CN106576001B - 一种雪崩光电二极管及光电接收机 - Google Patents

一种雪崩光电二极管及光电接收机 Download PDF

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Abstract

一种雪崩光电二极管(1)及光电接收机，涉及光电技术领域，能够在不改变APD结构的基础上，降低APD自身的暗电流，提升APD的性能。雪崩光电二极管(1)包括：雪崩光电二极管主体(10)；与雪崩光电二极管主体(10)连接的电容结构(11)，电容结构(11)接地；其中，雪崩光电二极管主体(10)的长度在10微米到70微米的范围内。光电接收机包括雪崩光电二极管(1)以及与雪崩光电二极管(1)连接的跨阻放大器(2)，其中，雪崩光电二极管(1)的电容值与跨阻放大器(2)的电容值相等。

Description

一种雪崩光电二极管及光电接收机
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种雪崩光电二极管及光电接收机。
背景技术
APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)是一种P-N结型的光检测二极管，利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度。APD以其灵敏度高，响应速度快，能与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)兼容的优势，在众多领域得到了广泛应用。然而目前的APD噪声都比较大，限制了光接收机的灵敏度。
光接收机的噪音通常由APD的体暗电流、APD的表面暗电流，以及TIA(Transimpedance Amplifer，跨阻放大器)的噪声组成，其中，对于某一个速率的TIA来说，TIA的噪声基本是固定的。那么，APD的体暗电流和APD的表面暗电流(即APD自身的暗电流)成为了影响光接收机性能的最关键的因素。APD的体暗电流与APD的电学结构设计、材料质量以及器件面积有关；APD的表面暗电流主要是指APD的表面漏电流。
现有的APD能够通过在吸收层的锗材料与衬底硅之间添加一层缓冲层，或者通过添加一层倍增层，将吸收和倍增分离来实现降低APD自身的暗电流的目的，但是现有的方法都太过依赖于工艺制造的条件。
发明内容
本发明的实施例提供一种雪崩光电二极管及光电接收机，能够在不改变APD结构的基础上，降低APD自身的暗电流，提升APD的性能。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管包括：
雪崩光电二极管主体；
与所述雪崩光电二极管主体连接的电容结构，所述电容结构接地；
其中，所述雪崩光电二极管主体的长度在10微米到70微米的范围内。
在第一种可能的实现方式中，根据第一方面，所述雪崩光电二极管主体的长度为70微米。
在第二种可能的实现方式中，根据第一方面，所述电容结构，具体包括：
与所述雪崩光电二极管主体串联的至少一个焊盘电极；或者，
与所述雪崩光电二极管主体串联的至少一个电容。
在第三种可能的实现方式中，结合第一方面或第一种可能的实现方式或第二种可能的实现方式，所述雪崩光电二极管主体，具体包括：
衬底；
设置于所述衬底上的雪崩吸收倍增层；
设置于所述雪崩吸收倍增层上的电极。
在第四种可能的实现方式中，根据第三种可能的实现方式，所述雪崩吸收倍增层，具体包括：
吸收倍增层，用于吸收光子，产生电流，并对所述电流进行倍增；或者，
吸收层，用于吸收光子，产生电流；
倍增层，用于对所述电流进行倍增。
第二方面，本发明实施例提供一种光电接收机，包括具有上述任一特征的所述雪崩光电二极管，以及与所述雪崩光电二极管连接的跨阻放大器，其中，所述雪崩光电二极管的电容值与所述跨阻放大器的电容值相等。
在第一种可能的实现方式中，根据第二方面，所述雪崩光电二极管的电容值为雪崩光电二极管主体的电容值与电容结构的电容值的和。
本发明实施例所提供的一种雪崩光电二极管及光电接收机，雪崩光电二极管包括雪崩光电二极管主体；与雪崩光电二极管主体连接的电容结构，电容结构接地；其中，雪崩光电二极管主体的长度在10微米到70微米的范围内。
基于上述实施例的描述，本发明将不改变APD结构的基础上，将雪崩光电二极管主体的长度从现有的150微米缩短到了10微米至70微米。由于雪崩光电二极管主体的长度缩短了，APD吸收区的面积也缩小了，因此降低了APD自身的暗电流。同时，由于雪崩光电二极管主体的长度缩短到了10微米至70微米，雪崩光电二极管主体的电容值降低，因此添加了与雪崩光电二极管主体连接的电容结构，以使得APD的电容值和与APD相连的跨阻放大器的电容值匹配，减小跨阻放大器和雪崩光电二极管主体之间的振荡，提升APD的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供一种雪崩光电二极管的结构示意图；
图2为本发明实施例提供一种雪崩光电二极管主体的结构示意图一；
图3为本发明实施例提供一种雪崩光电二极管主体的结构示意图二；
图4为本发明实施例提供一种雪崩光电二极管主体的结构示意图三；
图5为本发明实施例提供一种雪崩光电二极管主体的结构示意图四；
图6为本发明实施例提供一种光电接收机的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种光电接收机的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种雪崩光电二极管1，如图1所示，雪崩光电二极管1包括：
雪崩光电二极管主体10。
与雪崩光电二极管主体10连接的电容结构11，电容结构11接地。
其中，雪崩光电二极管主体10的长度在10微米到70微米的范围内。
需要说明的是，电容结构11用于减小跨阻放大器和雪崩光电二极管主体10之间的振荡。
进一步地，如图2所示，雪崩光电二极管主体10具体包括：
衬底100。
设置于衬底100上的雪崩吸收倍增层101。
设置于雪崩吸收倍增层101上的电极102。
需要说明的是，雪崩光电二极管主体10的结构并不局限于本发明实施例提供的结构，只要是能够吸收光子并产生电流，对电流进行倍增的雪崩光电二极管主体10均可，本发明不做限制。
进一步地，雪崩吸收倍增层101，具体包括：
如图3所示，雪崩吸收倍增层101包括吸收倍增层1010，用于吸收光子，产生电流，并对电流进行倍增。
或者，
如图4所示，雪崩吸收倍增层101包括吸收层1011，用于吸收光子，产生电流。
倍增层1012，用于对电流进行倍增。
需要说明的是，现有技术中为了降低APD自身的暗电流，通常会将吸收层1011和倍增层1012分离，但是本发明实施例提供的一种雪崩光电二极管所描述的雪崩吸收倍增层101可以是既能够吸收光子并产生电流的，还能够对电流进行倍增的吸收倍增层1010；也可以是能够吸收光子并产生电流的吸收层1011，与能够对电流进行倍增的倍增层1012，其中，吸收层1011设置于倍增层1012的上方。
示例性的，如图5所示，为本发明实施例提供的一种雪崩光电二极管主体10的结构示意图，采用吸收层1011和倍增层1012分离的形式。雪崩光电二极管主体10具体包括：衬底100；设置于衬底100上的倍增层1012；设置于倍增层1012上的电荷层103；设置于电荷层103上的吸收层1011；设置于吸收层1011上的接触层104；设置于接触层104和衬底100上的第一绝缘层105；设置于第一绝缘层105、基底100和接触层104上的电极102；设置于第一绝缘层105和电极102上的第二绝缘层106。
需要补充的是，倍增层1012和电荷层103的材料为硅，吸收层1011和接触层104的材料为锗，电极102的材料为钛铝合金。
还需要说明的是，由于APD的体暗电流与APD的电学结构设计、材料质量以及器件面积有关；APD的表面暗电流主要是指APD的表面漏电流，与器件的钝化工艺以及器件的周长有关。而对于APD自身的暗电流来说，APD吸收区的面积越大，APD自身的暗电流也就越大。通常的，为了保证雪崩光电二极管的光学特性，雪崩光电二极管主体10的长度在150微米左右，但是雪崩光电二极管主体10的长度在70微米是就能够完全吸收通讯波段的光了。因此，本发明实施例提供的雪崩光电二极管主体10的长度在10微米到70微米的范围内，缩短了雪崩光电二极管主体10的长度，APD吸收区的面积也相应减小，APD自身的暗电流必然会降低。
优选地，雪崩光电二极管主体的长度为70微米。对于低速率(通常指10千兆字节每秒)光电接收机来说，根据锗材料的吸收特性，雪崩光电二极管主体的长度超过为70微米，就认为通讯波段的光子已经被完全吸收了。
还需要说明的是，本发明实施例提供的一种雪崩光电二极管缩短了雪崩光电二极管主体10的长度，以降低APD自身的暗电流。但是由于雪崩光电二极管主体10的长度的缩短，雪崩光电二极管主体的电容值也降低了，因此，为了减小跨阻放大器和雪崩光电二极管10主体之间的振荡，需要添加一个电容结构11。
进一步地，电容结构11，具体包括：
与雪崩光电二极管主体10串联的至少一个焊盘电极。
或者，
与雪崩光电二极管主体串联10的至少一个电容。
为了适应各个速率的光电接收机，本发明提供的雪崩光电二极管必须能与不同速率的跨阻放大器相连接，因此，雪崩光电二极管的雪崩光电二极管主体10与电容结构11相连接，并且电容结构11的电容值可调。其中，电容结构11，具体可以包括与雪崩光电二极管主体10串联的至少一个焊盘电极，或者与雪崩光电二极管主体串联10的至少一个电容。
还需要补充的是，由于工艺的限制，本发明实施例提供的一种雪崩光电二极管的结构在实际生产应用中允许存在一定的误差。
本发明实施例所提供的一种雪崩光电二极管，雪崩光电二极管包括雪崩光电二极管主体；与雪崩光电二极管主体连接的电容结构，电容结构接地；其中，雪崩光电二极管主体的长度在10微米到70微米的范围内。
基于上述实施例的描述，本发明将不改变APD结构的基础上，将雪崩光电二极管主体的长度从现有的150微米缩短到了10微米至70微米。由于雪崩光电二极管主体的长度缩短了，APD吸收区的面积也缩小了，因此降低了APD自身的暗电流。同时，由于雪崩光电二极管主体的长度缩短到了10微米至70微米，雪崩光电二极管主体的电容值降低，因此添加了与雪崩光电二极管主体连接的电容结构，以使得APD的电容值和与APD相连的跨阻放大器的电容值匹配，减小跨阻放大器和雪崩光电二极管主体之间的振荡，提升APD的性能。
本发明实施例还提供一种光电接收机，如图6所示，包括具有实施例所述的任一雪崩光电二极管1(图中雪崩光电二极管主体以框图的形式表示)，以及与雪崩光电二极管1连接的跨阻放大器2，其中，雪崩光电二极管的电容值与跨阻放大器的电容值相等。
进一步地，雪崩光电二极管的电容值为雪崩光电二极管主体的电容值与电容结构的电容值的和。
需要说明的是，为了适应各个速率的光电接收机，本发明提供的雪崩光电二极管必须能与不同速率的跨阻放大器相连接，雪崩光电二极管的雪崩光电二极管主体与电容结构相连接，并且电容结构的电容值可调，以适应各个速率的光电接收机的跨阻放大器。同时雪崩光电二极管的电容值与跨阻放大器的电容值相匹配，以保证光电接收机的性能，其中，雪崩光电二极管的电容值为雪崩光电二极管主体的电容值与电容结构的电容值的和。
具体的，雪崩光电二极管的电容值与跨阻放大器的电容值相匹配是指雪崩光电二极管的电容值与跨阻放大器的电容值相等。但是，由于工艺的限制，本发明实施例提供的一种光电接收机的雪崩光电二极管的电容值与跨阻放大器的电容值不一定完全相等，在实际生产应用中允许存在一定的误差。
针对上述实施例的描述，本发明实施例示例性的给出了仿真结果，如图7所示。
其中，横轴表示暗电流的大小，纵轴表示光电接收机的灵敏度。
仿真结果A：使用传统的2.5千兆字节每秒的光电接收机仿真得出的暗电流-灵敏度关系图；
仿真结果B：使用本发明实施例提供的2.5千兆字节每秒的光电接收机仿真得出的暗电流-灵敏度关系图。
下面对这两种仿真分别进行说明：
仿真结果A：从图7中可以清楚地看到，使用传统的2.5千兆字节每秒的光电接收机仿真得出的暗电流为50微安，灵敏度为-33分贝毫伏。
仿真结果B：从图7中可以清楚地看到，使用本发明实施例提供的2.5千兆字节每秒的光电接收机仿真得出的暗电流为20微安，灵敏度为-34分贝毫伏。
结合上述两个仿真结果可以看出，在2.5千兆字节每秒的光电接收机中，本发明实施例提供的一种光电接收机与传统的光电接收机相比，灵敏度提升了1分贝毫伏，暗电流降低了30微安。
由此可以得出，本发明实施例提供的一种光电接收机，能够在不改变APD结构的基础上，降低APD自身的暗电流，提升APD的灵敏度，从而提升了APD的性能。
还需要补充的是，由于本发明实施例提供的一种光电接收机并未改变APD结构，只减小了雪崩光电二极管主体的长度，并在雪崩光电二极管主体和跨阻放大器之间连接了电容结构，因此本发明实施例提供的一种光电接收机与传统工艺完全兼容，在提升APD的性能的基础上节约了生产成本。
本发明实施例所提供的一种光电接收机，包括具有上述任一特征的雪崩光电二极管，以及与雪崩光电二极管连接的跨阻放大器，其中，雪崩光电二极管的电容值与跨阻放大器的电容值相等。雪崩光电二极管包括雪崩光电二极管主体；与雪崩光电二极管主体连接的电容结构，电容结构接地；其中，雪崩光电二极管主体的长度在10微米到70微米的范围内。
基于上述实施例的描述，本发明将不改变APD结构的基础上，将雪崩光电二极管主体的长度从现有的150微米缩短到了10微米至70微米。由于雪崩光电二极管主体的长度缩短了，APD吸收区的面积也缩小了，因此降低了APD自身的暗电流。同时，由于雪崩光电二极管主体的长度缩短到了10微米至70微米，雪崩光电二极管主体的电容值降低，因此添加了与雪崩光电二极管主体连接的电容结构，以使得APD的电容值和与APD相连的跨阻放大器的电容值匹配，减小跨阻放大器和雪崩光电二极管主体之间的振荡，提升APD的性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种雪崩光电二极管，其特征在于，所述雪崩光电二极管包括：
雪崩光电二极管主体；
与所述雪崩光电二极管主体连接的电容结构，所述电容结构接地；
其中，所述雪崩光电二极管主体的长度在10微米到70微米的范围内。
2.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述雪崩光电二极管主体的长度为70微米。
3.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述电容结构，具体包括：
与所述雪崩光电二极管主体串联的至少一个焊盘电极；或者，
与所述雪崩光电二极管主体串联的至少一个电容。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述雪崩光电二极管主体，具体包括：
衬底；
设置于所述衬底上的雪崩吸收倍增层；
设置于所述雪崩吸收倍增层上的电极。
5.根据权利要求4所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述雪崩吸收倍增层，具体包括：
吸收倍增层，用于吸收光子，产生电流，并对所述电流进行倍增；或者，
吸收层，用于吸收光子，产生电流；
倍增层，用于对所述电流进行倍增。
6.一种光电接收机，其特征在于，包括如权利要求1-5中任意一项所述的雪崩光电二极管，以及与所述雪崩光电二极管连接的跨阻放大器，其中，所述雪崩光电二极管的电容值与所述跨阻放大器的电容值相等。
7.根据权利要求6所述的光电接收机，其特征在于，所述雪崩光电二极管的电容值为雪崩光电二极管主体的电容值与电容结构的电容值的和。
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