CN110875403A - 通用宽带光检测器设计和制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及通用宽带光检测器设计和制造方法。一种宽光谱带宽光检测器，该检测器设计用于在不同的航空电子网络和传感器中使用的所有类型的光纤，以及用于制造这种光检测器的方法。提供了肖特基势垒光检测器，该检测器包括锗，其对在紫外至近红外范围(220至1600nm)内的光具有宽的光谱响应。提供具有宽光谱响应的光检测器避免了在具有不同光纤网络和传感器的航空电子平台中使用多种不同类型的光检测器和接收器。

Description

通用宽带光检测器设计和制造方法
技术领域
本文所公开的技术一般涉及能够实现电气部件之间的通信的光纤网络。相比铜网络，光纤网络具有更高的速度、更低的重量和抗电磁干扰性的优点。许多型号的商用飞机都具有光纤网络，以便减小尺寸、重量和功率。
背景技术
使用塑料光纤(POF)的光网络在重量、尺寸、带宽、功率和抗电磁干扰性上具有优于铜线的优势。塑料光纤在易于处理、安装和维护上具有优于玻璃光纤(GOF)的优点。使用POF可以产生显著的重量减轻。重量减轻对于交通工具比如飞机上的网络可能是重要的，其中重量减轻可以导致减少的燃料消耗和降低的排放。
在POF网络可完全取代GOF网络之前，使用GOF网络的传统航空电子系统也将用于许多旧型号的和新型号的商用飞机中。玻璃光纤在1550nm的波长处具有最低损耗。玻璃光纤在1300nm处还具有最低色散。因为广泛可用的、成熟的且低成本的垂直腔面发射激光发射器在850nm波长下操作，所以短距离多模式玻璃光纤网络也使用850nm波长。因此，一些传统的航空电子GOF网络在850nm、1300nm和1550nm下操作。这些传统的GOF网络将与许多飞机系统中的POF网络共存。
现有的解决方案是针对不同的光纤网络或传感器使用不同的光检测器。例如，对于使用由聚(甲基丙烯酸甲酯)制成的POF的低数据速率POF网络(例如，控制器区域网络(CAN)总线)，使用硅光检测器用于在可见波长范围(450、550和650nm)内的接收器操作。对于高速千兆位POF网络(例如，ARINC 664，千兆位以太网)，使用InGaAs光检测器用于在1200至1550nm波长范围的接收器操作。对于GOF网络，GaAs光检测器用于850nm的波长，和InGaAs光检测器用于1300nm或1550nm的波长网络。上述解决方案的缺点是多方面的。
第一，在具有不同的光纤网络和传感器的飞机系统中，需要不同的接收器。多个接收器的部件的供应、存储和安装增加了飞机航空电子系统的生产成本。
第二，目前没有满足未来商用飞机航空电子系统中所有光纤(POF和GOF)网络的宽光谱范围和高量子效率要求的具有宽带光谱特性的商用现货(COTS)光检测器。例如，一些COTS接收器具有光检测器尺寸，该检测器尺寸没有优化以与大直径POF连接。结果，具有不匹配的光检测器尺寸的POF网络具有较低的接收器灵敏度，这反过来提供了较低的光学链路余量和较短的链路距离。
第三，一些COTS POF接收器具有光检测器结构，这使得接收器产生低于期望的光功率电平的额外的光脉冲。这个问题在本文中称为“任意脉冲现象”(APP)。由于APP问题，光纤网络的动态范围减小。
发明内容
设计以下一些细节中公开的技术旨在减轻上述问题。以下特别详细地公开了用于不同航空电子网络和传感器的所有光纤类型的非常宽的光谱带宽光检测器设计和制造方法。本文提出的解决方案提供了一种包括锗的肖特基势垒光检测器(下文中称为“锗肖特基势垒光检测器”)，该检测器对紫外至近红外范围(220至1600nm)内的光具有宽的光谱响应。提供具有宽光谱响应的光检测器避免了在具有不同光纤网络和传感器的航空电子平台中使用多种不同类型的光检测器和接收器。
锗具有覆盖220至1600nm的波长范围的宽的光谱响应。该光谱范围跨越所有类型的POF和GOF网络或传感器的所有最低损耗波长，包括低数据速率POF、GbPOF、单模GOF和多模GOF网络。另外，本文公开的锗肖特基势垒光检测器的结构被设计为使光检测器的量子效率最大化。根据一些实施例的肖特基势垒光检测器结构还包括厚的有源层和优化的光检测器尺寸和耗尽宽度，以消除在一些COTS接收器中由光检测器产生的APP问题。与硅和InGaAs光检测器相比，本文所公开的肖特基势垒光检测器具有低制造成本。
根据一些实施方式，锗肖特基势垒光检测器被设计为具有以下特征：(a)金属层厚度和外延层厚度，其被优化用于不同类型的光纤网络和传感器；(b)外延层中的低背景掺杂浓度；(c)所有航空电子光纤网络的优化检测区域；(d)具有介电钝化层以减少暗电流的台面结构，暗电流是光纤接收器中散粒噪声的主要来源。通过降低散粒噪声，增强了接收器灵敏度。锗肖特基势垒光检测器也可用于非航空航天电信网络。
尽管以下特别详细地将描述锗肖特基势垒光检测器和制造这种光检测器的方法的各种实施方式，但是这些实施方式中的一个或多个可以通过以下方面中的一个或多个来表征。
以下详细公开的主题的一个方面是光检测器，该检测器包括：由掺杂锗制成的衬底；由在衬底顶部上生长的掺杂外延锗制成的台面结构，其中掺杂外延锗的掺杂密度小于掺杂锗的掺杂密度；由沉积在台面结构的顶部上的金属制成的金属膜；由沉积在台面结构的顶部上并与膜接触的金属制成的金属垫；由沉积在衬底底部上的金属制成的欧姆接触层；沉积在膜上的抗反射涂层；和覆盖台面结构的暴露表面的介电钝化层。金属膜和金属垫由选自金、银、铝、铜和铟的金属制成。金属膜和台面结构配置为形成在台面结构中并与金属膜相邻的耗尽区。在光子撞击金属膜期间，当通过电压源施加适当的反向偏置电压时，穿透外延层的所有光子在耗尽区内部被吸收。
以下详细公开的主题的另一方面是光纤器件，该光纤器件包括：具有末端的光纤；金属壳体，该金属壳体包括底座、连接至底座的透镜罩和安装在透镜罩顶部的开口中的玻璃球透镜；和设置在金属壳体内部的光检测器，光检测器包括由掺杂锗制成的衬底，由在衬底顶部上生长的掺杂外延锗制成的台面结构，掺杂外延锗的掺杂密度小于掺杂锗衬底的掺杂密度，由沉积在台面结构的顶部上的金属制成的金属膜，由沉积在台面结构的顶部上并与膜接触的金属制成的金属垫，和由沉积在衬底底部上的金属制成的欧姆接触层。光纤、玻璃球透镜和金属膜是对准的。
以下详细公开的主题的进一步方面是用于制造光检测器的方法，该方法包括：抛光和研磨(lap)掺杂锗晶片直到形成具有在100至150微米的范围内的厚度的锗衬底；使掺杂锗外延层在锗衬底顶部上生长约15微米厚；将欧姆接触金属层沉积在锗衬底底部上；将金属膜和金属垫沉积在锗外延层顶部上使得金属垫与金属膜接触；通过去除一些锗外延层形成台面结构；将介电钝化层沉积在台面结构的暴露表面上；和将抗反射涂层沉积在金属膜的顶部上。
下面公开了锗肖特基势垒光检测器和制造这种光检测器的方法的其他方面。
附图说明
在前述部分中讨论的特征、功能和优势可以在各种实施方式中独立地实现，或者可以在又其他实施方式中组合实现。为了说明上述和其他方面的目的，将在下文中参考附图描述各种实施方式。在该部分中简要描述的图均未按比例绘制。
图1是显示低数据速率POF、GbPOF和GOF的衰减与波长的关系图。
图2是显示不同半导体材料的吸收系数与波长的关系图。
图3是显示根据一个实施方式的锗肖特基势垒光检测器的结构的图。
图4A至4E是表示制造图3中描述的类型的锗肖特基势垒光检测器的方法中的各个步骤的图。
图5是表示根据一个实施方式的沉积在外延层顶部上的金属膜和金属垫的顶视图的图。
图6是显示图3中描绘的类型的锗肖特基势垒光检测器中光电流产生原理的图。用实心圆圈(●)表示电子；用空心圆圈(○)表示空穴。
图7是显示图6中描绘的的锗肖特基势垒光检测器中的耗尽宽度优化的原理的图。用实心圆圈(●)表示电子；用空心圆圈(○)表示空穴。
图8A是显示通过典型光检测器从光纤接收的光功率随时间变化的图。
图8B是显示如果所有光子都被吸收在耗尽区内，通过典型光检测器产生的一系列光生电流脉冲随时间变化的图。
图8C是显示如果光子被吸收在耗尽区外，通过典型光检测器产生的一系列光生电流脉冲随时间变化的图，在这种情况下，对光脉冲的响应可能具有扩散尾部。
图9包括上图和下图，分别显示了光生电流脉冲和接收器电流脉冲响应(包括额外的脉冲)随时间的变化。
图10是显示使用双引脚配置安装在具有玻璃球透镜的气密密封封装中的锗肖特基势垒光检测器的图。
图11是显示使用三引脚配置安装在具有玻璃球透镜的气密密封封装中的锗肖特基势垒光检测器的图。
图12是显示光学数据传输系统的一些组件并确认光学数据传输系统的一些特征的图，该光学数据传输系统包括本文公开类型的锗肖特基势垒光检测器。
在下文中将参考附图，其中不同附图中的类似元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
以下特别详细地描述了锗肖特基势垒光检测器的说明性实施方式。然而，本说明书中没有描述实际实施的所有特征。本领域技术人员将理解，在任何这样的实际实施方式的开发中，必须做出许多特定于实施的决定以实现开发者的特定目标，例如遵守与系统相关的和与业务相关的约束，这些约束将在实施之间不同。此外，应当理解，这种开发努力可能是复杂的且耗时的，但是对于受益于本公开内容的本领域普通技术人员来说不过是常规任务。
将来，将有不同的POF纤维用于商用飞机航空电子网络和传感器系统。对于低数据速率网络，比如CAN总线、ARINC 629数据总线或燃料质量指示传感器，低数据速率POF是由PMMA制成的大直径(1mm)光纤，但对于高数据速率网络，将使用GbPOF。GbPOF是一种全氟化聚合物，具有500微米的覆层和55微米的核直径。低数据速率POF和高数据速率GbPOF具有不同的操作波长，因为PMMA和全氟化聚合物具有不同的光损耗特性。图1显示了低数据速率POF、GbPOF和GOF的衰减与波长的关系。这种光谱特性中的最小衰减波长的这些差异在过去需要针对低数据速率POF、GbPOF和GOF网络使用不同的接收器。
预期传统的(legacy)GOF网络与POF网络在许多飞机航空电子系统中共存。GOF网络通常具有850、1300和1550nm的操作波长。目前，没有具有针对所有低数据速率POF、GbPOF和GOF网络的宽光谱带宽的光检测器。对于具有低数据速率POF、GbPOF和GOF网络的飞机系统，这些网络是使用大量接收器的大规模网络。飞机网络中使用的不同接收器会增加飞机生产的安装和零件维护成本。具有宽光谱光响应的通用光检测器设计将使所有低数据速率POF、GbPOF和GOF网络和传感器能够使用相同的接收器，从而极大地降低飞机生产中，特别是在具有数百个网络节点的大的网络规模的商用飞机中的安装和维护成本。
光纤光检测器的光响应取决于光检测器的材料选择。对于GOF网络，光检测器通常由InGaAs III-V复合材料制成。这种材料对于制造GbPOF网络的光检测器也是可行的。但是用于GOF网络的COTS InGaAs光检测器的光检测器表面积非常小，其被设计为匹配单模或多模GOF的小直径。例如，单模GOF具有约8微米的核直径，而多模GOF具有50和62.5微米的典型直径。通常GOF光检测器表面直径不超过75微米。虽然这些小直径InGaAs光检测器可适用于GbPOF网络，因为GbPOF的直径为约55或85微米，这与多模GOF的直径非常接近，但是对于具有约1毫米的核直径的低数据速率POF，GOF InGaAs光检测器太小。除了直径约束之外，低数据速率POF在可见波长范围内操作，在可见波长范围内InGaA光检测器不具有良好的光响应。用于低数据速率POF网络的商用现货光检测器由硅制成，硅对于近红外波长范围不具有良好的光响应，GOF和GbPOF在近红外波长范围内操作。
图2显示了硅(Si)、锗(Ge)和InGaAs材料的光学吸收系数与波长的关系。该图表明Si和InGaAs不能覆盖0.4微米(400nm)至1.55微米(1550nm)的波长范围，低数据速率POF、GbPOF和GOF系统在该波长范围内操作。对于磷化铟(InP)和砷化镓(GaAs)存在类似的问题，两者在相同波长范围内都不具有良好的宽带光学吸收系数。但是锗具有覆盖400至1550nm的波长的良好的吸收系数。
基于上述分析，选择锗作为设计用于低数据速率POF、GbPOF和GOF航空电子网络和传感器的宽带光检测器的半导体材料。更具体地，锗肖特基势垒光检测器具有针对所有光纤网络和传感器优化的光学检测直径，包括低数据速率POF、GbPOF和GOF航空电子网络和传感器。
在图3中显示了根据一个实施方式的锗肖特基势垒光检测器40的结构。锗肖特基势垒光检测器40包括具有n+-型掺杂的锗衬底42和由具有n-型掺杂的晶体锗的外延覆盖层组成的台面结构44(有源层)。如本文所使用，术语“台面结构”是指具有平顶(上表面)和外周侧表面的结构，外周侧表面沿着具有闭合轮廓的外围边缘与平顶相交。
锗肖特基势垒光检测器40还包括沉积在台面结构44的上表面上的相应连续区域中的金属膜46和金属垫48。如将在下面更详细地描述，金属膜46和金属垫48的厚度和面积不同。抗反射涂层54沉积在金属膜46上。沉积介电钝化层52，使得覆盖台面结构44周边上的暴露表面。由金属膜46提供的光检测表面区域被抗反射涂层54覆盖，而不被介电钝化层52覆盖。
可以使用许多不同的金属来制造锗肖特基势垒光检测器40。基于器件物理学的理论，所有与锗的金属触点都将制造光电二极管。金是优选的，因为它具有更好的环境耐久性(不受湿度、盐和雾条件产生腐蚀)，因为与其他金属相比，金更容易沉积，所以金是器件制造过程中更好的材料，而就封装而言，金更好用于引线键合。然而，基于理论，银、铝、铜和铟是替代金的良好候选物。下面讨论的所有计算都假设金属膜46和金属垫48由金制成。
再次参考图3，锗肖特基势垒光检测器40进一步包括沉积在锗衬底42底部上的欧姆接触金属层50。欧姆接触是根据欧姆定律理论上具有线性电流-电压曲线的两个导体之间的非整流电学结。低电阻欧姆接触用于允许电荷在两个导体之间的两个方向上容易地流动，而不会由于整流引起阻塞或由于电压阈值引起的过度功率耗散。相反，肖特基势垒是不具有线性电流-电压曲线的整流结或整流接触。如本文所使用，术语“欧姆接触”是指金属与半导体的欧姆接触。
图3还显示了可以在金属膜46下方的有源层中形成的耗尽区56。当跨越金属垫48和欧姆接触金属层50施加电压时，耗尽区的宽度变化。如本文所使用，术语“耗尽区”是指掺杂半导体材料内的绝缘区，其中大多数电荷载流子已被扩散掉以形成具有高电场的区域。
现在将首先参考图4A-4E中部分描述的制造方法，并且然后参考图6和7中部分描述的光检测器操作的物理特性(physics)来解释图3中描绘的锗肖特基势垒光检测器40的一些特征和特性。其后将参考图8A-8C和9讨论APP的消除问题。最后，将参照图10和11描述用于最大光纤耦合效率的锗肖特基势垒光检测器40的封装。
在图4A至4E中显示了根据一个实施方式的制造方法的一些步骤。如图4A中所显示，第一步涉及抛光和研磨高掺杂(n+型)锗晶片，直到形成具有在100至150微米的范围内的厚度的锗衬底42，确保锗衬底42的顶面和底面是清洁的、光滑的和有光泽的。
下一步包括在重掺杂锗衬底40的顶部上生长约15微米厚的轻掺杂(n-型)锗外延层45(如图4B中所显示)。这可以通过气相外延或金属有机化学气相沉积方法来完成。锗外延层45是锗肖特基势垒光检测器40的主要光吸收层。因此，适当的层厚度和高质量的外延生长过程对于本文公开的光检测器设计是期望的。从前述术语“高掺杂”对“低掺杂”的使用应该理解，锗外延层45的掺杂密度比锗衬底42的掺杂密度小得多。
制造方法的另一步骤涉及在锗衬底42的底部上沉积欧姆接触金属层50(参见图4B)。欧姆接触金属层50优选地由铟或其他合适的金属触点制成，其厚度超过1微米。
在锗外延层45沉积在锗衬底42上之后，金属膜46和金属垫48沉积在锗外延层45的顶部上。图4C是表示由金属(优选地为金)在锗外延层45上沉积产生的金属半导体结构的侧视图的图。
如图5中可见(未按比例绘制)，金属膜46的顶表面具有面积A，而金属垫48的顶表面小于面积A。根据其中金属膜46和金属垫48由金制成的锗肖特基势垒光检测器40的一个实例构造中，金属膜46可具有在450到600微米的范围内的直径和约50埃的厚度。金属膜46形成用于光检测器的整流结。金属膜46是非常薄的层，以使耦合到光检测器的有源区中的光最大化。通过电镀工艺沉积金属垫48，对于金的情况，该金属垫的直径为约25微米，厚度为约40微米。如图5中所显示，金属垫48偏移于金属膜46的边缘，使得金属膜46的大部分面积暴露于来自光纤的光信号。金属垫48是用于引线键合的更厚的层；金属垫48还与金属膜46电接触，用于传导光生电流。
在锗外延层45的顶表面上沉积金属之后，通过去除一些锗外延层45(图4C中所显示)形成台面结构44(图4D中所显示)。根据一个实施方式，台面结构44的外周表面具有凹形弯曲轮廓，如图4D中所显示。例如，台面结构44的外周表面的几何形状可以类似于旋转表面，该旋转表面将通过在三维空间中围绕检测器中心的垂直轴旋转圆弧来产生。可选地，台面结构44的外周边可以是圆锥形的。优选地，台面结构44具有顶表面，该顶表面的边界延伸超出由金属膜46和金属垫48形成的金属结构的边界(图5中所显示)。例如，台面结构44可以具有直径D为约600微米的圆形顶表面，金属膜46和金属垫48位于该圆形顶表面上。台面结构44可以通过湿化学蚀刻工艺或等离子体蚀刻工艺制成。台面结构44的目的是减少光检测器的反向偏置暗(或泄露)电流。
在形成台面结构44之后，将抗反射涂层50沉积在金属膜46的顶部上(参见图4E)，以减少来自光纤的光信号的反射(在图4A-4E中未显示，但是参见图6中的光纤64)。抗反射涂层50可以由通过等离子体沉积或高真空蒸发或溅射工艺形成的氮化硅制成。抗反射涂层50的厚度设计成使从光纤到光检测器的有源区的光耦合最大化。有源区是在金属-锗(例如，Au-Ge)结正下方的台面结构44内部的区域。
另外，在台面结构44的暴露表面上沉积钝化层52，以减少光检测器的暗(或漏电)电流。该层还为光检测器的有源层提供了物理和环境保护。图4E是表示由抗反射涂层50和钝化层52的沉积产生的金属-半导体结构的侧视图的图。
可以使用光刻工艺制造上述锗肖特基势垒光检测器40。在完成制造方法后，可以跨越由金属垫48和欧姆接触金属层50形成的端子施加电压，以增加在金属-锗(例如，Au-Ge)结下方的耗尽区56的宽度。
现在将进一步参考图6简要描述锗肖特基势垒光检测器的物理特性。如图6所示，当金属膜46沉积在具有台面结构44的外延层的顶部上时，形成光检测器的耗尽区56。耗尽区56是吸收来自光纤64的光和产生电子空穴对的地方。当在金属垫48和欧姆接触金属层50之间形成电路时，电子空穴对的流动方向彼此相对。
更具体地，通过电导体58将电压源62的负端子电连接到金属垫48并通过电导体60将电压源62的正端子电连接到欧姆接触金属层50来施加反向偏置电压V1。结果，在由电导体58和60形成的外部电路上产生光电流Iph(由图6中的水平箭头指示)。
优良的光检测器的关键技术要求是使光电流产生过程的量子效率最大化。量子效率表示为每个入射光子产生的电子，并且是用于设计光检测器的量度，该光检测器具有以最低损耗捕获入射光子的能力。
如图6中所显示，当金属触点(或膜)沉积在Ge外延层的顶部时，在金属膜46正下方的台面结构44的部分中形成耗尽区56。金属锗(例如，Au-Ge)整流结两侧的电荷载流子产生所谓的内置电场。耗尽区56的宽度W(在厚度方向上测量)取决于形成台面结构44的外延锗的掺杂浓度Nd以及光检测器的外部偏置电压V1。较低的掺杂浓度和较高的反向偏压增大了光检测器的耗尽宽度。较低的掺杂密度意味着外延层的纯度较高。理想地，优良的光检测器应无杂质并标记为本征层。(如本文所使用，“本征层”是半导体材料层，其性质基本上是纯的未掺杂材料的特性。)
从图6中应该显而易见具有台面结构44的轻掺杂外延锗是重要的原因。来自光纤64的光子的穿透深度取决于光信号的波长。当光从光纤64耦合到锗肖特基势垒光检测器40中时，光子从金属膜46的表面行进并穿透到有源(外延)层的下部。较长波长的光子比较短波长的光子行进得更深。这由图2中显示的吸收系数与波长的关系表示。较长波长的光子具有较低的吸收系数，并且可以行进超出耗尽区56，在该耗尽区56中产生电子空穴对。在图6中用实心圆圈(●)表示电子；用空心圆圈(○)表示空穴。
高性能光检测器设计的第一个参数是光检测器的耗尽宽度W。锗肖特基势垒光检测器40的耗尽区56也被称为高场区，其中结内置电场最高。高性能光检测器需要吸收耗尽区56中的所有光子以实现高速度和高量子效率。这是因为光生电荷载流子(电子)在耗尽区56内以高速行进。在耗尽区56之外产生的光生电荷载流子(电子)将需要通过扩散过程进入耗尽区56并且然后被耗尽区56中的电场扫过，以产生光电流Iph。该过程降低了光检测器的响应速度并引起接收器APP问题，这将在下面更详细地解释。
如图7中所显示，高性能光检测器设计应提供大的耗尽宽度W以限制和吸收来自光纤64的所有光子。耗尽宽度W取决于光检测器上的掺杂密度Nd和反向偏置电压V。如图7中所显示，有源层中较低的掺杂密度(或较高的纯度)和较高的反向偏置电压V2(V2>V1)将增加耗尽宽度W。本文提出的锗肖特基势垒光检测器设计参数提供了用于高速度和高量子效率的优化的耗尽宽度。在方程(1)至(3)中显示了耗尽宽度W与掺杂密度Nd和偏置电压V的关系：
Figure BDA0002143184120000101
Figure BDA0002143184120000102
W2＝qNd (3)
其中ε是Ge＝16的介电常数；ε0是真空介电常数＝8.85418E-14F/cm；Vbi是Ge肖特基势垒检测器的内置电压(或电位)；V是Ge肖特基势垒检测器的偏置电压；Nd是Ge肖特基势垒检测器的有源层(在台面结构44中)的背景掺杂密度；K是玻耳兹曼常数＝1.38066E-23J/°K；T是以开尔文度数(°K)计的温度；q是电子的电荷＝1.60218E-19C；和KT/q是在300°K(室温)下的热电压＝0.0259V。
用于优化的光检测器的第二个光检测器参数是低电容。光检测器的电容随着光检测器表面积A而增加，并且随着掺杂密度的降低而减小。对于需要耦合到具有范围从8微米至1mm的直径的光纤的通用光纤光检测器，本文提出了具有550微米的直径的光检测器表面积，因为具有该直径，可以将1mm POF与透镜封装耦合，如将在下面详细描述。在方程(4)中显示了光检测器电容设计：
Figure BDA0002143184120000111
其中A是Ge肖特基势垒检测器的面积。
优化的光检测器设计的第三个参数是光检测器的暗电流。光检测器的暗电流是与光检测器接口的接收器电路的散粒噪声的主要来源。光检测器的暗电流与光检测器的光检测面积A、光检测器的材料和光检测器的电学结的类型成比例。本文公开的锗肖特基势垒光检测器40具有使暗电流最小化的直径，并提供使航空电子应用中使用的不同尺寸光纤的光子吸收最大化的表面积。由n掺杂外延锗制成的台面结构44消除了由于平面光检测器结构中可能发生的表面泄露引起的额外暗电流。在方程(5)中显示了暗电流与光检测面积A和光检测器结参数的关系：
Figure BDA0002143184120000112
其中A*是有效理查森常数；和
Figure BDA0002143184120000113
是Ge肖特基势垒检测器的势垒高度。有效理查森常数(A*)的值是金属膜厚度、金属类型、沉积方法和在金属沉积之前半导体的状态的函数。有效理查森常数A*优选地在128至135A/cm2/°K2的范围内，其影响暗电流。肖特基势垒的主要特征之一是肖特基势垒高度，用
Figure BDA0002143184120000114
表示。
Figure BDA0002143184120000115
的值取决于金属和半导体的组合，并且优选在0.54至0.64V的范围内。
高性能光检测器设计的第四个参数是量子效率。在方程(6)中显示了量子效率与光生电流的关系：
Figure BDA0002143184120000116
其中ηQE是Ge肖特基势垒检测器的量子效率；Pi是Ge肖特基势垒检测器上的入射功率；和λ是Ge肖特基势垒检测器上入射光子的波长(以微米计)。
更高的量子效率产生更高的光生电流，该更高的光生电流接着产生更高的接收器灵敏度。本文公开的光检测器面积和封装设计提供了用于从8μm到1mm直径的各种光纤尺寸的最大量子效率。
在“Physics of Semiconductor Device,”第5章:Metal-SemiconductorContacts,by S.M.Sze,pp.245-311,出版社John Wiley and Son,1981中可以发现用于肖特基势垒检测器的设计方程和参数。
检测器直径决定了光检测器的尺寸。它还会影响检测器的光响应。因此，直径提供了检测器的优化的暗电流、电容和光响应。在这三个特征中，电容和暗电流在较小的检测器直径下更好，但是检测器的光响应需要大直径的检测器。可以计算优化这三个特征的检测器直径。合适的检测器直径的范围为450至600微米。
上述最佳设计还试图解决某些COTS POF光检测器中的APP问题，该APP问题是由于光检测器的有源区内的耗尽宽度太小造成的。如图6中所显示，如果耗尽宽度太小，将在耗尽区56外部吸收大量光子。光生电荷载流子(电子)在到达高场耗尽区之前需要经过扩散过程。当接收器设计有自动增益控制(AGC)电路时，该过程产生光检测器的光响应脉冲的“扩散尾部”，该自动增益控制(AGC)电路产生一定水平的光功率并且在出现来自光检测器的第一个光脉冲之后的一定的响应时间段内的电脉冲。AGC的目的是增加接收器的动态范围。如果输入光信号高于某个功率电平，AGC会自动降低接收器的增益。如果输入光信号低于指定的光功率电平，AGC会增加接收器的增益。例如，根据一种脉动模式光接收器设计，要求AGC在出现光脉冲之后的指定时间段内检测低于开始的光脉冲的30dB的信号。如果光检测器的光响应发生了大的“扩散尾部”，则会使接收器产生非预期的光响应脉冲。这些非预期的光脉冲可能导致接收器中的误码。在图8A-8C和9中显示了APP的物理问题。这里公开的Ge肖特基势垒光检测器的设计消除了航空电子系统应用中的这种APP问题。
图8A显示了通过典型光检测器从光纤接收的光功率随时间的变化。图8B显示了如果所有光子都被吸收在耗尽区内，通过典型光检测器产生的一系列光生电流脉冲随时间的变化。图8C显示了如果光子被吸收在耗尽区外，通过典型光检测器产生的一系列光生电流脉冲随时间的变化，在这种情况下，对光脉冲的响应可能具有扩散尾部。
图9包括上图和下图，分别显示了检测器光生电流脉冲和接收器脉冲响应(包括额外的脉冲)随时间的变化。上述接收器AGC被设计为在低于开始的光信号脉冲的某一水平处(由图9的上图中的水平线表示)触发响应。长的“扩散尾部”通过AGC在AGC的触发时间检测到，并且使接收器输出额外的响应脉冲(输入电压)，比如图9中下图所描绘的响应脉冲。
图9中的上图显示了与图8C中所描绘的相同的光生电流脉冲，但是，相对于并入一些COTS接收器中的自动增益控制电路的各种参数(即，AGC响应时间段和AGC响应量级)，而下图显示了响应于图8C中描绘的具有扩散尾部的光生电流(来自检测器)，可以通过COTS接收器产生的一系列接收器响应脉冲(由检测器的额外电流脉冲引起)随时间的变化。
本文公开的锗肖特基势垒光检测器40可以以各种方式封装。图10显示了封装在气密密封金属罐66(例如，晶体管外壳(TO)封装，比如TO-18或TO-46)中的光检测器，该气密密封金属罐66具有底座80、由底座80支撑的透镜罩70(也称为“盖子”)和2mm直径的玻璃球透镜72(例如由BK7玻璃制成)，该玻璃球透镜72安装在透镜罩70顶部上的开口中。如图10中可见，光纤64的末端、玻璃球透镜72和金属膜46彼此是对准的。理想地，如果光纤64和金属膜46的端面是圆形的并且玻璃球透镜72是球形的，那么圆形和球形的中心将是共线的。离开光纤64的光子穿过玻璃球透镜72，并且然后撞击在金属膜46上，结果使检测器的光生电流最大化。根据一个提出的实施，金属膜46位于玻璃球透镜72的后焦距处。
需要两个用于光检测器封装的电引线。通过将电线74的一端粘合到金属垫48和将电线74的另一端粘合到检测器前接触引脚84，将一个引线(与封装底座80绝缘的检测器前接触引脚84)电连接到锗肖特基势垒光检测器40的表面上的金属垫48。另一个引线(检测器后接触引脚82)连接到金属壳体66的底座80以进行接地。将光检测器背面欧姆接触金属层50粘合到金属壳体66的底座80。因此，检测器后接触引脚82也与光检测器的背面接触。
如果应用要求光检测器与封装完全绝缘，可以采用三引线TO封装。图11显示了使用三引脚配置封装在气密密封金属壳体68中的锗肖特基势垒光检测器40。这通过将绝缘层88(由绝缘材料制成的层)和金属层78(由金属制成的层)放置在光检测器背面下方来实现。金属层78与光检测器的欧姆接触金属层50接触。绝缘层88将金属层78与底座80电隔离。然后通过粘合导线76的相对端将金属层78电连接到检测器后接触引脚82(与封装底座80绝缘)。接地引脚86是与金属壳体68的底座80接触，用于接地的目的。
因为本文公开的锗肖特基势垒光检测器40设计用于直径范围为8微米至1mm的光纤，因此优化的直径计算为约550微米。因此，在透镜罩70上使用2mm直径的玻璃球透镜72，光检测器定位在等于玻璃球透镜72的后焦距的距离处，将优化直径范围为从8微米至1mm的光纤耦合。
如前面所提及，本文公开的类型的锗肖特基势垒光检测器可以用在飞机上的光纤网络中。出于说明的目的，现在将在下面更详细地描述用于实现飞机上的线路可更换单元之间的光通信的这种光纤网络的一个实施方式。然而，本文公开的类型的锗肖特基势垒光检测器的使用不仅仅限于飞机环境，而且可用在其他类型的交通工具上的光纤网络或其他类型的光纤网络中(例如，长距离陆地应用、数据中心应用、物联网应用和光纤到户/办公应用)。
图12是鉴定双向全双工数据传输系统30的一些特征的图，该双向全双工数据传输系统30包括一对双光纤(dual-fiber)双向收发器2a和2b，该对双光纤双向收发器2a和2b中的每一个传输和接收相同波长的光，每个单波长双光纤双向收发器2a和2b包括激光器4和光检测器8。在该实例中，每个光检测器8是图3中描绘的类型的锗肖特基势垒光检测器。通过激光驱动器和传输电路6驱动激光器4以响应于分别经由传输电信号线12a和12b从相关的线路可更换单元(未显示)接收的差分传输信号Tx+和Tx-发射波长为λ1的光。激光驱动器和传输电路6包括将这些电差分信号转换成电数字信号的电路，电数字信号表示由激光器4传输的数据。相反，光检测器8接收波长为λ1的光并将检测到的光转换成电数字信号，该电数字信号被提供给检测器放大器和接收电路10。检测器放大器和接收电路10又包括将那些电数字信号转换成电差分接收信号Rx+和Rx-的电路，该电差分接收信号Rx+和Rx-表示接收的数据。电差分接收信号Rx+和Rx-分别经由接收电信号线14a和14b传输到线路可更换单元(图中未显示)中的其他电路。单波长双光纤双向收发器2经由收发器电源线16接收具有电压Vcc的电源。
在图12中描绘的实例中，单波长双光纤双向收发器2a的激光器4光学耦合以经由光缆32朝向单波长双光纤双向收发器2b的光检测器8发射光，光缆32包括串联连接的光纤跳线18a、安装在接线板23a处的连接器22a、塑料或玻璃光纤24a、安装在接线板23b处的连接器22b、和光纤跳线18c。类似地，单波长双光纤双向收发器2b的激光器4光学耦合，以经由光缆34朝向单波长双光纤双向收发器2a的光检测器8发射光，光缆34包括串联连接的光纤跳线18d、安装在接线板23b处的连接器22c、塑料或玻璃光纤24b、安装在接线板23a处的连接器22d、和光纤跳线18b。两个单波长双纤双向收发器2a和2b都传输和接收具有波长为λ1的光。光缆32和34的构造可以是相同的。任选地，光纤24a和24b可以是GbPOF，以实现高数据速率(>1千兆位/秒)的双向全双工(full-dulpex)数据传输。
除了图12中显示的应用之外，本文公开的通用宽带光纤光检测器具有其他航空电子应用。所公开的光检测器消除了在单个或多个航空电子平台中对多个光检测器和接收器的需要，并简化了飞机、军事系统和传感器系统应用的零件管理和库存过程。此外，光检测器的设计具有优越的操作特性，并消除了COTS接收器中的APP问题。
进一步，本公开内容包括根据下述条款的实施方式：
条款1.一种光检测器，其包括：
由掺杂锗制成的衬底；
由在衬底顶部上生长的掺杂外延锗制成的台面结构，其中掺杂外延锗的掺杂密度小于掺杂锗的掺杂密度；
沉积在台面结构的顶部上的由金属制成的金属膜；
沉积在台面结构的顶部上并与膜接触的由金属制成的金属垫；和
沉积在衬底底部上的由金属制成的欧姆接触层。
条款2.如条款1所述的光检测器，其中金属膜和金属垫由选自金、银、铝、铜和铟的金属制成。
条款3.如条款2所述的光检测器，其中金属膜和台面结构形成具有在0.54至0.64伏特的范围内的肖特基势垒高度的结。
条款4.如条款1所述的光检测器，进一步包括连接至金属垫和欧姆接触层的电压源，其中金属膜和台面结构配置为产生在台面结构中并与金属膜相邻的耗尽区，耗尽区具有宽度，在光子撞击金属膜期间，当由电压源施加反向偏置电压时宽度增加。
条款5.如条款4所述的光检测器，其中金属膜具有在450至600微米的范围内的直径。
条款6.如条款4所述的光检测器，其中有效理查森常数在128至135A/cm2-°K2的范围内。
条款7.如条款1所述的光检测器，进一步包括沉积在膜上的抗反射涂层。
条款8.如条款1所述的光检测器，进一步包括覆盖台面结构的暴露表面的介电钝化层。
条款9.一种光纤器件，其包括：
具有末端的光纤；
气密金属壳体，该气密金属壳体包括底座、连接至底座的透镜罩和安装在透镜罩顶部的开口中的玻璃球透镜；和
设置在金属壳体内部的光检测器，该光检测器包括由掺杂锗制成的衬底，由在衬底顶部上生长的低掺杂外延锗制成的台面结构，掺杂外延锗的掺杂密度比掺杂锗的掺杂密度小得多，沉积在台面结构的顶部上的由金属制成的金属膜，沉积在台面结构的顶部上并与膜接触的由金属制成的金属垫，和沉积在衬底底部上的由金属制成的欧姆接触层，
其中光纤、玻璃球透镜和金属膜是对准的。
条款10.如条款9所述的光纤器件，其中金属膜和金属垫由选自金、银、铝、铜和铟的金属制成。
条款11.如条款9所述的光纤器件，其中金属膜和台面结构形成具有在0.54至0.64伏特的范围内的肖特基势垒高度的结。
条款12.如条款9所述的光纤器件，其中金属膜和台面结构配置为产生在台面结构中并与金属膜相邻的耗尽区，耗尽区具有宽度，在光子撞击金属膜期间，当跨越金属垫和欧姆接触金属层施加反向偏置电压时宽度增加。
条款13.如条款9所述的光纤器件，其中金属膜具有在450至600微米的范围内的直径和玻璃球透镜具有2mm的直径。
条款14.如条款13所述的光纤器件，其中金属膜位于玻璃球透镜的后焦距处。
条款15.如条款9所述的光纤器件，进一步包括：
与欧姆接触金属层接触的金属层；和
将金属层与衬底电隔离的绝缘层。
条款16.如条款9所述的光纤器件，其中光检测器进一步包括覆盖台面结构的暴露表面的介电钝化层。
条款17.用于制造光检测器的方法，该方法包括：
抛光和研磨掺杂锗晶片，直到形成具有在100至150微米的范围内的厚度的锗衬底；
使掺杂锗外延层在锗衬底顶部上生长约15微米厚；
将欧姆接触金属层沉积在锗衬底底部上；
将金属膜和金属垫沉积在锗外延层顶部上使得金属垫与金属膜接触；
通过去除一些锗外延层形成台面结构；和
将介电钝化层沉积在台面结构的暴露表面上。
条款18.如条款17所述的方法，进一步包括将抗反射涂层沉积在金属膜的顶部上。
条款19.如条款17所述的方法，其中金属膜和金属垫由选自金、银、铝、铜和铟的金属制成。
条款20.如条款17所述的方法，其中台面结构的顶表面具有在450至600微米的范围内的直径。
虽然已经参考各种实施方式描述了锗肖特基势垒光检测器和用于制造这种光检测器的方法，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本文教导的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。另外，在不脱离其范围的情况下，可以进行许多修改以使本文的教导适应具体情况。因此，权利要求旨在不限于本文公开的具体实施方式。
在下文中阐述的方法权利要求不应被解释为要求其中所述的步骤按字母顺序(权利要求中的任何字母顺序仅用于参考先前所述的步骤的目的)或按照它们被引用的顺序执行，除非权利要求语言明确指定或陈述指示执行某些或所有步骤的具体顺序的条件。除非权利要求语言明确指出排除这种解释的条件，否则该方法权利要求也不应被解释为排除同时或交替执行的两个或更多个步骤的任何部分。

Claims (10)

1.一种光检测器，其包括：
由掺杂锗制成的衬底；
由在所述衬底顶部上生长的掺杂外延锗制成的台面结构，其中所述掺杂外延锗的掺杂密度小于所述掺杂锗的掺杂密度；
沉积在所述台面结构的顶部上的由金属制成的金属膜；
沉积在所述台面结构的顶部上并且与所述膜接触的由金属制成的金属垫；和
沉积在所述衬底底部上的由金属制成的欧姆接触层。
2.如权利要求1所述的光检测器，其中所述金属膜和金属垫由选自金、银、铝、铜和铟的金属制成。
3.如权利要求2所述的光检测器，其中所述金属膜和所述台面结构形成具有在0.54至0.64伏特的范围内的肖特基势垒高度的结。
4.如权利要求1所述的光检测器，进一步包括连接至所述金属垫和所述欧姆接触层的电压源，其中所述金属膜和所述台面结构配置为产生在所述台面结构中并与所述金属膜相邻的耗尽区，所述耗尽区具有宽度，在光子撞击所述金属膜期间，当由电压源施加反向偏置电压时所述宽度增加。
5.如权利要求4所述的光检测器，其中所述金属膜具有在450至600微米的范围内的直径。
6.如权利要求4-5所述的光检测器，其中有效理查森常数在128至135A/cm2-°K2的范围内。
7.如权利要求1所述的光检测器，进一步包括沉积在所述膜上的抗反射涂层。
8.如权利要求1所述的光检测器，进一步包括覆盖所述台面结构的暴露表面的介电钝化层。
9.一种光纤器件，其包括：
具有末端的光纤；
气密金属壳体，所述气密金属壳体包括底座、连接至所述底座的透镜罩和安装在所述透镜罩顶部的开口中的玻璃球透镜；和
设置在所述金属壳体内部的光检测器，所述光检测器包括由掺杂锗制成的衬底，由在所述衬底顶部上生长的低掺杂外延锗制成的台面结构，所述掺杂外延锗的掺杂密度比所述掺杂锗的掺杂密度小得多，沉积在所述台面结构的顶部上的由金属制成的金属膜，沉积在所述台面结构的顶部上并且与所述膜接触的由金属制成的金属垫，和沉积在所述衬底底部上的由金属制成的欧姆接触层，
其中所述光纤、玻璃球透镜和金属膜是对准的。
10.如权利要求9所述的光纤器件，其中所述金属膜和金属垫由选自金、银、铝、铜和铟的金属制成，
其中所述金属膜和所述台面结构形成具有在0.54至0.64伏特的范围内的肖特基势垒高度的结，
其中所述金属膜和所述台面结构配置为产生在台面结构中并与所述金属膜相邻的耗尽区，所述耗尽区具有宽度，在光子撞击所述金属膜期间，当跨越所述金属垫和欧姆接触金属层施加反向偏置电压时所述宽度增加，
其中所述金属膜具有在450至600微米的范围内的直径和所述玻璃球透镜具有2mm的直径，
其中所述光检测器进一步包括覆盖所述台面结构的暴露表面的介电钝化层。
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