CN101916792B - 具有低暗电流特性的谐振腔增强型光电探测器 - Google Patents

具有低暗电流特性的谐振腔增强型光电探测器 Download PDF

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Abstract

一种具有低暗电流特性的谐振腔增强型光电探测器，包括：一砷化镓衬底；一砷化镓缓冲层生长在砷化镓衬底上；一谐振腔结构生长在砷化镓缓冲层上；一有源区生长在腔体下砷化镓层上，包括交替生长的铟镓砷量子点和砷化镓间隔层；一腔体中砷化镓层生长在有源区上；一势垒结构生长在腔体中砷化镓层上，包括依次生长的下铝镓砷层、砷化铝层、上铝镓砷层以及铝镓砷渐变层，其中下铝镓砷层和上铝镓砷层的组成成份都为Al0.45Ga0.55As，铝镓砷渐变层的组成成份为AlXGa1-XAs，沿着生长方向，X由0.45渐变至0；一腔体上砷化镓层生长在势垒结构上；一上反射镜生长在腔体上砷化镓层上，包括依次生长的上反射镜砷化铝层和上反射镜砷化镓层。

Description

具有低暗电流特性的谐振腔增强型光电探测器
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，尤其是谐振腔增强型光电探测器技术领域。
背景技术
进入二十一世界以来，人们对数据业务要求的爆炸式增长推动了光纤通讯系统的飞速发展。但光纤通信系统的发展决定于光纤通信器件的发展，某些器件的进步可能带来光纤通信革命性的变化。现在商用光纤通信系统的速率已从20年前的45Mb/s，增加了200多倍。目前10Gb/s系统已经大批量装备网络，诸多公司部署测试100Gb/s光网路，IP的爆炸式发展所带来的对带宽的巨大需求，必然要使人们更充分地利用光纤丰富的带宽资源，继续成倍地提升系统的速率。
高速大容量的光纤通信系统考察光接收器件是否适用的主要指标有：响应度(即量子效率)，响应速度(即3dB响应带宽)，响应波长范围，是否易于光电集成，工艺难度等。普通的光电探测器和雪崩二极管对数据信号速率10Gb/s的响应没有问题，但是要继续提高响应速率将会遇到困难。这是由于普通光电探测器的响应速度与吸收层的厚度呈反比，而量子效率却和吸收层厚度呈正比。要获得更大的响应速度，需要减小吸收层厚度，这会导致量子效率的下降。因此响应速度和量子效率这两个重要性能参数之间有相互制约的关系。虽然带宽超过200GHz的光电探测器也已研制成功，但其带宽效率乘积仍然受材料特性的限制。
谐振腔增强型结构光电探测器，依靠有源器件结构内部的法布里-泊罗谐振腔，可以极大的增强腔内光场的强度，使器件的量子效率在谐振波长位置得到很大的增强，从而使器件可以在较薄的吸收层情况下在谐振波长处获得高量子效率，带宽效率乘积惊人地得到改善。
在目前已经研制成功以及投入实际应用的谐振腔增强型光电探测器中，普遍采用较厚的吸收层来获得较高的量子效率，但是这样的设计不仅影响了响应速度的提高，而且使得探测器普遍具有很高的暗电流，而暗电流太高将会影响探测器的使用稳定性和使用寿命。所以，当前的谐振腔增强型光电探测器在高量子效率与低暗电流特性两个方面形成相互制约。
本发明通过在谐振腔增强型光电探测器中引入一组势垒结构并且设计适当厚度的吸收层厚度，得到一种具备超低暗电流并且具有高量子效率的谐振腔增强型光电探测器，这种探测器结构能够在非常低的暗电流水平保持很高的量子效率，从而实现探测器长时间平稳高效地运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有低暗电流特性的谐振腔增强型光电探测器结构，运用这种器件结构，能够实现低暗电流水平下的高量子效率探测。
本发明提供一种具有低暗电流特性的谐振腔增强型光电探测器结构，为表示方便，砷化镓用相应化学式GaAs表示，砷化铝用相应化学式AlAs表示，铟镓砷用相应化学式InGaAs表示，铝镓砷根据组分的不同分别用Al0.45Ga0.55As和AlXGa1-XAs表示，器件结构包括：
一砷化镓衬底；
一砷化镓缓冲层，该砷化镓缓冲层生长在砷化镓衬底上；
一谐振腔结构，该谐振腔结构生长在砷化镓缓冲层上；
其中谐振腔结构进一步还包括如下结构：
一下反射镜，该下反射镜生长在砷化镓缓冲层上，包括交替生长的下反射镜砷化镓层和下反射镜砷化铝层；
一腔体下砷化镓层，该腔体下砷化镓层生长在下反射镜上；
一有源区，该有源区生长在腔体下砷化镓层上，包括交替生长的铟镓砷量子点和砷化镓间隔层；
一腔体中砷化镓层，该腔体中砷化镓层生长在有源区上；
一势垒结构，该势垒结构生长在腔体中砷化镓层上，包括依次生长的下铝镓砷层、砷化铝层、上铝镓砷层以及铝镓砷渐变层，其中下铝镓砷层和上铝镓砷层的组成成份都为Al0.45Ga0.55As，铝镓砷渐变层的组成成份为AlXGa1-XAs，沿着生长方向，X由0.45渐变至0；
一腔体上砷化镓层，该腔体上砷化镓层生长在势垒结构上；
一上反射镜，该上反射镜生长在腔体上砷化镓层上，包括依次生长的上反射镜砷化铝层和上反射镜砷化镓层；
在上述结构中，下反射镜包括33对交替生长的下反射镜砷化镓层和下反射镜砷化铝层，上反射镜包括3对交替生长的上反射镜砷化铝层和上反射镜砷化镓层，有源区包括13对交替生长的铟镓砷量子点和砷化镓间隔层。
其中下反射镜包括33对交替生长的下反射镜砷化镓层和下反射镜砷化铝层，上反射镜包括3对交替生长的上反射镜砷化铝层和上反射镜砷化镓层。
其中有源区包括13对交替生长的铟镓砷量子点和砷化镓间隔层。
其中有源区中的铟镓砷量子点的生长厚度为5个单分子层。
其中有源区中的砷化镓间隔层的生长厚度为20nm。
势垒结构中依次生长的下铝镓砷层、砷化铝层、上铝镓砷层以及铝镓砷渐变层的生长厚度依次为15nm、10nm、10nm以及90nm。
其下反射镜中的下反射镜砷化镓层和上反射镜中的上反射镜砷化镓层的生长厚度都为76nm，其下反射镜中的下反射镜砷化铝层和上反射镜中的上反射镜砷化铝层的生长厚度都为92nm。
本发明通过在谐振腔增强型光电探测器中引入一组势垒结构并且设计适当厚度的有源区，得到一种具备超低暗电流并且具有高量子效率的谐振腔增强型光电探测器，下面的实施例将结合实验数据给出详细的说明。
附图说明
为使审查员对本发明的目的、特征及功效能够有更进一步的了解与认识，以下请配合附图列举实施例，详述说明如后，其中：
图1为本发明器件的结构图；
图2为本发明实施例的结构图；
图3为本发明实施例的IV测试图。
具体实施例
如图1及图2所示，为本发明的一个具体实施例，整个器件结构包括：
一砷化镓衬底10；
一砷化镓缓冲层20，生长厚度为1000nm，该砷化镓缓冲层20生长在砷化镓衬底10上；
一谐振腔结构30，该谐振腔结构30生长在砷化镓缓冲层20上；
其中谐振腔结构30进一步还包括如下结构：
一下反射镜31，该下反射镜31生长在砷化镓缓冲层20上，包括交替生长的下反射镜砷化镓层311和下反射镜砷化铝层312，生长厚度分别为76nm和92nm；
一腔体下砷化镓层32，生长厚度为570nm，该腔体下砷化镓层32生长在下反射镜31上；
一有源区33，该有源区33生长在腔体下砷化镓层32上，包括交替生长的铟镓砷量子点331和砷化镓间隔层332，其中每个砷化镓间隔层332的生长厚度为20nm，铟镓砷量子点331的生长厚度为6个单分子层(Monolayer，简称ML)；
一腔体中砷化镓层34，生长厚度为90nm，该腔体中砷化镓层34生长在有源区33上；
一势垒结构35，该势垒结构35生长在腔体中砷化镓层34上，包括依次生长的生长厚度为15nm的下铝镓砷层351、生长厚度为10nm的砷化铝层352、生长厚度为10nm的上铝镓砷层353以及生长厚度为90nm的铝镓砷渐变层354，其中下铝镓砷层351和上铝镓砷层353的组成成份都为Al0.45Ga0.55As，铝镓砷渐变层354的组成成份为AlXGa1-XAs，沿着生长方向，X由0.45渐变至0；
一腔体上砷化镓层36，生长厚度为20nm，该腔体上砷化镓层36生长在势垒结构35上；
一上反射镜37，该上反射镜37生长在腔体上砷化镓层36上，包括依次生长的上反射镜砷化铝层371和上反射镜砷化镓层372，生长厚度分别为92nm和76nm；
在上述结构中，下反射镜31包括33对交替生长的下反射镜砷化镓层311和下反射镜砷化铝层312，上反射镜37包括3对交替生长的上反射镜砷化铝层371和上反射镜砷化镓层372，有源区33包括13对交替生长的铟镓砷量子点331和砷化镓间隔层332。
图3是上述实施例器件结构测试得到的IV曲线，其中实线表示有光照时测试得到的总电流随着偏压的变化，虚线表示没有光照时测试得到的暗电流随着偏压的变化。这里光照测试采用的入射光波长选择在腔模波长1036nm，利用光功率计测得的入射光功率为28nW。从图3虚线表示的暗电流特性曲线可以看出，在负偏压加至-17V以前，暗电流一直保持非常低的水平，大小在10-10A的量级；在负偏压加至-17V以上时，暗电流才开始急剧增大，在现有的谐振腔增强型光电探测器技术中很难实现这种暗电流水平。为了进一步得到本实施例谐振腔增强型光电探测器的量子效率，我们取偏压为-17V作为工作偏压，在IV测试曲线中，将偏压为-17V时的光照总电流减去偏压为-17V时的暗电流，就可以得到由入射光产生的光电流，大小为19nA。用光电流除以入射光功率，便可以得到本实施例谐振腔增强型光电探测器的光电响应为0.68A/W。为了计算本实施例谐振腔增强型光电探测器的量子效率，可以通过如下公式得到：
量子效率＝光电响应(A/W)*1.24/入射光波长(微米)
代入相应数据我们得到本实施例谐振腔增强型光电探测器的量子效率＝0.68*1.24/1.036＝81％，81％这样的高量子效率已经达到了谐振腔增强型光电探测器量子效率的最高水平。
通过以上实施例的介绍，本发明一种具有低暗电流特性的谐振腔增强型光电探测器，通过在谐振腔增强型光电探测器中引入一组势垒结构35并且设计适当厚度的有源区33，得到一种具备超低暗电流并且具有高量子效率的谐振腔增强型光电探测器，在负向偏压加至-17V以前，暗电流一直保持了10-10A量级的超低暗电流水平，而且在工作偏压-17V处，测得探测器的量子效率为81％，达到了谐振腔增强型光电探测器量子效率的最高水平，这样可以保证本发明的谐振腔增强型光电探测器能够在超低暗电流水平下保持稳定高效地工作，为谐振腔增强型光电探测器在光电通信领域的应用开拓更广泛的空间。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求范围所界定的为准。

Claims (7)

1.一种具有低暗电流特性的谐振腔增强型光电探测器，包括：
一砷化镓衬底；
一砷化镓缓冲层，该砷化镓缓冲层生长在砷化镓衬底上；
一谐振腔结构，该谐振腔结构生长在砷化镓缓冲层上；
其中谐振腔结构进一步还包括如下结构：
一下反射镜，该下反射镜生长在砷化镓缓冲层上，包括交替生长的下反射镜砷化镓层和下反射镜砷化铝层；
一腔体下砷化镓层，该腔体下砷化镓层生长在下反射镜上；
一有源区，该有源区生长在腔体下砷化镓层上，包括交替生长的铟镓砷量子点和砷化镓间隔层；
一腔体中砷化镓层，该腔体中砷化镓层生长在有源区上；
一势垒结构，该势垒结构生长在腔体中砷化镓层上，包括依次生长的下铝镓砷层、砷化铝层、上铝镓砷层以及铝镓砷渐变层，其中下铝镓砷层和上铝镓砷层的组成成份都为Al0.45Ga0.55As，铝镓砷渐变层的组成成份为AlXGa1-XAs，沿着生长方向，X由0.45渐变至0；
一腔体上砷化镓层，该腔体上砷化镓层生长在势垒结构上；
一上反射镜，该上反射镜生长在腔体上砷化镓层上，包括依次生长的上反射镜砷化铝层和上反射镜砷化镓层。
2.根据权利要求1所述的具有低暗电流特性的谐振腔增强型光电探测器，其中下反射镜包括33对交替生长的下反射镜砷化镓层和下反射镜砷化铝层，上反射镜包括3对交替生长的上反射镜砷化铝层和上反射镜砷化镓层。
3.根据权利要求1所述的具有低暗电流特性的谐振腔增强型光电探测器，其中有源区包括13对交替生长的铟镓砷量子点和砷化镓间隔层。
4.根据权利要求1-3任一项所述的具有低暗电流特性的谐振腔增强型光电探测器，其中有源区中的铟镓砷量子点的生长厚度为5个单分子层。
5.根据权利要求1-3任一项所述的具有低暗电流特性的谐振腔增强型光电探测器，其中有源区中的砷化镓间隔层的生长厚度为20nm。
6.根据权利要求1-3任一项所述的具有低暗电流特性的谐振腔增强型光电探测器，势垒结构中依次生长的下铝镓砷层、砷化铝层、上铝镓砷层以及铝镓砷渐变层的生长厚度依次为15nm、10nm、10nm以及90nm。
7.根据权利要求1-3任一项所述的具有低暗电流特性的谐振腔增强型光电探测器，其下反射镜中的下反射镜砷化镓层和上反射镜中的上反射镜砷化镓层的生长厚度都为76nm，其下反射镜中的下反射镜砷化铝层和上反射镜中的上反射镜砷化铝层的生长厚度都为92nm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9716196B2 (en) * 2011-02-09 2017-07-25 Alta Devices, Inc. Self-bypass diode function for gallium arsenide photovoltaic devices
US11121272B2 (en) 2011-02-09 2021-09-14 Utica Leaseco, Llc Self-bypass diode function for gallium arsenide photovoltaic devices
CN104821313B (zh) * 2015-03-11 2017-12-15 北京工业大学 GaAs基HBT和长波长谐振腔单片集成光探测器
CN104795409B (zh) * 2015-03-11 2018-10-12 北京工业大学 GaAs基PHEMT和长波长谐振腔单片集成光探测器
TWI661571B (zh) * 2018-07-06 2019-06-01 王俊凱 砷化鎵之帶通型紅光與紅外光檢測器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5389797A (en) * 1993-02-24 1995-02-14 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Department Of Energy Photodetector with absorbing region having resonant periodic absorption between reflectors
JP2000124551A (ja) * 1997-06-06 2000-04-28 Lucent Technol Inc 非縮退４波混合装置
EP1498960A2 (en) * 2003-07-16 2005-01-19 TriQuint Semiconductor, Inc. Increased responsivity photodetector
CN1672267A (zh) * 2002-07-25 2005-09-21 国立科学研究中心 具有包括带金属电极网的反射镜的共振腔的msm型光电检测器件

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5389797A (en) * 1993-02-24 1995-02-14 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Department Of Energy Photodetector with absorbing region having resonant periodic absorption between reflectors
JP2000124551A (ja) * 1997-06-06 2000-04-28 Lucent Technol Inc 非縮退４波混合装置
CN1672267A (zh) * 2002-07-25 2005-09-21 国立科学研究中心 具有包括带金属电极网的反射镜的共振腔的msm型光电检测器件
EP1498960A2 (en) * 2003-07-16 2005-01-19 TriQuint Semiconductor, Inc. Increased responsivity photodetector

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
0.Baklenov等.Multi-stacked quantum dot resonant-cavity photodetector operating at 1.06 μm.《ELECTRONICS LETTERS》.1998,第34卷(第7期),694-695. *
X.M.Sun等.High responsivity resonant-cavity-enhanced InGaAs/GaAs quantum-dot photodetector for wavelength of ~1 μm at room temperature.《ELECTRONICS LETTERS》.2009,第45卷(第6期),329-331. *

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