[发明专利]一种波导型Ge/Si雪崩光电二极管及制备方法

说明书

本发明公开了一种波导型Ge/Si雪崩光电二极管及其制备方法，所述二极管包括阳极、Ge电极接触层、吸收层、电荷层、倍增层、阴极、SOI衬底、保护层、第一多周期布拉格反射镜、第二多周期布拉格反射镜和光波导，其中，SOI衬底自下而上依次包括Si衬底、SiO₂埋氧化层和Si电极接触层；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Si电极接触层上；第一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；第二多周期布拉格反射镜横向叠放在Si电极接触层与SiO₂埋氧化层之间。该雪崩光电二极管利用布拉格反射镜的强反射作用，可提高光的耦合效率，增强器件的光吸收，有效提高器件的响应度。

技术领域

本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种波导型Ge/Si雪崩光电二极管及制备方法。

背景技术

光纤通信系统主要由光发射器、光电探测器、中继器以及光纤等组成，其中，光电探测器的作用是将光发射器发送的光信号接收后转化为电学信号输出。在光纤通信系统中，光电探测器是核心元件。近年来，随着光纤通信的快速发展，制备具有低暗电流、高增益、高带宽、高响应度并能与电路集成的光电探测器一直是人们追求的目标。

在近红外通讯波段，基于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiode,APD)传统被使用，但是这些Ⅲ-Ⅴ族APD受较大的空穴-电子离化率比所导致的较大过剩噪声所限制，难以进一步提升器件特性，而且单片集成困难。相比之下，Si具有很低的空穴-电子离化率比，是一种很合适的倍增材料，以Si为倍增材料的APD的暗电流比较小，且Si材料的成本比较低，与CMOS工艺兼容，但由于Si的禁带宽度为1.12eV，由硅材料制作而成的APD波长探测范围为200～1100nm，这使得Si无法吸收近红外的光子。同为IV族元素的Ge材料的禁带宽度相对较小，用Ge材料制成的APD的波长探测范围在900nm～1700nm之间，非常适合用来进行近红外通信波段的探测。缺点是Ge材料的空穴与电子的离化率相差较小，Ge APD的暗电流和噪声比较大。因此结合Ge、Si两种材料的优点，以Ge材料作为吸收层，Si材料作为倍增层的吸收区、电荷区以及倍增区互相分离(Separate AbsorptionCharge Multiplication,SACM)的APD结构在高性能硅基近红外雪崩光电研制方面很有吸引力，受到了人们的关注。

然而在垂直入射光照下工作的Ge/Si APD在1550nm波长下的响应度比较低。虽然可以通过增大Ge吸收区的厚度来提高器件的量子效率，但量子效率提高的同时会导致载流子的渡越时间增大，减小APD的3dB带宽。而波导耦合型Ge/Si APD，由于光吸收方向与载流子输运方向相分离，更适合高速率、长距离的光纤通信系统应用。目前传统的波导APD存在耦合效率较低的问题，这极大地影响了器件性能。为了提高波导型APD的光吸收，可以增加水平方向的吸收区长度，但这种方法会导致结面积增大，随之结电容也将增大，这对器件的带宽将产生不利影响。

近年来，针对如何提高波导型Ge/Si APD的耦合效率，人们提出了一些新的波导型APD结构。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会被边缘电场收集，但是边缘电场很难控制，并且会产生高噪声。还有研究者提出了阶跃波导耦合型Ge/Si APD结构，该结构提高了波导的耦合效率，但是由于Ge/Si之间存在夹角，对器件的光吸收产生了较大影响。因此，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、SOI衬底、保护层、第一多周期布拉格反射镜、第二多周期布拉格反射镜和光波导，其中，