懸掛型可見光及近紅外波段硅基光波導(dǎo)集成光電探測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種懸掛型可見光及近紅外波段硅基光波導(dǎo)集成光電探測器。無源輸入光波導(dǎo)包括第一硅襯底以及從下到上依次層疊在第一硅襯底上的波導(dǎo)下包層和芯層條形型波導(dǎo)；有源光吸收區(qū)域包括第二硅襯底以及直接覆于第二硅襯底上的懸掛波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)和金屬電極，懸掛波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)均沿芯層條形型波導(dǎo)方向延伸布置，懸掛波導(dǎo)連接在芯層條形型波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之間，金屬電極位于輸出波導(dǎo)的兩側(cè)方。本發(fā)明僅需要簡單的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，便于與其他集成光波導(dǎo)器件集成，有利于實(shí)現(xiàn)集成化、小型化、便攜式、低成本的光電探測接收系統(tǒng)。
【專利說明】
懸掛型可見光及近紅外波段硅基光波導(dǎo)集成光電探測器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種光電探測器，尤其是涉及一種懸掛型可見光及近紅外波段硅基光波導(dǎo)集成光電探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]在藥物開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測、食品安全檢測等領(lǐng)域，可靠的測試手段不可缺少，而傳感技術(shù)正是其核心技術(shù)。利用先進(jìn)傳感技術(shù)，可以對物質(zhì)成分、濃度等進(jìn)行實(shí)行定性或定量分析。光學(xué)傳感是傳感技術(shù)的重要分支，通常包括傳感單元和光電探測器兩部分。
[0003]對于一個集成光波導(dǎo)傳感系統(tǒng)，光電探測器是其必不可少的部件，用于將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，以便進(jìn)行后續(xù)的信號處理。對于可見光及近紅外波段，硅基光電探測器是一個很好的選擇，其結(jié)構(gòu)包含無源輸入光波導(dǎo)、光吸收區(qū)域兩部分。為了提高集成光波導(dǎo)傳感系統(tǒng)可靠性，可將光波導(dǎo)傳感單元和光電探測器的無源輸入光波導(dǎo)相連接，從而使光波導(dǎo)傳感單元和光電探測器兩者有機(jī)地單片集成于一體。然而這種單片集成并非易事，其困難之處在于:對于傳感單元、及光電探測器的無源輸入光波導(dǎo)，其光波導(dǎo)緩沖層必須足夠厚以防止硅襯底泄漏損耗;而對于光電探測器的光吸收區(qū)域，其光波導(dǎo)緩沖層應(yīng)盡可能小，從而使得光場能迅速泄漏到襯底而被硅襯底吸收形成光電流。因此，若采用傳統(tǒng)光波導(dǎo)技術(shù)，緩沖層厚度的差異使得光波導(dǎo)集成光電探測器結(jié)構(gòu)和工藝比較復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)集成化和低成本化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種在可見光及近紅外波段使用的懸掛型硅基光波導(dǎo)集成光電探測器。將基于光波導(dǎo)的無源部分與硅光電探測器的有源光吸收部分完美地集成為一體，從而可以極大的降低成本，并提高其可靠性。
[0005]本發(fā)明通過直接將原單片結(jié)構(gòu)上有源吸收光區(qū)域的S12薄膜腐蝕，則原條形波導(dǎo)自動形成由無源區(qū)域到有源區(qū)域的懸掛型波導(dǎo)及輸出波導(dǎo)，并借助耦合效應(yīng)使絕大部分光被硅襯底吸收，因此具有很高的靈敏度，便于實(shí)現(xiàn)高靈敏度光波導(dǎo)傳感單元。
[0006]本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案是:
[0007]本發(fā)明包括無源輸入光波導(dǎo)和有源光吸收區(qū)域，無源輸入光波導(dǎo)和有源光吸收區(qū)域通過懸掛波導(dǎo)相連接，其中:
[0008]無源輸入光波導(dǎo)包括第一硅襯底以及從下到上依次層疊在第一硅襯底上的波導(dǎo)下包層和芯層條形型波導(dǎo)；
[0009]有源光吸收區(qū)域包括第二硅襯底以及直接覆于第二硅襯底上的懸掛波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)和金屬電極，懸掛波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)均沿芯層條形型波導(dǎo)方向延伸布置，懸掛波導(dǎo)連接在芯層條形型波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之間，金屬電極位于輸出波導(dǎo)的兩側(cè)方。
[0010]所述的波導(dǎo)下包層、芯層條形型波導(dǎo)、懸掛波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)均為不同于第一硅襯底和第二硅襯底的材料且為在硅材料吸收波段具有透明特性的光學(xué)材料。
[0011]所述的懸掛波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)是由襯底-包層-波導(dǎo)結(jié)構(gòu)通過對包層進(jìn)行腐蝕形成所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
[0012]所述無源輸入光波導(dǎo)和所述有源光吸收區(qū)域采用單片集成制作。
[0013]所述無源輸入光波導(dǎo)中的芯層條形波導(dǎo)和所述有源光吸收區(qū)域的衍射光柵為同一材料，采用單片集成制作。
[0014]有源吸收光區(qū)域位于第二硅襯底上的輸出波導(dǎo)內(nèi)的光被耦合到硅襯底上，形成光生載流子，耦合效率較高，增強(qiáng)了以第二硅襯底作為探測器光敏面接收到的光強(qiáng)。
[0015]本發(fā)明具有的有益效果是:
[0016]1.本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)方便、制作簡便，可顯著降低器件制作成本。
[0017]2.便于將光電探測器與無源功能器件單片集成，可極大地提高其可靠性，并有利于降低器件封裝成本。
[0018]3.無源輸入光波導(dǎo)和有源光吸收區(qū)域通過懸掛波導(dǎo)相直接連接，因此耦合效應(yīng)使絕大部分光(99%以上)能被硅襯底吸收，具有很高的靈敏度，可達(dá)到約0.68A/W，便于實(shí)現(xiàn)高靈敏度光波導(dǎo)傳感單元。且器件尺寸小，獲得了 20GHz/s的高響應(yīng)速度。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)俯視圖。
[0020]圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)正視圖。
[0021]圖3是圖1的A-A ’剖視圖。
[0022]圖4是圖1的B-B’剖視圖。
[0023]圖5是圖1的C-C’剖視圖。
[0024]圖中:1、無源輸入光波導(dǎo)，11、第一娃襯底，12、波導(dǎo)下包層，13、條形波導(dǎo)，2、有源光吸收區(qū)域，21、第二娃襯底，22懸掛波導(dǎo)，23、輸出波導(dǎo)，24、金屬電極。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0026]如圖1、2所示，本發(fā)明包括無源輸入光波導(dǎo)I和有源光吸收區(qū)域2;其中:
[0027]如圖3所示，無源輸入光波導(dǎo)I包括第一硅襯底11以及從下到上依次層疊在第一硅襯底11上的波導(dǎo)下包層12和芯層條形型波導(dǎo)13。
[0028]如圖4、圖5所示，有源光吸收區(qū)域2包括第二硅襯底21以及直接覆于第二硅襯底21上的懸掛波導(dǎo)22、輸出波導(dǎo)23和金屬電極24，懸掛波導(dǎo)22和輸出波導(dǎo)23均沿芯層條形型波導(dǎo)13方向延伸布置，金屬電極24位于輸出波導(dǎo)23的兩側(cè)方，金屬電極24與第二硅襯底21接觸。
[0029]如圖1、2所示，第二硅襯底21與第一硅襯底11對應(yīng)連接，無源輸入光波導(dǎo)I和有源光吸收區(qū)域2通過懸掛波導(dǎo)對準(zhǔn)輸入、輸出波導(dǎo)相連。
[0030]具體實(shí)施中，無源輸入光波導(dǎo)I中的芯層條形波導(dǎo)13和有源光吸收區(qū)域2的衍射光柵23為同一材料，采用單片集成制作，從而無源輸入光波導(dǎo)I和有源光吸收區(qū)域2整個采用單片集成制作。
[0031]本發(fā)明的工作原理過程為:
[0032]光沿著無源輸入光波導(dǎo)傳播。由于下包層和空氣的隔離作用，光在無源輸入光波導(dǎo)中傳輸無泄漏。光隨后通過懸掛波導(dǎo)進(jìn)入有源光吸收區(qū)域2的輸出波導(dǎo)中后，輸出波導(dǎo)與硅襯底直接接觸，由于耦合效應(yīng)，光被耦合到第二硅襯底中，光到第二硅襯底后，被硅吸收，形成光生載流子，并通過在電極上施加外加電場來收集所產(chǎn)生的光生載流子，從而形成光電流。
[0033]下面給出兩種硅基光波導(dǎo)集成光電探測器具體實(shí)施例。
[0034]實(shí)施例1
[0035]在此實(shí)施例中，選用Si3N4作為條形波導(dǎo)13、懸掛波導(dǎo)22、輸出波導(dǎo)23材料。其制作工藝過程是:利用高溫氧化工藝在硅襯底上生長一層約3μπι厚的S12薄膜，此芯層無需摻雜，因而可采用簡單的熱氧化工藝，而該工藝適合于大批量生產(chǎn)，故成本很低。再形成0.25μm 厚的 Si3N4。
[0036]采用光刻、干法刻蝕的工藝將Si3N4薄膜刻蝕為一定寬度的條形波導(dǎo)，此時條形波導(dǎo)位于無源區(qū)和有源區(qū)內(nèi)。然后在有源光吸收區(qū)域2波導(dǎo)兩側(cè)，利用干法或濕法工藝去除整個有源區(qū)內(nèi)的S12薄膜，則條形波導(dǎo)自動垂下形成懸掛波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)，進(jìn)而在用于腐蝕S12的窗口中濺射金或T1-Au-Ti電極24，其中Ti厚5nm，Au厚度為lOOnm，使之與第二硅襯底21形成肖特基接觸，獲得金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)的光電探測結(jié)構(gòu)。
[0037]當(dāng)光經(jīng)過無源輸入光波導(dǎo)I進(jìn)入到有源光吸收區(qū)域2后，由于耦合效應(yīng)，光很容易被硅吸收，形成光生載流子，在外加偏壓的作用下，形成光電流。為了獲得高響應(yīng)度，有源光吸收區(qū)域的長度需足夠長，以完全吸收入射光。
[0038]經(jīng)過計(jì)算，由于本發(fā)明結(jié)構(gòu)的有源光吸收區(qū)具有高效率的襯底泄漏，有源光吸收區(qū)域的長度僅需10?102μπι，有利于實(shí)現(xiàn)芯片的小型化。而且，由于高效的耦合效率，99%以上的光都能被硅襯底吸收，保證一定的光強(qiáng)，因而具有很高的靈敏度，靈敏度可達(dá)到約
0.68A/W，獲得了約20GHz/s的高響應(yīng)速度。此外，有源光吸收區(qū)內(nèi)的懸掛波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)是由腐蝕S12薄膜后原條形波導(dǎo)自動形成，實(shí)現(xiàn)了單片集成的光傳感器系統(tǒng)。
[0039]實(shí)施例2
[0040]在此實(shí)施例中，選用聚合物材料SU-8條形波導(dǎo)13、光柵23材料。其制作工藝過程是:在硅襯底利用高溫氧化工藝在硅襯底上生長一層S12薄膜，此芯層無需摻雜，通過旋涂工藝形成SU-8平板，并利用光刻工藝，形成無源輸入光波導(dǎo)13。
[0041 ]采用光刻、干法刻蝕的工藝將SU-8薄膜刻蝕為一定寬度的條形波導(dǎo)，此時條形波導(dǎo)位于無源區(qū)和有源區(qū)內(nèi)。然后在有源光吸收區(qū)域2波導(dǎo)兩側(cè)，利用干法或濕法工藝去除整個有源區(qū)內(nèi)的S12薄膜，則條形波導(dǎo)自動垂下形成懸掛波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)，進(jìn)而在用于腐蝕S12的窗口中濺射金或T1-Au-Ti電極24，其中Ti厚5nm，Au厚度為lOOnm，使之與第二硅襯底21形成肖特基接觸，獲得金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)的光電探測結(jié)構(gòu)。
[0042]當(dāng)光經(jīng)過無源輸入光波導(dǎo)I進(jìn)入到有源光吸收區(qū)域2后，由于耦合效應(yīng)，光很容易被硅吸收，形成光生載流子，在外加偏壓的作用下，形成光電流。為了獲得高響應(yīng)度，有源光吸收區(qū)域的長度需足夠長，以完全吸收入射光。
[0043]經(jīng)過計(jì)算，由于本發(fā)明結(jié)構(gòu)的有源光吸收區(qū)具有高效率的襯底泄漏，有源光吸收區(qū)域的長度僅需10?102μπι，有利于實(shí)現(xiàn)芯片的小型化。而且，由于高效的耦合效率，99%以上的光都能被硅襯底吸收，保證一定的光強(qiáng)，因而具有很高的靈敏度，靈敏度可達(dá)到約0.68A/W，獲得了約20GHz/s的高響應(yīng)速度。此外，有源光吸收區(qū)內(nèi)的懸掛波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)是由腐蝕S12薄膜后原條形波導(dǎo)自動形成，實(shí)現(xiàn)了單片集成的光傳感器系統(tǒng)。
[0044]上述實(shí)施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種懸掛型可見光及近紅外波段硅基光波導(dǎo)集成光電探測器，其特征在于:包括無源輸入光波導(dǎo)(I)和有源光吸收區(qū)域(2)，其中:無源輸入光波導(dǎo)(I)包括第一硅襯底(11)以及從下到上依次層疊在第一硅襯底(11)上的波導(dǎo)下包層(12)和芯層條形型波導(dǎo)(13);有源光吸收區(qū)域(2)包括第二硅襯底(21)以及直接覆于第二硅襯底(21)上的懸掛波導(dǎo)(22)、輸出波導(dǎo)(23)和金屬電極(24)，懸掛波導(dǎo)(22)和輸出波導(dǎo)(23)均沿芯層條形型波導(dǎo)(13)方向延伸布置，懸掛波導(dǎo)(22)連接在芯層條形型波導(dǎo)(13)和輸出波導(dǎo)(23)之間，金屬電極(24)位于輸出波導(dǎo)(23)的兩側(cè)方。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種懸掛型可見光及近紅外波段硅基光波導(dǎo)集成光電探測器，其特征在于:所述的波導(dǎo)下包層(12)、芯層條形型波導(dǎo)(13)、懸掛波導(dǎo)(22)和輸出波導(dǎo)(23)均為不同于第一硅襯底(11)和第二硅襯底(21)的材料且為在硅材料吸收波段具有透明特性的光學(xué)材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種懸掛型可見光及近紅外波段硅基光波導(dǎo)集成光電探測器，其特征在于:所述的懸掛波導(dǎo)(22)和輸出波導(dǎo)(23)是由襯底-包層-波導(dǎo)結(jié)構(gòu)通過對包層進(jìn)行腐蝕形成所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種懸掛型可見光及近紅外波段硅基光波導(dǎo)集成光電探測器，其特征在于:所述無源輸入光波導(dǎo)(I)和所述有源光吸收區(qū)域(2)采用單片集成制作。5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種懸掛型可見光及近紅外波段硅基光波導(dǎo)集成光電探測器，其特征在于:所述無源輸入光波導(dǎo)(I)中的芯層條形波導(dǎo)(13)和所述有源光吸收區(qū)域(2)的衍射光柵(23)為同一材料，采用單片集成制作。
【文檔編號】H01L31/0232GK106024921SQ201610532895
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】戴道鋅, 李晨蕾
【申請人】浙江大學(xué)