基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器

本发明涉及光电子设计，特别涉及一种基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器。

背景技术：

1、集成光电子技术开启了数字通讯时代的大门，数字通讯依赖于器件高速的传输速度，超高带宽及较低的干扰。随着数据的爆炸式增长，光电探测器作为信息传输和处理的核心组成部分，是集成光电子链路中不可或缺的一环。在移动通信系统不断向高频率和宽带化的方向发展的同时，这些系统对设备的性能提出了更高的要求。因此，高性能的光电探测器扮演着关键角色，需要具备多项卓越特性，包括高响应度、低暗电流和大带宽等。

2、台面型光电探测器具有饱和性能好，制作简单的优势。台面型光电探测器由入射光方向可分为顶入射和背入射两种，背入射结构中，当光从器件背面入射后，会被金属电极反射，可两次经过吸收区，在不引入复杂结构(如多层布拉格反射镜，distributed braggreflector,dbr)的情况下，可以提高响应度。同时背入射的感光区域位于底部，因此热量可更易发散至周围环境，具有较好的稳定性，抗干扰能力等优势。然而不论入射方向如何，传统的pin光电探测器仍面临着响应度和带宽无法同时提升的限制。由于探测器本征区的厚度越薄，载流子的渡越时间越短，而渡越时间直接影响着器件的带宽。大带宽需要减小本征区厚度，而小的本征区厚度必然会导致吸收的光子变少，响应度降低。因此传统pin光电探测器在响应度和带宽之间存在权衡关系。

3、为了打破权衡限制，研究人员尝试从小尺寸大带宽光电探测器的耦合效率入手，提出了在衬底背面制备微透镜提升耦合效率。微透镜阵列一般是三维结构，一般采用热熔回流法将光刻胶熔成球冠型。此方法中使用电感耦合等离子体刻蚀(icp，inductivelycouple plasma)需严格控制选择刻蚀比为1，且透镜较厚，通常在十几微米的厚度，不易集成，且制造工艺复杂。

4、另一方面，现阶段的背入射光电探测器为了可以对光进行二次反射，使用顶部p电极充当反射镜，一般顶部p电极采用钛/铂/金(ti/pt/au)，第一层的钛对形成欧姆接触至关重要，然而钛存在一定的吸收损耗，因此其材料反射率约在65.9％，同时钛厚度过薄或过厚都会使接触电阻率增大，因此具有较好欧姆接触的金属电极的反射率通常在30～60％之间，这也进一步限制了器件的高响应度。为了使顶部反射率增高，在面发射激光器中采用了较多的方法。最早是采用多层dbr结构进行高反结构，但对外延结构提出了较高的要求。由此，研究人员提出了四周包围低折射率的亚波长光栅，其厚度约几百纳米，在宽带具有高反射率。但高反射光栅下部的低折射率区域为空气间隙，这需要制备悬浮光栅，其缺乏结构支撑，机械稳定性较差，限制了进一步的半导体加工。

5、因此，亟待一种新型背入射光电探测器打破制约关系。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，以解决带宽和响应度的权衡问题。

2、本发明第一方面实施例提供一种基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，包括：由下至上依次形成的集成于衬底背面的偏振无关型超构透镜、磷化铟衬底层、n型外延层、形成在n型欧姆接触上的第一环形金属电极、本征吸收层、p型外延层、形成在p型接触上的第二环形金属电极、光栅氧化层和高对比亚波长光栅层(high contrast grating，hcg)。

3、可选地，所述偏振无关型超构透镜由多个不同半径的等高inp圆柱纳米柱构成，其中，所述多个不同半径的等高inp圆柱纳米柱在所述磷化铟衬底层上集成排列。

4、可选地，所述多个不同半径的等高inp圆柱纳米柱的相位分布满足：

5、

6、其中，φ(x,y)为相位分布，x为偏振无关型超构透镜上每个纳米柱的横坐标，y为上每个纳米柱的纵坐标，λ为工作波长，f为透镜设计的理论焦距，φ0为初始相位。

7、可选地，所述偏振无关型超构透镜的焦距为110um，半径为60um，数值孔径na值为0.968。

8、可选地，所述光栅氧化层的初始外延材料为砷化铟铝，经过湿热氧化后变成氧化铝。

9、可选地，所述高对比亚波长光栅层包括一维氧化型高对比光栅、环形高对比光栅和二维氧化型高对比光栅。

10、可选地，所述高对比亚波长光栅层下方使用的间隔层材料为砷化铟铝，在氧化炉中被氧化形成低折射率氧化物间隔层。

11、本发明第二方面实施例提供一种基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

12、准备外延层晶圆，并对所述外延层晶圆进行清洗，其中，所述外延层晶圆包括顶部光栅区、氧化区p+区、吸收区、耗尽区和n+区；

13、电子束曝光后，对清洗后的外延层晶圆进行第一次icp刻蚀，刻蚀到氧化物停止层，得到带有高对比亚波长光栅的第一器件；

14、在所述第一器件上光刻p台面和n台面，得到第二器件；

15、对所述氧化物停止层进行湿氧化工艺，将所述第二器件放在水蒸气和n2气的混合气中加以60mbar的压力和525℃氧化1小时，水蒸气流过高对比亚波长光栅的间隙并氧化氧化物隔离层，在所述高对比亚波长光栅的下方产生低折射率的al2o3；

16、在所述第二器件上光刻p电极图案和n电极图案，并利用磁控溅射设备溅射出p电极和n电机，得到第三器件；

17、减薄抛光所述第三器件，并将减薄抛光后的减薄抛光倒贴于蓝宝石基底上；

18、在所述蓝宝石基底的背面电子束曝光出偏振无关型超构透镜图案，并进行icp刻蚀，以将所述偏振无关型超构透镜图案集成在预设衬底背面上，得到第四器件；

19、剥离所述第四器件的蓝宝石基底，得到背入射高速光电探测器。

20、本发明实施例提出的基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，利用集成在衬底背面及顶部的亚波长人工微结构，解决了传统光电探测器响应度和带宽之间的矛盾，具有高效高速性，同时，设计的微结构厚度均小于1um，具有体积小，易于集成，具有偏振无关性，工艺简单的特点，具有较高的实用价值。

21、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，其特征在于，包括：由下至上依次形成的集成于衬底背面的偏振无关型超构透镜、磷化铟衬底层、n型外延层、形成在n型欧姆接触上的第一环形金属电极、本征吸收层、p型外延层、形成在p型接触上的第二环形金属电极、光栅氧化层和高对比亚波长光栅层。

2.根据权利要求1所述的基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，其特征在于，所述偏振无关型超构透镜由多个不同半径的等高inp圆柱纳米柱构成，其中，所述多个不同半径的等高inp圆柱纳米柱在所述磷化铟衬底层上集成排列。

3.根据权利要求2所述的基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，其特征在于，所述多个不同半径的等高inp圆柱纳米柱的相位分布满足：

4.根据权利要求2所述的基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，其特征在于，所述偏振无关型超构透镜的焦距为110um，半径为60um，数值孔径na值为0.968。

5.根据权利要求1所述的基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，其特征在于，所述光栅氧化层的初始外延材料为砷化铟铝，经过湿热氧化后变成氧化铝。

6.根据权利要求1所述的基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，其特征在于，所述高对比亚波长光栅层包括一维氧化型高对比光栅、环形高对比光栅和二维氧化型高对比光栅。

7.根据权利要求6所述的基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，其特征在于，所述高对比亚波长光栅层下方使用的间隔层材料为砷化铟铝，在氧化炉中被氧化形成低折射率氧化物间隔层。

8.一种基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及光电子设计技术领域，特别涉及一种基于亚波长人工微结构的背入射高速光电探测器，包括：由下至上依次形成的集成于衬底背面的偏振无关型超构透镜、磷化铟衬底层、N型外延层、形成在N型欧姆接触上的第一环形金属电极、本征吸收层、P型外延层、形成在P型接触上的第二环形金属电极、光栅氧化层和集成于衬底顶部的高对比亚波长光栅层。由此，解决了传统光电探测器响应度和带宽之间的矛盾。

技术研发人员：熊兵,徐萌婧,孙长征,王健,罗毅
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17