專利名稱：具有低暗電流特性的諧振腔增強型光電探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電探測器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是諧振腔增強型光電探測器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
進入二十一世界以來，人們對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求的爆炸式增長推動了光纖通訊系統(tǒng)的 飛速發(fā)展。但光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展決定于光纖通信器件的發(fā)展，某些器件的進步可能帶來 光纖通信革命性的變化?，F(xiàn)在商用光纖通信系統(tǒng)的速率已從20年前的45Mb/s，增加了 200 多倍。目前l(fā)OGb/s系統(tǒng)已經(jīng)大批量裝備網(wǎng)絡(luò)，諸多公司部署測試100Gb/S光網(wǎng)路，IP的爆 炸式發(fā)展所帶來的對帶寬的巨大需求，必然要使人們更充分地利用光纖豐富的帶寬資源， 繼續(xù)成倍地提升系統(tǒng)的速率。高速大容量的光纖通信系統(tǒng)考察光接收器件是否適用的主要指標(biāo)有響應(yīng)度(即 量子效率)，響應(yīng)速度(即3dB響應(yīng)帶寬)，響應(yīng)波長范圍，是否易于光電集成，工藝難度等。 普通的光電探測器和雪崩二極管對數(shù)據(jù)信號速率lOGb/s的響應(yīng)沒有問題，但是要繼續(xù)提 高響應(yīng)速率將會遇到困難。這是由于普通光電探測器的響應(yīng)速度與吸收層的厚度呈反比， 而量子效率卻和吸收層厚度呈正比。要獲得更大的響應(yīng)速度，需要減小吸收層厚度，這會導(dǎo) 致量子效率的下降。因此響應(yīng)速度和量子效率這兩個重要性能參數(shù)之間有相互制約的關(guān) 系。雖然帶寬超過200GHz的光電探測器也已研制成功，但其帶寬效率乘積仍然受材料特性 的限制。諧振腔增強型結(jié)構(gòu)光電探測器，依靠有源器件結(jié)構(gòu)內(nèi)部的法布里_泊羅諧振腔， 可以極大的增強腔內(nèi)光場的強度，使器件的量子效率在諧振波長位置得到很大的增強，從 而使器件可以在較薄的吸收層情況下在諧振波長處獲得高量子效率，帶寬效率乘積驚人地 得到改善。在目前已經(jīng)研制成功以及投入實際應(yīng)用的諧振腔增強型光電探測器中，普遍采用 較厚的吸收層來獲得較高的量子效率，但是這樣的設(shè)計不儀影響了響應(yīng)速度的提高，而且 使得探測器普遍具有很高的暗電流，而暗電流太高將會影響探測器的使用穩(wěn)定性和使用壽 命。所以，當(dāng)前的諧振腔增強型光電探測器在高量子效率與低暗電流特性兩個方面形成相 互制約。本發(fā)明通過在諧振腔增強型光電探測器中引入一組勢壘結(jié)構(gòu)并上且設(shè)計適當(dāng)厚 度的吸收層厚度，得到一種具備超低暗電流并且具有高量子效率的諧振腔增強型光電探測 器，這種探測器結(jié)構(gòu)能夠在非常低的暗電流水平保持很高的量子效率，從而實現(xiàn)探測器長 時間平穩(wěn)高效地運行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有低暗電流特性的諧振腔增強型光電探測器結(jié)構(gòu)， 運用這種器件結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)低暗電流水平下的高量子效率探測。本發(fā)明提供一種具有低暗電流特性的諧振腔增強型光電探測器結(jié)構(gòu)，為表示方便，砷化鎵用相應(yīng)化學(xué)式GaAs表示，砷化鋁用相應(yīng)化學(xué)式AlAs表示，銦鎵砷用相應(yīng)化學(xué)式 InGaAs表示，鋁鎵砷根據(jù)組分的不同分別用Ala45Gaa55As和AlxGai_xAs表示，器件結(jié)構(gòu)包 括一砷化鎵襯底；一砷化鎵緩沖層，該砷化鎵緩沖層生長在砷化鎵襯底上；一諧振腔結(jié)構(gòu)，該諧振腔結(jié)構(gòu)生長在砷化鎵緩沖層上；其中諧振腔結(jié)構(gòu)進一步還包括如下結(jié)構(gòu)一下反射鏡，該下反射鏡生長在砷化鎵緩沖層上，包括交替生長的下反射鏡砷化 鎵層和下反射鏡砷化鋁層；一腔體下砷化鎵層，該腔體下砷化鎵層生長在下反射鏡上；一有源區(qū)，該有源區(qū)生長在腔體下砷化鎵層上，包括交替生長的銦鎵砷量子點和 砷化鎵間隔層；一腔體中砷化鎵層，該腔體中砷化鎵層生長在有源區(qū)上；一勢壘結(jié)構(gòu)，該勢壘結(jié)構(gòu)生長在腔體中砷化鎵層上，包括依次生長的下鋁鎵砷層、 砷化鋁層、上鋁鎵砷層以及鋁鎵砷漸變層，其中下鋁鎵砷層和上鋁鎵砷層的組成成份都為 Ala45Gaa55As,鋁鎵砷漸變層的組成成份為AlxGai_xAs，沿著生長方向，X由0. 45漸變至0 ；一腔體上砷化鎵層，該腔體上砷化鎵層生長在勢壘結(jié)構(gòu)上；一上反射鏡，該上反射鏡生長在腔體上砷化鎵層上，包括依次生長的上反射鏡砷 化鋁層和上反射鏡砷化鎵層；在上述結(jié)構(gòu)中，下反射鏡包括33對交替生長的下反射鏡砷化鎵層和下反射鏡砷 化鋁層，上反射鏡包括3對交替生長的上反射鏡砷化鋁層和上反射鏡砷化鎵層，有源區(qū)包 括13對交替生長的銦鎵砷量子點和砷化鎵間隔層。本發(fā)明通過在諧振腔增強型光電探測器中引入一組勢壘結(jié)構(gòu)并且設(shè)計適當(dāng)厚度 的有源區(qū)，得到一種具備超低暗電流并且具有高量子效率的諧振腔增強型光電探測器，下 面的實施例將結(jié)合實驗數(shù)據(jù)給出詳細的說明。


為使審查員對本發(fā)明的目的、特征及功效能夠有更進一步的了解與認識，以下請 配合附圖列舉實施例，詳述說明如后，其中圖1為本發(fā)明器件的結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明實施例的IV測試圖。
具體實施例如圖1及圖2所示，為本發(fā)明的一個具體實施例，整個器件結(jié)構(gòu)包括一砷化鎵襯底10 ；一砷化鎵緩沖層20，生長厚度為lOOOnm，該砷化鎵緩沖層20生長在砷化鎵襯底10 上；一諧振腔結(jié)構(gòu)30，該諧振腔結(jié)構(gòu)30生長在砷化鎵緩沖層20上；
其中諧振腔結(jié)構(gòu)30進一步還包括如下結(jié)構(gòu) 一下反射鏡31，該下反射鏡31生長在砷化鎵緩沖層20上，包括交替生長的下反射 鏡砷化鎵層311和下反射鏡砷化鋁層312，生長厚度分別為76nm和92nm ；一腔體下砷化鎵層32，生長厚度為570nm，該腔體下砷化鎵層32生長在下反射鏡 31上；一有源區(qū)33，該有源區(qū)33生長在腔體下砷化鎵層32上，包括交替生長的銦鎵砷量 子點331和砷化鎵間隔層332，其中每個砷化鎵間隔層332的生長厚度為20nm，銦鎵砷量子 點331的生長厚度為6個單分子層(Monolayer，簡稱ML)；一腔體中砷化鎵層34，生長厚度為90nm，該腔體中砷化鎵層34生長在有源區(qū)33 上；一勢壘結(jié)構(gòu)35，該勢壘結(jié)構(gòu)35生長在腔體中砷化鎵層34上，包括依次生長的生長 厚度為15nm的下鋁鎵砷層351、生長厚度為IOnm的砷化鋁層352、生長厚度為IOnm的上鋁 鎵砷層353以及生長厚度為90nm的鋁鎵砷漸變層354，其中下鋁鎵砷層351和上鋁鎵砷層 353的組成成份都為Ala45Gaa55As,鋁鎵砷漸變層354的組成成份為AlxGai_xAs，沿著生長方 向，X由0. 45漸變至0 ；一腔體上砷化鎵層36，生長厚度為20nm，該腔體上砷化鎵層36生長在勢壘結(jié)構(gòu)35 上；—上反射鏡37，該上反射鏡37生長在腔體上砷化鎵層36上，包括依次生長的上反 射鏡砷化鋁層371和上反射鏡砷化鎵層372，生長厚度分別為92nm和76nm ；在上述結(jié)構(gòu)中，下反射鏡31包括33對交替生長的下反射鏡砷化鎵層311和下反 射鏡砷化鋁層312，上反射鏡37包括3對交替生長的上反射鏡砷化鋁層371和上反射鏡砷 化鎵層372，有源區(qū)33包括13對交替生長的銦鎵砷量子點331和砷化鎵間隔層332。圖3是上述實施例器件結(jié)構(gòu)測試得到的IV曲線，其中實線表示有光照時測試得 到的總電流隨著偏壓的變化，虛線表示沒有光照時測試得到的暗電流隨著偏壓的變化。這 里光照測試采用的入射光波長選擇在腔模波長1036nm，利用光功率計測得的入射光功率為 28nW。從圖3虛線表示的暗電流特性曲線可以看出，在負偏壓加至-17V以前，暗電流一直 保持非常低的水平，大小在10-10A的量級；在負偏壓加至-17V以上時，暗電流才開始急劇 增大，在現(xiàn)有的諧振腔增強型光電探測器技術(shù)中很難實現(xiàn)這種暗電流水平。為了進一步得 到本實施例諧振腔增強型光電探測器的量子效率，我們?nèi)∑珘簽?17V作為工作偏壓，在IV 測試曲線中，將偏壓為-17V時的光照總電流減去偏壓為-17V時的暗電流，就可以得到由入 射光產(chǎn)生的光電流，大小為19nA。用光電流除以入射光功率，便可以得到本實施例諧振腔增 強型光電探測器的光電響應(yīng)為0. 68A/W。為了計算本實施例諧振腔增強型光電探測器的量 子效率，可以通過如下公式得到量子效率=光電響應(yīng)(A/W)*l. 24/入射光波長(微米)代入相應(yīng)數(shù)據(jù)我們得到本實施例諧振腔增強型光電探測器的量子效率= 0. 68*1.24/1.036 = 81 %，81 %這樣的高量子效率已經(jīng)達到了諧振腔增強型光電探測器量 子效率的最高水平。通過以上實施例的介紹，本發(fā)明一種具有低暗電流特性的諧振腔增強型光電探測 器，通過在諧振腔增強型光電探測器中引入一組勢壘結(jié)構(gòu)35并且設(shè)計適當(dāng)厚度的有源區(qū)33，得到一種具備超低暗電流并且具有高量子效率的諧振腔增強型光電探測器，在負向偏 壓加至-17V以前，暗電流一直保持了 10-10A量級的超低暗電流水平，而且在工作偏壓-17V 處，測得探測器的量子效率為81%，達到了諧振腔增強型光電探測器量子效率的最高水平， 這樣可以保證本發(fā)明的諧振腔增強型光電探測器能夠在超低暗電流水平下保持穩(wěn)定高效 地工作，為諧振腔增強型光電探測器在光電通信領(lǐng)域的應(yīng)用開拓更廣泛的空間。
雖然本發(fā)明已以實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域 中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動與潤飾，故本發(fā)明 的保護范圍當(dāng)視權(quán)利要求范圍所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種具有低暗電流特性的諧振腔增強型光電探測器，包括一砷化鎵襯底；一砷化鎵緩沖層，該砷化鎵緩沖層生長在砷化鎵襯底上；一諧振腔結(jié)構(gòu)，該諧振腔結(jié)構(gòu)生長在砷化鎵緩沖層上；其中諧振腔結(jié)構(gòu)進一步還包括如下結(jié)構(gòu)一下反射鏡，該下反射鏡生長在砷化鎵緩沖層上，包括交替生長的下反射鏡砷化鎵層和下反射鏡砷化鋁層；一腔體下砷化鎵層，該腔體下砷化鎵層生長在下反射鏡上；一有源區(qū)，該有源區(qū)生長在腔體下砷化鎵層上，包括交替生長的銦鎵砷量子點和砷化鎵間隔層；一腔體中砷化鎵層，該腔體中砷化鎵層生長在有源區(qū)上；一勢壘結(jié)構(gòu)，該勢壘結(jié)構(gòu)生長在腔體中砷化鎵層上，包括依次生長的下鋁鎵砷層、砷化鋁層、上鋁鎵砷層以及鋁鎵砷漸變層，其中下鋁鎵砷層和上鋁鎵砷層的組成成份都為Al0.45Ga0.55As，鋁鎵砷漸變層的組成成份為AlXGa1 XAs，沿著生長方向，X由0.45漸變至0；一腔體上砷化鎵層，該腔體上砷化鎵層生長在勢壘結(jié)構(gòu)上；一上反射鏡，該上反射鏡生長在腔體上砷化鎵層上，包括依次生長的上反射鏡砷化鋁層和上反射鏡砷化鎵層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有低暗電流特性的諧振腔增強型光電探測器，其中下反射 鏡包括33對交替生長的下反射鏡砷化鎵層和下反射鏡砷化鋁層，上反射鏡包括3對交替生 長的上反射鏡砷化鋁層和上反射鏡砷化鎵層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有低暗電流特性的諧振腔增強型光電探測器，其中有源區(qū) 包括13對交替生長的銦鎵砷量子點和砷化鎵間隔層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的具有低暗電流特性的諧振腔增強型光電探測器，其 中有源區(qū)中的銦鎵砷量子點的生長厚度為5個單分子層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的具有低暗電流特性的諧振腔增強型光電探測器，其 中有源區(qū)中的砷化鎵間隔層的生長厚度為20nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的具有低暗電流特性的諧振腔增強型光電探測器，勢 壘結(jié)構(gòu)中依次生長的下鋁鎵砷層、砷化鋁層、上鋁鎵砷層以及鋁鎵砷漸變層的生長厚度依 次為 15nm、IOnmUOnm 以及 90nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的具有低暗電流特性的諧振腔增強型光電探測器，其 下反射鏡中的下反射鏡砷化鎵層和上反射鏡中的上反射鏡砷化鎵層的生長厚度都為76nm， 其下反射鏡中的下反射鏡砷化鋁層和上反射鏡中的上反射鏡砷化鋁層的生長厚度都為 92nm。
全文摘要
一種具有低暗電流特性的諧振腔增強型光電探測器，包括一砷化鎵襯底；一砷化鎵緩沖層生長在砷化鎵襯底上；一諧振腔結(jié)構(gòu)生長在砷化鎵緩沖層上；一有源區(qū)生長在腔體下砷化鎵層上，包括交替生長的銦鎵砷量子點和砷化鎵間隔層；一腔體中砷化鎵層生長在有源區(qū)上；一勢壘結(jié)構(gòu)生長在腔體中砷化鎵層上，包括依次生長的下鋁鎵砷層、砷化鋁層、上鋁鎵砷層以及鋁鎵砷漸變層，其中下鋁鎵砷層和上鋁鎵砷層的組成成份都為Al0.45Ga0.55As，鋁鎵砷漸變層的組成成份為AlXGa1-XAs，沿著生長方向，X由0.45漸變至0；一腔體上砷化鎵層生長在勢壘結(jié)構(gòu)上；一上反射鏡生長在腔體上砷化鎵層上，包括依次生長的上反射鏡砷化鋁層和上反射鏡砷化鎵層。
文檔編號H01L31/111GK101916792SQ200910237780
公開日2010年12月15日 申請日期2009年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月17日
發(fā)明者孫曉明, 章昊, 鄭厚植 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所