[发明专利]垂直耦合型波分复用光信号接收共面光电探测器

说明书

垂直耦合型波分复用光信号接收共面光电探测器涉及半导体光电器件领域以及光互联领域，针对空间通信领域，特别是波分复用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。本发明结构：p型掺杂插指区，n型掺杂插指区是横向依次通过光刻离子注入在顶层硅中形成的掺杂区域，之间的间隙是本征吸收区；二维耦合光栅区是在吸收材料区两侧电极中间部分在紫外光刻后采用干法刻蚀技术，在入射平面上与掺杂区条平行和垂直两个方向上周期不同的二维光栅结构；控制两个维度光栅的周期和刻蚀深度使得满足布拉格衍射条件，将垂直入射的光转变为水平方向。

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多通道波分复用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，高可靠性强，低噪声的硅基材料成为了可见光探测的不二选择。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，特别是吸收长度较长的长波长光谱。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。

传统垂直结构的PIN或者PN型高速探测器，是降低载流子渡越时间来获得高速性能，却也降低了吸收区厚度，造成器件长波长响应度低；此外，减小器件尺寸获得低RC常数，高截止频率性能，却也降低了器件通光面的尺寸，无法做到大孔径波分复用的探测器。虽然共面探测器件能够解决尺寸限制的问题，通过P N交替的共面多对结结构，有效的增大光敏面积，但是PN结和电场仍集中器件表面，光吸收的长度仍很短，长波长响应依旧低，而且表面效应会引入大量暗电流，增大器件电容。因此共面探测器只能用于短波的高速探测，不适用于近红外大孔径的空间光探测和通信领域。

本发明是针对空间通信领域，特别是波分复用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，设计并制作了一种垂直耦合型近红外波分复用光信号接收共面光电探测器。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种垂直耦合型波分复用光信号接收共面光电探测器结构，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。

1.一种垂直耦合型波分复用光信号接收共面光电探测器结构，其特征在于，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、衬底层106、二维耦合光栅区107，所述p型掺杂插指区103，n型掺杂插指区104是横向依次通过光刻离子注入在顶层硅中形成的掺杂区域，之间的间隙是本征吸收区105；所述p+欧姆接触电极101和n+欧姆接触电极102分别是对应溅射在两侧的p型掺杂插指区103，n型掺杂插指区104之上作为电极；所述二维耦合光栅区107，是在吸收材料区两侧电极中间部分在紫外光刻后采用干法刻蚀技术，在入射平面上与掺杂区条平行和垂直两个方向上周期不同的二维光栅结构；控制两个维度光栅的周期和刻蚀深度使得满足布拉格衍射条件，将垂直入射的光转变为水平方向；离子注入浓度峰值的深度要求大于光栅刻蚀深度1到60nm之间。其中，离子注入的浓度随注入深度的变化分布不同。这里对峰值深度的要求是为了避免本征区电场被减弱。本征区105在103与104之间，107为本征区105的一部分刻蚀后的结果。

2.进一步，采用二维耦合光栅区作为入射面。

3.进一步，探测器的材料为：Si、Ge、Si、InGaAs、InP、AlGaAs、GaAs、GaN、Ga₂O₃、AlN、或SiC材料体系。