CN104681634A - 一种波导耦合型吸收倍增分离雪崩二极管 - Google Patents

Abstract

一种波导耦合型吸收倍增分离雪崩二极管涉及半导体光电器件领域以及光互联领域。本发明包括有p⁺型欧姆接触电极，p⁺欧姆接触层，吸收层，p型电荷区，倍增区，n⁺型欧姆接触电极，n⁺欧姆接触区，绝缘掩埋层，衬底，单模波导。其特征在于，p型电荷区位于单模波导末端，吸收层位于p型电荷区顶部，倍增区以及n⁺欧姆接触区与单模波导共平面，紧挨p型电荷区依次排布，p型电荷区、倍增区及n⁺欧姆接触区的延伸方向垂直于单模波导光传输方向，并与单模波导厚度相同。器件在实现吸收倍增分离的同时，利用单模波导耦合提高光耦合效率，避免了传统双倍增区的电信号的扰动现象，器件尺寸可减小到纳米尺度，降低渡越时间和暗电流，提高灵敏度。

Description

一种波导耦合型吸收倍增分离雪崩二极管

技术领域

本发明涉及半导体光电器件领域以及光互联领域，具体涉及一种能够对微弱通信光信号进行探测的波导吸收倍增分离型雪崩二极管。

背景技术

雪崩光电探测器(APD)是利用雪崩倍增效应在器件内部实现光电流倍增的一种重要的光电探测器研究分支，器件具有更高的灵敏度和光响应，主要用于微弱光信号的检测，特别是波分复用、时分复用等高损耗大数据的传输技术的应用，使得对光接收端的灵敏度要求越来越高。因此雪崩光电探测器是光通讯和光交换领域重要的研究方向。

表征雪崩探测器(APD)性能的一个重要参数为误码率，其受到器件过剩噪声的限制。较低的过剩噪声可以实现低误码率。决定APD过剩噪声的重要因素为器件倍增区的电子和空穴的离化率比值，离化率比值越低，过剩噪声越小，因此出现了吸收倍增分离型APD，此器件的吸收层材料与探测光信号波长匹配，倍增区材料则选用离化率比值小的材料。

雪崩探测器(APD)的光耦合结构包括：垂直入射，倏逝波耦合以及端面耦合，其中，倏逝波耦合在吸收效率、增益带宽积以及片上光互联系统集成方面有着突出的优势，因此波导吸收倍增分离型雪崩探测器是未来光通讯领域发展的重要方向。但是现在研究的波导吸收倍增分离型雪崩探测器仍无法实现高灵敏度、大带宽的产业化集成。

本发明就是针对光通讯领域中产业集成的雪崩光电探测器的高吸收、高信噪比、高增益带宽积的需求，设计的一种波导耦合型吸收倍增分离雪崩光电探测器结构。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种波导耦合型雪崩二极管结构，相比于报道的其他结构，该结构工艺简单，具有高耦合效率、高灵敏度以及大带宽等性能。

为了实现上述目的，本发明的雪崩光电二极管结构，如图1所示，包括有p⁺型欧姆接触电极101，p⁺欧姆接触层102，吸收层103，p型电荷区104，倍增区105，n⁺型欧姆接触电极106，n⁺欧姆接触区107，绝缘掩埋层108，衬底109，单模波导110。其特征在于，p型电荷区104位于单模波导110末端，吸收层103位于p型电荷区104顶部，倍增区105以及n⁺欧姆接触区107与单模波导110共平面，紧挨p型电荷区104依次排布，p型电荷区104、倍增区105及n⁺欧姆接触区107的延伸方向垂直于单模波导110光传输方向，并与单模波导110厚度相同。

器件在实现吸收倍增分离的同时，利用单模波导耦合提高光耦合效率，避免了传统双倍增区的电信号的扰动现象，器件尺寸可减小到纳米尺度，可以降低渡越时间和暗电流，提高灵敏度。

该结构实现光波导耦合入射，吸收倍增分离的器件功能，其工作原理，如图1所示，光耦合进入单模波导110中进行传输，并通过倏逝波耦合被吸收层103吸收，产生光生电子-空穴对。在吸收层103反向偏压的作用下电子-空穴分离，光生空穴向p⁺欧姆接触层102漂移，进而通过p⁺型欧姆接触电极101进入到外电路，而光生电子漂移通过p型电荷区104，到达倍增区105，发生雪崩倍增，最后倍增电子在n⁺欧姆接触区107收集，产生的倍增电流通过n⁺型欧姆接触电极106进入到外电路，实现光信号的接收与倍增。

本发明设计针对Ge/Si器件，同时InGaAs/InP或AlGaAs/GaAs材料器件亦可适用。

本发明适用于所有吸收和倍增分离型雪崩探测器的波导耦合型设计。

本发明的探测波长范围适用于红外光波段。

附图说明：

图1：根据本发明提出的波导耦合型吸收倍增分离雪崩二极管的三维视图；图中：p⁺型欧姆接触电极101，p⁺欧姆接触层102，吸收层103，p型电荷区104，倍增区105，n⁺型欧姆接触电极106，n⁺欧姆接触区107，绝缘掩埋层108，衬底109，单模波导110

图2：根据本发明提出的波导耦合型吸收倍增分离雪崩二极管对应的I-V曲线示意图；从图中可以看出，器件的击穿电压约为-21V。

图3：根据本发明提出的波导耦合型吸收倍增分离雪崩二极管对应的电场示意图；为了实现高效的光吸收并且避免在吸收层发生雪崩倍增，吸收层的电场强度应低于1×10⁵V/cm；倍增区发生雪崩倍增的电场强度应该高于3×10⁵V/cm，同时，为了使器件倍增区的电子和空穴的离化率比值降到最低，倍增区发生雪崩倍增的电场强度应该低于6×10⁵V/cm，所以，倍增区发生雪崩倍增的电场强度应该在3×10⁵～6×10⁵V/cm之间，由此器件产生的过剩噪声较低。图3-1是不同反向偏压下电荷区和倍增区的电场分布示意图，图3-2是不同反向偏压下吸收层和电荷区的Y方向的电场分量分布示意图。从图3-2的电场分布可以看出，雪崩之前，吸收层能够对入射光信号实现高效地吸收；从图3-1的电场分布可以看出，倍增区能够实现雪崩倍增，并且在此电场强度范围内，器件产生的过剩噪声较低。

图4：本发明的波导耦合型吸收倍增分离雪崩二极管具体实施例；

其中，图4-1是刻蚀单模Si波导110及器件的Si区；图4-2是硼离子注入形成p型电荷区104；图4-3是选区外延本征Ge层；图4-4是硼离子注入形成p⁺欧姆接触层102，余下部分为Ge吸收层103；图4-5是磷离子注入形成n⁺欧姆接触区107；图4-6是蒸发电极金属，形成p⁺型欧姆接触电极101和n⁺型欧姆接触电极106。

具体实施方式：

如图4所示，其制备过程和方法如下：

1、在绝缘体上硅(SOI)衬底的顶层220nm厚的Si上刻蚀出单模Si波导110及器件的Si区。

2、注入硼，形成p型电荷区104，掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3；

3、在表面沉积一层SiO₂，干法和湿法结合刻蚀出Ge外延窗口，选区外延本征Ge层，厚度约为0.5μm；

4、在Ge区顶层注入硼，形成p⁺欧姆接触层102，厚度约为0.1μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，余下部分为Ge吸收层103；

5、磷离子注入形成n⁺欧姆接触区107，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3；

6、快速退火，将注入的杂质离子激活，退火温度500℃，退火时间30秒；

7、PECVD氧化层钝化；

8、刻蚀开孔，蒸发电极金属，形成p⁺型欧姆接触电极101和n⁺型欧姆接触电极106。

至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。

Claims (4)

1.一种波导耦合型吸收倍增分离雪崩二极管，包括有p⁺型欧姆接触电极(101)，p⁺欧姆接触层(102)，吸收层(103)，p型电荷区(104)，倍增区(105)，n⁺型欧姆接触电极(106)，n⁺欧姆接触区(107)，绝缘掩埋层(108)，衬底(109)，单模波导(110)，其特征在于：p型电荷区(104)位于单模波导(110)末端，吸收层(103)位于p型电荷区(104)顶部，倍增区(105)以及n⁺欧姆接触区(107)与单模波导(110)共平面，紧挨p型电荷区(104)依次排布，p型电荷区(104)、倍增区(105)及n⁺欧姆接触区(107)的延伸方向垂直于单模波导(110)光传输方向，并与单模波导(110)厚度相同；

光耦合进入单模波导(110)中进行传输，并通过倏逝波耦合被吸收层(103)吸收，产生光生电子-空穴对；在吸收层(103)反向偏压的作用下电子-空穴分离，光生空穴向p⁺欧姆接触层(102)漂移，进而通过p⁺型欧姆接触电极(101)进入到外电路，而光生电子漂移通过p型电荷区(104)，到达倍增区(105)，发生雪崩倍增，最后倍增电子在n⁺欧姆接触区(107)收集，产生的倍增电流通过n⁺型欧姆接触电极(106)进入到外电路，实现光信号的接收与倍增。

2.根据权利要求1所述的一种波导耦合型吸收倍增分离雪崩二极管，其特征在于：

所有结构层材料为Ge/Si、InGaAs/InP或AlGaAs/GaAs材料。

3.根据权利要求1所述的一种波导耦合型吸收倍增分离雪崩二极管，其特征在于：

适用于吸收和倍增分离型雪崩探测器的波导耦合型设计。

4.根据权利要求1所述的一种波导耦合型吸收倍增分离雪崩二极管，其特征在于：

探测波长范围为红外光波段。