[发明专利]基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管及其制备方法，所述雪崩光电二极管包括阳极、Ge电极接触层、吸收层、电荷层、倍增层、阴极、SOI衬底、保护层、第一多周期布拉格反射镜、第二多周期布拉格反射镜、第三多周期布拉格反射镜和光波导，其中，第三多周期布拉格反射镜叠放在SOI衬底内部；阴极包括设置在SOI衬底上表面的第一阴极部分和第二阴极部分，第一多周期布拉格反射镜位于第一阴极部分与倍增层和电荷层形成的叠层结构之间，第二多周期布拉格反射镜位于第二阴极部分与叠层结构之间。该雪崩光电二极管利用多周期布拉格反射镜的强反射作用，可提高光的耦合效率，增强器件的光吸收，有效提高器件的响应度。

技术领域

本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管及其制备方法。

背景技术

随着当今信息化和互联网业务的飞速发展，光纤通信系统作为信息化的主要技术支柱之一，已成为非常重要的战略性产业。随着光纤通信和量子通信技术的高速发展，对高速率、长距离、低成本的光纤通信系统提出迫切需求。

光纤通信的重要组成部分之一是光电探测器，它利用光电效应的原理，对接收到的光信号进行响应并转换为电信号输出。为了实现高性能、低成本的光纤通信，迫切需要开发高性能光电探测器。近年来，随着对微弱光探测技术的需求以及光纤通信技术的发展，雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，APD)凭借高灵敏度和高增益被广泛地应用于高速率、长距离的光纤通信系统。

半导体雪崩光电二极管是一种具有内部增益的光伏器件，它利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应，以获得大量的光电流，具有体积小、功耗低、具有内部增益、易形成二维阵列等优点，被广泛应用在光纤通信、激光测距和量子成像等方面。根据结构的不同APD可以分为PN结APD，PIN型APD，吸收倍增分离(Separate Absorption andMultiplication,SAM)型APD，吸收层、电荷层、倍增层分离(Separate Absorption,Charge,Multiplication,SACM)型APD等以及以这些结构为基础演变的APD。其中，SACM结构雪崩光电二极管能实现载流子倍增、高量子效率和高响应速度的统一，非常适合应用在高速率、长距离光纤通信系统中的近红外光探测器。

由于光信号要从光纤耦合进入光电探测器，光垂直入射的耦合方式下APD的响应度较低，虽然可以通过增大吸收区的厚度来提高器件的量子效率，但量子效率提高的同时会导致载流子的渡越时间增大，进而使得APD的带宽降低。而波导耦合型雪崩光电二极管由于光吸收方向与载流子输运方向相分离，更适合设计和制作具有高灵敏度的高速器件。波导型雪崩光电二极管通过使用长的水平光路径增强了对光的吸收，且改变了光吸收路径，并有利于光生载流子在光探测器吸收区的均匀分布，还可在量子效率和带宽之间进行折中，以实现载流子传输时间的最小化，进而平衡APD量子效率和带宽之间的关系，适用于高速光电探测器，已成为当今的研究热点。

然而目前传统的单模或多模波导APD在近红外波段的耦合效率比较低，这极大地限制了波导型APD的光吸收，虽然可以通过增加水平方向吸收区长度来提高APD的光吸收，但会导致结面积增大，引起结电容随之增大，进而对APD的带宽产生不利影响。如何进一步提高波导型APD的耦合效率、光吸收和响应度并减小APD的暗电流，已成为国内外主要研究热点。一些新的器件结构和改进措施被提出，例如一种具有低高度剖面的波导型APD，该结构虽然提高了光生载流子被边缘电场的收集，但是边缘电场难以控制，并且会产生较高噪声；例如一种台阶波导型APD结构，该结构提高了波导的耦合效率，但对光吸收确有较大的影响；因此，如何进一步提高波导型APD的耦合效率和光吸收，减小器件的暗电流，仍然是目前急需解决的关键问题。

发明内容

为了提高波导型雪崩光电二极管的耦合效率，增强器件的光吸收，提高器件的响应度，实现远距离光纤通信，本发明提供了一种基于多周期布拉格反射镜的雪崩光电二极管及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：