[发明专利]悬挂型可见光及近红外波段硅基光波导集成光电探测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光电探测器，尤其是涉及一种悬挂型可见光及近红外波段硅基光波导集成光电探测器。

背景技术

在药物开发、环境监测、食品安全检测等领域，可靠的测试手段不可缺少，而传感技术正是其核心技术。利用先进传感技术，可以对物质成分、浓度等进行实行定性或定量分析。光学传感是传感技术的重要分支，通常包括传感单元和光电探测器两部分。

对于一个集成光波导传感系统，光电探测器是其必不可少的部件，用于将光信号转化为电信号，以便进行后续的信号处理。对于可见光及近红外波段，硅基光电探测器是一个很好的选择，其结构包含无源输入光波导、光吸收区域两部分。为了提高集成光波导传感系统可靠性，可将光波导传感单元和光电探测器的无源输入光波导相连接，从而使光波导传感单元和光电探测器两者有机地单片集成于一体。然而这种单片集成并非易事，其困难之处在于：对于传感单元、及光电探测器的无源输入光波导，其光波导缓冲层必须足够厚以防止硅衬底泄漏损耗；而对于光电探测器的光吸收区域，其光波导缓冲层应尽可能小，从而使得光场能迅速泄漏到衬底而被硅衬底吸收形成光电流。因此，若采用传统光波导技术，缓冲层厚度的差异使得光波导集成光电探测器结构和工艺比较复杂，难以实现集成化和低成本化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在可见光及近红外波段使用的悬挂型硅基光波导集成光电探测器。将基于光波导的无源部分与硅光电探测器的有源光吸收部分完美地集成为一体，从而可以极大的降低成本，并提高其可靠性。

本发明通过直接将原单片结构上有源吸收光区域的SiO₂薄膜腐蚀，则原条形波导自动形成由无源区域到有源区域的悬挂型波导及输出波导，并借助耦合效应使绝大部分光被硅衬底吸收，因此具有很高的灵敏度，便于实现高灵敏度光波导传感单元。

本发明采用的具体技术方案是：

本发明包括无源输入光波导和有源光吸收区域，无源输入光波导和有源光吸收区域通过悬挂波导相连接，其中：

无源输入光波导包括第一硅衬底以及从下到上依次层叠在第一硅衬底上的波导下包层和芯层条形型波导；

有源光吸收区域包括第二硅衬底以及直接覆于第二硅衬底上的悬挂波导、输出波导和金属电极，悬挂波导和输出波导均沿芯层条形型波导方向延伸布置，悬挂波导连接在芯层条形型波导和输出波导之间，金属电极位于输出波导的两侧方。

所述的波导下包层、芯层条形型波导、悬挂波导和输出波导均为不同于第一硅衬底和第二硅衬底的材料且为在硅材料吸收波段具有透明特性的光学材料。

所述的悬挂波导和输出波导是由衬底-包层-波导结构通过对包层进行腐蚀形成所述波导结构。

所述无源输入光波导和所述有源光吸收区域采用单片集成制作。

所述无源输入光波导中的芯层条形波导和所述有源光吸收区域的输出波导为同一材料，采用单片集成制作。

有源吸收光区域位于第二硅衬底上的输出波导内的光被耦合到硅衬底上，形成光生载流子，耦合效率较高，增强了以第二硅衬底作为探测器光敏面接收到的光强。

本发明具有的有益效果是：

1.本发明结构简单、设计方便、制作简便，可显著降低器件制作成本。

2.便于将光电探测器与无源功能器件单片集成，可极大地提高其可靠性，并有利于降低器件封装成本。

3.无源输入光波导和有源光吸收区域通过悬挂波导相直接连接，因此耦合效应使绝大部分光(99％以上)能被硅衬底吸收，具有很高的灵敏度，可达到约0.68A/W，便于实现高灵敏度光波导传感单元。且器件尺寸小，获得了20GHz/s的高响应速度。

附图说明

图1是本发明结构俯视图。

图2是本发明结构正视图。

图3是图1的A-A’剖视图。

图4是图1的B-B’剖视图。

图5是图1的C-C’剖视图。

图中：1、无源输入光波导，11、第一硅衬底，12、波导下包层，13、条形波导，2、有源光吸收区域，21、第二硅衬底，22悬挂波导，23、输出波导，24、金属电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，本发明包括无源输入光波导1和有源光吸收区域2；其中：

如图3所示，无源输入光波导1包括第一硅衬底11以及从下到上依次层叠在第一硅衬底11上的波导下包层12和芯层条形型波导13。