專利名稱：高速、高靈敏度的諧振腔增強型光電探測器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光波與光電子器件，特別涉及一種長波長、高速、高靈敏度諧振腔增強型(RCE)光電探測器的結構。
背景技術：
隨著高速、長距離光纖通信技術的飛速發(fā)展，要求相應的光接收器件具有高靈敏度、高速響應(＞40Gbit/s)的能力。對傳統(tǒng)的pin光電探測器(其中p和n型材料作為電極層對光波無吸收效應，而i型材料作為光波吸收層)來說，其量子效率和響應速度之間存在著一種此長彼消的制約關系，二者都與吸收層厚度有關，不可兼得。諧振腔增強型(Resonant CavityEnhanced，簡稱RCE)光電探測器從器件結構上解決了這一問題，它的基本結構是在法布里-帕羅諧振腔(F-P腔)中插入薄的吸收層，由于光波在諧振腔中的諧振增強效應，此類器件在較薄的吸收層情況下即可以獲得較高的量子效率。因而器件的響應速度不受光生載流子的耗盡區(qū)的渡越時間限制，具有高速響應的潛力。并且與波導型光電探測器的邊耦合方式相比，具有光耦合效率高，耦合封裝簡單的優(yōu)點。這些特點使得它成為未來寬帶光纖通信系統(tǒng)的高速接收器件的首選。
RCE光電探測器由于吸收層厚度很薄，具有高速響應的潛力。但是在實際應用中，為了保證光波的耦合效率，RCE探測器的臺面(即入光面)面積不能小于一定值，而器件的固有電容與臺面面積大致成正比關系，因此器件固有電容的充放電時間成為了制約器件高速響應的主要因素。因而器件的響應速率與光耦合效率之間，存在著互相制約的關系。
此外，與目前光纖通信的低損耗、低色散的1.55μm波長窗口相對應，波長1.55μm的InP(磷化銦)基RCE光電探測器的制備仍存在困難。RCE結構中的諧振腔是由一對相互平行的介質膜DBR(分布布拉格反射鏡)構成；要獲得高的量子效率，通常要求構成諧振腔的底鏡的反射率接近100％。對于1.55μm光波具有吸收效應的In0.53Ga0.47As(銦鎵砷)材料是在InP襯底上外延生長而成的，InGaAsP/InP(銦鎵砷磷/磷化銦)材料的折射率差很?。粸榱双@得高反射率InGaAsP/InP介質膜DBR反射鏡，要求組成的介質膜對數(shù)較多(大于35對)，因此器件的外延生長比較困難。目前所采用的解決方法有將In0.53Ga0.47As吸收層與高反射率的Si/SiO2(硅/二氧化硅)介質膜DBR鍵合(wafer-bonding)，獲得了約48％的量子效率；類似的還有將In0.53Ga0.47As吸收層與高反射率的GaAs/AlGaAs(砷化鎵/鋁鎵砷)介質膜DBR鍵合，獲得約80％的量子效率。但是，鍵合需要經過貼緊、加壓、加熱以及襯底去除等工藝過程，使得器件制備成本增加。
有鑒于此，如何解除RCE光電探測器中響應速率與光耦合效率之間互相制約的矛盾，解決InP/InGaAsP介質膜DBR反射率低的問題，從而獲得高速、高靈敏度的1.55μm波長的RCE光電探測器；同時具有低廉的成本，以滿足光電子技術應用領域發(fā)展的要求，這是本實用新型研創(chuàng)動機所在。
本實用新型設計人憑借多年從事半導體研究生產加工等領域的實際經驗，在反復研究論證的基礎上，終得本實用新型的產生。
本實用新型內容本實用新型的目的是提供一種實現(xiàn)長波長、高速、高靈敏度諧振腔增強型(RCE)光電探測器的結構。
本實用新型的目的可按下述方式實現(xiàn)，為了獲得高響應速率，利用質子注入使器件的部分電極絕緣，使得器件的電極呈現(xiàn)梳狀分布，從而減小了器件的固有電容。同時對于InP基RCE光電探測器，襯底外側設入光臺面，采用襯底入光的方式，襯底采用InP基材、GaAs基或Si基半導體材料，電極層外側設有底鏡，底鏡由蒸鍍的高反射率Si/SiO2介質膜材料DBR構成，解決了InGaAsP/InP介質膜DBR反射率低的問題。
本實用新型中器件的部分電極區(qū)經過質子注入后，其電極區(qū)呈現(xiàn)梳狀微結構。只要選擇梳狀電極的寬度與間隙的比例，就可以控制電極區(qū)的面積大小(即器件固有電容的大小)。對于目前的微細加工工藝，梳狀電極的寬度與間隙可以做的極小，此時梳狀電極的結構不會增加光生載流子在耗盡區(qū)的渡越時間。并且質子注入后的絕緣區(qū)域經過一定溫度的退火工藝，可以消除絕緣區(qū)域對光波的吸收損耗。因此在不影響光波通過的條件下，實現(xiàn)了高的耦合效率和響應速率。
電極區(qū)并不限于梳狀，也可以為網孔狀的微結構等，只要導電區(qū)域間隙較窄就不會影響光生載流子的渡越時間。并且電極的絕緣方法不限于質子(氫離子)注入，也可以采用氦離子注入等方法。所采用的材料不局限于InP基的半導體材料，對于GaAs基或Si(硅)基的RCE光電探測器同樣適用。
以下結合附圖進一步闡明本實用新型實施例。
圖1為本實用新型器件質子注入時的結構圖。
圖2為本實用新型器件的整體結構圖。
1...高能質子束流 2...掩膜層3...絕緣區(qū)域4...InGaAsP 隔離層5...InGaAs吸收層 6...InGaAsP隔離層 7...InP襯底8...InP/InGaAsP DBR頂鏡 9...p型電極層 10...n型電極層11...Si/SO2DBR底鏡 12...入射光波13...n型梳狀電極本實用新型實現(xiàn)方式本實用新型實施例器件是在InP襯底7上，依次外延生長InP/InGaAsP介質膜DBR頂鏡8、p型慘雜電極層9、InGaAsP本征隔離層6、InGaAs本征吸收層5、InGaAsP本征隔離層4以及n型慘雜電極層10，其中電極層9和10都為InGaAsP材料。在本實用新型實施例中，采用厚光刻膠作為掩膜層2，掩膜層可以覆蓋或懸浮在電極層表面，掩膜層的材料為有機聚合物、半導體或金屬；經過涂膠、預烘、光刻、堅膜后，進行質子注入，具體結構如圖1所示。其中沒有光刻膠2保護的區(qū)域由于質子注入而變?yōu)榻^緣區(qū)域3，于是在n型電極層10上形成了梳狀電極13。接著用丙酮除去表面的光刻膠，清洗、烘干，然后蒸鍍Si/SO2介質膜DBR底鏡11，具體結構如圖2所示。光波12由襯底7背入射。
對于Si/SO2介質膜DBR，其反射率容易達到接近100％的水平，滿足了RCE光電探測器結構中高反射率底鏡的要求；同時器件頂鏡的反射率并不要求很高，因此InP/InGaAsP介質膜DBR頂鏡8能夠滿足要求，該器件結構能夠獲得高的量子效率。
當光波入射時，吸收層5吸收光子所產生的光生載流子將通過吸收層5和隔離層(對于電子是隔離層4，對于空穴則是隔離層6)，從而到達兩側的電極區(qū)。由于p型電極層9與梳狀電極13之間存在內建電場，在電場力的作用下光生載流子(空穴和電子)將分別被p型電極層9和n型梳狀電極13收集。只要n型梳狀電極13的叉指間距足夠小，幾乎所有的電子都將被梳狀電極13收集。
采用目前的微加工工藝，可以實現(xiàn)極小的絕緣區(qū)域3的寬度(＜0.2μm)，不會影響光生載流子在耗盡區(qū)的渡越時間。絕緣區(qū)域3經過大約1小時300℃的退火工藝，可以消除質子注入所造成的對光波的吸收損耗。因此離子注入的方法在不影響光波吸收(即器件的量子效率)的條件下，降低了器件的固有電容，提高了器件的響應速率。
本實用新型徹底解除了RCE光電探測器的光耦合效率與響應速率相互制約的矛盾，實現(xiàn)了波長1.55μm的高速、高靈敏度的InP基諧振腔增強型(RCE)光電探測器，勢將對今后光波與光電子器件的發(fā)展產生重要而深遠的影響。以上所述乃本實用新型的具體實例及所運用的技術原理，依本實用新型的構想所做的等效變換，其所產生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應在本實用新型的范圍內，特此說明。
權利要求1.一種高速、高靈敏度的諧振腔增強型光電探測器，包括有襯底，其特征在于電極層呈現(xiàn)梳狀或網孔狀的微結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的高速、高靈敏度的諧振腔增強型光電探測器，其特征在于襯底外側設入光臺面。
3.根據(jù)權利要求2所述的高速、高靈敏度的諧振腔增強型光電探測器，其特征在于襯底采用InP基、GaAs基或Si基半導體材料。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的高速、高靈敏度的諧振腔增強型光電探測器，其特征在于電極層外側設有底鏡。
5.根據(jù)權利要求3所述的高速、高靈敏度的諧振腔增強型光電探測器，其特征在于底鏡由蒸鍍的高反射率介質膜材料的DBR構成。
6.根據(jù)權利要求1、2或3所述的高速、高靈敏度的諧振腔增強型光電探測器，其特征在于制備微結構電極時電極層表面覆蓋或懸浮一掩膜層。
7.根據(jù)權利要求5所述的高速、高靈敏度的諧振腔增強型光電探測器，其特征在于掩膜層的材料為有機聚合物、半導體或金屬。
專利摘要本實用新型涉及一種高速、高靈敏度的諧振腔增強型(RCE)光電探測器的結構。本實用新型其特征在于:它通過離子注入造成器件部分電極絕緣,使得導電區(qū)域呈現(xiàn)梳狀或網孔狀的微結構,降低了探測器的固有電容。本實用新型涉及的器件結構解除了RCE光電探測器的光耦合效率與響應速率之間互相制約的矛盾,勢將對今后光波與光電子器件的發(fā)展產生重要而深遠的影響。
文檔編號G01J1/02GK2510997SQ01275368
公開日2002年9月11日 申請日期2001年11月27日 優(yōu)先權日2001年11月27日
發(fā)明者任曉敏, 黃輝, 黃永清, 王 琦 申請人:北京郵電大學