CN114843289A - 一种设置电容结构的光电器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种设置电容结构的光电器件，包括衬底层、外延层、光电转换单元、第一电极、第二电极和第三电极。外延层设置于衬底层上。光电转换单元设置于外延层之中，能接收光信号产生电信号，或者根据接收的电信号对光信号进行调制。第一电极、第二电极和第三电极均设置于外延层之中。第一电极和第二电极分别连接于光电转换单元的两极。第三电极与第二电极平行以构造成平行板电容器；第一电极还接地。对第一电极和第二电极端加直流偏置电压。通过射入光使第一电极和第二电极之间产生高频电信号，或者通过第一电极和第三电极施加高频电信号。由于平行板电容器的通高频阻低频的作用，可以减小低频段电信号，保持高频段电信号，从而提高频带宽度。
Description
本申请要求申请日为2021年06月11日、申请号为CN202110653927.5、原受理机构为中国国家知识产权局、发明创造名称为《一种具有电容结构的光电器件》的专利申请的优先权。
技术领域
本发明涉及光电信息中的光电处理器件技术领域，具体涉及一种设置电容结构的光电器件。
背景技术
近年来，随着物联网的迅猛发展，光纤通信系统作为物联网的重要依托，其发展受到更多的重视。在长途骨干网领域，随着光传输技术的发展和成熟，世界范围内出现了干线传输网络的建设热潮，传输带宽、传输容量快速发展。
随着光纤通信系统的发展，光器件的发展也同样面临着机遇和挑战，如何开发出性能优良、价格低廉的光器件已经成为人们所面临的首要问题。光电子器件具有易于集成、工艺成本低等优点，近些年来引起研究人员的广泛关注。硅(Si)材料作为微电子领域的传统材料，在加工工艺和制作成本上有着其他材料无可比拟的优势，硅基光电子集成技术应运而生。
例如，作为光电集成技术中的重要的代表元件之一的光电探测器，它的作用就是把入射的光信号转换为电信号，以便后续的信号处理电路进行分析。
再例如，作为硅基光电集成技术中的另一重要的代表元件之一的电光调制器，它的作用是把电信号转换为光信号进行传输。
发明内容
光电器件经过十几年的发展，在结构上不断优化，性能进一步提高，但仍存在带宽较低，从而影响了工作速率的问题。为此，本发明提出了一种设置电容结构的光电器件，包括
衬底层；
外延层，设置于所述衬底层上；
光电转换单元，设置于所述外延层之中，能接收光信号产生电信号，或者根据接收的电信号对光信号进行调制；
第一电极、第二电极和第三电极，均设置于所述外延层之中；所述第一电极和所述第二电极分别连接于所述光电转换单元的两极；所述第三电极与所述第二电极平行以构造成平行板电容器；所述第一电极还接地。
优选的，所述光电转换单元为PIN结构、MSM结构或者雪崩结构。
优选的，所述光电转换单元为PIN结构，包括依次叠加的第一p型半导体层、本征层和第一n型半导体层；所述第一电极连接于所述第一n型半导体层，所述第二电极连接于所述第一p型半导体层。
优选的，所述第一p型半导体层为p型锗层，所述本征层为本征锗层，所述第一n型半导体层为n型硅层。
优选的，所述光电转换单元为MSM结构，包括依次叠加的第一金属层、半导体层和第二金属层，所述第一电极连接于所述第一金属层，所述第二电极连接于所述第二金属层。
优选的，所述光电转换单元为雪崩结构，所述雪崩结构的两极分别为第二p型半导体层和第二n型半导体层，所述第一电极连接于所述第二n型半导体层，所述第二电极连接于所述第二p型半导体层。
优选的，所述衬底层的材质为硅，所述外延层的材质为二氧化硅。
优选的，所述光电器件为光电探测器，所述光电转换单元为光吸收单元。
优选的，所述光电器件为电光调制器，所述光电转换单元为光调制单元。
优选的，所述第二电极和所述第三电极的形状相同，均为圆形或者方形；所述第二电极和所述第三电极的材质相同，均为铝。
本发明通过第二电极和第三电极在光电器件中形成平行板电容器，对第一电极和第二电极端施加直流偏置电压，为光电器件的工作电压。
当所述光电转换单元为光吸收单元时，光信号入射到光电器件时，第一电极、第二电极两个端口产生高频电流信号，高频电流信号可以通过第二电极、第三电极之间形成的平行板电容器将高频电流信号传输到第三电极导出。第二电极、第三电极之间形成的平行板电容器具有通高频阻低频的作用，可以减小低频段的电流，保持高频段的电流，与pn结电容起到相反的作用。根据带宽定义，信号功率下降到最大值的1/2时所对应的频率为带宽，因此，高频段电流几乎不变的情况下，降低低频段的电流数值可以有效的提高光电器件的频带宽度，从而提高光电器件的工作速率。
当所述光电转换单元为光调制单元时，通过所述第一电极和所述第二电极为所述光电器件的有源区施加直流偏置电压，通过所述第一电极和所述第三电极为所述光电器件的有源区施加高频电压信号，通过所述第二电极和所述第三电极之间形成的平行板电容器将高频电压信号施加在所述光电器件的有源区。由于第二电极、第三电极之间形成的平行板电容器具有通高频阻低频的作用，故其可以抑制低频电压信号，保持高频电压信号。根据通频带定义，信号功率下降到最大值的1/2时所对应的频率为通频带，因此，高频段电压信号几乎不变的情况下，降低低频段的电压信号可以使带宽向高频段拓展，有效的提高光电器件的频带宽度，从而提高光电器件的工作速率。
附图说明
图1是实施例中设置电容结构的光电器件的结构示意图。
图2是设置电容结构的光电器件为PIN结构时的结构示意图。
图3是设置电容结构的光电器件为MSM结构时的结构示意图。
图4是设置电容结构的光电器件为雪崩结构时的结构示意图。
附图标记：衬底层1、外延层2、光电转换单元3、第一电极4、第二电极5、第三电极6、第一p型半导体层31、本征层32、第一n型半导体层33、第一金属层34、半导体层35、第二金属层36、第二p型半导体层37、第二n型半导体层38。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制本发明要求保护的范围，而仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为本发明的设置电容结构的光电器件的一类剖面结构示意图，包括衬底层1、外延层2、光电转换单元3、第一电极4、第二电极5和第三电极6。
其中，外延层2设置于所述衬底层1上。
光电转换单元3设置于所述外延层2之中，能接收光信号产生电信号，或者根据接收的电信号对光信号进行调制。
第一电极4、第二电极5和第三电极6均设置于所述外延层2之中。所述第一电极4和所述第二电极5分别连接于所述光电转换单元3的两极。所述第三电极6与所述第二电极5平行以构造成平行板电容器。所述第一电极4还接地。
所述光电器件可以为光电探测器，所述光电转换单元3为光吸收单元，能接收光信号产生电信号。该类光电探测器通过第二电极5和第三电极6在光电探测器中形成平行板电容器，其中第一电极4接地，在第一电极4和第二电极5端加直流偏置电压，为探测器工作电压。当光信号入射到光电探测器时，第一电极4、第二电极5两个端口产生高频电流信号，高频电流信号可以通过第二电极5、第三电极6之间形成的平行板电容器将高频电流信号传输到第三电极6导出。第二电极5、第三电极6之间形成的平行板电容器具有通高频阻低频的作用，可以减小低频段的电流，保持高频段的电流，与pn结电容起到相反的作用。根据带宽定义，信号功率下降到最大值的1/2时所对应的频率为带宽，因此，高频段电流几乎不变的情况下，降低低频段的电流数值可以有效的提高频带宽度，从而提高光电探测器的工作速率。
所述光电器件还可以为电光调制器，所述光电转换单元3为光调制单元，能根据接收的电信号对光信号进行调制。通过所述第一电极4和所述第二电极5为所述电光调制器的有源区施加直流偏置电压，通过所述第一电极4和所述第三电极6为所述电光调制器的有源区施加高频电压信号，通过所述第二电极5和所述第三电极6之间形成的平行板电容器将高频电压信号施加在所述电光调制器的有源区。由于第二电极5、第三电极6之间形成的平行板电容器具有通高频阻低频的作用，故其可以抑制低频电压信号，保持高频电压信号。根据通频带定义，信号功率下降到最大值的1/2时所对应的频率为通频带，因此，高频段电压信号几乎不变的情况下，降低低频段的电压信号可以使带宽向高频段拓展，有效的提高电光调制器的频带宽度，从而提高电光调制器的工作速率。
其中，所述光电转换单元3可以是PIN结构、MSM结构或者雪崩结构，均可使用以上方案来制作设置电容结构的光电器件，均能实现提高光电器件的频带宽度，从而提高光电器件的工作速率的目的。
请参阅图2，当所述光电转换单元3为PIN结构时，光电转换单元3包括依次叠加的第一p型半导体层31、本征层32和第一n型半导体层33。所述第一电极4连接于所述第一n型半导体层33，所述第二电极5连接于所述第一p型半导体层31。可选之一，所述第一p型半导体层31可以为p型锗层，所述本征层32可以为本征锗层，所述第一n型半导体层33可以为n型硅层，本实施例不做具体限制。可选之二，所述第一p型半导体层31可以为p型硅层，所述本征层32可以为本征硅层，所述第一n型半导体层33可以为n型硅层，本实施例不做具体限制。
请参阅图3，当所述光电转换单元3为MSM结构时，光电转换单元3包括依次叠加的第一金属层34、半导体层35和第二金属层36，所述第一电极4连接于所述第一金属层34，所述第二电极5连接于所述第二金属层36。
请参阅图4，所述光电转换单元3为雪崩结构，所述雪崩结构的两极分别为第二p型半导体层37和第二n型半导体层38，所述第一电极4连接于所述第二n型半导体层38，所述第二电极5连接于所述第二p型半导体层37。
对于上述PIN结构、MSM结构或者雪崩结构的光电器件，在任一结构中，所述衬底层1的材质均可以为硅，所述外延层2的材质均可以为二氧化硅。硅的性质稳定、容易提纯，适合作为光电器件的基材。
其中，所述第一电极4、所述第二电极5和所述第三电极6的一端均可以设计为裸露出所述外延层2远离所述衬底层1的一侧，以便于传导电流、电压信号。
可选的，所述第二电极5和所述第三电极6的形状相同，均为圆形或者方形，对称的相对在一起，提高了相对面的面积，提高电容量。所述第二电极5和所述第三电极6的材质相同，均为铝，铝片可以做较薄，以减小平行板电容器的体积，同时增大电容量。
光电器件的电光带宽的下降是由于pn结间势垒电容和扩散电容在高频时产生漏电损耗，从而减小了输出电流导致的。以上实施例设计的光电器件，通过设计平行的第二电极5和第三电极6，第二电极5和第三电极6之间形成的平行板电容器具有通高频阻低频的作用，可以减小低频段的电流或电压信号，保持高频段的电流或电压信号，与pn结电容起到相反的作用。通过减小低频段的电流或电压信号，保持高频段的电流或电压信号从而提高带宽，进一步提高光电器件的工作速率。
以上所描述的仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，本发明的实施例的详细描述并非旨在限制本发明要求保护的范围，而仅仅表示本发明的选定实施例。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。
Claims (10)
1.一种设置电容结构的光电器件，其特征在于：包括
衬底层；
外延层，设置于所述衬底层上；
光电转换单元，设置于所述外延层之中，能接收光信号产生电信号，或者根据接收的电信号对光信号进行调制；
第一电极、第二电极和第三电极，均设置于所述外延层之中；所述第一电极和所述第二电极分别连接于所述光电转换单元的两极；所述第三电极与所述第二电极平行以构造成平行板电容器；所述第一电极还接地。
2.根据权利要求1所述的设置电容结构的光电器件，其特征在于：所述光电转换单元为PIN结构、MSM结构或者雪崩结构。
3.根据权利要求2所述的设置电容结构的光电器件，其特征在于：所述光电转换单元为PIN结构，包括依次叠加的第一p型半导体层、本征层和第一n型半导体层；所述第一电极连接于所述第一n型半导体层，所述第二电极连接于所述第一p型半导体层。
4.根据权利要求3所述的设置电容结构的光电器件，其特征在于：所述第一p型半导体层为p型锗层，所述本征层为本征锗层，所述第一n型半导体层为n型硅层。
5.根据权利要求2所述的设置电容结构的光电器件，其特征在于：所述光电转换单元为MSM结构，包括依次叠加的第一金属层、半导体层和第二金属层，所述第一电极连接于所述第一金属层，所述第二电极连接于所述第二金属层。
6.根据权利要求2所述的设置电容结构的光电器件，其特征在于：所述光电转换单元为雪崩结构，所述雪崩结构的两极分别为第二p型半导体层和第二n型半导体层，所述第一电极连接于所述第二n型半导体层，所述第二电极连接于所述第二p型半导体层。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的设置电容结构的光电器件，其特征在于：所述衬底层的材质为硅，所述外延层的材质为二氧化硅。
8.根据权利要求1～6任意一项所述的设置电容结构的光电器件，其特征在于：所述光电器件为光电探测器，所述光电转换单元为光吸收单元。
9.根据权利要求1～6任意一项所述的设置电容结构的光电器件，其特征在于：所述光电器件为电光调制器，所述光电转换单元为光调制单元。
10.根据权利要求1所述的设置电容结构的光电器件，其特征在于：所述第二电极和所述第三电极的形状相同，均为圆形或者方形；所述第二电极和所述第三电极的材质相同，均为铝。
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