一种高功率大带宽锗硅光电探测器

摘要

本发明公开了一种高功率大带宽锗硅光电探测器。该探测器是模拟光子通信系统和微波光子系统中的硅基关键集成光电子器件，其特征在于包括多个并联锗层结构和电感。多个并联的锗层结构的多个锗层尺寸是可以不同的，以实现对寄生电阻的调控，在提高器件饱和功率的同时保持了寄生参数不至显著增加。同时，通过引入片上和片外电感，实现对器件寄生电感的调控，抬升器件高频处频率响应，提升器件工作带宽。本发明提出的光电探测器采用集总电极结构，实现了一种高功率、大带宽、结构紧凑的锗硅光电探测器。

权利要求

1.一种高功率大带宽锗硅光电探测器，包括在SOI晶元上硅层通过光刻生成的光栅(5)、光功分器(6)、集总电极结构，其特征在于，还包括多个并联锗层结构；其中：所述集总结构电极生长在SOI晶元上硅层的锗吸收区，包括一个信号极(S)和两个地极(G)；

所述并联锗层结构是并列生长的多个锗吸收区与上硅层构成的PIN结构，PIN结构顶部为N++掺杂区，PIN结构底部是P+或P++掺杂的硅层，PIN结构中部为未掺杂的本征区；各PIN结构的顶部与信号极(S)相连，各PIN结的底部通过金属连接导体(16)与地极(G)相连，且各锗层结构尺寸不同；

所述光栅(5)用于耦合输入光信号，光功分器(6)用于将入射光信号分为多路，然后通过倏逝波耦合方式耦合到所述并联锗层结构；

所述信号极(S)用于输出转换成的电信号，其一端与PIN结构顶部的N++掺杂区连接，另一端为输出电极连接输出负载；

在信号极(S)与PIN结顶部的N++掺杂区之间，串联有由金属波导构成的片上电感；

两个地极(G)之间连有片外电感。

2.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述片上电感是螺旋电感或梳形电感。

3.根据权利要求2所述的探测器，其特征在于，所述片外电感是分段设置的，段数可以是1-4段，段数越多，电感量越大，具体段数根据需要确定。

4.根据权利要求3所述的探测器，其特征在于，所述片外电感是通过引线接合技术连接的。

5.根据权利要求1或2所述的探测器，其特征在于，每个锗层结构采用双端入射。

6.根据权利要求2～4任意一项所述的探测器，其特征在于，片上、片外电感的电感量根据频率带宽特性确定，总电感量为50pH至900pH。

说明书

一种高功率大带宽锗硅光电探测器

技术领域

[0001] 本发明涉及模拟光子通信系统或微波光子系统中的硅基集成光电子器件，更具体地，涉及一种将光信号转换为电信号的高功率大带宽锗硅光电探测器。

背景技术

[0002] 在模拟光子通信、微波光子学等领域，需要具有高饱和功率和大带宽的探测器，用来将光信号转换为电信号。现有的基于Ⅲ-Ⅴ族材料的探测器，技术特点是饱和功率大、带宽大，但存在成本高、不利于大规模集成等问题。

[0003] Xianshu Luo等人公开了一种使用多级级联锗层结构，采用行波电极结构来实现输出电信号饱和功率提升的锗硅光电探测器。入射的光信号通过多级级联功分器，均分到多个并排级联的锗层结构中，然后每个锗层结构输出的电信号通过行波电极汇总输出。这种方法有效提升了锗硅探测器的输出饱和功率。Chia-Ming Chang等人公布一种双端入射多级级联锗层结构，同时采用行波电极结构实现输出饱和功率的进一步提高的方案。相比于前述方案，此方案采用双端入射的方法，充分利用了锗层的吸收区域，使得锗硅探测器输出功率得到了进一步地提升。

[0004] 上述两种方案中，由于采用行波电极结构，输出电信号传输损耗较大，导致输出饱和功率提升的同时，带宽出现了劣化。同时暗电流、响应度等参数也出现了劣化。此外，这两种器件，结构设计复杂，体积较大，限制了其在某些领域的应用。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种高功率大带宽锗硅光电探测器，以克服现有的锗硅光电探测器输出功率、工作带宽和器件设计复杂度等综合性能难以兼容的问题。

[0006] 为解决以上技术问题，本发明提出了一种高功率大带宽锗硅光电探测器，包括在SOI晶元上硅层通过光刻生成的光栅(5)、光功分器(6)、集总电极结构，其特征在于，还包括多个并联锗层结构；其中：

[0007] 所述集总结构电极生长在SOI晶元上硅层的锗吸收区，包括一个信号极(S)和两个地极(G)；

[0008] 所述并联锗层结构是并列生长的多个锗吸收区与上硅层构成的PIN结构，PIN结构顶部为N++掺杂区，PIN结构底部是P+或P++掺杂的硅层，PIN结构中部为未掺杂的本征区；各PIN结构的顶部与S极相连，各PIN结的底部通过金属连接导体(16)与地极(G)相连；

[0009] 所述光栅(5)用于耦合输入光信号，光功分器(6)用于将入射光信号分为多路，然后通过倏逝波耦合方式耦合到所述并联锗层结构；

[0010] 所述信号极(S)用于输出转换成的电信号，其一端与PIN结构顶部的N++掺杂区连接，另一端为输出电极连接输出负载。

[0011] 进一步的，所述信号极(S)与PIN结顶部的N++掺杂区之间，串联有由金属波导构成的片上电感。

[0012] 进一步的，所述片上电感是螺旋电感或梳形电感。

[0013] 进一步的，所述两个地极(G)之间连有片外电感，这样可以补偿器件在高频处信号的衰减，提升带宽。

[0014] 进一步的，所述片外电感是分段设置的，段数可以是1-4段，段数越多，电感量越大，具体段数根据需要确定。

[0015] 进一步的，所述片外电感是通过wire bonding技术连接的。

[0016] 进一步的，所述各锗层结构尺寸不同，这样可以实现对器件寄生电阻的调控。

[0017] 进一步的，每个锗层结构采用双端入射，这样可以提高锗层吸收率，进一步提高饱和功率。

[0018] 进一步的，所述片上、片外电感的总电感量根据频率带宽特性确定，总电感量为50pH至900pH。片上/片外电感的几何尺寸，例如金属导体/导线的长度、直径，根据其所形成的上述总电感量确定。

[0019] 本发明通过并联锗层结构，一方面增加有源吸收区面积，提高饱和输出功率，另一方面，并联结构可以对整体寄生结电阻、结电容进行调控，实现整体寄生参数不至显著劣化或者有一定改善。此外，通过引入片上/片外电感，形成gain peaking,对器件的动态响应过程进行调控，使得器件带宽曲线在高频处有一定抬升，进而提升了器件的工作带宽。

[0020] 此外，本发明提出的锗硅光电探测器的响应度等参数没有显著影响，具有工艺复杂度低、结构紧凑、饱和输出功率高、工作带宽大等优良特性。

附图说明

[0021] 图1为现有的锗硅光电探测器的结构示意图；

[0022] 图2为本发明实施例一的结构示意图；

[0023] 图3为本发明实施例二的结构示意图；

[0024] 图4为本发明实施例一与现有锗硅光电探测器直流光电流测试结果对比图；

[0025] 图5为本发明实施例一与现有锗硅光电探测器工作带宽测试结果对比图。

[0026] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

[0027] 1--接地极一(G)，2--信号极(S)，3—接地极二(G)，4—单个锗层结构，5--耦合光栅，6—光功分器，7--片外导线电感一，8--并联两个锗层结构区域，9--片外导线电感二，10--片外导线电感三，11--片上螺旋电感一，12--片外导线电感四，13--并联四个锗层结构区域，14--片上螺旋电感二，15—硅波导，16—金属连接导体。

[0028] 具体实施方法

[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0030] 相比于图1所示现有的锗硅探测器，如图2所示为本发明高功率大带宽锗硅光电探测器一种具体实施方式的结构示意图(实施例一)。下面结合相关器件结构图详细说明本发明的工作原理、实施条件和步骤。

[0031] 本发明基于互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺制作而成，包括在SOI晶元上硅层上通过光刻生成的光栅(5)、光功分器(6)，在SOI晶元上硅层上生长的锗吸收区，其上有由一个信号极(S)、两个地极(G)构成的集总结构电极，其特征在于，还包括多个并联锗层结构，它们并列生长，共用信号极和地极，形成并联结构。

[0032] 本实施例特点：一方面，利用双端入射并联两个锗层结构，在增加锗层面积、提高器件功率处理能力的同时，减小了器件整体等效寄生电阻，使总体寄生参数不至显著增加。另一方面，通过在集总结构电极的信号极(S)中引入片上螺旋电感(11)，以及在地极(G)之间引入片外导线电感(7)的方法，形成gain peaking，抬升器件在高频处的频率响应，实现器件工作带宽的显著提升。

[0033] 其中并联锗层的数目、参数都是可以调控的，以实现最大的有源吸收区面积和最小的寄生参数为原则。片外导线电感的材质及排布方式在符合wire bonding的要求下可以有多种选择，只要连通，分成多段两两连接都可以，只要导线的总长度一样都是等效的。片上螺旋电感在电感量满足要求的前提下也是可以调控的。本具体实施方式以并联两个具有不同结面积的锗层，同时引入三段片外导线电感和片上螺旋电感为例做进一步描述。

[0034] 如图2所示，这两个并联锗层的面积是不一样的。由于锗硅光电探测器中锗层结构的结电阻和面积是相关的，因此通过改变锗层结构面积就可以得到不同的结电阻值。这两个锗层的顶部(负极)同时连接到集总电极的S极，负极同时连接到集总电极的G极，这样就构成了并联结构。采用这种结构，锗层面积显著增加，同时器件整体寄生电阻显著显小，电阻的减小量抵消了整体电容的增加量，使得整体寄生参数也不至增加。因此，这种具有不同结电阻的锗层的并联组合可以同时实现饱和功率的最大化和寄生参数的最小化。

[0035] 本实施例还在电极之间引入片上和片外电感，抬升器件在高频处的频率响应，带宽得以进一步提升，同时不影响高功率性能。引入的片外电感如图2中编号7、编号9、编号10所示，它是由一小段具有一定电感量的导线所构成，这三段导线两两连接被分成四部分的地极。引入的片上螺旋电感如图2中编号11所示，它是由一段金属导体弯曲盘旋构成。

[0036] 本发明中，面向不同的应用，锗层数目和结构、片外导线电感排布方式和参数、片上螺旋电感结构和参数都不局限于图2中的形式，图3给出了另一种结构形式(实施例二)。如图3所示，该探测器采用并联四个锗层结构，然后将地极分成两个部分，用一段导线连接分离的两部分地极，片上螺旋电感也相应地采用具有不同电感量的螺旋结构。图3与图2的原理是等效的，只不过由于图3中并联锗层的数目是图2的两倍，因此饱和输出功率也相应地是图2所示的2倍。

[0037] 本发明实施例一与现有的图1所示结构锗硅光电探测器直流光电流、工作带宽(S21)实验测试对比结果如图4和图5所示。直流光电流基于数字源表测试，工作带宽基于通用测试仪表——67GLCA测试完成。图4中虚线所示为现有的锗硅光电探测器直流光电流曲线，实线为本发明探测器所测得的直流光电流曲线，可以看到本发明探测器饱和光电流有显著提高。图5中虚线为现有的锗硅光电探测器工作带宽曲线，实线为本发明探测器所测得的工作带宽曲线，可以看到本发明探测器3dB带宽有显著提高。经过检测，其他等效结构的锗硅光电探测器饱和功率和3dB带宽也都可以实现输出功率和工作带宽的显著改善。

[0038] 本发明基于双端入射并联锗层结构和gain peaking技术，同时实现了高功率大带宽锗硅光电探测器。相比于现有的锗硅光电探测器，饱和功率显著提高，带宽也有显著改善，器件结构尺寸比较紧凑，且没有增加工艺复杂度。本发明可以作为独立器件应用于模拟光子通信系统或微波光子学系统，也可以基于CMOS工艺进行片上大规模集成，大幅度降低成本、尺寸、功耗。

[0039] 最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。