[发明专利]一种基于介质超表面的垂直入射型硅基锗光电探测器

说明书

本发明公开了一种基于介质超表面的垂直入射型硅基锗光电探测器，属于半导体探测器领域。包括：衬底，其材料为SOI；位于衬底上的有源层，其材料为锗和硅，上表面有介质超表面微结构，所述介质超表面微结构为亚波长周期性结构。本发明在硅基锗探测器有源层上加工介质超表面微纳结构，利用介质超表面引入的米氏谐振，将入射光限制在硅基锗探测器的有源吸收区，增强探测器对入射光的吸收效率，在不牺牲硅基锗光电探测器的高速性能下，提升了探测器的响应度。通过对介质超表面微纳的结构进行优化设计，调控各个谐振单元本身及及谐振单元之间的排布，能够有效地控制谐振增强吸收峰的光波长位置，从而在特定波长或特定波段提升光电探测器的响应度。

技术领域

本发明属于半导体探测器领域，应用于光通信中接收光信号，更具体地，涉及一种基于介质超表面的垂直入射型硅基锗光电探测器。

背景技术

硅是间接带隙半导体材料，具有储量丰富、成本低、机械强度大、与微电子电路兼容等优点，是制备光电探测器特别是集成光电接收器的重要材料。锗探测器与硅基COMS工艺兼容，响应波段覆盖通信波段，有着良好的电学性能等优势，是目前制备硅基集成光电探测器的重要方案之一。

硅光子学以硅为主体材料，在其之上设计研究各类光学器件，实现光的发射，传输，接收等功能，并最终实现全硅的光电集成。由于硅与传统的COMS工艺兼容，利于集成；地质含量丰富；绝缘体上硅(SOI)性能优势等优点，硅光子广泛受关注。Inter公司认为一个成熟的硅基光互连系统包括硅基光源、硅基光波导、硅基调制器、硅基探测器、低成本封装技术、与COMS工艺线兼容六大核心部件与技术。其中硅基集成的锗探测器是目前硅基光互联中最热门的光探测解决方案。

传统的垂直入射型硅基锗光电探测器，由于锗在光通信波段的光吸收系数比较低，一般需要增加探测器有源层吸收区厚度来提高探测器的响应度。然而厚的有源吸收区增加了外延的材耗和难度，同时也会增加硅基锗光电探测器光生载流子在PN结中耗尽区的渡越时间，从而会影响光电探测器在光通信领域中的高速工作使用。

发明内容

针对现有技术垂直入射型硅基锗光电探测器高速性能与响应度互相制约的问题，本发明提供了一种基于介质超表面的垂直入射型硅基锗光电探测器，其目的在于在不增加光电探测器的有源层吸收区厚度的情况下，提升传统的垂直入射型光电探测器的光响应度性能。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于介质超表面的垂直入射型硅基锗光电探测器，所述硅基锗光电探测器包括：

衬底，所述衬底的材料为SOI；

位于所述衬底上的有源层，所述有源层的材料为锗和硅，所述有源层的上表面有介质超表面微结构，所述介质超表面微结构为亚波长周期性结构。

优选地，所述有源层包括：第一下掺杂层、第二下掺杂层、非掺杂本征层、第一上掺杂层、第二上掺杂层，其中，第一下掺杂层和第二下掺杂层为同类型掺杂，第一上掺杂层和第二上掺杂层为同类型掺杂，且与下掺杂层类型相反。

优选地，第一下掺杂层和第二上掺杂层的材料为锗，第二下掺杂层、非掺杂层和第一上掺杂层的材料为硅。

优选地，所述介质超表面微结构由多个相同的微纳图形周期排布构成。

优选地，同时调控所述介质超表面微结构中微纳图形的尺寸、周期和深度，改变微纳图形的光谐振增强波段，将该波段的光限制在探测器有源层吸收区和吸收区上下的光限制层。

优选地，所述微纳图形的谐振增强波段在光电探测器有源层的光吸收谱范围内。

优选地，所述排布的方式为四方晶格、六方晶格或者准晶格。

优选地，所述微纳图形为纳米孔、纳米柱、纳米小球、纳米环或纳米棒中的至少一种。

优选地，所述探测器还包括：