[发明专利]光栅垂直耦合型插指光电探测器

说明书

光栅垂直耦合型插指光电探测器涉及半导体光电器件领域及光互联领域。本发明结构包括p+欧姆接触电极，n+欧姆接触电极，p型掺杂插指区，n型掺杂插指区，本征吸收区，绝缘掩埋层，衬底层，光栅区SOI材料顶层硅依次通过光刻离子注入，横向交替形成p型掺杂插指区、n型掺杂插指区、本征吸收区。光栅区是通过在顶层硅表面电子束曝光后刻蚀形成。要求离子注入峰值深度要大于光栅的刻蚀深度，避免出现局部的断路。本发明适用于高速、高吸收效率、高可靠性及高集成度的光栅垂直耦合型插指光电探测器的设计。

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，具体设计一种能够对空间通信及垂直入射光信号进行探测且具有高速性能的光电探测器。

背景技术

随着光电技术的发展，数据传输的速度进一步获得提升。硅基光电材料在近红外和可见光波段的良好吸收性能，让低成本，高质量，高可靠性，低噪声的硅基材料成为了可见光光探测的不二选择。为了实现高速，往往需要减小器件尺寸降低系统RC常数，减小PIN本征层的厚度减小载流子渡越时间。对于垂直入射的器件来说，本身去掉了复杂冗长的波导耦合结构，可简化器件结构和封装，降低成本。但是高速引起的小器件尺寸窄吸收厚度必然导致光响应的匮乏。例如在短距离通信普遍使用的近红外850nm波段附近，硅材料对光的吸收长度为20μm，此厚度的器件的响应速率在1GHz以下。如何做好光的吸收同时实现高速，一直都是硅基光电的难题之一。

单一的PIN或者PN型结构高速器件的光敏面较小，引入P N交替的共面多对插指结构，有效的增大了入射光吸收的光敏面，一定程度上解决了垂直入射光孔径的问题。在表面制作布拉格衍射光栅，通过布拉格条件设计，周期的改变材料的折射率，将垂直入射光转向水平传输。将纵向吸收深度转变为横向吸收长度。有效增加光吸收的同时，还减小了器件内光生载流子的渡越长度和时间，增大器件带宽。使用掩埋绝缘层材料，阻止了电场外多余的载流子，提升器件的高速性能。

本发明就是针对光互联领域，特别是850nm光电探测器的低成本，低功耗，强抗辐射能力，易于封装和形成线阵和面阵结构，能和微电子集成电路大面积单片集成的需求，设计并制作了一种光栅垂直耦合型插指光电探测器。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种光栅垂直耦合型插指光电探测器结构，相比于报道的其他结构，该结构工艺简单，具有高速，高吸收和高集成度等优点。

为了实现上述目的，本发明的探测器结构，如图1所示，包括p⁺欧姆接触电极101，n⁺欧姆接触电极102，p型掺杂插指区103，n型掺杂插指区104，本征吸收区105，绝缘掩埋层106，衬底层107，光栅区108。其特征在于，以SOI材料为例，SOI材料顶层硅依次通过光刻离子注入，横向交替形成p 型掺杂插指区103、n型掺杂插指区104、本征吸收区105。光栅区108是通过在顶层硅表面电子束曝光后刻蚀形成。要求离子注入峰值深度要大于光栅的刻蚀深度，避免出现局部的断路。

由于光栅的引入和插指掺杂使得有足够多的光被探测器吸收，光耦合效率达到70％以上，如图6所示，同一器件在频率响应图中，加入光栅后相较于未加入光栅的响应高了8dB左右。解决了光吸收的同时，为实现高速性能，还可以进一步减少顶层硅的厚度，薄的顶层硅厚度抑制载流子的扩散运动，降低载流子渡越时间，所有光生载流子一旦生成，就被强电场迅速拉向两极并吸收。通过减少本征吸收区105的宽度，减小渡越长度和时间，提高带宽。如果两极加高的反向电压，器件会出现雪崩倍增效应，进一步提高光的吸收和响应度。