專利名稱：周期性波導結構半導體光電探測器及制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體光電探測器，更具體地說，本發明涉及到具有周期性波導結構的半導體光電探測器及制作方法。
在工作波長處吸收系數比較小的半導體材料，用它作為光探測吸收響應介質制作光電探測器時，為了獲得高的量子效率，必須有較長的有效吸收長度，波導型結構則是好的選擇。現研究表明，如果制作成具有周期性波導結構的半導體光電探測器，即將這種半導體光吸收響應介質置于周期性光波導中來制作光電探測器，選擇好適當的波導結構和周期，使其與所要探測的光的波長相匹配，則至少有以下多方面的優點(1)可以獲得高的量子效率；(2)可以減小器件尺寸，獲得高的響應速率；(3)具有波長選擇性和窄的光譜響應。
本發明的目的是由以下方案實現的本發明一種具有周期性波導結構的光電探測器，其特征在于，它包括有導波區，該導波區可對入射光進行吸收和傳播，在導波區上制作周期光柵結構；上限制層，該上限制層生長在導波區之上，該上限制層的折射率小于導波區的折射率；下限制層，該下限制層制作在導波區下，該下限制層的折射率小于導波區的折射率；一襯底，上述結構均制作在該襯底上；在襯底及上限制層上分別制作下電極及上電極。
其光波導區的周期光柵結構具有幾段周期不同的周期性波導結構。
其光波導區的周期光柵結構具有一段或幾段周期相同的周期性波導結構。
該下電極還可以直接制作在下限制層上。
本發明一種具有周期性波導結構的光電探測器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟步驟(1)在襯底上用分子束外延或化學汽相淀積等方法生長下限制層和導波區；步驟(2)用電子束光刻或其它光刻手段及干法刻蝕或濕法化學腐蝕等方法在導波區制作出周期光柵結構；步驟(3)生長上限制層；步驟(4)刻蝕，以形成波導結構；步驟(5)制作上下電極。
其中步驟2所述的周期光柵結構，可以是矩形皺階、鋸齒形皺階、對稱三角形皺階或正弦波形皺階等各種周期性結構。
其中步驟4所述的刻蝕，可以刻蝕到上限制層或下限制層或刻蝕到導波層中。
圖2是為制作

圖1所示的具有周期性波導結構的半導體光電探測器的工藝流程示意圖；圖3是本發明具有兩段周期不同的周期性波導結構的光電探測器的沿波導方向的側面結構示意圖；圖4是本發明另一具有兩段周期相同的周期性波導結構的光電探測器的沿波導方向的側面結構示意圖。
請參閱圖2所示，本發明周期性波導結構半導體光電探測器的制作方法，包括如下步驟步驟(1)在襯底10上用分子束外延或化學汽相淀積等方法生長下限制層11和導波區12(圖2a為其側視圖)；步驟(2)用電子束光刻或其它光刻手段及干法刻蝕或濕法化學腐蝕等方法在導波區制作出周期光柵結構16；其形狀可以是矩形皺階、鋸齒形皺階、對稱三角形皺階或正弦波形皺階等各種周期性結構，本實例給出的是矩形皺階周期結構(圖2b為步驟(2)沿波導方向的側視圖)；步驟(3)生長上限制層13(圖2c為步驟(3)的側視圖)；步驟(4)刻蝕，以形成波導結構；按照設計要求，可以刻蝕到下限制層或刻蝕到導波層中，也可以只刻蝕到上限制層中間(圖2d為步驟(4)的器件端面圖)；步驟(5)制作上電極14和下電極15；具有周期性波導結構的光電探測器就制作完成了。
圖3是一例具有兩段周期不同的周期性波導結構的光電探測器的沿波導方向的側面結構示意圖。本實施例與前一實施例的結構基本相同，它有上限制層13、上限制層18、下限制層11、導波區12，還有電極14、15和19，10為襯底。其不同之處在于，其導波區12的周期光柵結構16具有幾段周期不同的周期性光柵結構16、17。其中導波區12為光響應吸收介質或有一部分為光響應吸收介質，導波區12具有周期光柵結構16和17，其中周期光柵16的周期為P1，周期光柵17的周期為P2，且P1≠P2。兩波長不同的光可以分別由兩段周期不同的周期性波導進行探測。
圖4是一例具有兩段周期相同的周期性波導結構的光電探測器的沿波導方向的側面結構示意圖。本實施例與前兩實施例的結構基本相同，具有襯底10，下限制層11，上限制層13，電極14和15，上限制層18，導波區12和光吸收區19，其中光響應介質置于光吸收區19內，光可以由導波區12耦合進光吸收區19，從而實現對光的探測。
其光導波區12的周期光柵結構16具有幾段周期相同的周期性波導結構16、17。
當然，本專利涉及到所有具有周期性波導結構的光電探測器，它們可以有很多種結構，例如周期光柵也可以做在靠近下限制層處等等。在此我們只列出了三種典型的結構來闡述本發明的結構和特征。
本發明的核心思想是利用周期性波導對在波導中傳播的光的反射等作用，實現對光的窄帶增強吸收，制作出量子效率高、響應速度快、具有波長選擇響應的半導體光電探測器。如果制作的這種器件具有幾段不同周期的波導，則同時可以對幾個不同波長的光進行選擇探測。由于它是波導型結構，容易與光波導、光開關、光調制器等波導器件集成，可以在半導體光子集成和半導體光電子集成技術中發揮作用。
權利要求
1.一種具有周期性波導結構的光電探測器，其特征在于，它包括有導波區，該導波區可對入射光進行吸收和傳播，在導波區上制作周期光柵結構；上限制層，該上限制層生長在導波區之上，該上限制層的折射率小于導波區的折射率；下限制層，該下限制層制作在導波區下，該下限制層的折射率小于導波區的折射率；一襯底，上述結構均制作在該襯底上；在襯底及上限制層上分別制作下電極及上電極。
2.根據權利要求1所述的具有周期性波導結構的光電探測器件，其特征在于其光波導區的周期光柵結構具有幾段周期不同的周期性波導結構。
3.根據權利要求1所述的具有周期性波導結構的光電探測器件，其特征在于其光波導區的周期光柵結構具有幾段周期相同的周期性波導結構。
4.根據權利要求1所述的具有周期性波導結構的光電探測器件，其特征在于該下電極還可以直接制作在下限制層上。
5.一種具有周期性波導結構的光電探測器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟步驟(1)在襯底上用分子束外延或化學汽相淀積等方法生長下限制層和導波區；步驟(2)用電子束光刻或其它光刻手段及干法刻蝕或濕法化學腐蝕等方法在導波區制作出周期光柵結構；步驟(3)生長上限制層；步驟(4)刻蝕，以形成波導結構；步驟(5)制作上下電極。
6.根據權利要求5所述的具有周期性波導結構的光電探測器件的制作方法，其特征在于其中步驟2所述的周期光柵結構，可以是矩形皺階、鋸齒形皺階、對稱三角形皺階或正弦波形皺階等各種周期性結構。
7.根據權利要求5所述的具有周期性波導結構的光電探測器件的制作方法，其特征在于其中步驟4所述的刻蝕，可以刻蝕到上限制層或下限制層或刻蝕到導波層中。
全文摘要
一種具有周期性波導結構的光電探測器，它包括有導波區，該導波區可對入射光進行吸收和傳播，在導波區上制作周期光柵結構；上限制層，該上限制層生長在導波區之上，該上限制層的折射率小于導波區的折射率；下限制層，該下限制層制作在導波區下，該下限制層的折射率小于導波區的折射率；一襯底，上述結構均制作在該襯底上；在襯底及上限制層上分別制作下電極及上電極。
文檔編號H01L31/00GK1427486SQ01144710
公開日2003年7月2日 申請日期2001年12月20日 優先權日2001年12月20日
發明者成步文 申請人:中國科學院半導體研究所