[发明专利]基于布拉格反射镜的波导型Ge/Si雪崩光电二极管及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于布拉格反射镜的波导型Ge/Si雪崩光电二极管及制备方法，该雪崩光电二极管包括阳极、Ge电极接触层、吸收层、电荷层、倍增层、阴极、衬底层、保护层、多周期布拉格反射镜和光波导，其中，倍增层、电荷层、吸收层、Ge电极接触层及阳极自下而上依次设置在衬底层上，阴极设置在衬底层上且位于倍增层的侧面；多周期布拉格反射镜和光波导分别位于倍增层、电荷层和吸收层形成的叠层结构的相对两侧；多周期布拉格反射镜覆盖在多周期布拉格反射镜、光波导、阴极的上表面。该雪崩光电二极管利用布拉格反射镜的强反射作用，提高光的耦合效率，增强了器件的光吸收，提高了器件的响应度。

技术领域

本发明属于光电二极管技术领域，具体涉及一种基于布拉格反射镜的 波导型Ge/Si雪崩光电二极管及制备方法。

背景技术

雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)是一种具有内部增益、能 将探测到的光电流进行放大的有源器件。由于其对磁场不敏感，体积比较小， 工作电压相对较低，接收能力强，灵敏度高，被广泛应用于高速数据通信系 统、生物检测、放射性探测，量子密钥分发系统，天文测光、光电通讯等领 域。近年来，以Ge材料作为吸收层，Si材料作为倍增层且吸收区、电荷区 和倍增区互相分离(SACM)的Ge/Si APD，在低噪声和低暗电流及近红外探 测方面显示出巨大的优势。

波导型Ge/Si APD由于其集成化程度高，并且可以通过将光吸收路径 和载流子收集路径分离开以进一步提高器件的增益带宽积，成为当今APD 的研究热点。然而，目前传统的单模或多模波导APD在1.55μm波长下的 耦合效率比较低，这极大地限制了波导型APD的光吸收。虽然可以通过增 加水平方向吸收区长度来提高APD的光吸收，但同时也会导致结面积增大， 结电容也随之增大，对应的RC响应也随之增大，这对APD的带宽是不利 的。

近年来，为了提高波导型Ge/Si APD的耦合效率，有研究者提出了阶 跃波导耦合型Ge/Si APD结构，该结构采用多模垂直干涉原理，提高了波 导的耦合效率，然而Ge/Si之间存在不可避免的两个夹角，对器件的光吸收 有着很大的影响。此外，有研究者提出了一种低高度剖面的Ge/Si波导APD， 其中光子产生的载流子被边缘电场收集，但是边缘电场很难控制，并且会产 生高噪声。垂直锗吸收，横向硅电荷层和倍增层被提出来通过单模波导保持 倏逝耦合，许多研究者对此类结构进行实验研究，然而结果均远低于预期。 总之，如何进一步提高波导型Ge/Si APD的耦合效率和光吸收，提高器件 的响应度，成为目前急需解决的关键问题。

发明内容

为了提高波导型Ge/Si APD的耦合效率，增强器件的光吸收，提高器 件的响应度，实现远距离光纤通信，本发明提供了一种基于布拉格反射镜的 波导型Ge/Si雪崩光电二极管及制备方法。本发明要解决的技术问题通过以 下技术方案实现：

本发明的一个方面提供了一种基于布拉格反射镜的波导型Ge/Si雪崩光 电二极管，包括阳极、Ge电极接触层、吸收层、电荷层、倍增层、阴极、衬 底层、保护层、多周期布拉格反射镜和光波导，其中，

所述倍增层、所述电荷层、所述吸收层、所述Ge电极接触层及所述阳 极自下而上依次设置在所述衬底层上，所述阴极设置在所述衬底层上且位 于所述倍增层的侧面；

所述多周期布拉格反射镜和所述光波导分别位于所述倍增层、所述电 荷层和所述吸收层形成的叠层结构的相对两侧；

所述多周期布拉格反射镜覆盖在所述多周期布拉格反射镜、所述光波 导、所述阴极的上表面。

在本发明的一个实施例中，所述衬底为SOI衬底，自下而上依次包括Si 电极接触层、SiO₂埋氧化层和Si衬底，所述Si电极接触层采用As或P掺杂成n 型，掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-3。