[实用新型]新型零伏响应雪崩光电探测器芯片

说明书

技术领域

本实用新型涉及光传输技术领域，尤其涉及一种新型零伏响应雪崩光电探测器芯片（APD芯片）。

背景技术

雪崩光电二极管（APD）被广泛应用于商业、军事和科研等方面的研究。近年来，随着光通信产业的迅猛发展，扮演着光通信系统中接收器最重要角色的光电探测器也得到了迅速的发展。在光通信系统中，接收器件的灵敏度是重要的指标之一，因为光在光纤中的传输总是存在一定的损耗，所以，在光通信系统的接收端，为了捕捉到光传输终端的微弱光信号，往往会采用灵敏度较高的雪崩光电探测器芯片，即APD芯片。APD芯片内部会发生碰撞电离，形成内增益，比传统光电二极管（PIN）的灵敏度优5-10dBm，这使得APD芯片成为光通信系统中接收器件的首选。

从传统的2.5Gbit/s传输速率到目前的400Gbit/s传输速率，高速光通信系统对接收器件的要求越来越高。围绕着对接收器件高带宽、低噪声等性能要求，研究人员从材料开发到器件结构的设计开展了广泛的研究。

在APD芯片器件结构的研究上，传统的APD芯片主要有台面型结构和平面型结构，其中，台面型结构具有制作简单、可重复等优点，但在长期使用的可靠性不佳；与台面型结构相比，由于平面型结构的APD芯片将PN结掩埋在体内，它具有更低的暗电流和更高的稳定性。但，平面型结构的APD芯片还有几个需要解决的重要问题：1、偏置电压需大于开通电压才会产生光电流，不方便耦合；2、为防止边缘击穿而加入保护环，这限制了芯片尺寸的大小，而且边缘击穿效应不能完全被消除。

在平面型结构APD芯片的制作工艺流程中，由于扩散或者离子注入形成的P区具有曲率效应，APD芯片边缘的电场高于中央的PN结的电场，因此在高电场的作用下，PN结区域还没达到碰撞电离的程度，边缘已经提前击穿了。传统抑制边缘击穿的方法有多种，第一种技术是利用在P区下方生长部分电荷薄层以增强PN区的电场，使PN区的电场大于边缘的电场先发生碰撞电离。该技术是先利用金属有机气相淀积（MOCVD）或分子束外延（MBE）的方法在衬底上生长吸收层和电荷层，然后又利用反应离子刻蚀（RIE）在P区的正下方刻蚀出一个电荷薄层，再继续使用金属有机气相淀积或者分子束外延的办法生长倍增层。该技术涉及到多种工艺过程，包括二次生长，反应离子刻蚀等，工艺比较复杂。第二种技术是APD芯片的倍增层选择含高铝组分的材料，吸收层选择不含或者含低铝组分的材料，在制作过程中先让倍增层侧向边缘的含高铝组分的材料发生氧化形成氧化铝绝缘层，使氧化铝绝缘层从侧向扩展到P区，可以有效抑制P区电场过高而发生击穿的现象。但氧化铝绝缘层的长度需要高精确控制，技术难度高；最为常用的办法是在器件中形成浮动保护环200，如图1所示。这种办法通过光刻技术一次性在倍增层上面形成一个或多个有一定间隔的环形窗口，然后通过扩散形成重掺杂的P区300和一个或多个保护环200。在APD芯片工作时，随着外加电压的升高，P区300下的耗尽区域往侧向扩展直至碰到内侧的保护环200，由于保护环200与中心的P区300都是重掺杂，它们之间电势相等，耗尽区域就直接“跳”到外侧的保护环200，扩大了耗尽区域，增加了P区300边缘等电势线的间隔从而降低了P区300边缘的电场，当电压继续升高时耗尽区域又从内侧保护环200“跳”到外侧的保护环200，进一步降低边缘的电场，从而有效的抑制P区300边缘的电场，避免击穿现象。采用以上几种方法制作的APD芯片，在偏压未达到APD芯片的开通电压时对光是没有响应的，其光电流与偏置电压的关系如图2所示，APD芯片必须在所加偏压大于开通电压时才会产生光电流，也就是说在耦合时需要给APD芯片施加一定的偏压才能进行耦合，这给耦合带来不便，并且由于保护环200的存在，限制了芯片尺寸的大小。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种新型零伏响应雪崩光电探测器芯片，无需要求偏压大于开通电压，即在零伏偏压下也有光响应电流，有利于耦合效率；还从根本上抑制了P区边缘击穿效应，有利于减小芯片尺寸。