CN100442544C - 具有共振腔的msm型光电检测器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种MSM型光电检测器件，该器件设计为检测入射光，并且包括叠加在载体(1)上的反射装置(2)，以形成法布里珀罗型共振腔的第一反射镜，不吸收光的材料层(3)，由吸收入射光的半导体材料制成的有源层(4)，以及收集已检测信号的偏振电极网(5)。该电极网排列在有源层上，并由周期小于入射光波长的均匀间隔隔开的平行导电条构成，电极网形成共振腔的第二反射镜，该第二反射镜的光学特性由所述导电条的几何尺寸确定。确定将第一反射镜和第二反射镜隔开的距离，以获得这两个反射镜之间入射光的法布里珀罗型共振。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有共振腔的MSM型光电检测器件，该共振腔包括带电极网的反射镜。
背景技术
目前，超快光电检测器(响应时间小于1ps)是用于超高速光纤通信(100Gbit/s及更高)的一种关键元件。所要求的性能是高灵敏度，并且在1.3和1.55μm波长处的宽通带。不管光电检测器的类型(PN二极管，PIN二极管，金属-半导体-金属或MSM结构)，目标速度都需要电极之间的较短距离(小于100nm)，以及光吸收量最小。
因此，现有的光电检测器需要兼顾效率和速度。因此，在1.55μm波长处具有大约3μm特性吸收长度的固态InGaAs半导体，电荷载流子转移时间的减少与PIN二极管和MSM结构中外部量子效率的降低有直接关系。
因此，如果使用现有的光中继器，那么光通信速度的提高将需要大幅增加传输线路上中继器的数量，因此需要大幅增加传输线路的成本。
超快MSM光电检测器(几百GHz)必须具有较薄的吸收层且电极之间的间隔小于波长。
第一约束严格限制了灵敏度，如W.A.Wohlmuth等人撰写的论文“High-Speed InGaAs Metal-Semiconductor-Metal Photo-detectorswith Thin Absorption Layers(具有较薄吸收层的高速InGaAs金属-半导体-金属光电检测器)”，IEEE Photon.Tech.Lett.，Vol.9，No.5，1997年，第654至656页中所述。
第二约束也严格限制了灵敏度。该文献描述了这一约束的两个方面：第一，电极遮蔽效应，第二，导致光微弱穿透到器件中的衍射效应。关于该主题的其他信息在R.H.Yuang等人撰写的题为“High-Responsitivity InGaAs MSM Photo-Detectors withSemi-Transparent Schottky Contacts(具有半透明肖特基接触的高响应度InGaAs MSM光电检测器)”一文中给出，IEEE Photon.Tech.Lett.，Vol.7，No.11，1995年，第1333至1335页。
在两个不同的方向上进行研究以克服该困难。与共振腔相关联的PIN或肖特基光电二极管能够保持高量子效率，但是对于表面积为100μm2的器件来说，它们的截止频率限制为大约100GHz。关于这一主题的其他信息在K.Kishino等人撰写的题为“ResonantCavity-Enhanced(REC)Photo-detectors(共振腔增强(RCE)的光电检测器)”给出，IEEE J.Quantum Electron.，Vol.78，No.2，1995年，第607页至639页。
新近，已经研究出具有传播波(propagative wave)的光电检测器。不同于以前的结构，照明是横向的，换句话说，垂直于电荷载流子的位移。这些结构设计为充当光波导和TEM电波导。因此，因电容(充电时间常数RC)引起的限制被光学群(optical group)和电气群(electrical group)的速度之间的不匹配引起的限制而取代。关于这一主题的其他信息可以在K.S.Giboney等人撰写的“Traveling-WavePhoto-detectors(行波光电检测器)”一文中得到，IEEE Photon.Techn.Lett.，Vol.4，No.12，1992年，第1363至1365页。
发明内容
根据本发明，提出通过在较小有效容积(active volume)的MSM中以共振方式聚集光来克服现有技术的器件的缺点。共振是在器件底部具有高反射率的反射镜(例如布拉格反射镜)和在表面处的金属电极网之间的法布里珀罗型。该电极网的周期小于入射光的波长。电极网(法布里珀罗腔中的第二反射镜)的反射率由该网的几何参数所控制。这样制成的腔包括两个部分：薄吸收层和非吸收层，在薄吸收层中产生光载流子。电极收集的光载流子所行进的短路径可保证该器件具有极快的本征特性(响应时间小于1皮秒)，而与入射光耦合的共振则保证较高的外部量子效率(通常比目前的最佳性能高10倍)。
因此，本发明的目的是一种MSM型光电检测器件，该器件设计为检测入射光，并且包括叠加在载体(support)第一面上以形成法布里珀罗型共振腔的第一反射镜的反射装置，不吸收所述光的材料层，由吸收入射光的半导体材料制成的有源层，以及收集已检测信号的偏振电极(polarization electrode)网，该电极网排列在有源层上，电极网由周期小于入射光波长的均匀间隔隔开的平行导电条构成，电极网形成共振腔的第二反射镜，该第二反射镜的光学特性由所述导电条的几何尺寸确定，确定将第一反射镜和第二反射镜分开的距离，以获得这两个反射镜之间入射光的法布里珀罗型共振。
形成第一反射镜的反射装置由布拉格反射镜构成，例如由AlAs和AlGaAs的交替层，和GaInAsP和InP的交替层，或者AlGaInAs和AlInAs的交替层，或者AlGaAsSb和AlAsSb的交替层构成。
它们也可以由金属层构成。优选地，形成第一反射镜的金属层对入射光提供银，金或铝表面。
它们也可以由多层介电镜构成。
不吸收光的材料层可以由AlxGa1-xAs制成，有源层可以由GaAs制成。优选地，对于在大约800nm波长处的工作，x是0.35的数量级。
对于在大约1500nm波长处的工作，不吸收光的材料层也可以由AlInAs制成，有源层可以由InGaAs制成。
电极网可以形成两个叉指梳状结构。作为一种变形，电极网可以由彼此邻近且以漂移电位相连的所述导电条构成。
有利的是，导电条由银或金制成。
可以在电极网上淀积介电材料的钝化层(passive layer)，该钝化层例如是二氧化硅或氮化硅层。
可能的是，载体的第二面支撑一个电极，用以向该器件施加电场，从而通过光电效应改变共振腔的共振波长。
附图简述
在阅读完随附图给出的作为非限制性实施例的下面描述之后，将更好地理解本发明，并且本发明的其他优点和具体特点将变得更清楚，其中：
图1是根据本发明光电检测器件的部分透视和截面图；
图2和3是根据本发明的光电检测器件的叉指结构的变形的顶视图；
图4A至4F示出制造根据本发明的光电检测器件的电极网和相关的触点；
图5A至5C示出在制造根据本发明另一种光电检测器件的过程中的步骤。
发明详述
本发明提出的结构由半导体材料的薄层上排列的金属电极网组成，该半导体材料吸收待检测的光，该薄层淀积在透明层上，透明层淀积在下反射镜上。本发明首先利用通过了作为半反射镜(上反射镜)的电极网的入射波的(TE和TM偏振)部分透射，其次利用在上反射镜和下反射镜之间的共振。然后，在50nm厚的有源层中非常接近电极处吸收相当大比例的入射光。
在电极网上淀积的钝化层强制网的参数和两个反射镜间距略微改变，而不影响本发明中所用的共振的存在。
当电场垂直施加于第三电极的表面时，放置在该器件背面上的第三电极利用电光效应改变共振波长，因此提供使该光电检测器改变为该波长的装置。
图1示出根据本发明的光电检测器件的部分透视和截面图。该光电检测器件由GaAs衬底1制成。标记2表示下反射镜，在这种情况下是布拉格反射镜。该布拉格反射镜由层21和层22的交替堆叠构成，层21和层22由不吸收光且具有不同折射率的材料制成。对于GaAs衬底，布拉格反射镜可以是AlAs和AlGaAs层的交替。这些层的厚度作为将要反射的波长范围的函数来计算。层21和22可以通过在衬底1上的晶体取向附生(例如通过分子喷射的晶体取向附生)来获得。
下一个步骤是在下反射镜2上连续淀积不吸收待检测光的层3和有源层4。这些层也可以通过晶体取向附生来淀积。层3可以由AlxGa1-xAs制成，系数x最佳选择为等于0.35。然后由GaAs制成有源层4。层4支撑金、银或铝电极5的网。电极5由均匀间隔的平行条构成。对这些条的几何尺寸进行选择从而在电极网5和有源层4之间的界面形成上反射镜。
例如，对于约等于790nm的入射光波长，下反射镜和上反射镜隔开的距离可以是70nm，包括吸收层中的40nm和透明层中的30nm，电极层网的周期可以是200nm，导电条可以是100nm宽，30nm厚。
根据本发明的这种结构不同于以前提出的共振MSM结构，因为使电极互相靠拢的更近不再具有遮光的缺点，而是在控制上反射镜的反射率方面起到十分重要的作用。
如果我们考虑到用于接收到的入射光的吸收层中电磁场的电分量的强度，那么可以发现，吸收非常有助于TE偏振的载流子的收集，因为其主要在电极之间进行，因此使光载流子的收集时间最少。在TM偏振方面，电磁场位于较弱静电场区域中，不能有助于光载流子的快速收集。
电极的几何形状可以是如图2中所示的叉指型，该图是根据本发明的器件的顶视图。该电极网排列在有源层14上。电极网由电连接到公共触点35以形成第一梳的平行条15和电连接到另一公共触点45以形成第二梳的平行条25构成。两个梳互相穿插。在该例子中，电极网覆盖的表面是5μm×5μm。
图3也是顶视图，其中在图2中显示的器件用标记10来表示。该器件制造在由标记11表示的衬底上。触点35和45清晰可见。金属条(图2中的标记15和25)没有示出。
图3显示出分别与触点35和45连接并淀积在衬底11上的导电通道(track)36和46。衬底11还支撑围绕光电检测器件10以及导电通道36和46的涂敷金属12和13。首先由金属通道12，13和46构成，其次由金属通道12，13和36构成的组件形成共面线，该共面线具有关于所产生的光电流信号的传播的受控阻抗。
电极还可以由具有漂移电位的临近导电条构成，如文件FR-A-2803 950中所述。
图4A至4F示出制造根据本发明光电检测器件的带有相关触点的电极网。这些图如图1一样示出横截面视图。
图4A示出顺序支撑下反射镜52，非吸收层53和有源层54的衬底51。如果该衬底由GaAs制成，那么下反射镜可以是由AlAs和AlGaAs层(8或16个层对)交替叠加构成的布拉格反射镜，非吸收层是一层AlxGa1-xAs，有源层是一层GaAs。在有源层54上淀积由聚甲基丙烯酸甲酯PMMA制成且厚度为100nm的层60。通过电子蚀刻技术在层60中形成多个开口，直到到达有源层54，以便制造电极网。因此，这些开口可以是100nm宽。
然后在蚀刻的PMMA层上淀积厚度为30nm的银层或金层。在图4B中，该银层或金层用标记61来表示。银层或金层支撑在剩余的层60和由蚀刻而暴露的有源层54的多个部分上。
下一个步骤是通过PMMA溶解在三氯乙烯中而进行的“剥离”操作。得到的结果在图4C中示出。有源层54支撑用总标记62表示的电极网。
然后在支撑电极网62的有源层54上淀积树脂层70。之后光学蚀刻工艺蚀刻树脂层70，以便在为了与电极相关联的触点而设的位置处露出有源层54。这在图4D中示出。
下一个步骤在图4E中说明，该图示出层71，该层由与电极网相同的金属、或另一种金属制成，淀积在剩余的树脂层70以及通过蚀刻暴露的有源层54的多个部分上。层71比层61厚(参见图4B)。
下一个步骤是进行另一个“剥离”操作，以获得图4F中所示的结构。标记72表示与电极网62相关联的触点。
图5A至5C示出在制造根据本发明另一种光电检测器件的过程中的步骤。在这种变形中，下反射镜由金属层构成。这些图如图1一样显示横截面视图。
图5A示出半导体衬底80，该衬底依次支撑停止层(stop layer)85，有源层84，非吸收层83和设计为形成下反射镜的金属层82。如果衬底80由GaAs制成，那么停止层85可以由GaInP制成，有源层84可以是GaAs，非吸收层83可以是AlxGa1-xAs。金属层82可以是邻近非吸收层83的一个双层，其中包括由银制成的第一底层。该金属层还包括第二底层，该底层用于随后的铜焊，并且例如可以由金和锗合金构成。下反射镜还可以是多层介电镜。
图5B示出固定到载体81的以前的结构。通过焊接金属层82和淀积在载体81上的焊料层86可成一体(solidarization)。载体81可由与所用方法相适应的任何材料制成。
然后通过机械，机械化学和化学抛光除去衬底80，直到到达停止层85。接着通过选择性的化学侵蚀除去停止层85本身，以暴露有源层84，如图5C所示。
该方法的其余步骤，即为了获得电极网及其相关触点的步骤，已经结合图4A至4F进行了描述。
本发明提出的新型MSM结构包括在布拉格反射镜和由金制成的金属“亚波长(sub-wavelength)”网之间的共振腔，提供了在电极之间的间隔小于100nm的40nm厚有源层中吸收大于50％入射光(对于0.8μm波长)的装置。因此，效率比通过吸收层的单一通道所获得的效率大25倍。该效率可通过利用银网，通过提高布拉格反射镜的反射率和增加吸收层的厚度而明显提高。
在具有TE偏振的实验装置上获得的外部量子效率在40nm厚的层中为15％。防止达到高于50％的效率并没有明显的技术困难。
本发明还可用于利用共振腔的任何类型的光电检测器。金属电极网既可用作腔的反射镜，又可用作使该检测器电偏振的装置。例如，该器件可以是PIN型连接器，该连接器由形成PIN结并结合本征区(区域I)的p型和n型半导体层的叠层构成，该叠层放置在共振腔中，例如由布拉格反射镜和具有金属电极网的反射镜构成，该网也可以用于该结的p层或n层之一的偏振。该器件还可以是肖特基型检测器，由放置在布拉格反射镜和金属电极网之间的非吸收半导体层构成，该金属电极网作为腔的反射镜，电偏振电极和吸收区。
Claims (15)
1.一种MSM型光电检测器件，该器件设计为检测入射光，并且包括叠加在载体(1，51，81)的第一面上的反射装置(2，52，82)，以形成法布里珀罗型共振腔的第一反射镜，不吸收所述光的材料层(3，53，83)，由吸收入射光的半导体材料制成的有源层(4，54，84)，以及收集已检测信号的偏振电极网，该电极网(5，62)排列在该有源层上，该电极网由周期小于该入射光波长的以均匀间隔隔开的平行导电条构成，该电极网(5，62)形成该共振腔的第二反射镜，其特征在于待检测的光通过该电极网(5，62)入射到该器件，该第二反射镜的光学特性由所述导电条的几何尺寸确定，确定将该第一反射镜和该第二反射镜隔开的距离，以获得这两个反射镜之间入射光的法布里珀罗型共振。
2.根据权利要求1所述的光电检测器件，其特征在于形成第一反射镜的该反射装置由布拉格反射镜(2，52)构成。
3.根据权利要求2所述的光电检测器件，其特征在于该布拉格反射镜(2，52)由AlAs和AlGaAs的交替层，和GaInAsP和InP的交替层，或者AlGaInAs和AlInAs的交替层，或者AlGaAsSb和AlAsSb的交替层构成。
4.根据权利要求1所述的光电检测器件，其特征在于形成第一反射镜的该反射装置由金属层(82)构成。
5.根据权利要求4所述的光电检测器件，其特征在于形成该第一反射镜的该金属层(82)对入射光设置有银，金或铝表面。
6.根据权利要求1所述的光电检测器件，其特征在于形成第一反射镜的该反射装置由多层介电镜构成。
7.根据权利要求1所述的光电检测器件，其特征在于不吸收光的该材料层(3，53，83)由AlxGa1-xAs制成，且该有源层(4，54，84)由GaAs制成。
8.根据权利要求7所述的光电检测器件，其特征在于x是0.35。
9.根据权利要求1所述的光电检测器件，其特征在于不吸收光的材料的该层(3，53，83)由AlInAs制成，且该有源层(4，54，84)由InGaAs制成。
10.根据权利要求1所述的光电检测器件，其特征在于该电极网(5，62)形成两个叉指梳状结构。
11.根据权利要求1所述的光电检测器件，其特征在于该电极网(5，62)由彼此邻近且以漂移电位相连的所述导电条构成。
12.根据权利要求1所述的光电检测器件，其特征在于该导电条由银或金或铝制成。
13.根据权利要求1所述的光电检测器件，其特征在于在该电极网上淀积介电材料的钝化层。
14.根据权利要求13所述的光电检测器件，其特征在于该钝化层由二氧化硅或氮化硅制成。
15.根据权利要求1所述的光电检测器件，其特征在于该载体的第二面支撑一个电极，用以向该器件施加电场，从而通过光电效应改变该共振腔的共振波长。
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