[发明专利]一种光波导探测器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种光波导探测器。

背景技术

当前主流光波导探测器为水平PIN(LPIN)光波导探测器，LPIN光波导探测器在硅波导内进行掺杂，从而在硅波导内形成PN结，该PN结在锗波导的下方，可以在锗波导内产生一定的电场。由于锗能够吸收光信号，因而在电场作用下，锗波导内产生光生载流子，从而实现将光信号转换为电信号。但是目前LPIN光波导探测器的锗波导内部的电场分布较弱，导致光生载流子在电场中的传输速率相对较低，LPIN光波导探测器的带宽相对较低。并且现有的光波导无法高效得保证光在波导层内传输，进一步降低了光生载流子在电场中的传输速率，也减少了光生载流子的产生量。

发明内容

为解决现有LPIN光波导探测器的光生载流子产生量低、光生载流子在电场中的传输速率相对较低和光波导探测器的带宽相对较低的问题，本发明提供了一种光波导探测器，包括沿第一方向堆叠的硅衬底层、波导层、纳米氧化锌空心柱层和电极层，波导层位于硅衬底层和纳米氧化锌空心柱层之间，纳米氧化锌空心柱层位于波导层和电极层之间，波导层包括硅波导层和锗波导层，锗波导层位于硅波导层和纳米氧化锌空心柱层之间；纳米氧化锌空心柱层为纳米氧化锌柱阵列，纳米氧化锌柱为空心柱，空心柱的空心直径为30～50nm；纳米氧化锌空心柱层包括第一金属过孔，第一金属过孔连接第一锗高掺杂区与电极层；硅波导层包括沿第二方向排列的P型硅高掺杂区、P型硅轻掺杂区、N型硅轻掺杂区和N型硅高掺杂区，P型硅轻掺杂区在P型硅高掺杂区与N型硅轻掺杂区之间，N型硅轻掺杂区在P型硅轻掺杂区与N型硅高掺杂区之间，第二方向垂直于第一方向；锗波导层包括第一锗高掺杂区和锗未掺杂区，锗波导层的第一表面包括第一锗高掺杂区的表面，第一表面为锗波导层在第一方向上背向硅波导层的表面，第一锗高掺杂区的宽度大于零且小于或等于第一表面宽度的一半，第一锗高掺杂区的厚度为10～100nm。

本发明，通过在锗波导上设置锗高掺杂区，相当于在锗波导上设置电极，锗波导上的电极可以与硅波导上异性的电极形成PN结，从而能够增强锗波导内的电场强度，提高光生载流子的迁移速率，进而能够有效提高光波导探测器的带宽。并且由于纳米氧化锌空心柱的中心空腔尺寸为纳米级的，光在空心腔内遵循“回音廊模型”的传输规律，即最大限度地保证光在波导层内传输，并且空心腔对光有聚焦的作用，光在空心腔内经过多次全反射增强后从空心腔沿空心柱的轴心方向射出，从而增加光生载流子的产生量，可提高光波导探测器将光信号转化为电信号的效率，进而提高光波导探测器的处理效率。

在一些实施方式中，第一锗高掺杂区为P型锗高掺杂区，第一锗高掺杂区在第一表面内的中心点与第一表面的第一边缘的距离小于或等于中心点与第一表面的第二边缘的距离，第一边缘为第一表面在第二方向上靠近P型硅高掺杂区的边缘，第二边缘为第一表面在第二方向上靠近N型硅高掺杂区的边缘。由此，，通过在锗波导上靠近P型硅高掺杂区的位置设置P型锗高掺杂区，不仅能够增强锗波导内的电场强度，也使得锗波导内的电场强度较为均匀，从而能够有效提高光生载流子的迁移速率，提高光波导探测器的带宽。

在一些实施方式中，第一锗高掺杂区在第一表面上的且沿着第二方向距离P型硅高掺杂区最近的边缘与第一边缘重合。由此可以减少锗波导层内的光场与高掺杂材料之间的相互作用，进而能够降低锗波导层的光吸收损耗。

在一些实施方式中，第一锗高掺杂区为N型锗高掺杂区，第一锗高掺杂区在第一表面内的中心点与第一表面的第一边缘的距离大于或等于中心点与第一表面的第二边缘的距离，第一边缘为第一表面在第二方向上靠近P型硅高掺杂区的边缘，第二边缘为第一表面在第二方向上靠近N型硅高掺杂区的边缘。由此，通过在锗波导上靠近N型硅高掺杂区的位置设置N型锗高掺杂区，不仅能够增强锗波导内的电场强度，也使得锗波导内的电场强度较为均匀，从而能够有效提高光生载流子的迁移速率，提高光波导探测器的带宽。

在一些实施方式中，第一锗高掺杂区在第一表面上的且沿着第二方向距离N型硅高掺杂区最近的边缘与第二边缘重合。由此可以减少锗波导层内的光场与高掺杂材料之间的相互作用，进而能够降低锗波导层的光吸收损耗。