CN109273552A - 一种单行载流子光电混频器及电磁波相控阵天线接收前端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单行载流子光电混频器和一种相控阵天线接收前端，所述单行载流子光电混频器从下到上依次叠加衬底、P型重掺杂下接触层、P型重掺杂电子阻挡层、光吸收层、收集层、N型重掺杂中间导电层、肖特基接触层、N型掺杂上势垒层、N型重掺杂上接触层。进一步地，所述光吸收层为渐变梯度掺杂。所述收集层与光吸收层之间还设有1层中度掺杂的InP崖层。本发明通过对材料和器件结构的设计，相较于传统的单行载流子光电二极管具备高速、大带宽的同时具有光电混频变频损耗低的优点，比光电三极管的带宽大且噪声低。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件技术领域，特别涉及一种单行载流子光电混频器及电磁波相控阵天线接收前端。
背景技术
光探测器是一种能够将光信号转换成电信号的器件，当入射光信号的光子能量大于光吸收层材料的带隙时，在光探测器中就会产生光生载流子。此时，如果在光探测器偏置电压上叠加一个交流电信号对光生载流子进行调制，可实现输入的光信号与光探测器偏置电压上叠加的交流电信号的混频。大量文献中的光电混频是利用光电探测器输出响应与偏置电压、入射光功率间的非线性关系，实现光电信号与电信号相乘，从而一步完成包括光电转换、信号变频的功能。对于传统结构的单行载流子光电二极管而言，器件线性度很高，而非线性很弱，因此光电混频的损耗很大。另外，现有的光电三极管也可实现光电混频，但电子和空穴在基区复合，由于空穴的迁移率低，因此器件的速率不高，并且电子和空穴的复合将导致低频的产生-复合噪声。
肖特基势垒二极管正向电流-电压具有非线性关系，而且由于是利用多数载流子电子的漂移，带宽相较PN结较大，常用于高速电信号的混频。针对大带宽、低变频损耗的光电混频的应用需求，本发明设计了一种含有肖特基接触结构的单行载流子光电混频器及电磁波相控阵天线接收前端。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：
为满足大带宽、低变频损耗的光电混频的应用需求，本发明提供一种单行载流子光电混频器及电磁波相控阵天线接收前端。
本发明首先提出一种单行载流子光电混频器，所述单行载流子光电混频器包括：
衬底；
位于所述衬底上表面的P型重掺杂下接触层；
位于P型重掺杂下接触层上表面的P型重掺杂电子阻挡层；
位于所述P型重掺杂下接触层上表面、同时位于所述P型重掺杂电子阻挡层两侧的下电极金属层；
位于所述P型重掺杂电子阻挡层上表面的光吸收层；
位于所述光吸收层上表面的收集层；
位于所述收集层上表面的N型重掺杂中间导电层；
位于所述N型重掺杂中间导电层上表面的肖特基接触层；
位于所述肖特基接触层上表面的N型掺杂上势垒层；
位于所述肖特基接触层上表面、同时位于所述N型掺杂上势垒层两侧的中电极金属层；
位于所述N型掺杂上势垒层上表面的N型重掺杂上接触层；
位于所述N型重掺杂上接触层上表面的上电极金属层。
如前所述的单行载流子光电混频器，进一步地：
所述衬底为InP半绝缘衬底；
所述P型重掺杂下接触层为P型重掺杂的InGaAs层；
所述P型重掺杂电子阻挡层包括P型重掺杂的InP或InGaAsP或InAlAs层，或多层它们的组合；
所述光吸收层包括P型掺杂的InGaAs或GaAsSb层；
所述收集层包括低掺杂的N型InP层；
所述N型重掺杂中间导电层为N型重掺杂InP层；
所述肖特基接触层包括非故意掺杂的InP层或InGaAs层；
所述N型掺杂上势垒层为N型掺杂InP层或InGaAsP层；
所述N型重掺杂上接触层为N型重掺杂InP层或InGaAsP层。
如前所述的单行载流子光电混频器，进一步地：所述光吸收层为渐变梯度掺杂。
如前所述的单行载流子光电混频器，进一步地：所述N型掺杂上势垒层为梯度掺杂。
如前所述的单行载流子光电混频器，进一步地：所述收集层与光吸收层之间还设有1层中度N型掺杂的InP崖层。
如前所述的单行载流子光电混频器，进一步地：所述光吸收层是与衬底平行的光波导，所述上电极或中电极为与该光波导平行的行波电极。
如前所述的单行载流子光电混频器，进一步地：所述光吸收层用于接收入射光信号；所述入射光信号的入射方向包括：从顶面或背面垂直入射；从水平方向入射；
所述上电极金属层用于加电信号；
所述中电极金属层用于输出所述光信号与所述电信号的混频信号。
如前所述的单行载流子光电混频器，进一步地：所述入射光信号包括：调制的单波长光信号；含有多个光波长的光信号，其中每个光波长的幅度或相位都可以被调制；用于混频的光本振和被调制的光信号的混合信号；以及空间不同路径的光信号经过光器件合并为同一路径的光信号，其中每个路径的光信号的幅度或相位都可以被调制；
如前所述的单行载流子光电混频器，进一步地：在光吸收层下方还设有一层光波导层，用于接收光信号入射。
本发明还提出一种基于权利要求1所述单行载流子光电混频器的电磁波相控阵天线接收前端，包括依次连接的相控阵天线、光延时网络、光电混频器、移相/延时网络和合成单元；
所述相控阵天线用于接收电信号es,i(i＝0,1,2,...N)，并传输给光电混频器；
所述光延时网络用于接收多路光本振信号Li(i＝0,1,2,...N)，并输出多路光载电信号eLO,i(i＝0,1,2,...N)进入光电混频器；
所述光延时网络Φi(i＝0,1,2,...N)接收多路光本振信号Li(i＝0,1,2,...N)，同时接受外加控制，对所述多路光本振信号的相位进行调制，用于在光域上实现对多通道光载电信号eLO,i的延时τi(i＝0,1,2,...N)；所述光延时网络的每路输出各自连接一个光电混频器，相位调制后的多路光本振信号输入各自通路的光电混频器，在所述光电混频器中光电转换成电信号em,i(i＝0,1,2,...N)，然后输出；
所述光延时网络实现原理包括电光移相、热光移相、光波导延迟原理，具体实施载体包括硅基光电子材料、MEMS器件、液晶器件、光纤；
所述光电混频器为权利要求1所述的单行载流子光电混频器，用于将所述电信号和所述光载电信号进行混频，并输出混频后的信号em,i(i＝0,1,2,...N)进入移相/延时网络；
所述移相/延时网络用于对所述混频后的信号进行移相和延时；
所述移相/延时单元用于实现光载电磁波信号的移相与延时的手段包括常规电子技术的电移相、微波光子技术的光延时；
所述合成单元用于将多路所述混频后的信号合成为一个电信号eo输出。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所述P型重掺杂电子阻挡层可以是但不限于P型重掺杂的InP或InAlAs层，此电子阻挡层仅允许光生空穴通过而限制了光生电子的通过；
本发明所述收集层可以是但不限于低掺杂的N型InP层，少量的掺杂可以利用电荷补偿效应提高光电探测器的大功率性能；
本发明所述吸收层为渐变梯度掺杂，从而在吸收层引入一个电场以加速光生载流子在吸收层中的迁移；
本发明所述N型掺杂上势垒层为梯度掺杂，从而起到调控势垒的作用；
本发明所述P型重掺杂电子阻挡层与吸收层之间可以设有2～3层InGaAsP层,所述收集层与吸收层之间可以设有2～3层InGaAsP层，从而起到平滑能带的作用，减少由于吸收层界面处能带不连续而产生的载流子堆积；
本发明所述收集层与吸收层之间可以设有1层中度掺杂的InP崖层，可以保持较高电场，防止电场坍塌。
综上，本发明提出的单行载流子光电混频器，通过对材料和器件结构的设计，相较于传统的单行载流子光电二极管具备高速、大带宽的同时具有光电混频变频损耗低的优点，比光电三极管的带宽大且噪声低。
附图说明
图1是实施例1中单行载流子光电混频器的外延层结构示意图；
图2是背面入射结构示意图；
图3是顶面入射结构示意图；
图4是水平方向入射结构示意图；
图5是光波导结构示意图；
图6是实施例2中单行载流子光电混频器的外延层结构示意图；
图7是电磁波信号变频结构示意图；
图8是电磁波相控阵天线接收前端的结构示意图；
图9是一种移相/延时结构示意图；
图10是另一种移相/延时结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
首先陈述本技术方案的工作原理。图7为利用本发明所述的单行载流子光电混频器实现电磁波信号变频的结构示意图。如图7所示，直流电源1通过Bias Tee1接通单行载流子光电混频器的上电极，直流电源2通过Bias Tee2接通单行载流子光电混频器的中电极，为单行载流子光电混频器提供合适的直流偏置工作点。
电磁波信号源产生频率为f1的电信号通过Bias Tee1加载于单行载流子光电混频器的上电极。
光本振信号可以通过但不限于光调制技术、光外差技术、锁模脉冲光谱滤波技术、锁模脉冲技术、光频率梳技术，产生本地振荡光信号。单行载流子光电混频器将光本振信号进行光电转换，产生电磁波频率为f2的本地振荡信号。
电磁波信号源输出的电信号与光本振信号在单行载流子光电混频器完成混频后通过BiasTee2输出频率为(f1±f2)的电信号，完成对电磁波信号的变频。
图8为相控阵天线接收前端的结构示意图。如图8所示，在电磁波相控阵天线接收前端中，
光本振信号Li(i＝0,1,2,...N)可以含有多个波长，每一波长可以分别被调制。不同通道的光本振信号的波长可以是等波长的光信号，亦可是不同波长的光信号。
多路光本振信号Li(i＝0,1,2,...N)进入光延时网络Φi(i＝0,1,2,...N)，通过在光延时网络上外加控制的方式改变光信号的延时，光信号经过光延时网络后进入作为核心器件的单行载流子光电混频器，转换成电本振信号eLO,i(i＝0,1,2,...N)。其中光延时网络可以通过但不限于电光移相、热光移相、光波导延迟原理实现，具体实施技术可以通过但不限于硅基光电子、MEMS器件、液晶、光纤技术。
天线接收到的电信号加载于单行载流子光电混频器的上电极(天线与单行载流子光电混频器之间也可加入低噪声放大器，用于放大天线接收到的电信号)，电磁波信号传播到Si(i＝1,2,...N)天线单元的路程比到S0天线单元有额外的传输延时Ti(i＝1,2,...N)。
天线单元i接收的电信号es,i(i＝0,1,2,...N)与经过延时的多路光载电磁波本振信号eLO,i在单行载流子光电混频器中完成混频，通过中电极输出混频后的信号em,i(i＝0,1,2,...N)。em,i经过移相延时单元后得到emp,i(i＝0,1,2,...N)，再将各路天线单元的混频移相输出emp,i通过矢量合成得到总的输出电信号eo。其中移相延时单元可以利用但不限于常规电子技术的电移相、微波光子技术的光延时实现光载波中电磁波信号的移相与延时。
以通道i为例，说明本相控阵天线各处的相位关系如下：
多路光载电磁波本振信号eLO,i：
其中，τi是该通道光载电磁波信号的延时。
加载在上电极的电信号esi：
其中，Ti是不同方向的电信号到天线单元由于路程差导致的额外延时。
混频输出信号em,i：
为了使得各通道天线接收到的电信号的电场同相叠加，对光电混频后的混频输出信号em,i进行延时。电信号到天线的Si单元由于路程差导致的额外延时为Ti，Si单元通道的混频移相输出emp,i则再少延时Ti时间。(3)式少延时Ti后变为
在实际应用中，可以使得每个通道Si的光载电磁波信号的延时τi＝Ti，则每路天线单元的混频移相输出信号为
这就使得每一天线单元经过变频后输出的电信号emp,i的相位都是相同的，从而使得不同天线单元的混频、移相后的输出电信号可以同相叠加，形成相控阵天线接收前端。
实施例1
图1是本发明具体实施例1中的单行载流子光电混频器外延层结构示意图。结合图1所示，本实施例中，单行载流子光电混频器包括：
半绝缘衬底1，为InP半绝缘衬底；
位于所述半绝缘衬底上表面的P型重掺杂下接触层2，为P型重掺杂的InGaAs层；
位于P型重掺杂下接触层上表面的P型重掺杂电子阻挡层3，为P型重掺杂的InP层；
位于所述P型重掺杂下接触层上表面、同时位于所述P型重掺杂电子阻挡层两侧的下电极金属层10；
位于所述P型重掺杂电子阻挡层上表面的光光吸收层4，为P型渐变梯度掺杂的InGaAs层；
位于所述光吸收层上表面的收集层5，为低掺杂的N型InP层；
位于所述收集层上表面的N型重掺杂中间导电层6，为InP层；
位于所述N型重掺杂中间导电层上表面的肖特基接触层7，为非故意掺杂的InP层；
位于所述肖特基接触层上表面的N型掺杂上势垒层8，为N型掺杂InGaAsP层；
位于所述肖特基接触层上表面、同时位于所述N型掺杂上势垒层两侧的中电极金属层11；
位于所述N型掺杂上势垒层上表面的N型重掺杂上接触层9，为InP或InGaAsP层；
位于所述N型重掺杂上接触层上表面的上电极金属层12。
优选的，下接触层2为P型重掺杂的InGaAs，厚度为50nm，Zn的掺杂浓度为2*1019cm-3。
优选的，电子阻挡层3为P型重掺杂的InP层2为P型重掺杂的InGaAs，厚度为100nm，Zn的掺杂浓度为2*1018cm-3。
优选的，光吸收层4为P型掺杂的InGaAs，厚度200nm，Zn的掺杂浓度为1*1018cm-3。
优选的，收集层5为InP层，厚度为300nm，Si的掺杂浓度为1*1016cm-3。
优选的，中间导电层6为InP层厚度为1000nm，Si的掺杂浓度为1*1019cm-3。
优选的，肖特基接触层7为InP层厚度为50nm，非故意掺杂。
优选的，上势垒层8为InGaAsP层厚度为50nm，Si的掺杂浓度为1*1018cm-3。
优选的，上接触层9为InP或InGaAsP层厚度为50nm，Si的掺杂浓度为1*1019cm-3。
优选的，与下接触层2连接的电极金属层10材料选用但不限于Ti/Pt/Au，与肖特基接触层11连接的电极金属层材料选用但不限于Ti/Pt/Au，与上接触层12连接的电极金属层材料选用但不限于Ti/Pt/Au。
本实施例中，光电混频器的上电极金属层加电信号，光电混频信号由中电极金属层输出。如图1所示，信号光入射方向为垂直入射；(背面入射如图2或顶面入射如图3)为例，但不限于此，也可从水平方向入射如图4或通过制备光波导形成光波导单行载流子光电混频器如图5。
实施例2
结合图6所示，单行载流子光电混频器包括：
半绝缘衬底1，为InP半绝缘衬底；
位于所述半绝缘衬底上表面的P型重掺杂下接触层2，为P型重掺杂的InGaAs；
位于P型重掺杂下接触层上表面的P型重掺杂电子阻挡层3，为P型重掺杂的InP层；
位于所述P型重掺杂下接触层上表面、同时位于所述P型重掺杂电子阻挡层两侧的下电极金属层10；
位于所述P型重掺杂电子阻挡层上表面的光吸收层4，为P型渐变梯度掺杂的InGaAs层；
位于所述光吸收层上表面的收集层5，为低掺杂的N型InP层；
位于所述收集层上表面的N型重掺杂中间导电层6，为N型重掺杂InP；
位于所述N型重掺杂中间导电层上表面的肖特基接触层7，为非故意掺杂的InP层；
位于所述肖特基接触层上表面的N型掺杂上势垒层8，为N型掺杂InP；
位于所述肖特基接触层上表面、同时位于所述N型掺杂上势垒层两侧的中电极金属层11；
位于所述N型掺杂上势垒层上表面的N型重掺杂上接触层9，为N型重掺杂InP；
位于所述N型重掺杂上接触层上表面的上电极金属层12。
进一步的，所述P型重掺杂电子阻挡层与光吸收层之间还设有2至3层InGaAsP层13,所述收集层与光吸收层之间还设有2至3层InGaAsP层14。
进一步的，所述收集层与光吸收层之间还设有1层中度掺杂的InP崖层15。
优选的，下接触层2为P型重掺杂的InGaAs，厚度为50nm，Zn的掺杂浓度为2*1019cm-3。
优选的，电子阻挡层3为P型重掺杂的InP层2为P型重掺杂的InGaAs，厚度为100nm，Zn的掺杂浓度为2*1018cm-3。
优选的，过度平滑层13InGaAsP层厚度为20nm，Zn的掺杂浓度为2*1018cm-3。
优选的，光吸收层4为P型渐变阶梯掺杂的InGaAs，从下到上依次为厚度50nm，Zn的掺杂浓度为2*1018cm-3，厚度50nm，Zn的掺杂浓度为1*1018cm-3，厚度50nm，Zn的掺杂浓度为5*1017cm-3，厚度30nm，非故意掺杂。
优选的，过度平滑层14InGaAsP层厚度为20nm，Si的掺杂浓度为1*1016cm-3。
优选的，崖层15InP层厚度为30nm，Si的掺杂浓度为3*1017cm-3。
优选的，收集层5InP层厚度为300nm，Si的掺杂浓度为1*1016cm-3。
优选的，中间导电层6InP层厚度为1000nm，Si的掺杂浓度为1*1019cm-3。
优选的，肖特基接触层7InP层厚度为50nm，非故意掺杂。
优选的，上势垒层8InP层厚度为50nm，Si的掺杂浓度为1*1018cm-3。
优选的，上接触层9InP层厚度为50nm，Si的掺杂浓度为1*1019cm-3。
优选的，与下接触层2连接的电极金属层10材料选用但不限于Ti/Pt/Au，与中间导电层6连接的电极金属层11材料选用但不限于Ti/Pt/Au，与上接触层9连接的电极金属层12材料选用但不限于Ti/Pt/Au。
光电混频器的上电极金属层加电信号，光电混频信号由中电极金属层输出。信号光入射方向尽管在实施例多以垂直入射(顶面入射或背入射)为例，但不限于此，也可从水平方向入射或通过制备光波导形成光波导单行载流子光电混频器。
实施例3
如图9中所示，虚线框内单元为延时/移相网络与合成的一种具体实现方法。光电混频后的输出信号em,i(i＝0,1,2,...N)首先经过低噪声放大器LNAi(i＝0,1,2,...N)进行放大，然后通过电移相/延时器Di(i＝0,1,2,...N)对不同通道进行延时，使得每一通道变频后输出电信号emp,i(i＝0,1,2,...N)的相位都是t时刻的，不同通道的电信号在功率合成器中同相叠加，然后将信号送入信号处理单元做进一步的信号处理。
实施例4
如图10中所示，虚线框内单元为延时/移相网络与合成的另一种具体实现方法。
光电混频后的输出信号em,i(i＝0,1,2,...N)首先经过低噪声放大器LNAi(i＝0,1,2,...N)进行放大，然后通过电滤波器i(i＝0,1,2,...N)(可以是但不限于低通、带通滤波器)进行滤波，而后由模数转换模块ADCi(i＝0,1,2,...N)进行模数转换输出数字量到数字信号处理单元，在数字域完成不同通道的移相/延时，使不同天线单元的电信号同相叠加并作进一步的信号处理。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种单行载流子光电混频器，其特征在于，所述单行载流子光电混频器包括：
衬底；
位于所述衬底上表面的P型重掺杂下接触层；
位于P型重掺杂下接触层上表面的P型重掺杂电子阻挡层；
位于所述P型重掺杂下接触层上表面、同时位于所述P型重掺杂电子阻挡层两侧的下电极金属层；
位于所述P型重掺杂电子阻挡层上表面的光吸收层；
位于所述光吸收层上表面的收集层；
位于所述收集层上表面的N型重掺杂中间导电层；
位于所述N型重掺杂中间导电层上表面的肖特基接触层；
位于所述肖特基接触层上表面的N型掺杂上势垒层；
位于所述肖特基接触层上表面、同时位于所述N型掺杂上势垒层两侧的中电极金属层；
位于所述N型掺杂上势垒层上表面的N型重掺杂上接触层；
位于所述N型重掺杂上接触层上表面的上电极金属层。
2.根据权利要求1所述的单行载流子光电混频器，其特征在于：
所述衬底为InP半绝缘衬底；
所述P型重掺杂下接触层为P型重掺杂的InGaAs层；
所述P型重掺杂电子阻挡层包括P型重掺杂的InP或InGaAsP或InAlAs层，或多层它们的组合；
所述光吸收层包括P型掺杂的InGaAs或GaAsSb层；
所述收集层包括低掺杂的N型InP层；
所述N型重掺杂中间导电层为N型重掺杂InP层；
所述肖特基接触层包括非故意掺杂的InP层或InGaAs层；
所述N型掺杂上势垒层为N型掺杂InP层或InGaAsP层；
所述N型重掺杂上接触层为N型重掺杂InP层或InGaAsP层。
3.根据权利要求1所述的单行载流子光电混频器，其特征在于：所述光吸收层为渐变梯度掺杂。
4.根据权利要求1所述的单行载流子光电混频器，其特征在于：所述N型掺杂上势垒层为梯度掺杂。
5.根据权利要求1所述的单行载流子光电混频器，其特征在于，所述收集层与光吸收层之间还设有1层中度N型掺杂的InP崖层。
6.根据权利要求1所述的单行载流子光电混频器，其特征在于，所述光吸收层是与衬底平行的光波导，所述上电极或中电极为与该光波导平行的行波电极。
7.根据权利要求1所述的单行载流子光电混频器，其特征在于，
所述光吸收层用于接收入射光信号；所述入射光信号的入射方向包括：从顶面或背面垂直入射；从水平方向入射；
所述上电极金属层用于加电信号；
所述中电极金属层用于输出所述光信号与所述电信号的混频信号。
8.根据权利要求1所述的单行载流子光电混频器，其特征在于，所述入射光信号包括：调制的单波长光信号；含有多个光波长的光信号，其中每个光波长的幅度或相位都可以被调制；用于混频的光本振和被调制的光信号的混合信号；以及空间不同路径的光信号经过光器件合并为同一路径的光信号，其中每个路径的光信号的幅度或相位都可以被调制。
9.根据权利要求1所述的单行载流子光电混频器，其特征在于，在光吸收层下方还设有一层光波导层，用于接收光信号入射。
10.一种基于权利要求1所述单行载流子光电混频器的电磁波相控阵天线接收前端，其特征在于，包括依次连接的相控阵天线、光延时网络、光电混频器、移相/延时网络和合成单元；
所述相控阵天线用于接收电信号，并传输给光电混频器；
所述光延时网络用于接收多路光本振信号，并输出多路光载电信号进入光电混频器；
所述光延时网络接收多路光本振信号，同时接受外加控制，对所述多路光本振信号的相位进行调制，用于在光域上实现对多通道光载电信号的延时；所述光延时网络的每路输出各自连接一个光电混频器，相位调制后的多路光本振信号输入各自通路的光电混频器，在所述光电混频器中光电转换成电信号，然后输出；
所述光延时网络实现原理包括电光移相、热光移相、光波导延迟原理，具体实施载体包括硅基光电子材料、MEMS器件、液晶器件、光纤；
所述光电混频器为权利要求1所述的单行载流子光电混频器，用于将所述电信号和所述光载电信号进行混频，并输出混频后的信号进入移相/延时网络；
所述移相/延时网络用于对所述混频后的信号进行移相和延时；
所述移相/延时单元用于实现光载电磁波信号的移相与延时的手段包括常规电子技术的电移相、微波光子技术的光延时；
所述合成单元用于将多路所述混频后的信号合成为一个电信号输出。
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