一种光电转换器及其制作方法与流程

本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及一种光电转换器及其制作方法。

背景技术：

传统的光探测器，光电器件的频率响应带宽与量子效率相互制约。一般情况下通过增加器件的吸收层可以增大器件的量子效率，但载流子的渡越时间变长，响应速率会降低。在雪崩光电二极管(avalanchephotodiode，apd)中，光子的吸收发生在吸收区中，对于1310nm或1550nm的通信波长，一般采用ge或者三元化合物ingaas作为吸收层的材料。为了达到较高的光吸收效率，吸收层的厚度需要达到1μm～3μm，但是厚的吸收层会导致较长的载流子渡越时间，因而会影响apd的高速工作。量子效率是在某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比，是描述光电器件光电转换能力的一个重要参数。

共振腔增强型的光探测器在一定程度上可以解决光电器件的量子效率和响应速率之间的限制。共振腔增强(resonantcavityenhanced，rce)光探测器是将吸收层插入到共振腔中，由于共振腔的增强效应，使得器件在较薄吸收层下获得较高的量子效率，并且减少了光生载流子在吸收层的渡越时间，因此同时获得高的量子效率和较高的响应速度。光在dbr的吸收区吸收后变为电子和空穴，在偏压下跑到两个电极形成信号，如果dbr越薄，电子和空穴穿越分布式布拉格反射镜(distributedbraggreflection，dbr)r到达电极的时间越短，因此，dbr越薄，响应速度越快。然而，不管是外延材料作为上dbr还是采用介质膜作为上dbr，上dbr的厚度依然比较大。如何构建较薄的吸收区以同时获得高量子效率和高响应速度就成为一个问题。

技术实现要素：

本申请实施例提供了一种光电转换器及其制造方法，可以以较薄的吸收区达到较高的量子效率和高响应速度。

第一方面，本申请实施例提供了一种光电转换器，该光电转换器包含高折射率层，低折射率层，光电转换层和布拉格反射镜层；高折射率层包括形成光栅结构的多个缝隙，用于接收光信号；低折射率层位于高折射率层和光电转换层之间，低折射率层的折射率低于高折射率层的折射率和光电转换层的折射率，低折射率层接收光信号，且光信号穿过低折射率层到达光电转换层；光电转换层用于从低折射率层接收光信号，将光信号的至少部分转换为电信号，其中，光信号的一部分穿过光电转换层到达布拉格反射镜层；布拉格反射镜层，与光电转换层紧邻，用于从光电转换层接收光信号的一部分，并将该光信号的一部分反射回光电转换层。

高折射率层、低折射率层和光电转换层共同构成一个高对比度光栅，该高对比度光栅可替代上dbr与布拉格反射镜共同构成光谐振腔，且该高对比度光栅较现有技术的上dbr以更薄的厚度达到高量子效率和高响应速度。

在一种可能的实施方式中，多个缝隙满足如下至少一项：多个缝隙为条状，多个缝隙宽度相等，多个缝隙间距相等或多个缝隙平行。

在一种可能的实施方式中，光电转换层的折射率范围为2.5～4，低折射率层的折射率范围为1.3～1.8，高折射率层的折射率范围为2.5～4。

在一种可能的实施方式中，高折射率层的光栅周期的范围为0.7微米～1.2微米，光栅周期为缝隙的宽度与缝隙的间距之和，缝隙的宽度与光栅周期的比值范围为0.45～0.9。

在一种可能的实施方式中，光电转换层为光电二极管pd层。

在一种可能的实施方式中，光电转换层为雪崩光电二极管apd层。

在一种可能的实施方式中，低折射率层的材料为二氧化硅，高折射率层的材料为硅；或者低折射率层的材料为二氧化钛，高折射率层的材料为二氧化锆。

在一种可能的实施方式中，低折射率层的厚度为0.05微米～0.2微米，高折射率层的厚度为0.1微米～0.29微米。通过该实施方式，以较薄的厚度实现对光信号的高效吸收。

在一种可能的实施方式中，光电转换器还包括用于施加反偏电压的上金属电极和下金属电极，其特征在于，上金属电极与光电转换层电连接。通过该实施方式，使上金属电极与光电转换层连接，可以使光电转换器形成回路。

第二方面，本申请实施例提供了一种制作光电转换器的方法，该方法包括：在衬底第一表面沉积布拉格反射镜层；在布拉格反射镜层的上表面沉积光电转换层；在光电转换层上表面依次沉积低折射率层以及高折射率层，其中，低折射率层的折射率低于高折射率层的折射率和光电转换层的折射率；将高折射率层刻蚀成用于形成光栅结构的多个缝隙；其中，高折射率层用于接收光信号，低折射率层接收光信号，且光信号穿过低折射率层到达光电转换层；光电转换层用于从低折射率层接收光信号，将光信号的至少部分转换为电信号，其中，光信号的一部分穿过光电转换层到达布拉格反射镜层；布拉格反射镜层用于从光电转换层接收该光信号的一部分，并将该光信号的一部分反射回光电转换层。与rce型器件相比，本方案制作的的上dbr更为简单，以更薄的厚度就可以达到与上dbr相同或者更优的效果。最总能以较薄的吸收区达到较高的量子效率和高响应速度。

在一种可能的实施方式中，在将高折射率层刻蚀成用于形成光栅结构的多个缝隙之后，该方法还包括：用光刻胶掩蔽具有预定形状的区域，刻蚀具有预定形状的区域之外的高折射率层、低折射率层、光电转换层和布拉格反射镜层，其中，具有预定形状的区域包围用于形成光栅结构的多个缝隙。通过该实施方式，可以制作出具有满足设计需要的形状的器件。

在一种可能的实施方式中，该方法还包括：在具有预定形状的区域的边缘区域刻蚀低折射率层，边缘区域位于具有预定形状的区域之内，且边缘区域包围用于形成光栅结构的多个缝隙；在边缘区域制作上金属电极，上金属电极与光电转换层电连接；在衬底的第二表面制作下金属电极。通过该实施方式，可以制作出上金属电极以及下金属电极，使上金属电极与光电转换层连接，可以使光电转换器形成回路。

在一种可能的实施方式中，高折射率层的光栅周期的范围为0.7微米～1.2微米，光栅周期为缝隙的宽度与缝隙的间距之和，缝隙的宽度与光栅周期的比值范围为0.45～0.9。

在一种可能的实施方式中，上金属电极通过蒸镀金属的方式制备，下金属电极通过蒸镀金属的方式制备。

在一种可能的实施方式中，光电转换层为光电二极管pd层。

在一种可能的实施方式中，光电转换层为雪崩光电二极管apd层。

在一种可能的实施方式中，低折射率层的材料为二氧化硅，高折射率层的材料为硅；或者低折射率层的材料为二氧化钛，高折射率层的材料为二氧化锆。

在一种可能的实施方式中，低折射率层的厚度为0.05微米～0.2微米，高折射率层的厚度范围为0.1微米～0.29微米。

在一种可能的实施方式中，缝隙满足如下至少一项：多个缝隙为条状，多个缝隙宽度相等，多个缝隙间距相等或多个缝隙平行。

在一种可能的实施方式中，光电二极管pd层的折射率范围为2.5～4，低折射率层的折射率范围为1.3～1.8，高折射率层的折射率范围为2.5～4。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种光电转换器的剖视图示意图；

图2为本申请实施例提供的一种光电转换器的结构俯视图；

图3为本申请实施例提供的一种光栅结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种优化后高对比度光栅反射谱示意图；

图5为本申请实施例提供的一种器件泄露光能量比例和波长关系示意图；

图6为本申请实施例提供的一种制作光电转换器的方法流程示意图；

图7a、图7b、图7c、图7d、图7e、图7f为本申请实施例提供的一种制作光电转换器的方法中各个步骤结束后的结构剖视图；

图8为本申请实施例提供的另一种光电转换器的结构俯视图。

具体实施方式

本申请的说明书实施例和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本申请实施例提供一种光电转换器，包括高折射率层，低折射率层，光电转换层和布拉格反射镜层；其中，高折射率层包括形成光栅结构的多个缝隙，用于接收光信号；低折射率层位于高折射率层和光电转换层之间，低折射率层的折射率低于高折射率层的折射率和光电转换层的折射率，低折射率层接收光信号，且光信号穿过低折射率层到达光电转换层；光电转换层用于从低折射率层接收光信号，将光信号的至少部分转换为电信号，其中，光信号的一部分穿过光电转换层到达布拉格反射镜层；布拉格反射镜层与光电转换层紧邻，用于从光电转换层接收光信号的一部分，并将光信号的一部分反射回光电转换层。

图1为本申请实施例提供的一种光电转换器的剖视图示意图，图2为本申请实施例提供的一种光电转换器的结构俯视图，光电转换层以雪崩光电二极管为例，结合图1和图2对本发明作进一步说明。

在一个示例中，如图1和图2所示，该光电转换器包含磷化铟inp衬底1，在磷化铟inp衬底1的第一表面从下至上依次包括磷化铟缓冲层2，分散式布拉格反射镜dbr层3，倍增层(sagcm)结构的雪崩光电二极管apd层4，在衬底的第二表面包括下金属电极7。在雪崩光电二极管apd层4上表面的存在低折射率层61，在低折射率层61上表面存在高折射率层62，高折射率层62为条状，条状之间存在形成光栅结构的缝隙；该光电转换器还包括上金属电极，即图2中圆环所示意的位置；在该示例中，低折射率层61的折射率低于高折射率层62的折射率和雪崩光电二极管apd层4的折射率，使得雪崩光电二极管apd层4、低折射率层61和高折射率层62形成光栅。该光栅结构简单，相比现有技术中的上dbr，低折射率层和高折射率层两层结构以较薄的厚度，实现了相同的量子效率和响应速度。

在一个示例中，光电转换层的折射率范围为2.5～4，低折射率层的折射率范围为1.3～1.8，高折射率层的折射率范围为2.5～4。

在一个示例中，图1中的低折射率层61的材料是二氧化硅，高折射率层62的材料是硅。

在一个示例中，该光电转换层可以是光电二极管(photodiode，pd)层。

在一个示例中，该光电转换层为雪崩光电二极管apd层。

其中，只要光电转换层4、低折射率层61和高折射率层62的折射率满足上述条件，即低折射率层61的折射率低于光电转换管pd层4和高折射率层62的折射率，低折射率层61和高折射率层62的材料可以换成其它材料，如低折射率层61的材料换成二氧化钛，高折射率层62的材料换成二氧化锆。

应当理解，在这里，上金属电极的位置和形状被示出为圆环，根据器件的应用需要，也可以将其设置为其他形状，位于apd层上的其他位置。

图3为光栅的结构示意图，该光栅结构包括光电转换层4，低折射率层61和高折射率层62。该光栅为高对比度光栅，要求低折射率层61的折射率低于光电二极管4的折射率和高折射率层62的折射率。

通过调整低折射率层62的厚度h1，高折射率层62的厚度h2、条形高折射率层62的缝隙的宽度fp与光栅周期p的占比f，，其中光栅周期p为缝隙的宽度fp与缝隙的间距(1-f)p之和，结合探测器的厚度，通过时域有限差分(finite-differencetime-domain，fdtd)模拟计算，对于指定波长可以将反射率调到高于90％。

通过fdtd模拟可以计算得到，对于波长1550nm的入射光，低折射率层61的厚度h1的一个优选范围为0.05微米～0.2微米，高折射率层的厚度h2的一个优选范围为0.1微米～0.29微米，光栅的周期p的一个优选范围为0.7微米～1.2微米，高折射率层62中的缝隙宽度与光栅周期的比值f的一个优选范围为0.45～0.9，其中光栅周期为缝隙的宽度与缝隙的间距之和，在这里，缝隙的间距即为图中长条的宽度。

在这里要说明的是，光线从器件正面入射，通过高对比度光栅后，在高对比度光栅和dbr之间来回反射，直至被sagcm结构apd吸收，所以反射率直接决定了吸收效率，而反射率是根据低折射率层61的厚度h1，高折射率层62的厚度h2，条形高折射率层62的缝隙宽度与光栅周期的占比f，以及探测器的厚度综合决定的，上述厚度范围和比值范围都是在选用1550nm的波长，低折射率层61选用二氧化硅，高折射率层62选用硅的前提下给出的一个优选范围。

在一个具体的例子中，制作吸收波长为1550nm的探测器，低折射率层61选用sio2，高折射率层62选用si，在该例中，sio2层的厚度100nm，si层的厚度150nm，光栅周期宽度1200nm，硅条的宽度为480nm，缝隙宽度为720nm，缝隙宽度与整个光栅周期的比值为0.6。

该器件在上金属电极5和下金属电极7之间加上合适的反偏电压，光线从器件正面入射，通过高对比度光栅后，在高对比度光栅和dbr之间来回反射，直至被sagcm结构apd吸收，从而实现高吸收效率和高带宽的功能。

在一个示例中，金属电极材料可以为ti/au，ti/pt/au。

可选的，上金属电极或者下金属电极可以包含两层，一层为ti，一层为au。

可选的，上金属电极或者下金属电极可以包含三层，分别为ti，pt，au。

图4为本申请实施例提供的一种优化后高对比度光栅反射谱示意图；图5为本申请实施例提供的一种器件泄露光能量比例和波长关系示意图。在光栅经过优化后，对整个器件进行模拟，模拟结果如图4和图5所示，从模拟结果上来看，该器件在1.55微米处量子效率可以达到96％。

在保证量子效率的前提下，该实施例的低折射率层和高折射率层总厚度仅为0.25微米，远低于现有技术中rce型器件中上dbr的1.48微米的厚度。

与rce型器件相比，本方案的上dbr更为简单，仅需要0.25微米左右的厚度就可以达到与上dbr相同或者更优的效果，最终能以较薄的吸收区达到较高的量子效率和高响应速度。

本申请实施例还提供一种制作光电转换器的方法，图6为本申请实施例提供的一种制作光电转换器的方法流程示意图，如图6所示，该制作方法包括：

步骤s11：在衬底第一表面沉积布拉格反射镜层。

示例性的，布拉格反射镜层可以是分布式布拉格反射镜。

示例性的，在沉积布拉格反射镜之前，还可以沉积衬底。

可选地，该衬底可以是inpn型衬底。

可选地，可以采用金属有机化合物化学气相沉淀(metal-organicchemicalvapordeposition，mocvd)或者分子束外延(molecularbeamepitaxy，mbe)在inpn型衬底1正面依次外延300nm的n型2-10×10¹⁹cm^-3inp缓冲层2,由ingaas和inalas组成的下dbr层3。

该步骤结束后的一种探测器剖视图如图7a所示。

步骤s12：在布拉格反射镜层的上表面沉积光电转换层。

示例性的，该光电转换层的折射率范围可以是2.5～4。

示例性的，该光电转换层为光电二极管pd层。

示例性的，该光电转换层为雪崩光电二极管apd层，可选的，可以采用mocvd或者mbe在dbr层上沉积sagcm结构apd。

该步骤结束后的一种探测器剖视图如图7b所示

步骤s13：在光电转换层上表面依次沉积低折射率层以及高折射率层，其中，低折射率层的折射率低于高折射率层的折射率和光电转换层的折射率。

示例性的，该低折射率层可以是二氧化硅，该高折射率层可以是硅。

示例性的，该低折射率层可以是二氧化钛，该高折射率层可以是二氧化锆。

示例性的，该低折射率层的折射率范围可以是1.3～1.8，该高折射率层的折射率范围可以是2.5～4。

示例性的，该低折射率层厚度可以是0.05微米～0.2微米，该高折射率层的厚度可以是0.1微米～0.29微米。

该步骤结束后的一种探测器剖视图如图7c所示。

步骤s14：将所述高折射率层刻蚀成用于形成光栅结构的多个缝隙。

示例性的，多个缝隙为条状。

示例性的，多个缝隙宽度相等，应当理解，这里的缝隙是指被刻蚀掉的凹进去的部分，示例性的，如图3中任意两个相邻的矩形长条结构之间的区域即为本申请所定义的缝隙。

示例性的，多个缝隙间距相等，应当理解，这里的缝隙间距为相邻两条缝隙之间的距离，示例性的，在图3中缝隙间距即为矩形长条结构的宽度。

示例性的，多个缝隙平行。

示例性的，该高折射率层的光栅周期的范围可以是0.7微米～1.2微米，光栅周期为缝隙的宽度与缝隙的间距之和，

示例性的，缝隙的宽度与光栅周期的比值范围可以是0.45～0.9。

示例性的，采用光刻胶制作掩膜，用湿法腐蚀或者感应耦合等离子体(inductivelycoupledplasma，icp)刻蚀的方法，在表面刻蚀出宽度为480nm，间距为1200nm的si条，si条之间的缝隙即为形成光栅的缝隙。该步骤结束后的一种探测器剖视图如图7d所示。

其中，高折射率层62用于接收光信号，低折射率层61接收光信号，且光信号穿过低折射率层61到达光电转换层4；光电转换层4用于从低折射率层61接收光信号，将光信号的至少部分转换为电信号，其中，光信号的一部分穿过光电转换层4到达布拉格反射镜层3；布拉格反射镜层3用于从光电转换层4接收光信号的一部分，并将光信号的一部分反射回光电转换层4。

可选的，在将高折射率层刻蚀成用于形成光栅结构的多个缝隙之后，该方法还包括：

步骤s15：用光刻胶掩蔽具有预定形状的区域，刻蚀具有预定形状的区域之外的高折射率层、低折射率层、光电转换层和布拉格反射镜层，其中，具有预定形状的区域包围用于形成光栅结构的多个缝隙。

示例性的，预定形状为一个直径为50微米的圆，该圆包围用于形成光栅结构的多个缝隙，可选的，用光刻胶掩蔽直径50微米的圆，用刻蚀的方法刻蚀直径50微米的圆以外的si，sio2，光电转换层，dbr和缓冲层，一直刻蚀到inp衬底，形成一个圆柱形台面。该步骤结束后的一种探测器剖视图如图7e所示。

应该理解，这里的圆仅为一个示例，根据器件的应用需求，预定形状的大小和具体形状可以进行设定和改变。

可选的，该制作方法还包括：

步骤s16：在具有预定形状的区域的边缘区域刻蚀低折射率层，边缘区域位于具有预定形状的区域之内，且边缘区域包围用于形成光栅结构的多个缝隙；在边缘区域制作上金属电极；在衬底的第二表面制作下金属电极。

在一个示例中，金属电极材料可以为ti/au，ti/pt/au。

可选的，上金属电极或者下金属电极可以包含两层，一层为ti，一层为au。

可选的，上金属电极或者下金属电极可以包含三层，分别为ti，pt，au。

示例性的，上金属电极可以通过蒸镀金属的方式制备，上金属电极可以通过蒸镀金属的方式制备。

示例性的，预定形状为一个直径为50微米的圆，在该圆的边缘的一个圆环区域刻蚀低折射率层，该圆环包围着用于形成光栅结构的多个缝隙，在该圆环区域制作上金属电极。在衬底的第二表面制作下金属电极，将inp衬底背面减薄，抛光，蒸金属制作下金属电极7。至此，一个针对1550nm波长的探测器制作完毕。该步骤结束后的一种探测器剖视图如图7f所示，其俯视图如图2所示。

应该理解，上述制作上金属电极和下金属电极的步骤s16，在预定形状的区域刻蚀低折射率层的步骤s15，都是通过湿法腐蚀后者刻蚀的方式制作出满足设计需求的形状，两个过程的顺序可以调换。

图8为本申请实施例提供的另一种光电转换器的结构俯视图，在另一个实施例中，其它条件不变，在步骤15后中，si条刻蚀好后，用标准工艺，用光刻胶掩蔽长40微米的正方形，用刻蚀的方法刻蚀长40微米的正方形以外的si和sio2及外延层，一直刻蚀到inp衬底，形成一个四棱柱形台面。结合图8，在该实施例中，预定形状的区域即为长40微米的正方形所覆盖的区域，经过区域之外刻蚀形成的四棱柱形台面，即为所要设计的形状结构。

需要说明的是，在上述所有实施例中，上金属电极都是p型的，相对应的，下金属电极，缓冲层，dbr，衬底都是n型的，应该理解，上金属电极可以是n型的，相对应的，下金属电极，缓冲层，dbr，衬底都是p型的。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。