[发明专利]亚波长光栅反射增强型硅基宽光谱集成光探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，特别涉及一种亚波长光栅反射增强型硅基宽光谱集成光探测器及其制备方法。 

背景技术

随着通信容量的快速增长，网络终端和节点设备的能耗、体积和可靠性越来越成为严重的问题，传统光电子器件由于其材料、结构和工艺自身的限制因素，已无法满足新一代信息技术发展的需要。具有更强功能、更高可靠性、更小体积的基于新型功能微结构的硅基光子集成器件是信息技术发展的重要方向，它在宽带智能光网络、高速光通信、自动测控和国防建设等方面具有广阔的应用前景。 

随着通信容量的快速增长，系统对器件响应带宽的要求大大提高，同时希望在整个光纤通信长波长(1.2μm～1.6μm)低损耗窗口的宽光谱范围内，都能实现较高的量子效率。然而，对于传统的垂直型p-i-n光探测器，器件的频率响应带宽和量子效率相互制约。虽然通过增加器件的吸收层可以增大器件的量子效率，但是由于载流子传输时间的限制效应，器件的响应速率将会明显下降。Katsumi Kishino和M.Selim 在1991年提出的谐振腔增强型(RCE)光探测器在一定程度上解决了器件量子效率和响应速率之间存在的相互制约问题。RCE光探测器的基本结构是将吸收层插入到谐振腔中，由于谐振腔的增强效应，此类器件在较薄吸收层的情况下即可以获得较高的量子效率，同时也减少了光生载流子在吸收层的渡越时间，因而能够同时获得高的量子效率和高的响应速度。然而，RCE光探测器在科学研究和走向实用的过程中同样也遇到一些困难： 

(1)由于谐振腔的选频作用，器件具有一定的波长选择特性，器件量子效率仅在有限的范围内获得增强，因此不适用于宽光谱响应的需要。 

(2)用于光通信系统的半导体器件主要以InP系材料为主，由于与InP晶格匹配的InP系材料之间的折射率差比较小，很难获得实用的分布布拉格反射镜(DBR)。所以，单片集成的长波长(1550nm波段)RCE结构器件的制备仍然是一个难点。 

(3)光通信器件主要以III-V族半导体器件为主，与基于CMOS工艺的硅基光子或电子器件的集成仍然存在困难。 

发明内容

(一)要解决的技术问题 

针对现有技术的缺点，本发明为了解决现有技术中半导体光探测器量子效率和频率响应带宽的相互制约的问题，提供了一种亚波长光栅反射增强型硅基宽光谱集成光探测器及其制备方法。 

(二)技术方案 

为此解决上述技术问题，本发明具体采用如下方案进行： 

首先，本发明提供一种亚波长光栅反射增强型硅基宽光谱集成光探测器，所述光探测器包括： 

由下至上依次形成的硅衬底层、氧化硅衬底层、亚波长光栅层、树脂层、n型外延层、本征层、p型外延层，以及形成在n型外延层上的n型接触电极和形成在p型外延层上的p型接触电极； 

其中，所述亚波长光栅层包括由硅材料制成的具有特定图案的光栅。 

优选地，所述亚波长光栅层的光栅图案为周期性或非周期性图案。 

优选地，所述周期性图案的光栅为等间距等宽度的同心环光栅、或平行的等间距等宽度的条状光栅、或均匀的圆点或矩形点形成的点 状阵列光栅；所述非周期性图案的光栅为从圆心到外周间距递增而宽度递减的同心环光栅或平行的从对称轴到外周间距递增而宽度递减的条状光栅。 

优选地，所述亚波长光栅层中的光栅周期为200nm～1.5μm，占空比为20％～80％；光栅反射光谱大于30％。 

另一方面，本发明还提供一种亚波长光栅反射增强型硅基宽光谱集成光探测器的制备方法，所述方法包括步骤： 

S1，在SOI衬底上刻蚀形成SOI基亚波长光栅； 

S2，在III-V族衬底上外延生长III-V族光探测器结构； 

S3，采用键合工艺混合集成III-V族光探测器外延结构和SOI基亚波长光栅； 

S4，制备半导体光探测器。 

优选地，步骤S1中，SOI衬底由底层Si、SiO₂和顶层Si三层结构组成，光栅制作在顶层Si上。 

优选地，步骤S2中，利用外延生长设备在InP衬底上生长InGaAs光探测器。 

优选地，生长温度保持在650℃。 

优选地，步骤S3中，所述键合工艺包括：直接键合、SiO₂-SiO₂键合、Au/In键合、苯并环丁烯晶片键合和溶胶-凝胶晶片键合。