[发明专利]一种硅基微环光电探测器

说明书

本发明公开了一种硅基光电探测器，包括硅波导层(012)，硅波导层(012)上表面有脊型的硅母线波导(001)和硅微环(006)，硅微环(006)靠近硅母线波导(001)的一段为耦合区(020)，除耦合区(020)外硅微环(006)的上表面有锗吸收层(004)。本发明利用半导体材料的双光子吸收效应，并利用硅基平台以及微环谐振腔结构，实现了低成本、高集成度的2μm波段光电探测器，并对光电探测器的结构做出了优化，将单层硅微环改为Ge‑on‑Si双层微环，并对耦合区的锗微环进行了部分刻蚀的处理，处理后的微环探测器在保留了与成熟的互补金属氧化物半导体技术兼容的特点的同时，在数值仿真中取得了良好的探测效果。

技术领域

本发明属于光电探测器领域，更具体的，涉及一种可用于无创血糖探测的硅基微环光电探测器。

背景技术

光电探测器是一种将光信号转化为电信号的器件，在现代通信的光通信技术中占有非常重要的地位。光电探测器的信号探测原理主要是基于光电导效应，即利用半导体材料在一定范围波长的光照下自由载流子浓度发生变化，引起半导体的电导改变，即导电性发生改变，通过检测光照前后流过半导体的电流的变化情况，即可以实现光信号的检测，广泛应用于各类信号接收设备、传感、生物信息检测等领域。

患者每天所需的血糖检测次数是非常频繁的，尤其是对于重度糖尿病患者，每天需要自测大约3～5次血糖。传统穿刺血糖检测的精度较高，但难以避免地会给患者带来的疼痛不适感，而无创血糖检测给患者的检测体验是非常好的，但目前的无创血糖检测仪面临着精确度不高，无法作为临床诊断的参考的问题，并且价位普遍较高，对于广泛的患者来讲无创血糖探测的成本无法忽略。人体血糖的吸收谱峰包括2μm波段，如何设计出工作在2μm波段的高性能、低成本探测器是无创血糖检测仪的关键所在。

随着电子信息技术发展，尤其是半导体制造工艺的提高，商用光电探测器件的性能也在不断提升，包括光电探测器的响应度、工作带宽等性能参数。而在制作成本方面，由于互补金属氧化物半导体技术发展比较成熟，集成电路的制作成本现在可以做到非常低，而普通的光波导技术相对来讲难以在低成本下做到高集成度，研究人员便将集成电路的制作工艺推光到光器件，带来硅光技术的发展，即在硅基衬底上制作光器件。硅基光电探测器的最大特点就是其与成熟的互补金属氧化物半导体半导体工艺兼容，制作成本低，并且产品的良品率高，有利于大规模生产，尤其可以实现高度集成的光信息系统。基于上述优点，在过去十年里，硅光子学已被推广为数据通信、医疗技术、感知技术等领域具提供革命性进步的平台。

由于硅是间接带隙材料，其带隙宽度为1.12eV，即对于硅来讲光电效应的截止波长为 1.1μm，波长超过1.1μm的光信号在硅中几乎不会被吸收，也就无法通过硅直接实现2μm 光信号的探测。目前对2μm波长光探测的解决方案主要依赖于具有可调谐带隙的基于Ⅲ-V 族材料，例如InGaAs/InP光电探测器，但由于Ⅲ-V族材料体系器件的制作工艺较为复杂，制作成本也较高，这不利于向普通个人用户推广基于该类器件的商用探测设备。

一般情况下，半导体材料发生光电效应时，一次只能吸收使自由电子从基态跃迁到激发态能量的一个光子，但在光强足够高的情况下，材料分子可能吸收两个光子，每个光子的能量是半导体材料自由电子基态与激发态能量差值的1/2，或约大于1/2。在探测器中引入双光子吸收效应，则可以扩展硅基光电探测器的工作波长至2μm波段。

双光子吸收发生的条件是光强足够高，实际上是要求在探测器的有源区有足够高的光子密度，并且双光子吸收是一种弱吸收效应，在同样功率的输入光源下，双光子吸收远弱于本征吸收。有通过增强输入光源的功率来增强探测器有源区光子密度，以提升双光子吸收，但这并不是一种理想的方案，因为高功率光源的耗能较大，并且高功率光源需要较大的激光调控装置，这不利于无创血糖检测仪器的安全性、便捷性和可穿戴性。也有通过增大光电探测器的有源区面积来增大探测器响应度，但这降低了光电探测器的波长选择性，响应信号容易受到干扰，同时也会使器件的集成度变低，可能导致有源区内的光子密度减少，进而导致局部光强无法达到双光子吸收阈值，双光子吸收降低。