一种硅基混合集成雪崩光电探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种硅基混合集成雪崩光电探测器(APD)，包括自下而上叠置的SOI(silicon‑on‑insulator)倒锥耦合结构、键合层、波导和光学匹配层，以及雪崩光电探测结构。波导和光学匹配层包括波导区和光学匹配区。本发明专利技术通过键合工艺构建。本发明专利技术采用倒锥模斑转换耦合结构和倏逝波光耦合方式来达到高效率耦合的目的；窄倍增层与窄吸收层使得该分离吸收电荷倍增区(SACM)APD可达到高速、低噪声光探测的目的；SOI倒锥耦合结构与雪崩光电探测结构键合的方式使得器件同时集中了二者的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种硅基混合集成雪崩光电探测器
本专利技术涉及硅基混合集成光电探测器
，具体是指一种在SOI上集成的消逝场耦合的雪崩光电探测器。
技术介绍
近年来，硅基光子学有了飞速的发展，硅基芯片上同时集成多种光有源和无源器件使得硅基集成的前景更加广阔。光电探测器是光子学系统中重要的元件，未来随着光子系统对高带宽、高集成度的要求越来越高，对探测器性能的要求也就越高。因为传统面入射探测器存在着带宽和响应度相互制约的问题，同时面入射器件与波导功能结构的集成也受到极大制约。波导型雪崩探测可以同时满足高响应度和带宽特性，并且相对于PIN探测器，雪崩二极管(APD)由于其内部增益和高灵敏度而更具竞争力，多用于探测具有高灵敏度的低功率信号。在硅基集成探测器领域，将光纤中的光高效耦合进硅波导一直是一个待解决的问题。之前报导过的硅基集成探测器多用周期性的光栅耦合器，耦合效率较低且对偏振敏感。而耦合器的发展趋势是追求耦合损耗低，工作带宽大和制作简便。因此发展一种适用于硅基集成的高耦合效率的波导型的探测器是很有意义的工作。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的主要目的在于提供一种高响应度、高带宽的硅基集成的倏逝场耦合波导雪崩探测器结构，来解决耦合器耦合效率低、面入射探测器响应度与带宽相互制约以及不利于片上互连等问题。(二)技术方案为解决上述技术问题，本专利技术提出一种硅基混合集成雪崩光电探测器，包括自下而上叠置的SOI倒锥耦合结构、键合层、波导和光学匹配层，以及雪崩光电探测结构，波导和光学匹配层包括波导区和光学匹配区，所述雪崩光电探测结构位于光学匹配区上。根据本专利技术的具体实施方式，所述SOI倒锥耦合结构包括硅衬底、二氧化硅埋氧层和顶层硅，二氧化硅埋氧层制作在硅衬底上，顶层硅制作在埋氧层上。根据本专利技术的具体实施方式，所述SOI基倒锥耦合结构的顶层硅与埋氧层具有折射率差。根据本专利技术的具体实施方式，所述顶层硅的一端为条形波导，另一端为倒锥耦合器。根据本专利技术的具体实施方式，所述顶层硅的厚度为220nm，条形波导的波导宽度为450nm～500nm。根据本专利技术的具体实施方式，所述倒锥耦合器的结构为直线锥形倒锥耦合器结构，其尖端宽度为100nm～150nm，taper长度为150μm～200μm。根据本专利技术的具体实施方式，所述键合层为厚度100nm的BCB键合层。根据本专利技术的具体实施方式，所述波导和光学匹配层的波导区的材料是聚酰亚胺，截面尺寸为3μm×1.3μm。根据本专利技术的具体实施方式，通过倏逝波耦合的方式，光学匹配区可以实现光功率从硅波导高效率耦合到APD吸收层中，并提供n型欧姆接触。根据本专利技术的具体实施方式，所述光学匹配区的折射率为3.41的InGaAsP材料，其中Ga的组分为0.3，As的组分为0.64。根据本专利技术的具体实施方式，所述雪崩光电探测结构具有内部增益，宽3μm～7μm。根据本专利技术的具体实施方式，所述雪崩光电探测结构包括从下而上的倍增层、电荷层和吸收层。根据本专利技术的具体实施方式，所述倍增层为InAlAs材料，In的组分是0.52，倍增层、电荷层和吸收层分别为：i-InAlAs倍增层、p-InAlAs电荷层和i-InGaAs吸收层。根据本专利技术的具体实施方式，所述倍增区为InP材料，倍增层、电荷层和吸收层分别为：i-InP倍增层、n-InP电荷层和i-InGaAs吸收层。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，与现有的器件比较，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术提供的是硅基集成的雪崩光电探测器，结合硅波导和APD的优良特性，首次提出了将SOI上的倒锥耦合结构与Ⅲ-ⅤAPD二者集成的结构。透镜光纤中的光模式能与聚合物波导中的光模式较好的匹配，光耦合进入锥形耦合器，并最终进入硅条形波导中，硅波导中的光振荡耦合进入光学匹配区以及吸收层区域，大大提高了光的耦合效率，可以实现在M＝1的条件下0.89A/W的器件响应度。2、本专利技术提供的硅基集成的雪崩光电探测器，其光学匹配区部分可实现光功率从硅波导高效率耦合到APD吸收层中，并将光限制在APD吸收层中，直至被完全吸收。由于倒锥结构的高效耦合和SOI衬底中SiO2层的泄露阻挡作用，此集成器件可以达到高于纯粹波导型InGaAs/InAlAsAPD的量子效率(M＝1)。3、本专利技术提供的硅基集成的雪崩光电探测器，采用了分离吸收电荷倍增区的雪崩光电探测器与SOI锥形耦合器集成的结构，硅波导的低损耗特性降低了器件的光传输损耗，APD采用窄的吸收区和倍增区，降低了载流子渡越时间和倍增噪声，实现高响应度的同时亦可实现高速探测，并且APD具有内部增益，可进一步提高光探测器的响应度和灵敏度。4、本专利技术提供的硅基集成的雪崩光电探测器，为实现高度集成的硅基光电接收系统提供了一种很好的探测方案，同时该专利技术还有望应用到量子通信中去，得到集成的量子信息处理芯片。附图说明图1A为依照本专利技术实施的一种硅基集成的雪崩光电探测器的三维结构示意图；图1B为依照本专利技术实施的一种硅基集成的雪崩光电探测器的横向截面结构示意图。图2为依照本专利技术实施的一种硅基集成的雪崩光电探测器的锥形耦合器的横向截面示意图。图3为依照本专利技术实施的一种硅基集成的雪崩光电探测器的光透射率随器件长度的变化曲线示意图。图4为依照本专利技术实施的一种硅基集成的雪崩光电探测器的侧向截面光场分布示意图。图5为依照本专利技术实施的一种硅基集成的雪崩光电探测器的锥形耦合区横向截面光场分布示意图。图6为依照本专利技术实施的一种硅基集成的雪崩光电探测器的探测区横向截面光场分布示意图。具体实施方式要解决前述的技术问题，关键有两点：一是SOI倒锥形耦合器、BCB厚度、聚合物波导区、光学匹配区和吸收区的层结构以及它们的尺寸设计，来实现光的稳定传输和进入吸收区的高效快速耦合，从而得到光的高响应度探测的目的；二是影响电学特性的雪崩光电探测器的层结构及厚度掺杂等的优化，能获得低的载流子渡越时间、低RC常数以及窄倍增区等，从而实现具有内部增益的高速、低噪声的光电探测。为实现高效率集成的光电探测器，本专利技术提出了一种SOI基锥形耦合APD器件，该器件有望应用于硅基光电集成芯片和量子通信中。为达到上述目的，本专利技术提出了一种硅基集成的消逝场耦合波导雪崩探测器结构，探测器结构包括：器件的结构自下向上包括SOI基锥形光栅耦合器、BCB键合层、聚合物波导和光学匹配层，以及雪崩光电二极管(APD)外延层结构，以此外延结构为基础，以半导体工艺制作一个SOI上集成的倏逝场耦合的波导APD器件。器件高性能光探测功能在于：SOI锥形耦合器可实现光从光纤到硅波导的低损耗耦合；硅波导可实现光的低损耗传输；光学匹配层可实现光功率从硅波导高效率耦合到APD吸收区中；分离吸收电荷倍增区(SACM)的APD采用窄倍增层与窄吸收层，可实现高速、低噪声光探测。相对于PIN光电探测器，APD由于其内部增益机制和高灵敏度而更具竞争力，将其设计成侧向入光的波导结构，可获得同时具有高量子效率和高增益带宽积性能的光探测器件，这有益于硅基片上光互连和远程光通信的发展。具体实施方案的步骤包括：步骤1：通过FDTD仿真软件先对SOI锥形耦合器的光学性能进行仿真，设计出优化的SOI各层的结构参数，实现光从光纤到硅波导中的高耦合效率，接着耦合SOI锥形耦本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，包括自下而上叠置的SOI倒锥耦合结构、键合层、波导和光学匹配层，以及雪崩光电探测结构，波导和光学匹配层包括波导区和光学匹配区，所述雪崩光电探测结构位于光学匹配区上。

【技术特征摘要】
1.一种硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，包括自下而上叠置的SOI倒锥耦合结构、BCB键合层、波导和光学匹配层，以及雪崩光电探测结构，波导和光学匹配层包括波导区和光学匹配区，所述SOI倒锥耦合结构包括硅衬底、二氧化硅埋氧层和顶层硅，二氧化硅埋氧层制作在硅衬底上，顶层硅制作在二氧化硅埋氧层上，所述雪崩光电探测结构位于光学匹配区上。2.根据权利要求1所述的硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，所述SOI基倒锥耦合结构的顶层硅与二氧化硅埋氧层具有折射率差。3.根据权利要求2所述的硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，所述顶层硅的一端为条形波导，另一端为倒锥耦合器。4.根据权利要求3所述的硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，所述顶层硅的厚度为220nm，条形波导的波导宽度为450nm～500nm。5.根据权利要求3所述的硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，所述倒锥耦合器的结构为直线锥形倒锥耦合器结构，其尖端宽度为100nm～150nm。6.根据权利要求1所述的硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，所述BCB键合层为厚度100nm。7.根据权利要求1所述的硅基混合集成雪崩光电探测器，其特征在于，所述波导和光学匹配区的波导区...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹冬冬，杨晓红，韩勤，何婷婷，吕倩倩，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11