规倏逝波耦合结构探测器；在1mW入射光照，加载反偏电压-1V下，常规探测器光生电流I_evane_photo为451.2uA，响应度R为0.45A/W；

而本发明实施例的探测器光生电流I_halfsurr_photo为698.7uA，响应度R约为0.7A/W。

需要说明的是，本发明实施例所述波导集成光电探测器支持在CMOS集成电路工艺线上流片完成，其所具备的吸光层2对脊型波导的脊部呈半包围分布的结构特点同样适用于硅基衍生物材料、III-V族和有机聚合物等材料体系。

实施例2：

如图6-7所示，本发明提供了另一种基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器。

与实施例1相比，区别在于本实施例中：阳极4和高浓度P++掺杂区的数量均为一个，且高浓度P++掺杂区位于波导1的第三掺杂区103；并与阳极4连接；

而所述高浓度N++掺杂区位于波导1的第二掺杂区102；并与阴极3连接。

可理解的是，本发明实施例有关内容的解释、举例、有益效果等部分可以参考实施例1中的相应内容，此处不再赘述。

综上所述，与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

工作时在阴极3和阳极4加载反偏电压，通过吸光层2对脊型波导的脊部呈半包围分布的结构，吸光层2可对硅脊波导的顶部和两侧接触面传递的光信号进行高效吸收，在吸光层2尺寸相同的条件下，本发明实施例中吸光层2对光的吸收效率可达87.1％(归一化数据)，并提高吸光层2对光的吸收效率、光生电流以及响应度，进而提高光电转换能力。且与常规的基于倏逝波耦合方式的波导集成光电探测器相比，本发明中，波导1的宽度和厚度符合相同工艺要求，吸光层2的宽度、厚度相同。对吸光层2生长工艺精度的要求并无量级上的提升。

需要说明的是，通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。