CN100516794C

CN100516794C - 半球形和球形双光子响应半导体光电探测器

Info

Publication number: CN100516794C
Application number: CNB2007100552717A
Authority: CN
Inventors: 贾刚; 陈占国; 刘秀环; 时宝
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2027-01-25
Also published as: CN101013049A

Abstract

本发明具体涉及一种可用于超短光脉冲测量***、光电集成***和光通信***的半球形和球形双光子响应半导体光电探测器。半球形双光子响应半导体光电探测器，由半导体半球(1)、金属电极对(2，2’)和显微物镜(3)组成，其特征在于：半导体半球(1)的半径小于显微物镜(3)的工作距离，半导体半球(1)的球心位于显微物镜(3)的焦点处，金属电极对(2，2’)位于半导体半球(1)的平面内，入射的平行光(4)经显微物镜(3)聚焦后垂直于半导体半球(1)的球面入射，沿着半径方向前进，最后聚焦光束的焦点落在球心处，在金属电极对(2，2’)上施加直流电压，通过对光生电流的测量来实现对入射光功率进行相对测量。

Description

半球形和球形双光子响应半导体光电探测器

技术领域

本发明属于信息科学与技术领域，具体涉及一种可用于超短光脉冲测量***、光电集成***和光通信***的半球形和球形双光子响应半导体光电探测器。

技术背景

上世纪九十年代，有人开始把普通光电探测器作为双光子响应光电探测器使用，用来构造光学自相关***，测量超短光脉冲[Y.Takagi，T.Kobayashi，K.Yoshihara，and S.Imamura，Optics Letters 17，658(1992)；L.P.Barry，P.G..Bollond，J.M.Dudley，J.D.Harvey，and R.Leonhardt，Electronics Letters，32，1922(1996)]。他们用透镜把入射光束聚焦到普通平板型光电探测器上，用一只双光子响应半导体光电探测器代替了倍频晶体与光电倍增管。在光电流测量方面与通常的半导体光电探测器完全相同，不仅大大简化了光学自相关***，而且使***变得方便适用。

但是这样构造的双光子响应光电探测器的灵敏度比较低，只能用来测量峰值功率在几十瓦，甚至几百瓦以上的超短光脉冲。因此后来有人研制了波导型双光子响应光电探测器[T.K.Liang，H.K.Tsang，I.E.Day，J.Drake，A.P.Knights，andM.Asghari，Applied Physics Letters，81，1323(2002)]，利用增加入射光与半导体材料的作用距离来提高光电探测器的灵敏度。也就是利用显微物镜把入射光聚焦到波导型光电探测器的入口端，然后使入射光通过足够长的波导，使尽可能多的光子通过双光子响应被吸收，输出较强的光电流。但是这种器件的制造工艺很复杂。

当光子能量小于半导体材料的禁带宽度、但大于禁带宽度的一半的光束入射到半导体材料上时，如果入射光的功率密度足够高，则可以把半导体材料价带中的电子激发到导带，产生本征吸收。这一现象被称为双光子响应。利用双光子响应原理工作的光电探测器，称为双光子响应光电探测器。它与通常半导体光电探测器在许多方面是相同的，与通常半导体光电探测器的主要区别有三：(1)用光子能量定义，它的响应范围在半导体材料禁带宽度的一半与禁带宽度之间。(2)双光子响应光电探测器输出的光电流与入射光的功率密度的平方成正比。(3)在使用时需用透镜把入射光束聚焦到双光子响应光电探测器上，用来提高光功率密度。

除了以上三点，其他方面与通常的半导体光电探测器没有本质的不同，所以可以借鉴通常半导体光电探测器设计与制作方面的技术来设计与制作双光子响应半导体光电探测器，测量光功率时所用到的电子线路同样也可以借鉴通常半导体光电探测器所用的测量电路。

所以发明一种灵敏度高并且制造工艺简单的双光子响应光电探测器是有意义的。

发明内容

本发明的目的是提供一种半球形和球形双光子响应半导体光电探测器，这种类型的光电探测器的特点是输出的光电流与入射光的功率密度的平方成正比。目前主要用于光学自相关装置，用来测量超短激光脉冲。制造所发明的光电探测器的技术是通常的光学技术和半导体技术。

半球形双光子响应半导体光电探测器由半导体半球、金属电极对和显微物镜组成，其特征在于：半导体半球的半径小于显微物镜的工作距离，半球的球心位于显微物镜的焦点处，金属电极对位于半导体半球的平面内，入射的平行光经显微物镜聚焦后垂直于半球的球面入射，沿着半径方向前进，最后聚焦光束的焦点落在球心处，双光子响应主要发生在球心处。

该探测器能够对光子能量小于半导体材料的禁带宽度、但大于禁带宽度一半的入射光的功率进行探测。

这种半球形双光子响应半导体光电探测器在使用时，显微物镜的轴线垂直于半球的平面，并且通过球心。要把入射的平行光用显微物镜聚焦，使聚焦光束垂至于半球的球面入射，沿着半径方向前进，最后聚焦光束的焦点恰好落在球心处，双光子响应主要发生在球心处。

根据所探测光的波长，选择具有合适禁带宽度的半导体材料。而对材料的种类没有限制，可以选择元素半导体材料(例如硅、锗和金刚石等)、化合物半导体材料(例如III-V族材料砷化镓、磷化镓和氮化镓等，II-VI族材料氧化锌、碲化锌和硫化锌等)、混晶半导体材料(例如三元系的砷化镓铝、四元系的砷磷化镓铟等)等许多种半导体材料。半导体材料的选用主要依据所要探测的光的波长来确定。在禁带宽度合适的情况下，材料越便宜造价越低。

双光子响应半导体光电探测器所用的聚焦透镜一般选用显微镜的物镜，数值孔径(NA)越大越好。一般数值孔径越大，工作距离越短。材料选定后，根据所选用的显微物镜的工作距离确定半导体半球或球的半径。半球或球的半径必须小于显微物镜的工作距离。至于小到什么程度没有限制，只要能加工出来，越小越好。用光学透镜加工技术加工出来的半导体材料半球，要求对球面和平面进行抛光。使用时，要把入射的平行光用显微物镜聚焦，使聚焦光束垂直于半球的球面入射，沿着半径方向前进，最后聚焦光束的焦点恰好落在球心处，双光子响应主要发生在球心处。为了减少球面的反射，可以用通常的光学镀膜技术在半导体半球的球表面镀增透膜，以进一步提高探测器的灵敏度。

半球形双光子响应半导体光电探测器的两个金属电极做在半导体半球的平面内。金属电极与半导体的接触没有特殊要求，可以是欧姆接触，也可以是肖特基势垒接触。所以对金属材料的选择范围很大，金属电极可以选用铝、金等容易真空镀膜的任何金属材料，也可以是合金材料。

上述半球形双光子响应半导体光电探测器的两个金属电极均位于半球形半导体材料的平面内，可以有两种结构：一种结构是圆心位于球心处的圆形电极及与其同心的圆环形电极组成的电极对；另一种结构是相对于球心对称的两个扇形或条形电极组成的电极对，条形电极相对端可以是尖的，圆的或平的，参见图1。

作为双光子响应光电探测器使用时，在金属电极对上施加直流电压，通过对光照产生的光生电流的测量，可以实现对入射光功率进行相对测量。

显微物镜的工作距离越小越好，一般可选在1.0～6.0毫米之间。半导体半球可以选禁带宽度在0.5～10.0电子伏特的半导体材料制作，其半径越小越好，一般可选在0.5～3.0毫米之间。圆形电极的半径一般可选在0.1～1.0毫米之间，圆环形电极的内径一般可选在0.2～1.5毫米之间，圆环形电极的外径一般可选在0.3～3.0毫米之间；扇形电极的角度一般可选在10度～90度之间，尖端之间的距离一般可选在0.05～1.0毫米之间；条形电极的宽度一般可选在0.05～1.0毫米之间，条形电极间的距离一般可选在0.05～1.0毫米之间；所加直流电压的范围一般可选在1～500伏特之间，具体数据根据具体情况而定。

球形双光子响应半导体光电探测器由两个紧密结合成球形的半导体半球、金属电极对和显微物镜组成，其特征在于：两个半导体半球的材料相同，两个半导体半球的半径小于显微物镜的工作距离，半球的球心位于显微物镜的焦点处，金属电极对位于其中(一般为第一个半导体半球)一个半导体半球的平面内，入射的平行光经显微物镜聚焦后垂直于半球的球面入射，沿着半径方向前进，最后聚焦光束的焦点落在球心处，双光子响应主要发生在球心处。

该探测器能够对光子能量小于半导体材料的禁带宽度、但大于禁带宽度一半的入射光强度或功率进行探测。

对于球形双光子响应半导体光电探测器，其中的一个半导体半球(一般为第一个半导体半球)就是前面所述的半球形双光子响应半导体光电探测器，在该半球底平面上的电极是相对于球心对称的两个扇形或条形电极对，条形电极相对端可以是尖的，圆的或平的。然后将另一个未做电极(即第二个半导体半球)的半球的平面，与半球形探测器的平面紧密结合，构成球形双光子响应半导体光电探测器。需要说明的是，未做电极的半球边缘被对称地磨掉一些，以便把两个电极的外侧露出与外电路连接。所以这种探测器不是完整的球，参见图2。

使用时，同样要把入射的平行光用显微物镜聚焦，照射到镀有电极的半球上，使聚焦光束垂至于半球的球面入射，沿着半径方向前进，最后聚焦光束的焦点恰好落在球心处。由于双光子响应主要发生在球心处，未发生双光子响应的入射光，传输到另一个半球球面后，被反射回球心处，可以再次发生双光子响应。为了提高未发生双光子响应的入射光的反射率，以进一步提高双光子响应效率，可以用通常的光学镀膜技术在未镀电极的半球表面镀高反射膜。使用时在两个电极上施加直流电压，通过对光生电流的测量，来实现对入射光功率进行相对测量，参见图2。

这两种结构的双光子响应半导体光电探测器中的半导体半球不仅有光电探测器的功能，同时还有固浸透镜的功能[Chen Zhanguo，Jia Gang，and YiMaobin，Journal of Physics D：Applied Physics.34，3078(2001)]。由于固浸透镜能够提高光功率密度，所以半球形和球形双光子响应半导体光电探测器的灵敏度要比普通的平板形双光子响应光电探测器的灵敏度高很多。如果材料的折射率n＞1，则半球形和球形双光子响应半导体光电探测器的灵敏度理论上可以提高n⁴倍。而它们的制作技术相对简单，是通常的光学技术和半导体技术。

附图说明

图1(a)：半球形双光子响应半导体光电探测器示意图；

图1(b)：半球形双光子响应半导体光电探测器的圆形电极对示意图；

图1(c)：半球形双光子响应半导体光电探测器的扇形电极对示意图；

图1(d)：半球形双光子响应半导体光电探测器的条形电极对示意图；

图2(a)：球形双光子响应半导体光电探测器示意图；

图2(b)：球形双光子响应半导体光电探测器的扇形电极对示意图；

图2(c)：球形双光子响应半导体光电探测器的条形电极对示意图；

如图1所示，各部分的名称为：半导体半球1、金属电极对2，2’、显微物镜3、入射的被探测光4；如图2所示，球形双光子响应半导体光电探测器由两个半球1，1’组合而成，为了引出电极，未做电极的半球1’边缘对称地去掉一部分，以露出条形或扇形电极对，从而方便与外电路连接。如图1(d)和图2(c)所示，条形电极相对端可以是尖的、圆的或平的。

具体实施方式：

实施例1：

1.待测激光波长1.3微米，光子能量为0.95电子伏特，其倍频光的光子能量是0.95×2＝1.8电子伏特。因为砷化镓的禁带宽度为1.42电子伏特，折射率约为3.4，所以选择半绝缘砷化镓材料制作半球形双光子响应光电探测器。

2.选用数值孔径(NA)为0.3，工作距离为6毫米的显微物镜聚焦。砷化镓半球的半径确定为3毫米。

3.利用通常的光学透镜加工技术，把砷化镓材料加工成半径为3毫米的半球。并对球面和平面进行通常的光学抛光。误差为±0.01毫米，光洁度为2级。

4.利用常规的半导体技术在半球的平面内制作金属电极。用真空蒸发镀膜的办法在半球的平面内蒸镀铝电极。球心处的圆形铝电极的半径选为0.5毫米，周围环形电极的内环与圆形电极的外沿间距为0.5毫米，环的宽度2毫米。

5.把做好的半球形双光子响应半导体光电探测器芯装在为它设计的管座上。管座是圆形的金属管座，在圆心处做一个与金属管座绝缘的中心电极。通过中心电极和管座用传统的半导体技术把两个电极引出来。

6.使用时按前面的要求调整好光路，把入射的平行光用显微物镜聚焦，使聚焦光束垂直于半球的球面入射，沿着半径方向前进，最后聚焦光束的焦点恰好落在球心处。参见图1。双光子响应主要在球心处发生，产生电子、空穴对。施加25伏的直流电压，对于小于100毫瓦的连续激光可以用检流计测量光电流，对小于5毫瓦的连续激光可以用锁相放大器测量光电流，从而对入射光的功率进行相对测量。这种探测器对于峰值功率很高，达到几十瓦甚至上百瓦的脉冲光的测量，效果会更好。

实施例2：

1.待测激光波长1.06微米，光子能量为1.17电子伏特，其倍频光的光子能量是1.17×2＝2.34电子伏特。因为碲化锌的禁带宽度为2.26电子伏特，折射率约为2.7，所以选择非故意掺杂的碲化锌材料制作半球形双光子响应光电探测器。

2.选用数值孔径(NA)为0.3，工作距离为6毫米的显微物镜聚焦。碲化锌半球的半径确定为3毫米。

3.利用光学透镜加工技术，把碲化锌材料加工成半径为3毫米的半球。并对球面和平面抛光。误差为±0.01毫米，光洁度为2级。

4.利用常规的半导体技术在半球的平面内制作金属电极。用溅射的方法在半球的平面内淀积金电极。在球心两侧制作两个对称的扇形金电极，扇形的圆心角选为15度，两个扇形尖端的距离为0.3毫米。

5.把做好的半球形双光子响应半导体光电探测器芯装在为它设计的管座上。管座是圆形的绝缘塑料管座，在圆心两侧制作金属电极，用传统的半导体技术把两个电极引出来。

6.使用时按前面的要求调整好光路，把入射的平行光用显微物镜聚焦，使聚焦光束垂直于半球的球面入射，沿着半径方向前进，最后聚焦光束的焦点恰好落在球心处。参见图1。双光子响应主要在球心处发生，产生电子、空穴对。施加30伏的直流电压，对于小于200毫瓦的连续激光可以用检流计测量光电流，对小于10毫瓦的连续激光可以用锁相放大器测量光电流，从而对入射光的功率进行相对测量。该探测器测量峰值功率很高，达到几十瓦甚至上百瓦的脉冲光，效果会更好。

实施例3：

1.待测激光的波长1.55微米，光子能量为0.80电子伏特，其倍频光的光子能量是0.80×2＝1.60电子伏特。因为硅的禁带宽度为1.12电子伏特，折射率约为3.4，所以选择近本征的硅材料制作双光子响应光电探测器。

2.选用数值孔径(NA)为0.3，工作距离为6毫米的显微物镜聚焦。硅半球的半径确定为3毫米。

3.利用光学透镜加工技术，把硅材料加工成半径为3毫米的半球。并对球面和平面抛光。误差为±0.01毫米，光洁度为2级。

4.利用常规的半导体技术在半球的平面内制作金属电极。用真空蒸发的方法在半球的平面内蒸镀铝电极。在球心两侧制作两个对称的扇形铝电极，扇形的圆心角选为15度，两个扇形尖端的距离为0.3毫米。

5.把另一个未制作电极的硅半球，对称地把半球边缘磨掉一些，大约1毫米。然后把这个不完整的硅半球与已制作电极的硅半球结合成球，并把两个电极的外侧露出，参见图2。

6.把做好的球型双光子响应半导体光电探测器芯装在为它设计的管座上，管座是圆环形的绝缘塑料管座，在同一条直径上的圆环的两个相对位置制作互相绝缘的两个金属电极，用传统的半导体技术把两个电极引出来。

7.使用时按前面的要求调整好光路，把入射的平行光用显微物镜聚焦，使聚焦光束垂直于半球的球面入射，沿着半径方向前进，最后聚焦光束的焦点恰好落在球心处。参见图2。双光子响应主要在球心处发生，产生电子、空穴对。施加50伏的直流电压，对于小于100毫瓦的连续激光可以用检流计测量光电流，对小于5毫瓦的连续激光可以用锁相放大器测量光电流，从而对入射光的功率进行相对测量。这种探测器对于峰值功率很高，达到几十瓦甚至上百瓦的脉冲光的测量，效果会更好。

Claims

1、半球形双光子响应半导体光电探测器，由半导体半球(1)、金属电极对(2，2’)和显微物镜(3)组成，其特征在于：半导体半球(1)的半径小于显微物镜(3)的工作距离，半导体半球(1)的球心位于显微物镜(3)的焦点处，金属电极对(2，2’)位于半导体半球(1)的平面内，入射的平行光(4)经显微物镜(3)聚焦后垂直于半导体半球(1)的球面入射，沿着半径方向前进，最后聚焦光束的焦点落在球心处，在金属电极对(2，2’)上施加直流电压，通过对光生电流的测量来实现对入射光功率进行相对测量。

2、如权利要求1所述的半球形双光子响应半导体光电探测器，其特征在于：半导体半球(1)的材料为元素半导体材料、化合物半导体材料或混晶半导体材料。

3、如权利要求1所述的半球形双光子响应半导体光电探测器，其特征在于：金属电极对(2，2’)与半导体半球(1)的接触是欧姆接触或是肖特基势垒接触。

4、如权利要求3所述的半球形双光子响应半导体光电探测器，其特征在于：金属电极对(2，2’)是圆心位于球心处的圆形电极及与其同心的圆环形电极组成的电极对。

5、如权利要求3所述的半球形双光子响应半导体光电探测器，其特征在于：金属电极对(2，2’)是相对于球心对称的两个扇形或条形电极组成的电极对，条形电极相对端是尖的、圆的或平的。

6、如权利要求4或5所述的半球形双光子响应半导体光电探测器，其特征在于：金属电极对是铝、金或合金材料。

7、球形双光子响应半导体光电探测器，由两个紧密结合成球形的半导体半球(1，1’)、金属电极对(2，2’)和显微物镜(3)组成，其特征在于：两个半导体半球(1，1’)的材料相同，两个半导体半球(1，1’)的半径小于显微物镜(3)的工作距离，两个半导体半球(1，1’)的球心位于显微物镜(3)的焦点处，金属电极对(2，2’)位于第一个半导体半球(1)的平面内，第二个半导体半球(1’)的边缘被对称地磨掉一些，从而将金属电极对(2，2’)的外侧露出与外电路连接；入射的平行光(4)经显微物镜(3)聚焦后垂直于第一个半导体半球(1)的球面入射，沿着半径方向前进，最后聚焦光束的焦点落在球心处，在金属电极对(2，2’)上施加直流电压，通过对光生电流的测量来实现对入射光功率进行相对测量。

8、如权利要求7所述的球形双光子响应半导体光电探测器，其特征在于：金属电极对(2，2’)是相对于球心对称的两个扇形或条形电极组成的电极对，条形电极相对端是尖的、圆的或平的。

9、如权利要求8所述的半球形双光子响应半导体光电探测器，其特征在于：金属电极对是铝、金或合金材料。