CN1328347A - 具有平顶和陡边响应的半导体光电探测器及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种特殊的具有平顶和陡边响应的半导体光电探测器及实现方法。本发明半导体光电探测器具有多个高反射镜和由多个高反射镜构成的多个腔,由多个高反射镜构成的多个腔的光学长度都为或者近似为工作中心波长的一半的整数倍。由多个高反射镜构成的多个腔中的某一个腔中有薄吸收层,用来进行光电转换,即把光信号转换为电信号。本发明的结构的探测器可以获得平顶徒边的响应曲线,同时获得高的响应度和高的响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有平顶和陡边响应的半导体光电探测器及实现方法。
背景技术
在光纤通信领域，波分复用技术具有从光纤巨大的潜在带宽中获取丰富的信道资源的能力。波长选择探测是光波分复用技术的一个关键技术，传统的方法是采用″滤波器＋探测器″的组合方式，但这种方法成本高，而且滤波器的引入还带来了额外的***损耗，降低了***解复用接收的整体响应度。
为了使解复用接收器件的整体性能更好、成本更低，人们发明了谐振腔增强型(RCE)光探测器，其基本结构是将吸收层引入到F-P谐振腔当中，这样探测器本身就具有了波长选择特性，而无须外加滤波器。此外，由于谐振腔的增强效应，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，减少了光生载流子的吸收层渡越时间，也就解决了器件响应速度的问题。
但是，普通的RCE器件仍然存在着一定的缺陷。传统RCE探测器的响应峰都是尖顶的，如果信号光波长仅有微小漂移，探测器的响应电流将有大幅变化，这种不稳定性有可能对波分解复用接收带来不便。传统RCE探测器的响应峰还有另外一个缺点，就是边缘下降比较缓慢，这样多个波长之间会有串扰。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有平顶和陡边响应的半导体光电探测器，并且提供几种实现方法。
具有平顶和陡边响应的探测器的特征在于：具有平行多腔结构，各个腔的光学长度都为或者近似为工作中心波长的一半的整数倍。
本发明的进一步特征在于平行腔是由两个高反射镜平行相邻构成；由多个高反射镜构成的多个腔中的一个腔中有薄吸收层；高反射镜是由半导体化合物的分布反馈布拉格镜，或是高反射率的多层介质膜或者金属膜反射镜。
本发明一种具有平顶和陡边响应的半导体光电探测器实现方法，其特征在于器件的所有结构在两次生长过程中完成，第一次外延生长依次形成高反射镜(3)、腔(5)、高反射镜(2)，腔(5)中形成的薄吸收层(6)；在此基础上继续二次沉积，依次形成腔(4)、高反射镜(1)，二次沉积所使用的材料有别于一次外延生长。
本发明另一种实现方法为，一种具有平顶和陡边响应的半导体光电探测器实现方法，其特征在于器件的所有结构高反射镜(3)、腔(5)、高反射镜(2)、腔(4)、高反射镜(1)在一次外延生长过程中依次形成，薄吸收层(6)的材料为InGaAs，其他部分的材料使用GaAs/AlAs，此后利用湿氮氧化法将高反射镜(3)中的AlAs成分氧化成为Al2O3，此后利用湿氮氧化法将高反射镜(3)中的AlAs成分氧化成为Al2O3，提高反射镜3的反射率。
本发明与传统RCE探测器结构相比的优点是：采用本发明的结构的探测器可以获得平顶徒边的响应曲线，这使波分复用***将可以在一定程度上放松对光发射端激光器波长的准确性和稳定性的要求，对于降低***成本非常有利。另外，采用本发明的结构的探测器的响应峰的边缘比传统RCE探测器的响应峰的边缘下降得更陡，使得波分复用的多个波长间的串扰将会大大降低，本发明探测器将不失传统RCE探测器的可以同时获得高的响应度和高的响应速度的优点。
经过下面参考附图对本发明的作为示例的实施例的描述，本发明的上述和其它优点和特点将会更加清楚。
附图说明
图1表示本发明的一个实施例的半导体光电探测器的结构示意图。
1……高反射镜 2……高反射镜
3……高反射镜 4……腔
5……腔 6……薄吸收层
具体实施方式
该半导体光电探测器具有三个高反射镜1、2、3，高反射镜1、2、3可以是半导体化合物的分布反馈布拉格镜(DBR)，也可以根据工艺情况的不同是高反射率的多层介质膜或者金属膜。将相邻的两个高反射镜之间所夹的空间称为腔，该半导体光电探测器具有两个腔4、5，腔4、腔5的腔体材料是某种介质，即可以是半导体介质，也可以是空气，还可以由其他材料所填充，如液晶等。腔4、腔5的光学长度都为或者近似为工作中心波长的一半的整数倍。腔的光学长度是腔长与腔体介质材料折射率的乘积。相邻的两个高反射镜彼此平行，高反射镜1、2与其间所夹的腔4构成一个F-P腔。高反射镜2、3与其间所夹的腔5构成另一个F-P腔。对于薄吸收层6位于腔5内，薄吸收层6与腔5内其它非吸收层共同组成腔5，腔5的光学长度应该包含薄吸收层6的光学长度。薄吸收层6可以是半导体的体材料，也可以是半导体的单量子阱或多量子阱材料，用来进行光电转换，即将光信号转换为电信号。垂直于器件上表面入射的入射光经过腔4进行波长选择后再经过腔5进行第二次波长选择，由于腔4和腔5的光学长度相等或者近似相等，腔4和腔5的谐振波长也就相等或者近似相等。这样，在腔4和腔5的谐振波长一定范围附近的光波会在腔4、腔5内及高反射镜1、3之间反复谐振，这就是所谓的腔4和腔5之间的耦合。腔4和腔5之间耦合的结果根据腔4、腔5各自的谐振波长(由腔4、腔5各自的光学长度决定)和三个高反射镜1、2、3的各自反射率的不同可能使在腔4和腔5内及高反射镜1、3之间反复谐振的各个波长的谐振强度发生变化。多个高反射镜构成的多个腔的光学长度都为或者近似为工作中心波长的一半的整数倍。因此多个腔的谐振波长也就相等或者近似相等，这样多个腔之间才发生耦合，在多个腔内谐振的各个波长的谐振强度随波长和多个高反射镜各自的反射率变化。在腔4和腔5的谐振波长相等或者近似相等即腔4和腔5的光学长度相等或者近似相等的前提下，当适当地选取三个高反射镜1、2、3各自的反射率时，谐振强度随波长的变化关系就会具有平顶陡边的线形。由于薄吸收层6在腔5内，薄吸收层6会根据各个波长的谐振强度不同而进行选择吸收，当适当地选取三个高反射镜1、2、3各自的反射率时，就可以使探测器得到平顶陡边的响应曲线。由于谐振波长范围内的光波在腔5内多次被薄吸收层吸收，只要反射的次数足够多，器件就可以获得高的响应度。同时由于器件的吸收层较薄，光生载流子可以很快的逸出，转化成光电流。从而可以使器件的响应时间减少，获得高的响应速度。因此这一新型器件可以更好地满足当前光波分复用通信技术对半导体光探测器件的要求。
基于以上的原理，本发明给出几种实现方法。
方法一：高反射镜3腔5高反射镜2在一次外延生长过程中依次形成，材料选择通常的GaAs/AlAs，腔5中的薄吸收层6的材料为InGaAs。此后在此基础上继续二次沉积，依次形成腔4高反射镜1，沉积材料选择Si/SiO2。其中腔4的材料用Si或者SiO2，高反射镜1使用Si/SiO2构成的分布反馈布拉格镜(DBR)。因为Si/SiO2材料组合的折射差较大，较少对数Si/SiO2构成的分布反馈布拉格镜(DBR)就可以具有很高的反射率，使得器件比高反射镜3腔5高反射镜2腔4高反射镜1在一次外延生长(薄吸收层6的材料为InGaAs，其他部分的材料使用GaAs/AlAs)过程中依次形成更容易得到平顶和陡边的响应。
方法二：高反射镜3腔5高反射镜2腔4高反射镜1在一次外延生长(薄吸收层6的材料为InGaAs，其他部分的材料使用GaAs/AlAs)过程中依次形成，此后利用湿氮氧化法将高反射镜3(由GaAs/AlAs构成的分布反馈布拉格镜)中的AlAs成分氧化成为Al2O3。湿氮氧化法的原理是用高纯度的氮气将水蒸气带入氧化反应室，在400℃左右水蒸气与AlAs发生化学反应生成Al2O3。这样由GaAs/AlAs构成的分布反馈布拉格镜变成GaAs/Al2O3构成的分布反馈布拉格镜，材料组合的折射率差变大，较少周期的GaAs/Al2O3就可以得到较高的反射率。使用此方法也可以克服仅仅使用一次外延生长(薄吸收层6的材料为InGaAs，其他部分的材料使用GaAs/AlAs)更容易得到平顶和陡边的响应，因为仅仅使用GaAs/AlAs构成的分布反馈布拉格镜需要比较多的周期才能得到很高的反射率，这样对生长过程的控制及稳定性的要求就比较高。
综上所述，本发明通过简单的结构设计，使得本发明能提供一种具有平顶和陡边响应的探测器，从而克服传统RCE探测器的尖顶缓降响应峰在波分复用***中应用时的不足。虽然此器件针对在波分复用***中应用设计，实际上它还可以光通信以外的方面，如光学测量等其它领域。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，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，如将实施例中的三镜两腔结构扩展为四镜三腔或五镜四腔等平行多镜腔结构，又如将本实施例中的薄吸收层6放置于腔4中或者薄吸收层放置于四镜三腔或五镜四腔等平行多镜腔结构中任意一个腔中，均应在本发明的范围内。本发明所提出器件结构不仅能够应用于PIN光电探测器，还可以应用于金属-半导体-金属(MSM)光电探测器和雪崩光电二极管(APD)，这些应用也均应在本发明的范围内，特此说明。
Claims (7)
1、一种具有平顶和陡边响应的半导体光电探测器，其特征在于具有平行多腔结构，各个腔的光学长度都为或者近似为工作中心波长的一半的整数倍。
2、根据权利要求1所述具有平顶和陡边响应的半导体光电探测器，其特征在于平行腔是由两个高反射镜平行相邻构成。
3、根据权利要求1、2所述具有平顶和陡边响应的半导体光电探测器，其特征在于由多个高反射镜构成的多个腔中的一个腔中有薄吸收层。
4、根据权利要求1或2所述具有平顶和陡边响应的半导体光电探测器，其特征在于高反射镜是由半导体化合物的分布反馈布拉格镜，或是高反射率的多层介质膜或者金属膜反射镜。
5、根据权利要求3所述具有平顶和陡边响应的半导体光电探测器，其特征在于高反射镜是由半导体化合物的分布反馈布拉格镜，或是高反射率的多层介质膜或者金属膜反射镜。
6、一种具有平顶和陡边响应的半导体光电探测器实现方法，其特征在于器件的所有结构在两次生长过程中完成，第一次外延生长依次形成高反射镜(3)、腔(5)、高反射镜(2)，腔(5)中形成的薄吸收层(6)；在此基础上继续二次沉积，依次形成腔(4)、高反射镜(1)，二次沉积所使用的材料有别于一次外延生长。
7、一种具有平顶和陡边响应的半导体光电探测器实现方法，其特征在于器件的所有结构高反射镜(3)、腔(5)、高反射镜(2)、腔(4)、高反射镜(1)在一次外延生长过程中依次形成，薄吸收层(6)的材料为InGaAs，其他部分的材料使用GaAs/AlAs，此后利用湿氮氧化法将高反射镜(3)中的AlAs成分氧化成为Al2O3，此后利用湿氮氧化法将高反射镜(3)中的AlAs成分氧化成为Al2O3，提高反射镜3的反射率。
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