[发明专利]光栅结构加载的垂直PIN型光电探测器及其制备方法

说明书

本发明提供一种光栅结构加载的垂直PIN型光电探测器及其制备方法，该光电探测器，包括：衬底、绝缘层、下接触层、本征吸收层、光栅结构和上接触层，其中上接触层与下接触层的掺杂类型相反；本征吸收层位于上接触层和下接触层之间，光栅结构通过刻蚀方式形成于本征吸收层；垂直入射光经过光栅衍射在本征吸收层转变成水平传输的光，消除了本征吸收层厚度对响应度的影响。本发明避免了光电探测器响应度和带宽相互制约的问题，有效提高了光电探测器的吸收效率及响应速度。此外，本发明还可以通过调节锗锡材料中锡的含量拓宽锗光电探测器的波长探测范围。

技术领域

本发明涉及光电探测器技术领域，特别是涉及一种光栅结构加载的垂直PIN型光电探测器及其制备方法。

背景技术

光电探测器在军事和国民经济的各个领域得到了非常广泛的应用,例如，航天航空、近红外成像、射线测量检测、工业自动控制等。由此可见，光电探测器的研究备受重视。

相较于传统III-V族/II-VI族光电探测器，IV族光电探测器的制备工艺与CMOS工艺兼容，具有低成本、高性能、体积小、易集成等优点，在光电集成领域得到了迅猛的发展，并广泛应用于光通讯、激光引信、激光陀螺等方面。根据光耦合方式的不同，探测器可以分为波导型探测器和垂直入射PIN型光电探测器。在垂直入射PIN型光电探测器中，载流子的渡越时间与本征吸收层的厚度成正比。较厚的本征吸收层直接导致载流子的渡越时间较长，限制了器件高频性能的提高，影响光电探测器的响应速度，但是本征吸收层越厚，吸收的光子越多，光电探测器的量子效率或响应度越高。为了协调响应度和响应速度(带宽)之间的矛盾，现有技术中已经出现了波导共振腔增强型光电探测器，用以解决光电探测器的响应度和带宽相互制约问题，然而，波导共振腔增强型光电探测器具有极强的波长敏感性，极大的限制了其应用。

鉴于以上，有必要提供一种新的垂直入射PIN型光电探测器，以协调响应度和带宽之间的矛盾。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光栅结构加载的垂直PIN型光电探测器及其制备方法，用于解决现有技术中垂直入射PIN型光电探测器在响应度和带宽之间互相制约等方面的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种光栅结构加载的垂直PIN型光电探测器，所述光栅结构加载的垂直PIN型光电探测器由下向上依次包括：

衬底、绝缘层、下接触层、本征吸收层、光栅结构和上接触层，其中所述上接触层与所述下接触层的掺杂类型相反；

所述本征吸收层位于所述上接触层与下接触层之间，所述光栅结构通过光刻、刻蚀工艺形成于所述本征吸收层；

所述光栅结构的光栅常数与波长的关系满足如下公式：

d(sinθ_m+sinθ_i)＝mλ(m＝0，1，2，3，……)

式中，d表示光栅常数，表示入射光波长，θ_m表示为衍射角，θ_i表示为入射角，m为衍射级次，m取1。基于上述公式，所述光栅结构可以使垂直入射光经过光栅衍射在所述本征吸收层转变为水平传输的光。

可选地，所述衍射角θ_m与垂直方向的夹角为90°，所述入射角θ_i与垂直方向的夹角为6°或8°，所述光栅结构的刻蚀深度介于65nm～75nm之间。

可选地，所述本征吸收层的材料选自元素周期表IV族元素中的至少一个。

可选地，所述本征吸收层的材料为Ge材料或Ge_1-xSn_x材料，其中0x1。

可选地，所述PIN型光电探测器还包括两个电极，两个所述电极分别形成于所述上接触层和所述下接触层上。