本發(fā)明涉及硅基混合集成光電探測器技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種在SOI上集成的消逝場耦合的雪崩光電探測器。

背景技術(shù)：
近年來，硅基光子學(xué)有了飛速的發(fā)展，硅基芯片上同時集成多種光有源和無源器件使得硅基集成的前景更加廣闊。光電探測器是光子學(xué)系統(tǒng)中重要的元件，未來隨著光子系統(tǒng)對高帶寬、高集成度的要求越來越高，對探測器性能的要求也就越高。因為傳統(tǒng)面入射探測器存在著帶寬和響應(yīng)度相互制約的問題，同時面入射器件與波導(dǎo)功能結(jié)構(gòu)的集成也受到極大制約。波導(dǎo)型雪崩探測可以同時滿足高響應(yīng)度和帶寬特性，并且相對于PIN探測器，雪崩二極管(APD)由于其內(nèi)部增益和高靈敏度而更具競爭力，多用于探測具有高靈敏度的低功率信號。在硅基集成探測器領(lǐng)域，將光纖中的光高效耦合進硅波導(dǎo)一直是一個待解決的問題。之前報導(dǎo)過的硅基集成探測器多用周期性的光柵耦合器，耦合效率較低且對偏振敏感。而耦合器的發(fā)展趨勢是追求耦合損耗低，工作帶寬大和制作簡便。因此發(fā)展一種適用于硅基集成的高耦合效率的波導(dǎo)型的探測器是很有意義的工作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的主要目的在于提供一種高響應(yīng)度、高帶寬的硅基集成的倏逝場耦合波導(dǎo)雪崩探測器結(jié)構(gòu)，來解決耦合器耦合效率低、面入射探測器響應(yīng)度與帶寬相互制約以及不利于片上互連等問題。(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種硅基混合集成雪崩光電探測器，包括自下而上疊置的SOI倒錐耦合結(jié)構(gòu)、鍵合層、波導(dǎo)和光學(xué)匹配層，以及雪崩光電探測結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)和光學(xué)匹配層包括波導(dǎo)區(qū)和光學(xué)匹配區(qū)，所述雪崩光電探測結(jié)構(gòu)位于光學(xué)匹配區(qū)上。根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式，所述SOI倒錐耦合結(jié)構(gòu)包括硅襯底、二氧化硅埋氧層和頂層硅，二氧化硅埋氧層制作在硅襯底上，頂層硅制作在埋氧層上。根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式，所述SOI基倒錐耦合結(jié)構(gòu)的頂層硅與埋氧層具有折射率差。根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式，所述頂層硅的一端為條形波導(dǎo)，另一端為倒錐耦合器。根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式，所述頂層硅的厚度為220nm，條形波導(dǎo)的波導(dǎo)寬度為450nm～500nm。根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式，所述倒錐耦合器的結(jié)構(gòu)為直線錐形倒錐耦合器結(jié)構(gòu)，其尖端寬度為100nm～150nm，taper長度為150μm～200μm。根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式，所述鍵合層為厚度100nm的BCB鍵合層。根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式，所述波導(dǎo)和光學(xué)匹配層的波導(dǎo)區(qū)的材料是聚酰亞胺，截面尺寸為3μm×1.3μm。根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式，通過倏逝波耦合的方式，光學(xué)匹配區(qū)可以實現(xiàn)光功率從硅波導(dǎo)高效率耦合到APD吸收層中，并提供n型歐姆接觸。根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式，所述光學(xué)匹配區(qū)的折射率為3.41的InGaAsP材料，其中Ga的組分為0.3，As的組分為0.64。根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式，所述雪崩光電探測結(jié)構(gòu)具有內(nèi)部增益，寬3μm～7μm。根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式，所述雪崩光電探測結(jié)構(gòu)包括從下而上的倍增層、電荷層和吸收層。根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式，所述倍增層為InAlAs材料，In的組分是0.52，倍增層、電荷層和吸收層分別為：i-InAlAs倍增層、p-InAlAs電荷層和i-InGaAs吸收層。根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式，所述倍增區(qū)為InP材料，倍增層、電荷層和吸收層分別為：i-InP倍增層、n-InP電荷層和i-InGaAs吸收層。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，與現(xiàn)有的器件比較，本發(fā)明具有以下有益效果：1、本發(fā)明提供的是硅基集成的雪崩光電探測器，結(jié)合硅波導(dǎo)和APD的優(yōu)良特性，首次提出了將SOI上的倒錐耦合結(jié)構(gòu)與Ⅲ-ⅤAPD二者集成的結(jié)構(gòu)。透鏡光纖中的光模式能與聚合物波導(dǎo)中的光模式較好的匹配，光耦合進入錐形耦合器，并最終進入硅條形波導(dǎo)中，硅波導(dǎo)中的光振蕩耦合進入光學(xué)匹配區(qū)以及吸收層區(qū)域，大大提高了光的耦合效率，可以實現(xiàn)在M＝1的條件下0.89A/W的器件響應(yīng)度。2、本發(fā)明提供的硅基集成的雪崩光電探測器，其光學(xué)匹配區(qū)部分可實現(xiàn)光功率從硅波導(dǎo)高效率耦合到APD吸收層中，并將光限制在APD吸收層中，直至被完全吸收。由于倒錐結(jié)構(gòu)的高效耦合和SOI襯底中SiO2層的泄露阻擋作用，此集成器件可以達到高于純粹波導(dǎo)型InGaAs/InAlAsAPD的量子效率(M＝1)。3、本發(fā)明提供的硅基集成的雪崩光電探測器，采用了分離吸收電荷倍增區(qū)的雪崩光電探測器與SOI錐形耦合器集成的結(jié)構(gòu)，硅波導(dǎo)的低損耗特性降低了器件的光傳輸損耗，APD采用窄的吸收區(qū)和倍增區(qū)，降低了載流子渡越時間和倍增噪聲，實現(xiàn)高響應(yīng)度的同時亦可實現(xiàn)高速探測，并且APD具有內(nèi)部增益，可進一步提高光探測器的響應(yīng)度和靈敏度。4、本發(fā)明提供的硅基集成的雪崩光電探測器，為實現(xiàn)高度集成的硅基光電接收系統(tǒng)提供了一種很好的探測方案，同時該發(fā)明還有望應(yīng)用到量子通信中去，得到集成的量子信息處理芯片。附圖說明圖1A為依照本發(fā)明實施的一種硅基集成的雪崩光電探測器的三維結(jié)構(gòu)示意圖；圖1B為依照本發(fā)明實施的一種硅基集成的雪崩光電探測器的橫向截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為依照本發(fā)明實施的一種硅基集成的雪崩光電探測器的錐形耦合器的橫向截面示意圖。圖3為依照本發(fā)明實施的一種硅基集成的雪崩光電探測器的光透射率隨器件長度的變化曲線示意圖。圖4為依照本發(fā)明實施的一種硅基集成的雪崩光電探測器的側(cè)向截面光場分布示意圖。圖5為依照本發(fā)明實施的一種硅基集成的雪崩光電探測器的錐形耦合區(qū)橫向截面光場分布示意圖。圖6為依照本發(fā)明實施的一種硅基集成的雪崩光電探測器的探測區(qū)橫向截面光場分布示意圖。具體實施方式要解決前述的技術(shù)問題，關(guān)鍵有兩點：一是SOI倒錐形耦合器、BCB厚度、聚合物波導(dǎo)區(qū)、光學(xué)匹配區(qū)和吸收區(qū)的層結(jié)構(gòu)以及它們的尺寸設(shè)計，來實現(xiàn)光的穩(wěn)定傳輸和進入吸收區(qū)的高效快速耦合，從而得到光的高響應(yīng)度探測的目的；二是影響電學(xué)特性的雪崩光電探測器的層結(jié)構(gòu)及厚度摻雜等的優(yōu)化，能獲得低的載流子渡越時間、低RC常數(shù)以及窄倍增區(qū)等，從而實現(xiàn)具有內(nèi)部增益的高速、低噪聲的光電探測。為實現(xiàn)高效率集成的光電探測器，本發(fā)明提出了一種SOI基錐形耦合APD器件，該器件有望應(yīng)用于硅基光電集成芯片和量子通信中。為達到上述目的，本發(fā)明提出了一種硅基集成的消逝場耦合波導(dǎo)雪崩探測器結(jié)構(gòu)，探測器結(jié)構(gòu)包括：器件的結(jié)構(gòu)自下向上包括SOI基錐形光柵耦合器、BCB鍵合層、聚合物波導(dǎo)和光學(xué)匹配層，以及雪崩光電二極管(APD)外延層結(jié)構(gòu)，以此外延結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以半導(dǎo)體工藝制作一個SOI上集成的倏逝場耦合的波導(dǎo)APD器件。器件高性能光探測功能在于：SOI錐形耦合器可實現(xiàn)光從光纖到硅波導(dǎo)的低損耗耦合；硅波導(dǎo)可實現(xiàn)光的低損耗傳輸；光學(xué)匹配層可實現(xiàn)光功率從硅波導(dǎo)高效率耦合到APD吸收區(qū)中；分離吸收電荷倍增區(qū)(SACM)的APD采用窄倍增層與窄吸收層，可實現(xiàn)高速、低噪聲光探測。相對于PIN光電探測器，APD由于其內(nèi)部增益機制和高靈敏度而更具競爭力，將其設(shè)計成側(cè)向入光的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可獲得同時具有高量子效率和高增益帶寬積性能的光探測器件，這有益于硅基片上光互連和遠程光通信的發(fā)展。具體實施方案的步驟包括：步驟1：通過FDTD仿真軟件先對SOI錐形耦合器的光學(xué)性能進行仿真，設(shè)計出優(yōu)化的SOI各層的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)光從光纖到硅波導(dǎo)中的高耦合效率，接著耦合SOI錐形耦合器與探測器集成的整體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化吸收區(qū)和光學(xué)匹配區(qū)的厚度參數(shù)以及器件長度，確保光最后被APD吸收區(qū)完全吸收。步驟2：用電子束曝光和ICP刻蝕相結(jié)合的方法刻出SOI錐形耦合器結(jié)構(gòu)。步驟3：采用MOCVD方法反向生長出APD外延片結(jié)構(gòu)，保證厚度誤差<10％，APD電荷區(qū)的摻雜誤差<5％，實現(xiàn)準確的電場調(diào)制作用，以及P、N接觸層重摻雜，實現(xiàn)歐姆接觸。步驟4：采用BCB鍵合的方法將APD外延片倒扣在SOI錐形耦合器的上，用機械研磨和濕法腐蝕相結(jié)合的方式去掉襯底。步驟5：采用濕法腐蝕刻出APD臺面結(jié)構(gòu)。光學(xué)匹配區(qū)與有源區(qū)的層結(jié)構(gòu)之間具有InP截止層，可以很好地控制刻蝕深度。步驟6：采用濕法腐蝕刻出光學(xué)匹配區(qū)區(qū)域。步驟7：在重摻雜的P、N接觸層上制作電極。步驟8：旋涂聚酰亞胺聚合物，采用干法刻蝕方法刻出聚合物波導(dǎo)區(qū)結(jié)構(gòu)。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。圖1A為依照本發(fā)明實施的一種硅基集成的雪崩光電探測器的三維結(jié)構(gòu)示意圖，圖1B是該探測器的橫向截面示意圖。根據(jù)模擬優(yōu)化的器件結(jié)構(gòu)，采用MOCVD的方法完成如圖1A和圖1B所示的倒扣鍵合在SOI錐形耦合器上波導(dǎo)和光學(xué)匹配層到APD區(qū)域的器件外延生長，其中，襯底1為硅襯底；附圖標記2為二氧化硅埋氧層，3為硅錐形耦合層，其中包括錐形耦合器部分和條形波導(dǎo)部分。4為BCB鍵合層，用來完成APD外延片與SOI的集成，其厚度對硅波導(dǎo)與APD外延區(qū)域的耦合有很大的影響，這里BCB厚度為100nm；5為波導(dǎo)和光學(xué)匹配層，包括波導(dǎo)區(qū)和光學(xué)匹配區(qū)，光學(xué)匹配區(qū)的厚度為320nm，摻雜為1E+19，n型歐姆接觸層即位于該層，波導(dǎo)區(qū)的厚度大于光學(xué)匹配區(qū)；倍增層6是未摻雜的In0.52Al0.48As，厚度為150nm；電荷層7是p型摻雜的In0.52Al0.48As，厚度為60nm，摻雜濃度為7×1017cm-3；吸收層8是未摻雜的In0.53Ga0.47As，厚度為200nm；層9由InGaAsP、InP和InGaAs組成，其中包括上包層和p型歐姆接觸層。根據(jù)如上結(jié)構(gòu)，采用半導(dǎo)體工藝完成器件的制備，包括：用電子束曝光和ICP相結(jié)合的方式刻出SOI錐形耦合器結(jié)構(gòu)；用BCB真空鍵合工藝實現(xiàn)SOI與APD的集成；采用剝離或腐蝕法制備出APD的P接觸電極；以金屬為掩膜，用濕法腐蝕刻出APD臺面，大小5×40μm2，APD臺面與光匹配區(qū)5之間有InP截止層，能夠準確控制刻蝕深度；以光刻膠為掩膜，用濕法腐蝕刻出光匹配區(qū)臺面，用SiO2做鈍化，開窗口，蒸電極引線；最后旋涂一層聚酰亞胺，然后用干刻方法刻出該聚合物波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，完成整體器件結(jié)構(gòu)制備。本發(fā)明所述的這種硅基集成的倏逝場耦合的雪崩光電探測器，采用3μm×3μm的匹配光斑側(cè)向入光進入3μm×1.3μm的聚合物波導(dǎo)截面，接著通過硅錐形耦合器耦合進波導(dǎo)中，并在這兩者之間振蕩傳輸，到達探測區(qū)域時，光逐漸耦合進入光匹配區(qū)，由于吸收層的高折射率，光最終會從光匹配區(qū)進入吸收層，在吸收層中被吸收，實現(xiàn)高響應(yīng)度探測。在硅波導(dǎo)和光匹配區(qū)中，光耦合進入后可以無損耗穩(wěn)定傳輸，并在進入APD部分后幾乎被完全吸收。所述的雪崩光電探測器由于其內(nèi)部增益和高靈敏度而更具競爭力，所述吸收層8用于吸收目標探測光，生成電子空穴對；所述電荷層7用于調(diào)控器件內(nèi)部電場分布；所述倍增層6用于使進入其中的載流子發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，產(chǎn)生更多自由載流子對，如圖1所示，本實施例采用InAlAs倍增區(qū)，實現(xiàn)電子倍增。整個APD采用窄吸收層和窄倍增層，可降低載流子渡越時間和RC常數(shù)，實現(xiàn)高速、低噪聲探測。由此，利用此器件結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)高響應(yīng)度、高帶寬以及低噪聲的光探測，并且該器件非常適于應(yīng)用到硅基集成系統(tǒng)和量子通信中去。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。