CN105206686B - 一种消除寄生电容的光波导探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种消除寄生电容的光波导探测器，还包括波导层二、绝缘层二和n电极，波导层二为中间镂空的矩形体，波导层二的一边与波导层一和绝缘层一接触，绝缘层二为中间镂空的矩形体，绝缘层二的底部与波导层二接触，绝缘层二的四壁与波导层二的内壁接触，n电极放置在绝缘层二的中心，底部与波导层二接触。本发明的有益效果：将n电极移动到后部平台后，n电极与衬底之间不再接触，同时衬底也不需要重掺杂来提高导电性能，从而p电极与衬底之间不再产生寄生电容，使得总电容降低，从而提高光波导探测器的响应带宽。
Description
技术领域
本发明属于光电领域，特别是一种可以消除寄生电容的光波导探测器。
背景技术
大功率高速光电探测器是一种基于光与物质相互作用的探测器件，其作用是将入射光信号转换成大功率高频信号。大功率高速光探测器在光控相控阵雷达、超高速测试系统和光纤局域网通信中，是一个不可缺少的器件，其性能对整个系统起着决定性作用。
传统的垂直入射型光电探测器无法同时满足高速和大功率要求。主要原因如下：一是饱和效应，限制了光电流；二是渡越时间长，限制了响应频率；三是本征层的光吸收是指数衰减的，吸收区体积薄，总的光电流较小。
为了克服大功率和高速之间的矛盾，大功率高速光探测器采用波导结构以消除电子在耗尽层渡越时间对响应速影响，从而克服了传统光电探测器中高速响应性能和量子效率的矛盾。
波导探测器结构如图2所示，光从波导端面入射后，在波导传播的同时，耦合到吸收层被吸收，转化为电子空穴对，保证了在器件长度方向吸收更加均匀，光生载流子的渡越时间由吸收层的厚度决定，量子效率由探测器的长度决定，解决了响应效率和量子效率的矛盾。但是，探测器带宽仍然没有达到足够理想的地步，进一步提高光波导探测器的带宽仍然是目前研究的热点。
光波导探测器的带宽受多个因素的影响：载流子的渡越时间τ，器件本身的分布参数等。器件参数中的寄生电容的大小影响着光波导探测器的带宽。
现在的光波导探测器如图3所示，n电极位于衬底之上，同时与波导层接触，但是由于波导层厚度很小，导致接触面积非常小，为了增大接触面积，使更大的电流流过，所以需要对衬底进行重掺杂，使其具有良好的导电性；从而探测器的p电极和衬底之间产生寄生电容，寄生电容与结电容处于并联关系，与结电容相比，寄生电容的横截面积和距离都比较大，电容效应不能被忽略，导致总电容较大，从而限制了光波导探测器的响应带宽。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种后端建立平台，将n电极位置转移到平台上的消除寄生电容的光波导探测器。
本发明的消除寄生电容的光波导探测器，包括衬底、绝缘层一、p电极、覆盖层、吸收层和波导层一，绝缘层一放置在衬底上，波导层一的一边与绝缘层一的一边接触，同时放置在衬底上，吸收层放置在波导层一上，吸收层的一边与绝缘层一的一边接触，覆盖层放置在吸收层上，覆盖层一边与绝缘层一一边接触，同时覆盖层与绝缘层一的顶部高度一致，p电极放置在覆盖层和绝缘层一的顶上；还包括波导层二、绝缘层二和n电极，波导层二为中间镂空的矩形体，波导层二的一边与波导层一和绝缘层一接触，绝缘层二为中间镂空的矩形体，绝缘层二的底部与波导层二接触，绝缘层二的四壁与波导层二的内壁接触，n电极放置在绝缘层二的中心，底部与波导层二接触。
优选地，所述波导层二的镂空区域深度为1.5～2um。
优选地，所述p电极长宽同为500um。
优选地，所述覆盖层的厚度为0.8um。
优选地，所述波导层一和波导层二的厚度均为3um。
优选地，所述吸收层的厚度为0.1um。
优选地，所述衬底的厚度为150um。
优选地，所述波导层一的长度为500um。
优选地，所述波导层一和波导层二的波导脊宽为3um。
优选地，所述n电极为矩形体结构。
本发明的有益效果：将n电极移动到后部平台后，n电极与衬底之间不再接触，同时衬底也不需要重掺杂来提高导电性能，从而p电极与衬底之间不再产生寄生电容，使得总电容降低，从而提高光波导探测器的响应带宽。
附图说明
图1为本发明的结构图
图2为光波导探测器的原理图
图3为原有的光波导探测器结构图。
其中1、衬底；2、绝缘层一；3、p电极；4、覆盖层；5、吸收层；6、波导层一；7、波导层二；8、绝缘层二；9、n电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。
如图1所示，本发明的消除寄生电容的光波导探测器，包括衬底1、绝缘层一2、p电极3、覆盖层4、吸收层5和波导层一6，绝缘层一2放置在衬底1上，波导层一6的一边与绝缘层一2的一边接触，同时放置在衬底1上，吸收层5放置在波导层一6上，吸收层5的一边与绝缘层一2的一边接触，覆盖层4放置在吸收层5上，覆盖层4一边与绝缘层一2一边接触，同时覆盖层4与绝缘层一2的顶部高度一致，p电极3放置在覆盖层4和绝缘层一2的顶上；其特征在于：还包括波导层二7、绝缘层二8和n电极9，波导层二7为中间镂空的矩形体，波导层二7的一边与波导层一6和绝缘层一2接触，绝缘层二8为中间镂空的矩形体，绝缘层二8的底部与波导层二7接触，绝缘层二8的四壁与波导层二7的内壁接触，n电极9放置在绝缘层二8的中心，底部与波导层二7接触。所述波导层二7的镂空区域深度为1.5～2um。所述p电极3长宽同为500um。所述覆盖层4的厚度为0.8um。所述波导层一6和波导层二7的厚度均为3um。所述吸收层5的厚度为0.1um。所述衬底1的厚度为150um。所述波导层一6的长度为500um。所述波导层一6和波导层二7的波导脊宽为3um。所述n电极9为矩形体结构。
输入光入射到波导层一6的前端面，由于吸收层5置于波导层一6顶部倏逝场的位置，光在沿波导层一6传输的过程中耦合进吸收层5，入射光子将高掺杂光吸收层5的价带中的电子激发到导带，形成电子-空穴对。由于浓度差，电子空穴向吸收层5两端扩散。覆盖层4中的铟砷化镓采用p型重掺杂，空穴是多数载流子，吸引电子向上运动，同时，波导层一6中的部分区域采用n型重掺杂，电子是多数载流子，吸引空穴向下运动。在顶层设置p电极3来收集电子，通过与波导层二7接触的n电极9来收集空穴，这样就形成了光电流输出。
绝缘材料二氧化硅的相对介电常数为3.9，耗尽区材料的相对介电常数为13，真空介电常数ε为8.854187817×10-12F/m。根据电容的计算公式：
其中S为极板面积，d为极板距离，可以计算得到寄生电容C1＝2.21pF，结电容C2＝2.47pF。
所以原有的光波导探测器的总电容为C＝C1+C2＝4.68pF，本发明的消除寄生电容的光波导探测器的总电容为C′＝C2＝2.47pF。根据由RC时间常数来决定的3dB带宽计算公式：
其中R为固定常数，C为电容数值，可以计算得到本发明的消除寄生电容的光电探测器的3dB带宽提高了89％。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种消除寄生电容的光波导探测器，包括衬底(1)、绝缘层一(2)、p电极(3)、覆盖层(4)、吸收层(5)和波导层一(6)，绝缘层一(2)放置在衬底(1)上，波导层一(6)的一边与绝缘层一(2)的一边接触，同时放置在衬底(1)上，吸收层(5)放置在波导层一(6)上，吸收层(5)的一边与绝缘层一(2)的一边接触，覆盖层(4)放置在吸收层(5)上，覆盖层(4)一边与绝缘层一(2)一边接触，同时覆盖层(4)与绝缘层一(2)的顶部高度一致，p电极(3)放置在覆盖层(4)和绝缘层一(2)的顶上；其特征在于：还包括波导层二(7)、绝缘层二(8)和n电极(9)，波导层二(7)为中间镂空的矩形体，波导层二(7)的一边与波导层一(6)和绝缘层一(2)接触，绝缘层二(8)为中间镂空的矩形体，绝缘层二(8)的底部与波导层二(7)接触，绝缘层二(8)的四壁与波导层二(7)的内壁接触，n电极(9)放置在绝缘层二(8)的中心，底部与波导层二(7)接触。
2.如权利要求1所述的消除寄生电容的光波导探测器，其特征在于：所述波导层二(7)的镂空区域深度为1.5～2μm。
3.如权利要求2所述的消除寄生电容的光波导探测器，其特征在于：所述p电极(3)长宽同为500μm。
4.如权利要求3所述的消除寄生电容的光波导探测器，其特征在于：所述覆盖层(4)的厚度为0.8μm。
5.如权利要求4所述的消除寄生电容的光波导探测器，其特征在于：所述波导层一(6)的厚度为3μm。
6.如权利要求5所述的消除寄生电容的光波导探测器，其特征在于：所述吸收层(5)的厚度为0.1μm。
7.如权利要求6所述的消除寄生电容的光波导探测器，其特征在于：所述衬底(1)的厚度为150μm。
8.如权利要求7所述的消除寄生电容的光波导探测器，其特征在于：所述波导层一(6)的长度为500μm。
9.如权利要求8所述的消除寄生电容的光波导探测器，其特征在于：所述波导层一(6)和波导层二(7)的波导脊宽为3μm。
10.如权利要求9所述的消除寄生电容的光波导探测器，其特征在于：所述n电极(9)为矩形体结构。
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