CN117650190A - 一种适用于非偏振光的等离激元电极光电探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于非偏振光的等离激元电极光电探测器。器件包括底部的衬底；置于所述衬底上方的半导体层；置于所述半导体层上方的圆环型叉指电极阵列，所述圆环型叉指阵列电极通过阵列间的电极连接线进行电连接；置于所述圆环型叉指阵列电极左右两侧的长方形电极，两侧方形电极分别构成探测器的正极和负极，用于为探测器施加偏置电压，两侧正负电极通过电极连接线与圆环型叉指阵列电极相连接，圆环电极阵列与电极连接线构成圆环型叉指电极阵列结构。本发明通过调节圆环电极的内圆和外圆半径以及排列形式，以此实现器件对入射光的偏振不敏感效果，提高入射光的吸收效率以及探测器的带宽。

Description

一种适用于非偏振光的等离激元电极光电探测器

技术领域

本发明属于光电器件技术领域，主要涉及一种适用于非偏振光的等离激元电极光电探测器结构。

背景技术

光电探测器是利用光电效应能够将光信号转换为电信号的器件，有着广泛的应用领域。根据不同的工作波段可以分为红外光电探测器、可见光光电探测器、紫外光电探测器三类。其中最为常见的红外探测器已被广泛应用于红外成像、夜视仪、太空探测、安防检测和生物医学等重要领域，因此对于红外探测器的研究也极为火热。用于红外探测器的可选材料多种多样，例如HgCdTe、InGaAs、GaAs、Si等。其中，GaAs半导体材料具有直接带隙、高的电子迁移率、耐高温、低功率、从紫外到近红外的宽吸收光谱等优点；InGaAs材料通过改变InP组分，能够实现对1～3μm范围的入射光进行探测，具有工艺水平成熟、探测体积小等优点，因此被广泛应用于光探测领域。然而，此类光电探测器仍有较多缺陷，半导体材料本身的吸收效率不高，光电转换效率较低下和器件带宽小等问题。

最近研究表面，利用金属纳米结构在光照下产生的表面等离激元现象，能够将光场局域在金属结构表面，并获得极大的场增强。可以有效的提高光电探测器的响应性能。然而，基于叉指和光栅结构的光电探测器对于入射光的偏振有着很强的依赖性，这种偏振依赖性也是限制其发展的一个主要问题。

例如，外部环境的刺激会使半导体激光器和光纤激光器发生偏振改变，此外，当光纤与普通单模光纤耦合时，偏振不能保持一致；此外，通过光学滤波器对ASE宽带光源进行整形滤波，再将滤波后的光谱输入到高速光电探测器中可以得到毫米波噪声，宽带光源输出的光偏振方向难以控制，适用于不同偏振入射光的探测器能够增加入射光的吸收效率，提高输出功率。

因此，研制一种适用于非偏振光的光电探测器十分重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于非偏振光的圆环型叉指阵列电极光电探测器结构，圆环型叉指阵列电极能够不依赖于入射激光的偏振而激发局域表面等离激元效应，从而解决使用光栅结构电极的光电探测器对于入射光偏振敏感，吸收效率低等问题；同时，在相同输运距离下，降低器件有源区的电容，降低暗电流，提高器件RC带宽，由此提高探测器总带宽。

基于上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种适用于非偏振光的等离激元电极光电探测器，包括：衬底、半导体层、电极层、增透层；所述电极层包括圆环型叉指阵列电极、左右正负电极；所述圆环型叉指阵列电极包括了圆环电极与圆环电极连接线。

进一步而言，所述圆环型叉指阵列电极通过圆环电极连接线相连接并置于正负电极之间，圆环电极阵列按排布方式不同可以分为：交错分布型和对齐分布型排列。

进一步而言，所述电极层与半导体层之间形成欧姆接触或肖特基接触，所述圆环型叉指阵列电极结构在入射光场作用下，金属电极表面自由电子会被激发，满足等离激元共振条件时，在金属电极周围产生局域电场增强，增加半导体层对入射光的吸收效率，提升响应度。

进一步而言，所述圆环型叉指阵列电极通过圆环电极连接线将圆环电极结构与左右正负电极进行电连接，相邻的每排圆环电极极性相反，当不同偏振方向的入射光照射器件时，半导体层的吸收率保持稳定。

进一步而言，对于交错分布型结构，任一圆环与周围相邻圆环的最小间距相等；通过减小相邻圆环的距离，缩短输运距离，提升探测器的载流子输运带宽；对于对齐分布型结构，圆环呈规则的矩形阵列排布，通过减小每一排的间距来缩短输运距离，提升输运带宽。

进一步而言，所述电极层材质为Ti、Al、Ni、Ge、Au、Ag或其合金。

进一步而言，所述半导体层的材质为GaAs、InGaAs、InGaAs/InAlAs超晶格材料、ErAs：In(Al)GaAs等。

进一步而言，所述增透膜材质为SiNx、SiOx等。

另外，本发明还提出一种适用于非偏振光的圆环型叉指阵列等离激元电极光电探测器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：采用金属有机化学气相沉积或分子束外延方法在临时衬底上生长外延层；

步骤二：在所述外延层表面光刻、蒸镀一次金属、剥离金属，形成圆环阵列电极、电极连接线和左右正负电极；

步骤三：对上述结构进行光刻和刻蚀，形成台面结构，由此得到台面半导体外延层，所述半导体外延层的上表面覆盖着步骤二所得到的金属电极层；

步骤四：光刻及蒸镀金属，形成共面波导电极与左右正负电极接触，形成电连接，用于后续封装焊线。

本发明提供了一种适用于非偏振光的等离激元电极光电探测器结构，从下至上包括置于底部的衬底，所述衬底可以为Si、InP、GaAs等具有较高导热性能的半导体材料；置于衬底上方的半导体层，所述半导体层在受到光照射时，当入射光能量大于半导体层材料的禁带宽度，半导体会吸收光子能量产生电子-空穴对，在外加偏压的电场下将光生载流子输运至两侧电极，从而在电极处收集形成光电流，进一步限定，所述半导体层材料可为GaAs、InGaAs、InGaAs/InAlAs超晶格材料、ErAs：In(Al)GaAs等半导体材料；

置于半导体层上方的电极层包括圆环电极阵列、左右正负电极、电极连接线，所述电极层与所述半导体层形成欧姆接触或肖特基接触，所述圆环电极阵列与电极连接线置于左右正负电极之间，圆环电极阵列按照特定周期排布，每一排圆环结构数量相同，可以形成两种分布类型，分别是：对齐分布型，即每排圆环电极对齐排列；交错分布型，即每排之间的圆环电极相互错开排列，每一排的圆环电极通过电极连接线连接并与一侧的正电极或者负电极连接，且相邻排之间的圆环型电极与不同侧方形电极相连接。

所述金属纳米结构在入射光的作用下，其表面的自由电子会被激发，当光和自由电子作用的频率一致时，就会产生共振现象，这种表面等离激元局域在金属纳米结构周围表面时的现象，被称为局域表面等离激元(LSPR)，圆环结构能够将不同偏振方向的入射光局域在其内部金属表面，并产生场增强，可以显著提高半导体层对于入射光的吸收。

为了提升器件带宽性能，探测器带宽主要有两个变量决定，分别是载流子输运时间和RC时间常数，探测器带宽公式可以表示为：

其中，τ_trans为载流子输运时间，τ_RC为RC时间常数。

对于同一种材料，载流子输运时间由输运距离决定，当电极输运距离减小时，会缩短载流子输运时间，但电极距离减小会导致器件有源区电容增加，导致RC时间常数增大，因此输运距离的减小和带宽的增加这两者存在制约关系。

RC时间常数与探测器有源区电容有关，对于叉指电极类型的探测器，定性分析其电容公式可以表示为：

其中，∈_r是半导体的相对介电常数，A为探测器的探测面积，P是叉指电极周期，K(k)是第一类完全椭圆积分，

其中，w是电极宽度，w与P的比值即叉指电极的占空比，根据公式可知其余变量一定时，占空比越大，探测器的电容越大。

本发明提出的圆环型叉指阵列电极，相比于传统叉指电极结构，在叉指长度相同、输运距离相同时，圆环型叉指阵列电极的平均占空比小于叉指电极，因此能够得到更小的有源区电容，增加探测器的带宽。

所述电极层材料可为Ti、Al、Ni、Ge、Au、Cr等高电导率金属中的一种或几种组合；

所述左右正负电极一侧外接正极，一侧外接负极，用于为探测器施加偏压；

所述增透膜覆盖在半导体和电极层之上，增透膜材质为氮化硅、二氧化硅等介质材料。

本发明具有如下的优点和有益技术效果：

1)本发明提出的一种适用于非偏振光的等离激元电极光电探测器，同时实现了光电探测器半导体层对于不同入射光偏振方向下的稳定吸收，提高了吸收率；同时实现探测器响应带宽提升的效果；

2)本发明提出的圆环阵列电极结构，并用电极连接线将每一排圆环结构相连接，并且相邻排之间与正负极交替进行电连接，由此构成正-负-正的电极排列形式；相对传统叉指电极而言，通过缩短每排圆环电极的间距，来减小载流子输运距离，降低载流子渡越时间，提高探测器的输运带宽；但电极间距的减小会导致有源区电容的增大，从而影响RC带宽，通过圆环阵列结构可以有效减少最短输运距离时的电极长度，在相同有源区面积下避免RC带宽的减小，提高探测器的响应带宽。

3)本发明提出的圆环型阵列电极按照一定的周期性排列，经过仿真模拟验证，圆环型阵列电极具有对入射光偏振不敏感的优点；且在光场作用下，电极-半导体层界面形成局域场增强，增加半导体层对入射光的吸收效率，使电极收集到更多的光生载流子，提高探测器光电转换效率。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明中提出的非偏振光光电探测器结构中单元结构的中心切面示意图。

图2为本发明中提出的非偏振光光电探测器结构中单元结构的俯视图。

图3为本发明中提出的非偏振光光电探测器结构的交错分布型结构的俯视图。

图4为本发明中提出的非偏振光光电探测器结构的对齐分布型结构的俯视图。

图5为本发明中提出的非偏振光光电探测器结构与叉指电极结构的半导体层光吸收率随着偏振方向变化的曲线图。

图6为本发明中提出的非偏振光光电探测器结构中的单元结构的切面电场示意图。

图7为本发明中提出的非偏振光光电探测器结构带宽随载流子输运时间的影响，以及两种探测器结构的带宽差值Δf与载流子输运时间的关系。

图中的附图标记有：

1：所述非偏振光光电探测器结构的增透层；2：所述非偏振光光电探测器结构的电极层；3：所述非偏振光光电探测器结构的半导体层；4：所述非偏振光光电探测器结构的衬底；5：所述非偏振光光电探测器结构的电极层中的圆环电极；6：所述非偏振光光电探测器结构的电极层中的电极连接线。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本发明公开了一种适用于非偏振光的等离激元电极光电探测器结构及其制备方法，器件结构包括底部的衬底；置于所述衬底上方的半导体层；置于所述半导体层上方的圆环型叉指电极阵列，所述圆环型叉指阵列电极通过阵列间的电极连接线进行电连接；置于所述圆环型叉指阵列电极左右两侧的长方形电极，两侧方形电极分别构成探测器的正极和负极，用于为探测器施加偏置电压，两侧正负电极通过电极连接线与圆环型叉指阵列电极相连接，圆环电极阵列与电极连接线构成圆环型叉指电极阵列结构。

本发明提出的基于圆环型叉指阵列电极的非偏振光光电探测器结构，通过调节圆环电极的内圆和外圆半径以及排列形式，以此实现器件对入射光的偏振不敏感效果，提高入射光的吸收效率以及探测器的带宽。

图1是根据示例性实施例提出的一种非偏振光光电探测器结构中单元结构的中心切面示意图。参考图1，本发明实施例提供一种非偏振光光电探测器结构，包括：所述非偏振光光电探测器结构的增透层1，所述非偏振光光电探测器结构的电极层2，所述非偏振光光电探测器结构的半导体层3，所述非偏振光光电探测器结构的衬底4，所述非偏振光光电探测器结构的电极层中的圆环电极5，所述非偏振光光电探测器结构的电极层中的电极连接线。所述非偏振光光电探测器结构的增透层1置于电极层2和半导体层3之上，用于增加入射光的透射并减少反射；电极层2置于增透层1和半导体层3之间，其包含了圆环型叉指阵列电极、左右正负电极，圆环型叉指电极阵列包括了圆环电极5与电极连接线6。

该半导体层3置于圆环型叉指阵列电极2和衬底4之间，用于对入射光的吸收，并在其内部产生光生电子-空穴对，在外置偏压的作用下，电子向正极漂移，空穴向负极漂移，由电极收集并形成光电流输出。

图2为本发明中提出的一种非偏振光光电探测器结构中的单元结构的俯视图。

图3为本发明中提出的一种非偏振光光电探测器结构交错分布型结构的俯视图。

图4为本发明中提出的一种非偏振光光电探测器结构的对齐分布型结构的俯视图。

图5为本发明中提出的一种非偏振光光电探测器结构与叉指电极结构的半导体层光吸收率随着偏振方向变化的曲线图。

图6为本发明中提出的一种非偏振光光电探测器结构的单元结构的电场切面示意图。

图7为本发明中提出的一种非偏振光光电探测器结构带宽随载流子输运时间的影响，以及探测器有源区电容不同时带宽差值与载流子输运时间的影响。

结合图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7对本发明中的非偏振光光电探测器结构进行说明。

由上述实施例可知，本发明提出的圆环型叉指阵列电极结构，采用的圆环电极结构实现半导体层对不同偏振方向的入射光都保持一定的吸收效率，通过仿真得到特定的圆环结构周期，在光场作用下，金属-半导体表面会产生局域场增强，提高探测器光电转换效率；圆环型叉指阵列电极结构相邻排分别与正负极接触，对于交错结构，缩短同一排圆环结构的距离可以缩短载流子输运的距离，由此提升器件的载流子输运带宽，圆环型叉指阵列电极能够减少最短输运距离时正负电极之间的面积，在相同有源区面积下，降低器件有源区电容，避免由于距离缩短造成电容上升的问题，增加探测器的RC带宽。以此提升探测器的带宽。

其中，通过缩短同一排圆环结构的距离可以缩短载流子输运的距离，通过设计相邻圆环结构的间距，实现在特定波长相邻圆环的等离激元谐振增强。

本实施例中，半导体材料可以采用铟镓砷(InGaAs)、砷化镓(GaAs)。砷化镓和铟镓砷等半导体材料具有载流子寿命短、迁移率高、电阻率较大和覆盖通信频段的特性，因此作为光电探测器的半导体层。

本实施例中，图1是根据示例性实施例提出的非偏振光光电探测器结构中单元结构中心切面示意图。

具体地，本实施例中所设计的光电探测的响应波长为C波段。所述衬底的厚度b通常大于50微米，所述的半导体层厚度c设置为1～3微米，所述的电极层厚度h1为200-270纳米，所述的圆环电极的内圆直径w为0.4-0.5微米，所述的圆环电极外圆与内圆半径之差r为0.65-0.7微米(即，圆环壁厚0.65-0.7微米)。

优选地，以1550nm的InGaAs作为半导体层为例，所用电极层材料为Au，所用衬底材料为InP，所用的增透层材料为Si₃N₄，所述参数中a＝3.34μm，c＝1μm，d＝0.5μm，h1＝0.25μm，h2＝0.164μm，w＝0.98μm，r＝0.68μm，仿真入射光波长选择lambda＝1550μm。

图5是根据示例性实施例提出的一种非偏振光光电探测器结构与叉指电极结构的半导体层对于不同偏振角度入射光的光吸收率曲线。改变入射光的偏振角度，半导体层的光吸收如图5所示，本发明结构对比与叉指电极结构，对于各个方向入射光吸收率均达到70％以上，从而极大程度增强了器件对于不同偏振方向入射光的吸收效率，提高了光利用率。

图6是根据示例性实施例提出的一种非偏振光光电探测器结构的单元结构切面电场示意图。由图可知在所述结构中，圆环内部局域电场相比叉指电极结构有显著增强，这是因为入射光照射在金属纳米圆环结构处，金属表面的导带自由电子发生集体运动，使表面电子云偏离原子核。此时，金属结构的弯曲表面对集体运动的自由电子施加了一个有效回复力，导致了电子在原子核附近的集体振荡，产生了局域表面等离子体谐振(LSPR)现象，造成光场局域在圆环电极-半导体界面，并产生极强的场增强效果。

通过与叉指电极结构的光电探测器作为对比，体现本发明探测器结构的带宽优势。仿真电容时正负极之间最短输运距离相同，电极指长相同，得到两种结构的电容值，叉指电极结构电容值为19.41fF，本发明探测器结构电容值为11.11fF，所述的非偏振光光电探测器结构电容相比于传统叉指电极电容减小40％左右。

根据公式计算得出不同结构下的器件带宽，得到非偏振光光电探测器相比于叉指电极带宽增长数值随着载流子输运时间的变化，在0.6ps的载流子输运时间时，带宽对应提升量Δf＝55GHz。图7为本发明中提出的一种非偏振光光电探测器结构带宽随载流子输运时间的影响，以及两种结构的带宽差值Δf与载流子输运时间的影响。

根据以上的非偏振光光电探测器结构的不同偏振角度入射光的吸收谱、切面电场增强图之后，设计的结构从结果中可以看出，极大的提高了半导体层对光的吸收效率，缩短载流子输运距离的同时，避免了RC带宽的下降，达到了提高探测器转换效率和提升带宽的目的。

实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于非偏振光的等离激元电极光电探测器，其特征在于，包括：衬底、半导体层、电极层、增透层；所述电极层包括圆环型叉指阵列电极、左右正负电极；所述圆环型叉指阵列电极包括了圆环电极与圆环电极连接线。

2.根据权利要求1所述的适用于非偏振光的等离激元电极光电探测器，其特征在于：所述圆环型叉指阵列电极通过圆环电极连接线相连接并置于正负电极之间，圆环电极阵列按排布方式不同可以分为：交错分布型和对齐分布型排列。

3.根据权利要求1所述的适用于非偏振光的等离激元电极光电探测器，其特征在于：所述电极层与半导体层之间形成欧姆接触或肖特基接触，所述圆环型叉指阵列电极结构在入射光场作用下，金属电极表面自由电子会被激发，满足等离激元共振条件时，在金属电极周围产生局域电场增强，增加半导体层对入射光的吸收效率，提升响应度。

4.根据权利要求1所述的适用于非偏振光的等离激元电极光电探测器，其特征在于：所述圆环型叉指阵列电极通过圆环电极连接线将圆环电极结构与左右正负电极进行电连接，相邻的每排圆环电极极性相反，当不同偏振方向的入射光照射器件时，半导体层的吸收率保持稳定。

5.根据权利要求1所述的适用于非偏振光的等离激元电极光电探测器，其特征在于：对于交错分布型结构，任一圆环与周围相邻圆环的最小间距相等；通过减小相邻圆环的距离，缩短输运距离，提升探测器的载流子输运带宽；对于对齐分布型结构，圆环呈规则的矩形阵列排布，通过减小每一排的间距来缩短输运距离，提升输运带宽。

6.根据权利要求1所述的适用于非偏振光的等离激元电极光电探测器，其特征在于：所述电极层材质为Ti、Al、Ni、Ge、Au、Ag或其合金。

7.根据权利要求1所述的适用于非偏振光的等离激元电极光电探测器，其特征在于：所述半导体层的材质为GaAs、InGaAs、InGaAs/InAlAs超晶格材料、ErAs：In(Al)GaAs等。

8.根据权利要求1所述的适用于非偏振光的等离激元电极光电探测器，其特征在于：所述增透膜材质为SiNx、SiOx等。

9.一种适用于非偏振光的等离激元电极光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：采用金属有机化学气相沉积或分子束外延方法在临时衬底上生长外延层；

步骤二：在所述外延层表面光刻、蒸镀一次金属、剥离金属，形成圆环阵列电极、电极连接线和左右正负电极；

步骤三：对上述结构进行光刻和刻蚀，形成台面结构，由此得到台面半导体外延层，所述半导体外延层的上表面覆盖着步骤二所得到的金属电极层；

步骤四：光刻及蒸镀金属，形成共面波导电极与左右正负电极接触，形成电连接，用于后续封装焊线。