[发明专利]一种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，其基本原理是：当被测物质与光场作用时，导致光信号某些参量（如强度、波长、相位、偏振态、模式分布等）的变化。在众多不同形式的光学传感器中，集成光波导传感器是目前最受关注的一种类型。

对于一个集成光波导传感系统，光波导传感单元和光电探测器是必不可少的部件。光波导传感单元的作用是将被测物理量（如液体或气体浓度）的变化量转化为光学参量（如谐振波长、光强度）的变化,通常采用谐振或干涉原理，如各种微腔结构、马赫-泽德干涉仪（MZI）等。而光电探测器的作用是光波导传感单元所产生的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其工艺比较复杂，难以实现简便性和低成本化。此外，对于光传感系统，高灵敏度也是追求的重要核心指标，而这就需要引入可增强光场与被测物质间相互作用的新颖光波导结构设计。为此，要实现低成本、高灵敏度的集成光波导传感系统，应从光波导材料/结构与集成方式出发。

众所周知，SiO₂是地球上储量最为丰富的材料，而SiO₂在可见光及近红外很大波长范围内都具有很低的损耗，且其薄膜沉积以及刻蚀技术都很成熟。因此，选用SiO₂作为光波导材料使得光波导传感器低成本化成为可能。注意到，过去的SiO₂光波导往往采用掩埋型结构，其制作工艺过程为：在硅衬底上生长约15μm厚的SiO₂下包层，再形成6μm×6μm的SiO₂芯层（锗掺杂使其折射率略高于上、下包层），然后沉积约15μm厚的上包层;而为了克服应力等问题，最后还要进行高温退火等工艺。这种SiO₂光波导结构有利于获得低损耗传输，然而对于光传感器应用却极为不适。其原因是：（1）首先由于包层的阻隔，使得光场难以探及被测物质，致使其传感灵敏度非常低；（2）由于芯层-包层折射率差很小，使得SiO₂掩埋型光波导的最小弯曲半径在毫米量级，严重阻碍了提升光波导传感芯片集成度；（3）SiO₂掩埋型光波导的制作工艺涉及到厚膜生长、锗掺杂、高温退火的工艺，虽然这些工艺技术上成熟，但需采用增强等离子气相沉积（PECVD）技术等，设备昂贵，且费时费力，使得其制作成本居高不下；（4）难以将光波导传感单元和光电探测器构成单片集成的光波导传感系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅基光波导集成光电探测器。将基于悬挂式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。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括无源输入光波导和有源光吸收区域；其中：

无源输入光波导：包括第一硅衬底，叠在第一硅衬底上的第一平板波导，叠在第一平板波导上的第一脊型波导，第一平板波导上的多排通孔分布在第一脊型波导两侧，多排通孔下方的第一硅衬底有空腔，在第一平板波导与第一硅衬底之间形成隔离衬底泄漏的空气隔离区；

有源光吸收区域：包括第二硅衬底，叠在第二硅衬底上的第二平板波导，叠加于第二平板波导上的第二脊型波导，第二平板波导上的两个开孔分布在第二脊型波导两侧，以及位于开孔内且与第二硅衬底接触的金属电极；

无源输入光波导和有源光吸收区域通过对准的第一脊型波导、第二脊型波导相连接。

所述的第一平板波导、第一脊型波导、第二平板波导、第二脊型波导为不同于第一硅衬底、第二硅衬底硅衬底且在硅材料吸收波段具有透明特性的光学材料。

所述的第一脊型波导两侧的多排通孔位于不影响第一脊型波导中的光传输的位置。