[发明专利]一种双步消逝场耦合的雪崩光电探测器

说明书

技术领域

本发明涉及边入光的高性能波导探测器设计技术领域，具体是指一种双步消逝场耦合的雪崩光电探测器。

背景技术

光电探测器是光子学系统中重要的元件，探测器的性能是制约光子学系统性能的重要因素。未来随着光子系统对高带宽、高集成度的要求越来越高，传统的探测器结构已难以满足高带宽、高响应度的光子系统的需求：传统面入射探测器为了保证必要的光敏面，电学尺寸难以降低，器件带宽受限；要满足高带宽性能的需要，又必须牺牲光响应性能；并且面入射器件与波导功能结构的集成也收到极大制约。因此发展一种新型的探测器是很有意义的工作。

波导型雪崩探测器将光传输吸收与载流子的输运有效分离，解除了载流子渡越时间与响应度之间的制约关系，在满足高响应度的同时还可以有效的减小器件的电学尺寸，降低器件电容及工作电压，利用这种结构可以实现微小电容结构的高响应器件，并且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。同时，波导集成的雪崩光电探测器的侧面入光结构使其非常适合于平面集成，为实现高度集成的高速光子学系统提供了一种很好的探测解决方案。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的在于提供一种高响应度、高带宽的双步消逝场耦合的波导雪崩探测器，以解决普通探测器光损耗大、灵敏度低、响应度与带宽相互制约以及不利于片上光互连等问题。要解决这些问题，关键有三点，一是单模传输光波导和光匹配层的设计，以实现光低损耗传输以及高效率消逝场耦合进入探测器吸收层中；二是采用具有内部增益的雪崩光电探测器，以提高光电探测的灵敏度；三是采用边入光的消逝场耦合波导结构，使光传输方向与载流子输运方向垂直，以解决响应度与带宽相互制约的问题，并且这种平面波导结构也易于片上光互连。从而可实现一种高响应度、高带宽的双步消逝场耦合的波导结构雪崩光电探测器。。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种双步消逝场耦合的雪崩光电探测器，该雪崩光电探测器包括：衬底1；形成于衬底1之上的单模传输光波导2，用于实现匹配光斑在其中低损耗单模传输，并使光渐渐向上消逝场耦合进入光匹配层；形成于单模传输光波导2之上的光匹配层，用于实现光功率从单模传输光波导高效率消逝场耦合到APD台面的吸收层中，即双步消逝场耦合，并将光限制在APD台面的吸收层中被完全吸收；以及形成于光匹配层之上的APD台面，采用分离吸收电荷倍增区的结构，与波导结构集成可实现高速高响应度的光探测。

上述方案中，所述衬底1为InP衬底。

上述方案中，所述单模传输光波导2为由多对InGaAsP层与InP层交替外延形成的稀释波导层结构，从底部到顶部InGaAsP的厚度从100nm增加到300～450nm，增加的步长为25～35nm，其间的InP层的厚度为70～90nm。所述单模传输光波导2中InGaAsP的组分可调，其截至波长为1～1.15μm，单模传输光波导相对于光匹配层的伸出长度为25～300μm。

上述方案中，所述光匹配层由下至上依次包括第一光匹配层3和第二光匹配层4，光匹配层相对于APD台面的伸出长度为10～40μm。所述第一光匹配层3是厚度为100～300nm的In_0.522Al_0.478As/InGaAsP，所述第二光匹配层4是厚度为200～400nm的In_0.78Ga_0.22As_0.47P_0.53。所述第一光匹配层3和所述第二光匹配层4均为n型重掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁷～2×10¹⁸cm^-3。

上述方案中，所述APD台面由下至上依次包括倍增层5、电荷层6、吸收层7和上包层8，倍增层5是厚度为100～300nm的未掺杂的In_0.522Al_0.478As；电荷层6是p型掺杂的In_0.52Al_0.48As，厚度为40～70nm，掺杂浓度为6×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3；吸收层7是厚度为100～300nm的未掺杂的InGaAs，In的组分为0.53；上包层8由下至上依次包括InGaAsP、InP和InGaAs，用于实现上包层和p型欧姆接触。