專利名稱：一種雪崩光電探測器及光能檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于光電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種雪崩光電探測器及光能檢測裝置。
背景技術(shù)：
光電探測器是光通信、光互連和光電集成技術(shù)中關(guān)鍵的光電器件之一，目前在軍 事和國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域都有廣泛的用途，而雪崩光電探測器又以高響應(yīng)度和靈敏度受到 市場歡迎。目前，雪崩光電探測器分為垂直入射結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)邊入射結(jié)構(gòu)，垂直入射結(jié)構(gòu)的光 傳輸方向和載流子運動方向平行，因而器件的響應(yīng)度和帶寬相互制約，嚴(yán)重影響了器件的 整體性能；而波導(dǎo)邊入射結(jié)構(gòu)雖然使器件的響應(yīng)度和帶寬不再互相影響，但是由于吸收區(qū) 與倍增區(qū)依然采用垂直結(jié)構(gòu)，各層厚度較大，使得產(chǎn)生雪崩效應(yīng)的工作電壓偏高，并且制作 工藝難度大，靈活性不足。

實用新型內(nèi)容本實用新型實施例的目的在于提供一種雪崩光電探測器，旨在解決現(xiàn)有的光電探 測器各個性能參數(shù)間互相制約，工作電壓偏高，工藝難度大，靈活性不足的問題。本實用新型實施例是這樣實現(xiàn)的，一種雪崩光電探測器，所述探測器包括襯底、波 導(dǎo)區(qū)和金屬電極，所述探測器還包括位于所述波導(dǎo)區(qū)末端的吸收區(qū)，用于吸收所述波導(dǎo)區(qū)傳輸?shù)娜肷涔?，并產(chǎn)生光生 載流子；位于所述吸收區(qū)一側(cè)的倍增區(qū)，用于對所述吸收區(qū)產(chǎn)生的光生載流子實行雪崩倍 增的過程；以及分別位于所述倍增區(qū)與所述吸收區(qū)兩側(cè)的金屬接觸層，所述金屬接觸層頂端連接 所述金屬電極，用于收集電子、空穴形成電流，并與所述金屬電極形成歐姆接觸；所述吸收區(qū)、倍增區(qū)以及金屬接觸層橫向分布。更進一步地，所述吸收區(qū)由純鍺或鍺化硅合金材料構(gòu)成。更進一步地，所述吸收區(qū)的寬度大于或等于所述波導(dǎo)區(qū)的寬度。更進一步地，所述倍增區(qū)由本征硅材料構(gòu)成。更進一步地，所述探測器還包括位于所述倍增區(qū)與所述吸收區(qū)之間的電荷區(qū)，所 述電荷區(qū)與所述倍增區(qū)和所述吸收區(qū)橫向分布，用于調(diào)節(jié)所述倍增區(qū)的電場強度分布。更進一步地，所述電荷區(qū)由輕摻雜P型硅材料構(gòu)成。更進一步地，位于倍增區(qū)一側(cè)的所述金屬接觸層由重?fù)诫sN型硅材料構(gòu)成，位于 吸收區(qū)一側(cè)的所述金屬接觸層由重?fù)诫sP型硅材料構(gòu)成。本實用新型的另一目的在于提供一種包括上述雪崩光電探測器的光能檢測裝置。本實用新型實施例采用吸收區(qū)、倍增區(qū)和金屬接觸層橫向分布的結(jié)構(gòu)，使光傳輸 方向和載流子運動方向垂直，降低了各區(qū)的寬度，進而降低了雪崩效應(yīng)的工作電壓，也大大降低了制作工藝難度，增強了器件的靈活性。
圖1為本實用新型一個實施例提供的硅基波導(dǎo)型吸收倍增分離式雪崩光電探測 器的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型一個實施例提供的硅基波導(dǎo)型吸收倍增分離式雪崩光電探測 器的橫向截面示意圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，
以下結(jié)合附圖及實施 例，對本實用新型進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋 本實用新型，并不用于限定本實用新型。本實用新型實施例采用吸收區(qū)、倍增區(qū)和金屬接觸層橫向分布的結(jié)構(gòu)，使光傳輸 方向和載流子運動方向垂直，同時降低了各區(qū)的寬度。作為本實用新型一實施例提供的雪崩光電探測器，所述探測器包括襯底、波導(dǎo)區(qū) 和金屬電極，所述探測器還包括位于所述波導(dǎo)區(qū)末端的吸收區(qū)，所述吸收區(qū)由大吸收系數(shù)材料組成，用于吸收所 述波導(dǎo)區(qū)傳輸?shù)娜肷涔?，并產(chǎn)生光生載流子；位于所述吸收區(qū)一側(cè)的倍增區(qū)，所述倍增區(qū)由空穴-電子離化率比值較低的材料 組成，用于對所述吸收區(qū)產(chǎn)生的光生載流子實行雪崩倍增的過程；以及分別位于所述倍增區(qū)與所述吸收區(qū)兩側(cè)的金屬接觸層，所述金屬接觸層頂端連接 所述金屬電極，用于收集電子、空穴形成電流，并與所述金屬電極形成歐姆接觸；所述吸收區(qū)、倍增區(qū)以及金屬接觸層橫向分布。以下結(jié)合具體實施例對本實用新型的實現(xiàn)進行詳細(xì)說明。圖1示出了本實用新型實施例提供的硅基波導(dǎo)型吸收倍增分離式雪崩光電探測 器的三維結(jié)構(gòu)，為了便于說明，僅示出了與本實用新型實施例相關(guān)的部分。襯底包括由下至上依次層疊的底層支撐20、埋層11以及頂層21，參照圖2。作 為本實用新型一實施例，埋層11可以采用二氧化硅(Sic)》材料制成、底層支撐20和頂層 21均可以采用硅(Si)材料制成，埋層11與頂層21的厚度均可以調(diào)整。波導(dǎo)區(qū)沈為襯底經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)濕式化學(xué)清洗(RCA)，再經(jīng)過光刻及干法離子刻蝕，形 成的一脊形光波導(dǎo)，該光波導(dǎo)由折射率不同的Si和Si02材料組成，其尺寸可調(diào)整，以滿足 單?；蛘叨嗄鬏?shù)囊蟆Ｎ諈^(qū)31由波導(dǎo)區(qū)的末端經(jīng)過濕法化學(xué)反應(yīng)或干法等離子體刻蝕凹槽，并于凹 槽內(nèi)選擇性生長吸收區(qū)材料制成。其中吸收區(qū)材料可以采用選區(qū)外延法制備的純鍺(Ge) 材料，也可以采用高鍺成分的鍺化硅(SiGe)合金材料制成，以增加所吸收入射光的波長范 圍，其生長設(shè)備可以采用化學(xué)氣相沉積(CVD)或者分子束外延(MBE)等系統(tǒng)。在本實用新 型實施例中，吸收區(qū)31與波導(dǎo)區(qū)沈的寬度相等或者略大，吸收區(qū)31的寬度與長度均可調(diào) 整，入射光通過波導(dǎo)區(qū)沈與吸收區(qū)31的端面直接耦合或近似直接耦合。倍增區(qū)23可以采用本征硅材料制成，用于對光生載流子實現(xiàn)雪崩倍增的過程。
4[0033]作為在實用新型一實施例，還可以于倍增區(qū)23與吸收區(qū)31之間增加一電荷區(qū)24， 該電荷區(qū)M與倍增區(qū)23、吸收區(qū)31橫向分布，由經(jīng)離子注入或擴散工藝制成的輕摻雜P型 硅(P-Si)材料構(gòu)成，并可以通過改變寬度和摻雜濃度來調(diào)整電場強度的分布。金屬接觸層22位于倍增區(qū)23的一側(cè)，由重?fù)诫sN型硅(N-Si)材料制成，其頂端 直接與金屬電極41接觸。金屬接觸層25位于吸收區(qū)31的另一側(cè)，由重?fù)诫sP型硅(P-Si) 材料25制成，其頂端直接與金屬電極42接觸。金屬電極41位于金屬接觸層22的頂端，金屬電極42位于金屬接觸層25的頂端， 該金屬電極均可以采用鋁(Al)、金(Au)、銀(Ag)等單層金屬材料，也可以采用多層金屬材 料。在本實用新型實施例中，吸收區(qū)31位于波導(dǎo)區(qū)沈的末端，入射光51經(jīng)過波導(dǎo)區(qū) 26近似直接耦合進入吸收區(qū)31，吸收區(qū)31吸收入射光51并產(chǎn)生光生載流子，由于吸收區(qū) 31與倍增區(qū)23、金屬接觸層22、金屬接觸層25橫向分布，由入射光產(chǎn)生的電子和空穴垂直 于入射光方向分別向兩金屬電極運動，電子在經(jīng)過倍增區(qū)23時加速，在獲得足夠的能量后 與晶格碰撞產(chǎn)生新的電子-空穴，即產(chǎn)生雪崩倍增過程，所有電子最后通過金屬接觸層22 向金屬電極41運動，并由金屬電極41收集，而所有的空穴通過金屬接觸層25向金屬電極 42運動，并由金屬電極42收集，最后由金屬電極41與金屬電極42將所收集的電子和空穴 傳輸?shù)酵獠侩娐?。在本實用新型實施例中，波?dǎo)區(qū)沈與吸收區(qū)31端面直接耦合，提高了入射光的耦 合效率，進而提高器件的響應(yīng)度；減小吸收區(qū)的尺寸，進而減少了載流子渡越時間，降低了 RC時間常數(shù)，提高器件的帶寬，同時降低了工作電壓。作為本實用新型的一個實現(xiàn)示例，可以設(shè)定襯底材料為絕緣硅SOI(IOO)材料，埋 層Si02的厚度為1 μ m,頂層Si的厚度為500nm ；波導(dǎo)區(qū)沈的長度為10 μ m,寬度為500nm。 形成波導(dǎo)后，在波導(dǎo)的末端選擇性刻蝕形成一個凹槽，凹槽的寬度和波導(dǎo)相等，長度10 μ m, 深度為400nm，并留有IOOnm單晶Si供吸收區(qū)選擇性生長，凹槽內(nèi)采用CVD系統(tǒng)選擇性生 長400nm厚的Ge，另外采用離子注入并高溫退火激活的工藝形成濃度2X 1019cm-3、寬度 10 μ m的重?fù)诫sP-Si金屬接觸層25，濃度1 X 1017cm-3、寬度IOOnm的輕摻雜P-Si電荷區(qū) 24，以及濃度2X 1019cm-3、寬度10 μ m的重?fù)诫sN-Si金屬接觸層22，另外倍增區(qū)本征Si 23的寬度為500nm。金屬電極41和金屬電極42為淀積1 μ m厚的金屬鋁。本實用新型實施例采用吸收區(qū)、倍增區(qū)和金屬接觸層橫向分布的結(jié)構(gòu)，提高了入 射光的耦合效率和器件的響應(yīng)度；通過降低吸收區(qū)的寬度，提高器件的帶寬，降低雪崩效應(yīng) 的工作電壓，同時也大大降低了制作工藝難度，增強了器件的靈活性。以上僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用 新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保 護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種雪崩光電探測器，所述探測器包括襯底、波導(dǎo)區(qū)和金屬電極，其特征在于，所述 探測器還包括位于所述波導(dǎo)區(qū)末端的吸收區(qū)，用于吸收所述波導(dǎo)區(qū)傳輸?shù)娜肷涔?，并產(chǎn)生光生載流子；位于所述吸收區(qū)一側(cè)的倍增區(qū)，用于對所述吸收區(qū)產(chǎn)生的光生載流子實行雪崩倍增的 過程；以及分別位于所述倍增區(qū)與所述吸收區(qū)兩側(cè)的金屬接觸層，所述金屬接觸層頂端連接所述 金屬電極，用于收集電子、空穴形成電流，并與所述金屬電極形成歐姆接觸； 所述吸收區(qū)、倍增區(qū)以及金屬接觸層橫向分布。
2.如權(quán)利要求1所述的探測器，其特征在于，所述吸收區(qū)由純鍺或鍺化硅合金材料構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求2所述的探測器，其特征在于，所述吸收區(qū)的寬度大于或等于所述波導(dǎo) 區(qū)的寬度。
4.如權(quán)利要求1所述的探測器，其特征在于，所述倍增區(qū)由本征硅材料構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1所述的探測器，其特征在于，所述探測器還包括位于所述倍增區(qū)與所 述吸收區(qū)之間的電荷區(qū)，所述電荷區(qū)與所述倍增區(qū)和所述吸收區(qū)橫向分布，用于調(diào)節(jié)所述 倍增區(qū)的電場強度分布。
6.如權(quán)利要求5所述的探測器，其特征在于，所述電荷區(qū)由輕摻雜P型硅材料構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求1所述的探測器，其特征在于，位于倍增區(qū)一側(cè)的所述金屬接觸層由重 摻雜N型硅材料構(gòu)成，位于吸收區(qū)一側(cè)的所述金屬接觸層由重?fù)诫sP型硅材料構(gòu)成。
8.一種光能檢測裝置，其特征在于，所述裝置包括如權(quán)利要求1至7任一項所述的雪崩 光電探測器。
專利摘要本實用新型適用于光電技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種雪崩光電探測器及光能檢測裝置，所述探測器包括襯底，波導(dǎo)區(qū)，位于波導(dǎo)區(qū)的末端的吸收區(qū)，位于吸收區(qū)的側(cè)壁的倍增區(qū)、位于倍增區(qū)與吸收區(qū)兩側(cè)的金屬接觸層，以及位于金屬接觸層頂端的金屬電極，所述吸收區(qū)、倍增區(qū)以及金屬接觸層橫向分布。本實用新型實施例采用吸收區(qū)、倍增區(qū)和金屬接觸層橫向分布的結(jié)構(gòu)，使光傳輸方向和載流子運動方向垂直，降低了各區(qū)的寬度，進而降低了雪崩效應(yīng)的工作電壓，也大大降低了制作工藝難度，增強了器件的靈活性。
文檔編號G01F1/42GK201885758SQ20102061533
公開日2011年6月29日 申請日期2010年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月19日
發(fā)明者周志文, 張衛(wèi)豐, 王新中, 王瑞春, 賀敬凱 申請人:深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院