一種矽基光波導集成光電探測器的製作方法

2023-05-08 18:07:31 1

專利名稱：一種矽基光波導集成光電探測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光電探測器，尤其是涉及一種矽基光波導集成光電探測器。
背景技術：
在藥物開發、環境監測、食品安全檢測等領域，可靠的測試手段不可缺少，而傳感技術正是其核心技術。利用先進傳感技術，可以對物質成分/濃度等進行實行定性或定量分析。光學傳感是傳感技術的重要分支，其基本原理是:當被測物質與光場作用時，導致光信號某些參量(如強度、波長、相位、偏振態、模式分布等)的變化。在眾多不同形式的光學傳感器中，集成光波導傳感器是目前最受關注的一種類型。對於一個集成光波導傳感系統，光波導傳感單元和光電探測器是必不可少的部件。光波導傳感單元的作用是將被測物理量(如液體或氣體濃度)的變化量轉化為光學參量(如諧振波長、光強度)的變化，通常採用諧振或幹涉原理，如各種微腔結構、馬赫-澤德幹涉儀(MZI)等。而光電探測器的作用是光波導傳感單元所產生的光信號轉化為電信號，以便進行後續的信號處理。對於可見光及近紅外波段，矽基光電探測器是一個很好的選擇，其結構包含無源輸入光波導、光吸收區域兩部分。為了提高集成光波導傳感系統可靠性，可將光波導傳感單元和光電探測器的無源輸入光波導相連接，從而使光波導傳感單元和光電探測器兩者有機地單片集成於一體。然而，這種單片集成並非易事。其困難之處在於:對於傳感單元、及光電探測器的無源輸入光波導，其光波導緩衝層必須足夠厚以防止矽襯底洩漏損耗；而對於光電探測器的光吸收區域，其光波導緩衝層應儘可能小，從而使得光場能迅速洩漏到襯底而被矽矽襯底吸收形成光電流。因此，若採用傳統光波導技術，緩衝層厚度的差異使得其工藝比較複雜，難以實現簡便性和低成本化。此外，對於光傳感系統，高靈敏度也是追求的重要核心指標，而這就需要引入可增強光場與被測物質間相互作用的新穎光波導結構設計。為此，要實現低成本、高靈敏度的集成光波導傳感系統，應從光波導材料/結構與集成方式出發。眾所周知，SiO2是地球上儲量最為豐富的材料，而SiO2在可見光及近紅外很大波長範圍內都具有很低的損耗，且其薄膜沉積以及刻蝕技術都很成熟。因此，選用SiO2作為光波導材料使得光波導傳感器低成本化成為可能。注意到，過去的SiO2光波導往往採用掩埋型結構，其製作工藝過程為:在娃襯底上生長約15 μ m厚的SiO2下包層,再形成6 μ mX6 μ m的SiO2芯層(鍺摻雜使其折射率略高於上、下包層)，然後沉積約15 μ m厚的上包層；而為了克服應力等問題，最後還要進行高溫退火等工藝。這種SiO2光波導結構有利於獲得低損耗傳輸，然而對於光傳感器應用卻極為不適。其原因是:(1)首先由於包層的阻隔，使得光場難以探及被測物質，致使其傳感靈敏度非常低；(2)由於芯層-包層折射率差很小，使得SiO2掩埋型光波導的最小彎曲半徑在毫米量級，嚴重阻礙了提升光波導傳感晶片集成度；
(3)SiO2掩埋型光波導的製作工藝涉及到厚膜生長、鍺摻雜、高溫退火的工藝，雖然這些工藝技術上成熟，但需採用增強等離子氣相沉積(PECVD)技術等，設備昂貴，且費時費力，使得其製作成本居高不下；(4)難以將光波導傳感單元和光電探測器構成單片集成的光波導傳感系統。

發明內容
本發明的目的在於提供一種矽基光波導集成光電探測器。將基於懸掛式光波導的無源部分與矽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，並提高其可靠性。本發明採用的技術方案是:
本發明包括無源輸入光波導和有源光吸收區域；其中:
無源輸入光波導:包括第一矽襯底，疊在第一矽襯底上的第一平板波導，疊在第一平板波導上的第一脊型波導，第一平板波導上的多排通孔分布在第一脊型波導兩側，多排通孔下方的第一娃襯底有空腔，在第一平板波導與第一娃襯底之間形成隔離襯底洩漏的空氣隔離區；
有源光吸收區域:包括第二矽襯底，疊在第二矽襯底上的第二平板波導，疊加於第二平板波導上的第二脊型波導，第二平板波導上的兩個開孔分布在第二脊型波導兩側，以及位於開孔內且與第二矽襯底接觸的金屬電極；
無源輸入光波導和有源光吸收區域通過對準的第一脊型波導、第二脊型波導相連接。所述的第一平板波導、第一脊型波導、第二平板波導、第二脊型波導為不同於第一娃襯底、第二娃襯底娃襯底且在娃材料吸收波段具有透明特性的光學材料。所述的第一脊型波導兩側的多排通孔位於不影響第一脊型波導中的光傳輸的位置。本發明具有的有益效果是:
1.本發明結構簡單、設計方便、製作簡便，不需要昂貴的氣相薄膜沉積設備，可顯著降低器件製作成本。2.將無源輸入光波導與光電探測器有源吸收區域進行單片集成，無源輸入光波導可與其他無源光子器件連接而形成功能集成，可極大地提高器件的可靠性，並有利於降低器件封裝成本。3.無源部分的懸掛式光波導芯層與被測物質直接接觸，具有很高的靈敏度，便於實現高靈敏度光波導傳感單元。


圖1是本發明結構俯視圖。圖2是圖1的A-A』剖視圖。圖3是圖1的B-B』剖視圖。圖4是圖1的C-C剖視圖。圖5是圖1的D-D』剖視圖。圖中:1、無源輸入光波導，11、第一矽襯底，12、第一平板波導，13、第一脊型波導，14、通孔，15、空氣隔離區，2、有源光吸收區域，21、第二矽襯底，22、第二平板波導，23、第二脊型波導，24、金屬電極,3、基模場分布,4、洩漏模場分布。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。如圖1所示，本發明包括無源輸入光波導I和有源光吸收區域2 ;其中:
如圖2、圖3所不,無源輸入光波導1:包括第一娃襯底11，疊在第一娃襯底上的第一平板波導12，疊在第一平板波導12上的第一脊型波導13，第一平板波導12上的多排通孔14分布在第一脊型波導13兩側，多排通孔14下方的第一矽襯底有空腔，在第一平板波導12與第一矽襯底11之間形成隔離襯底洩漏的空氣隔離區15 ；
如圖4所示，有源光吸收區域2:包括第二矽襯底21，疊在第二矽襯底上的第二平板波導22，疊加於第二平板波導上的第二脊型波導23，第二平板波導22上的兩個開孔25分布在第二脊型波導23兩側，以及位於開孔25內且與第二矽襯底21接觸的金屬電極24 ；
如圖1所示，無源輸入光波導I和有源光吸收區域2通過對準的第一脊型波導13、第二脊型波導23相連接。 所述的第一平板波導12、第一脊型波導13、第二平板波導22、第二脊型波導23為不同於第一娃襯底11、第二娃襯底21且在娃材料吸收波段具有透明特性的光學材料。所述的第一脊型波導13兩側的多排通孔14位於不影響第一脊型波導13中的光傳輸的位置。本發明的工作過程為:
光沿著無源輸入光波導I以基模場分布3的形式傳播。由於空氣隔離區15的隔離作用，光在無源輸入光波導中傳輸無洩漏損耗。光隨後進入有源光吸收區域2的第二脊型波導23後，由於在此區域並無空氣隔離區15，因而發生襯底洩漏，光以洩漏模場分布4的形式傳播，如圖5所示。光洩漏到第二矽襯底後，並被矽吸收，形成光生載流子，並通過在電極上施加外加電場來收集所產生的光生載流子，從而形成光電流。下面給出一種矽基光波導集成光電探測器具體實施例。實施例1.在此實施例中，選用SiO2作為第一平板波導12、第一脊型波導13、第二平板波導22、第二脊型波導23材料。其製作工藝過程是:利用高溫氧化工藝在矽襯底上生長一層約I μ m厚的SiO2薄膜，此芯層無需摻雜，因而可採用簡單的熱氧化工藝，而該工藝適合於大批量生產，故成本很低。採用光刻、幹法刻蝕的工藝，形成0.4μπι厚的第一平板波導12和第二平板波導22 (Aslab=0.4 μ m)、以及約0.6μηι高的第一脊型波導13 (Arib=0.6 μ m)0根據單模條件，第一脊型波導13脊寬選為Rib=I μ m。再次採用光刻、幹法刻蝕的工藝，在第一脊型波導13的兩側形成通孔14。為了避免通孔14對第一脊型波導13中光場傳輸的影響，通孔14到第一脊型波導13的距離設為^Α=6μπι。然後，利用幹法或溼法腐蝕工藝將第一脊型波導13之下的第一矽襯底11部分腐蝕而形成空氣隔離層15，其厚度為ΙΟμπι，由此可避免光能量從矽襯底洩漏。這就形成了本發明光電探測器的無源輸入光波導I。而對於光電探測器的有源光吸收區域2，在有源光吸收區域2第二脊型波導23兩偵牝利用幹法或溼法工藝去除SiO2薄膜，各形成一個開孔25，進而沉積金或鋁電極24，使之與第二矽襯底21形成肖特基接觸，獲得金屬-半導體-金屬結構的光電探測結構。當光經過無源輸入光波導I進入到有源光吸收區域2後，很容易被矽吸收，形成光生載流子，在外加偏壓的作用下，形成光電流。為了獲得高響應度，有源光吸收區域的長度需足夠長，以完全吸收入射光。經過計算，由於本發明結構的有源光吸收區具有高效率的襯底洩漏，有源光吸收區域的長度僅需幾十μ m，有利於實現晶片的小型化。而且，由於第一平板波導12、第一脊型波導13可直接於被測物質接觸，因而具有很高的靈敏度，因此本專利可實現單片集成的光傳感器系統。實施例2.在此實施例中，選用聚合物材料SU-8作為第一平板波導12、第一脊型波導13、第二平板波導22、第二脊型波導23材料。其製作工藝過程是:在矽襯底上通過旋塗工藝形成厚度約為0.4 μ m厚的平板(Aslab=0.4 μ m)，並利用光刻工藝，形成無源輸入光波導區域的通孔14以及有源吸收區域的開孔25，並通過剝離工藝製作出金屬(金或鋁)電極，使之與第二矽襯底21形成肖特基接觸，獲得金屬-半導體-金屬結構的光電探測結構。然後再次通過旋塗工藝形成厚度約為0.6 μ m厚的薄膜，並利用光刻工藝，形成第一脊型波導13和第二脊型波導23 (AHb=0.6 μ m)。根據單模條件，第一脊型波導13和第二脊型波導23的寬度選為^ib=I μ m。為了避免通孔14對第一脊型波導13中光場傳輸的影響，通孔14與第一脊型波導13之間的距離設為ΑΑ=6μπι。然後，利用幹法或溼法腐蝕工藝將第一脊型波導13下方的矽襯底部分腐蝕而形成空氣隔離層15，其厚度為10 μ m，由此可避免光能量從矽襯底洩漏。這就形成了本發明光電探測器的無源輸入光波導I。當光經過無源輸入光波導I進入到有源光吸收區域2後，很容易被矽吸收，形成光生載流子，在外加偏壓的作用下，形成光電流。為了獲得高響應度，有源光吸收區域的長度需足夠長，以完全吸收入射光。經過計算，由於本發明結構的有源光吸收區具有高效率的襯底洩漏，有源光吸收區域的長度僅需幾十μ m，為晶片的小型化提供了前期基礎。而且，由於第一平板波導12、第一脊型波導13可直接於被測物質接觸，因而具有很高的靈敏度，因此本專利可實現單片集成的光傳感器系統。 上述實施例用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種娃基光波導集成光電探測器，其特徵在於:包括無源輸入光波導(I)和有源光吸收區域(2);其中: 無源輸入光波導(I):包括第一矽襯底(11 )，疊在第一矽襯底上的第一平板波導(12)，疊在第一平板波導上的第一脊型波導(13)，第一平板波導(12)上的多排通孔(14)分布在第一脊型波導(13)兩側，多排通孔(14)下方的第一矽襯底有空腔，在第一平板波導與第一矽襯底之間形成隔離襯底洩漏的空氣隔離區(15)； 有源光吸收區域(2):包括第二矽襯底(21)，疊在第二矽襯底上的第二平板波導(22)，疊加於第二平板波導上的第二脊型波導(23)，第二平板波導(22)上的兩個開孔(25)分布在第二脊型波導(23)兩側，以及位於開孔(25)內且與第二矽襯底(21)接觸的金屬電極(24)； 無源輸入光波導(I)和有源光吸收區域(2)通過對準的第一脊型波導(13)、第二脊型波導(23)相連接。
2.根據權利要求1所述的一種矽基光波導集成光電探測器，其特徵在於:所述的第一平板波導(12)、第一脊型波導(13)、第二平板波導(22)、第二脊型波導(23)為不同於第一矽襯底(11 )、第二矽襯底(21)矽襯底且在矽材料吸收波段具有透明特性的光學材料。
3.根據權利要求1所述的一種矽基光波導集成光電探測器，其特徵在於:所述的第一脊型波導(13)兩側的多排通孔(14)位於不影響第一脊型波導(13)中的光傳輸的位置。
全文摘要
本發明公開的一種矽基光波導集成光電探測器。疊在第一矽襯底上的第一平板波導和第一脊型波導，第一平板波導上的多排通孔分布在第一脊型波導兩側，多排通孔下方的第一矽襯底有空腔，形成隔離襯底洩漏的空氣隔離區，構成無源輸入光波導；疊在第二矽襯底上的第二平板波導和第二脊型波導，第二平板波導上的兩個開孔分布在第二脊型波導兩側，以及位於開孔內且與第二矽襯底接觸的金屬電極，構成有源光吸收區域；無源輸入光波導和有源光吸收區域通過對準的第一脊型波導、第二脊型波導相連接。本發明僅需要簡單的光波導結構，便於與其他集成光波導器件集成、易於擴展實現陣列化，有利於實現集成化、小型化、可攜式、低成本的光電探測接收系統。
文檔編號H01L31/0232GK103137771SQ20131002464
公開日2013年6月5日 申請日期2013年1月23日 優先權日2013年1月23日
發明者戴道鋅 申請人:浙江大學