[实用新型]一种近红外波段全硅基纳米光电探测器

说明书

技术领域

本实用新型涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种近红外波段全硅基纳米光电探测器。

背景技术

进入21世纪，电互连技术发展到纳米尺度，遭遇了功耗大和信号延迟两大物理瓶颈，而光互连技术因容量大、带宽大、功耗低等优点被推举并获广泛关注，尤其硅基片上光互连技术更被一致看好，因为硅有成熟的微纳加工处理工艺，且有良好的光学、电学特性。然而，光-电子器件尺寸失配、宽禁带半导体硅材料在低于其带隙能量(1.12eV)的光通信波段(波长大于1.1μm)无吸收，成为制约硅基光电集成技术发展的重要原因之一。因此，发展高效率、高速度的硅基纳米光电转换理论和方法，推动硅基片上光互连技术快速发展至关重要。

早期光通信波段硅基光电探测技术主要基于破坏硅晶格结构，在禁带中引入缺陷能级，从而提高硅对低能量光子吸收的物理机制，实现手段主要有利用高强度飞秒激光脉冲照射SF₆环境中的硅表面产生微结构(J.E.Carey，C.H.Crouch，M.Shen，and E.Mazur，“Visible and near-infrared responsivity offemtosecond-laser microstructured silicon photodiodes，”Opt.Lett.30，1773-1775，2005；Z.Huang，J.E.Carey，M.Liu，X.Guo，E.Mazur，and J.C.Campbell，“Microstructured silicon photodetector”，Appl.Phys.Lett.89，033506，2006.)，硅离子注入(A.P.Knights，J.D.B.Bradley，S.H.Gou，and P.E.Jessop，“Silicon-on-insulator waveguide photodetector withself-ion-implantation-engineered-enhanced infrared response，”J.Vac.Sci.Technol.A24，783-786，2006；韩培德，全硅波导型光电转换器及其制造方法，专利申请号：200710121973.0)，氦离子注入(Y.Liu，C.W.Chow，W.Y.Cheung，and H.K.Tsang，“In-line channel power monitor based on helium ion implantation insilicon-on-insulator waveguides，”IEEE Photonics Technol.Lett.18，1882-1884，2006.)，以及低温沉积多晶硅(K.Preston，Y.H.D.Lee，M.Zhang，and M.Lipson，“Waveguide-integrated telecom-wavelength photodiode in deposited silicon，”Opt.Lett.36，52-54，2011.)等方法。虽然硅在光通信波段吸收率得到一定增强，但晶格缺陷导致光电探测器暗电流过大，因此，该技术并非十分有效。利用双光子吸收效应(T.K.Liang，H.K.Tsang，I.E.Day，J.Drake，A.P.Knights，and M.Asghari，“Silicon waveguide two-photon absorption detector at 1.5μm wavelengthfor autocorrelation measurements，”Appl.Phys.Lett.81，1323-1325，2002；T.Tanabe，H.Sumikura，H.Taniyama，A.Shinya，and M.Notomi，“All-silicon sub-Gb/stelecom detector with low dark current and high quantum efficiency on chip，”Appl.Phys.Lett.96，101103，2010.)，也可实现硅在近红外波段的吸收，但非线性效应要求高功率输入或者在高品质因数的谐振腔中才可实现。近年来，混合集成窄禁带锗(见综述J.Michel，J.Liu，and L.C.Kimerling，“High-performance Ge-on-Siphotodetectors，”Nat.Photonics 4，527-534，2010.)或者III-V族半导体(D.Liang，A.W.Fang，H.-W.Chen，M.N.Sysak，B.R.Koch，W.Lively，O.Raday，Y.-H.Kuo，R.Jones，and J.E.Bowers，“Hybrid silicon evanescent approach to opticalinterconnects，”Appl.Phys.A 95，1045-1057，2009；Z.Sheng，L.Liu.J.Brouckaert，S.He，and D.Van Thourhout，“InGaAs PIN photodetectors integrated onsilicon-on-insulator waveguides，”Opt.Express 18，1756-1761，2010.)等有缘吸收材料到硅波导回路，并构筑倏逝波耦合模式进行光电探测的技术发展迅速，其光电探测性能可与商用探测器相匹敌。然而过分依赖价格昂贵的锗或III-V族半导体材料，对薄膜生长、键合工艺要求苛刻。