CN1170381C - 高速、高灵敏度的谐振腔增强型光电探测器的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速、高灵敏度的谐振腔增强型(RCE)光电探测器的制备方法。本发明其特征在于：它通过离子注入造成器件部分电极绝缘，使得导电区域呈现梳状或网孔状的微结构，降低了探测器的固有电容。本发明涉及的方法解除了RCE光电探测器的光耦合效率与响应速率之间互相制约的矛盾，势将对今后光波与光电子器件的发展产生重要而深远的影响。

Description

高速、高灵敏度的谐振腔增强型光电探测器的实现方法

技术领域

本发明涉及一种光波光电子器件的实现方法，特别涉及一种高速、高灵敏度的谐振腔增强型(RCE)光电探测器的实现方法。

背景技术

随着高速、长距离光纤通信技术的飞速发展，要求相应的光接收器件具有高灵敏度、高速响应(＞40Gbit/s)的能力。对传统的pin(其中p和n型材料作为电极层对光无吸收效应，而i型材料作为光波的吸收层)光电探测器来说，其量子效率和响应速度之间存在着一种此长彼消的制约关系，二者都与吸收层厚度有关，不可兼得。谐振腔增强型(ResonantCavity Enhanced)光电探测器从器件结构上解决了这一问题，它的基本结构是在法布里-帕罗谐振腔(F-P腔)中插入薄的吸收层，由于光波在谐振腔中的谐振增强效应，此类器件在较薄的吸收层情况下即可以获得较高的量子效率。因而器件的响应速度不受光生载流子的耗尽区的渡越时间限制，具有高速响应的潜力。并且与波导型光电探测器的边耦合方式相比，具有光耦合效率高，耦合封装简单的优点。这些特点使得它成为未来宽带光纤通信系统的高速接收器件的首选。

RCE光电探测器由于吸收层厚度很薄，具有高速响应的特点。但是在实际应用中，为了保证光波的耦合效率，RCE探测器的台面(即入光面)面积不能小于一定值，而器件的固有电容与台面面积大致成正比关系，因此器件固有电容的充放电时间成为了制约器件高速响应的主要因素。因而器件的响应速率与光耦合效率之间，存在着互相制约的关系。

此外，与目前光纤通信的低损耗、低色散的1.55μm波长窗口相对应，波长1.55μm的InP(磷化铟)基RCE光电探测器的制备仍存在困难。RCE结构中的谐振腔是由一对相互平行的介质膜分布布拉格反射镜(DBR)构成；要获得高的量子效率，通常要求构成谐振腔的底镜的反射率接近100％。对于1.55μm光波具有吸收效应的In_0.53Ga_0.47As(铟镓砷)材料是在InP衬底上外延生长而成的，InGaAsP/InP(铟镓砷磷/磷化铟)材料的折射率差很小；为了获得高反射率InGaAsP/InP介质膜DBR反射镜，要求组成的介质膜对数较多(大于35对)，因此器件的外延生长比较困难。目前所采用的解决方法有：将In_0.53Ga_0.47As吸收层与高反射率的Si/SiO₂(硅/二氧化硅)介质膜DBR键合(wafer-bonding)，获得了约48％的量子效率；类似的还有将In_0.53Ga_0.47As吸收层与高反射率的GaAs/AlGaAs(砷化镓/铝镓砷)介质膜DBR键合，获得约80％的量子效率。但是，键合需要经过贴紧、加压、加热以及衬底去除等工艺过程，使得器件制备成本增加。

有鉴于此，如何解除RCE光电探测器中响应速率与光耦合效率之间互相制约的矛盾，解决InGaAsP/InP介质膜DBR反射率低的问题，从而获得高速、高灵敏度的1.55μm波长的RCE光电探测器；同时具有低廉的成本，以满足光电子技术应用领域发展的要求，这是本发明研创动机所在。

本发明设计人凭借多年从事半导体研究生产加工等领域的实际经验，在反复研究论证的基础上，终得本发明的产生。

本发明内容

本发明的目的是提供一种高速、高灵敏度谐振腔增强型(RCE)光电探测器的制备方法。

本发明的目的可按下述方式实现

本发明一种高速、高灵敏度的谐振腔增强型光电探测器的实现方法，在半导体衬底上，外延生长顶镜、电极层、本征隔离层、本征吸收层，其特征在于：采用离子注入使得探测器的两个不同平面上的上电极层绝缘，从而降低探测器的固有电容。

离子注入后，两个不同平面上的某个电极层呈梳状或网孔状结构。

在半导体衬底上，外延生长顶镜、电极层、本征隔离层、本征吸收层。为了获得高响应速率，电极层是利用质子注入使器件的部分电极绝缘，使得器件的电极区域呈现梳状分布，从而减小了器件的固有电容。同时对于InP基衬底RCE光电探测器，采用衬底入光的方式，底镜由蒸镀的高反射率Si/SiO₂介质膜DBR构成，解决了InGaAsP/InP介质膜DBR反射率低的问题；介质膜反射底镜亦包括溅射或涂敷等方法形成。

本发明中器件的部分电极区经过质子注入后，其电极呈现梳状微结构。只要选择叉指电极的宽度与间隙的比例，就可以控制电极区的面积大小(即器件固有电容的大小)。对于目前的微细加工工艺，叉指电极的宽度与间隙可以做的极小，此时梳状电极的结构不会增加光生载流子在耗尽区的渡越时间。并且质子注入后的绝缘区域经过一定温度的退火工艺，可以消除绝缘区域对光波的吸收损耗。因此在不影响光波通过的条件下，实现了高的耦合效率和响应速率。

电极区并不限于梳状，也可以为网孔状微结构等，只要绝缘区域较窄就不会影响光生载流子的渡越时间。并且电极的绝缘方法不限于质子(氢离子)注入，也可以采用氦离子注入等方法。所采用的材料不局限于InP基的半导体材料，对于GaAs(砷化镓)基或Si(硅)基的RCE光电探测器同样适用。

下面结合附图进一步阐明本发明实施例。

附图说明

图1为本发明器件质子注入时的结构图。

图2为本发明器件的整体结构图。

1…高能质子束流  2…掩膜层  3…绝缘区域  4…InGaAsP隔离层5…InGaAs吸收层  6…InGaAsP隔离层  7…InP衬底8…InP/InGaAsP DBR顶镜  9…p型电极层  10…n型电极层11…Si/SO₂DBR底镜  12…入射光波  13…n型梳状电极

本发明的具体实现方式

本发明实施例器件是在InP衬底7上，依次外延生长InP/InGaAsP介质膜DBR顶镜8、p型惨杂电极层9、InGaAsP本征隔离层6、InGaAs本征吸收层5、InGaAsP本征隔离层4以及n型惨杂电极层10，其中电极层9和10都为InGaAsP材料。在本发明实施例中，采用厚光刻胶作为掩膜层2，掩膜材料为有机聚合物，金属或其他有效材料，掩膜是覆盖在半导体电极层表面上也可以悬浮于半导体电极层表面；经过涂胶、预烘、光刻、坚膜后，进行质子注入，具体结构如图1所示。其中没有光刻胶2保护的区域由于质子注入而变为绝缘区域3，于是在n型电极层10上形成了梳状电极13。接着用丙酮除去表面的光刻胶，清洗、烘干，然后蒸镀Si/SO₂介质膜DBR底镜11，具体结构如图2所示。光波12由衬底7背入射。

对于Si/SO₂介质膜DBR，其反射率容易达到接近100％的水平，满足了RCE光电探测器结构中高反射率底镜的要求；同时器件顶镜的反射率并不要求很高，因此InP/InGaAsP介质膜DBR顶镜8能够满足要求，该器件结构能够获得高的量子效率。

当光波入射时，吸收层5吸收光子所产生的光生载流子将通过吸收层5和隔离层(对于电子是隔离层4，对于空穴则是隔离层6)，从而到达两侧的电极区。由于p型电极层9与梳状电极13之间存在内建电场，在电场力的作用下光生载流子(空穴和电子)将分别被p型电极层9和n型梳状电极13收集。只要n型叉指电极13间距足够小，几乎所有的电子都将被梳状电极13收集。

采用目前的微加工工艺，可以实现极小的绝缘区域3的宽度(＜0.2μm)，因此不会增加光生载流子在耗尽区的渡越时间。绝缘区域3经过大约1小时300℃的退火工艺，可以消除质子注入所造成的对光波的吸收损耗。因此离子注入的方法在不影响光波吸收(即器件的量子效率)的条件下，降低了器件的固有电容，提高了器件的响应速率。所采用的材料不局限于InP基的半导体材料

本发明彻底解除了RCE光电探测器的光耦合效率与响应速率相互制约的矛盾，实现了波长1.55μm的高速、高灵敏度的InP基谐振腔增强型(RCE)光电探测器，势将对今后光波与光电子器件的发展产生重要而深远的影响。以上所述乃本发明的具体实例及所运用的技术原理，依本发明的构想所做的等效变换，只要其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内，特此说明。

Claims (2)

1、一种高速、高灵敏度的谐振腔增强型光电探测器的实现方法，在半导体衬底上，外延生长顶镜、电极层、本征隔离层、本征吸收层，其特征在于：采用离子注入使得探测器的两个不同平面上的上电极层绝缘，从而降低探测器的固有电容。

2、根据权利要求1所述的高速、高灵敏度的谐振腔增强型光电探测器的实现方法，其特征在于，离子注入后，两个不同平面上的某个电极层呈梳状或网孔状结构。

Images