本發(fā)明屬于光電子，具體涉及一種使用陣列光柵技術(shù)的光電探測(cè)器。

背景技術(shù)：

1、在光電子技術(shù)領(lǐng)域，光電探測(cè)器有多種用途，包括通信鏈路設(shè)計(jì)、高速光通信系統(tǒng)、空間通信系統(tǒng)等多種領(lǐng)域。光電探測(cè)器的主要技術(shù)指標(biāo)包括響應(yīng)度、3db帶寬、暗電流、射頻輸出功率等多種。其中，響應(yīng)度是評(píng)判光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換能力的物理量，具有較高響應(yīng)度的光電探測(cè)器可以有效利用光能量，響應(yīng)度越大，光電探測(cè)器對(duì)光信號(hào)變化的敏感度也越高。

2、提高光電探測(cè)器響應(yīng)度的手段主要有三類(lèi)。第一類(lèi)通過(guò)給光電探測(cè)器增加一個(gè)倍增層，利用光電效應(yīng)使得輸出信號(hào)具有較高的增益，從而提高響應(yīng)度；該類(lèi)探測(cè)器的典型代表為雪崩光電探測(cè)器，其響應(yīng)度通?？梢源笥?a/w；但該類(lèi)技術(shù)在放大信號(hào)的同時(shí)會(huì)把噪聲一同放大，使得輸出信號(hào)的信噪比較低。第二類(lèi)是將光電探測(cè)器的吸收層加厚，使得更多的光被吸收層吸收，從而提高響應(yīng)度；該類(lèi)探測(cè)器的典型代表為pin型光電探測(cè)器，其通過(guò)使用較厚的i層，使得響應(yīng)度較pn型光電二極管有顯著提高，通常在0.3a/w左右；但該方案中較厚的吸收層會(huì)顯著影響電子遷移速度，造成帶寬的降低。第三類(lèi)是鍍膜處理，通過(guò)在光電探測(cè)器的入光口鍍上增透膜可以顯著降低耦合損耗從而使得響應(yīng)度提高；該方案對(duì)鍍膜材料的選擇有嚴(yán)格要求，若使用了晶格不匹配的材料進(jìn)行鍍膜會(huì)導(dǎo)致暗電流的顯著上升。

3、波導(dǎo)耦合型光電探測(cè)器中光的入射方向與載流子輸運(yùn)方向垂直，可以打破響應(yīng)度與帶寬之間的互相制約而備受關(guān)注。在響應(yīng)度優(yōu)化方面，因器件的大小以及散熱的限制，波導(dǎo)耦合型光電探測(cè)器無(wú)法承受較高的電壓，而且入射光并不直接進(jìn)入吸收層，故上述第一類(lèi)與第二類(lèi)方法并不能使用在波導(dǎo)型光電探測(cè)器上，而在垂直端面進(jìn)行鍍膜處理又十分困難。因此，提供一種綜合性能優(yōu)的提高波導(dǎo)耦合型光電探測(cè)器響應(yīng)度的方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員值得研究的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種使用陣列光柵技術(shù)的光電探測(cè)器，用于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種使用陣列光柵技術(shù)的光電探測(cè)器，其特征在于

3、一種使用陣列光柵技術(shù)的光電探測(cè)器，在該器件中，半絕緣襯底上生長(zhǎng)稀釋波導(dǎo)與光電探測(cè)器有源區(qū)，并在波導(dǎo)側(cè)刻蝕掉一定長(zhǎng)度的稀釋波導(dǎo)后生長(zhǎng)陣列光柵結(jié)構(gòu)，使得信號(hào)光先從端面耦合進(jìn)入陣列光柵中初步匯聚，再端接進(jìn)入稀釋波導(dǎo)，在稀釋波導(dǎo)內(nèi)逐漸向上耦合至光電探測(cè)器吸收層，最終在光電探測(cè)器吸收層中被吸收轉(zhuǎn)化為光生載流子。該結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)光電探測(cè)器捕獲光功率的能力，將更多的光耦合進(jìn)吸收層，有助于提高光電探測(cè)器的響應(yīng)度。

4、進(jìn)一步地，所述陣列光柵由兩種不同折射率的材料進(jìn)行周期堆疊排布構(gòu)成，兩種材料均能與襯底晶格匹配，在單個(gè)周期內(nèi)不同材料的厚度分配依據(jù)工作波長(zhǎng)的不同而作出相應(yīng)的改變。該結(jié)構(gòu)可將入射光進(jìn)行匯聚，有效地減少光的泄露現(xiàn)象。

5、進(jìn)一步地，所述稀釋波導(dǎo)采用兩種材料進(jìn)行交替外延，其中一種材料同半絕緣襯底的材料相同，且該材料的厚度由下往上逐層遞減；另一種材料為折射率比前述材料大且滿(mǎn)足晶格匹配條件的材料；該結(jié)構(gòu)可使入射光向上耦合進(jìn)入光電探測(cè)器外延層中。

6、進(jìn)一步地，所述稀釋波導(dǎo)與所述光電探測(cè)器有源區(qū)之間存在光學(xué)匹配層，所述光學(xué)匹配層材料的折射率介于光電探測(cè)器有源區(qū)外延層最下層和稀釋波導(dǎo)層最上層材料之間，且滿(mǎn)足晶格匹配要求，可將入射光向上耦合的效率提升。

7、進(jìn)一步地，所述光電探測(cè)器有源區(qū)自下而上的外延層組成部分由n接觸層、亞收集層、收集層、緩沖層、吸收層、電子阻擋層、p接觸層構(gòu)成。光吸收發(fā)生在吸收層中，光電探測(cè)器外延層結(jié)構(gòu)自下而上的折射率逐漸增大，直至電子阻擋層的折射率小于吸收層。

8、優(yōu)選地，所述陣列光柵與所述稀釋波導(dǎo)各層的結(jié)構(gòu)和厚度可根據(jù)實(shí)際光耦合需求進(jìn)行調(diào)整，光電探測(cè)器各外延層設(shè)計(jì)需隨之作出有利于改善器件性能的調(diào)整。

9、

10、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：

11、本方案的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)在于，本發(fā)明提供的一種使用陣列光柵技術(shù)的光電探測(cè)器，在該器件中，半絕緣襯底上先依次外延生長(zhǎng)稀釋波導(dǎo)與光電探測(cè)器有源區(qū)，后刻蝕部分長(zhǎng)度的稀釋波導(dǎo)后在半絕緣襯底上生長(zhǎng)陣列光柵結(jié)構(gòu)，使得信號(hào)光先從端面耦合進(jìn)入陣列光柵中初步匯聚，再端接進(jìn)入稀釋波導(dǎo)，在稀釋波導(dǎo)內(nèi)逐漸向上耦合至光電探測(cè)器吸收層。相比于已有的光電探測(cè)器，本方案中使用陣列光柵技術(shù)的光電探測(cè)器能夠捕獲更多的光功率耦合進(jìn)入吸收層，有效地提高光電探測(cè)器的響應(yīng)度。

12、本方案的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)在于，本發(fā)明提供的一種使用陣列光柵技術(shù)的光電探測(cè)器，入射的信號(hào)光首先經(jīng)過(guò)陣列光柵，陣列光柵具有等價(jià)透鏡的作用，可將信號(hào)光匯聚。

13、本方案的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)在于，本發(fā)明提供的一種使用陣列光柵技術(shù)的光電探測(cè)器，入射的信號(hào)光經(jīng)過(guò)陣列光柵與稀釋波導(dǎo)的級(jí)聯(lián)光耦合，使得光的泄露現(xiàn)象得到改善。

14、本方案的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)在于，本發(fā)明提供的一種使用陣列光柵技術(shù)的光電探測(cè)器，可以在不改變波導(dǎo)型光電探測(cè)器耦合方式的條件下，減少信號(hào)光向光電探測(cè)器有源區(qū)外泄露的現(xiàn)象，提高光電探測(cè)器的響應(yīng)度。

技術(shù)特征：

1.一種使用陣列光柵技術(shù)的光電探測(cè)器，其特征在于，器件由半絕緣襯底、陣列光柵、稀釋波導(dǎo)、光電探測(cè)器有源區(qū)和電極等功能單元組成。

2.如權(quán)利要求1所述的一種使用陣列光柵技術(shù)的光電探測(cè)器，其特征在于，基于所述半絕緣襯底外延生長(zhǎng)所述稀釋波導(dǎo)與所述光電探測(cè)器有源區(qū)，并在波導(dǎo)側(cè)刻蝕掉一定長(zhǎng)度的所述稀釋波導(dǎo)后外延生長(zhǎng)所述陣列光柵，使得信號(hào)光先從端面耦合進(jìn)入所述陣列光柵中初步匯聚，再端接進(jìn)入所述稀釋波導(dǎo)，在所述稀釋波導(dǎo)內(nèi)逐漸向上耦合至所述光電探測(cè)器有源區(qū)內(nèi)的吸收層。

3.如權(quán)利要求1所述的一種使用陣列光柵技術(shù)的光電探測(cè)器，其特征在于，所述陣列光柵與所述稀釋波導(dǎo)端接，均直接層接所述半絕緣襯底。

4.如權(quán)利要求1所述的一種使用陣列光柵技術(shù)的光電探測(cè)器，其特征在于，在所述光電探測(cè)器工作時(shí)，信號(hào)光先從端面耦合進(jìn)入陣列光柵中初步匯聚，再端接進(jìn)入稀釋波導(dǎo)，在稀釋波導(dǎo)內(nèi)逐漸向上耦合至光電探測(cè)器吸收層，最終在光電探測(cè)器吸收層中被吸收轉(zhuǎn)化為光生載流子。該結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)所述光電探測(cè)器捕獲光功率的能力，將更多的光耦合進(jìn)所述探測(cè)器的吸收層，有助于提高光電探測(cè)器的響應(yīng)度。

5.如權(quán)利要求1所述的一種使用陣列光柵技術(shù)的光電探測(cè)器，其特征在于，所述陣列光柵由兩種不同折射率的材料進(jìn)行周期堆疊排布構(gòu)成，陣列光柵周期單元的外延結(jié)構(gòu)為在兩層陣列光柵材料a之間生長(zhǎng)一層陣列光柵材料b，形成aba型結(jié)構(gòu)單元，陣列光柵周期單元的厚度固定，兩種材料間存在一定的折射率差，并均能與襯底晶格匹配，單元周期內(nèi)兩種材料的厚度分配可依據(jù)工作波長(zhǎng)的改變而作出相應(yīng)的優(yōu)化。

6.如權(quán)利要求1所述的一種使用陣列光柵技術(shù)的光電探測(cè)器，其特征在于，所述稀釋波導(dǎo)采用兩種材料進(jìn)行交替外延，其中一種材料同半絕緣襯底的材料相同，且該材料的厚度由下往上逐層遞減，另一種材料為折射率比前述材料大且滿(mǎn)足晶格匹配條件的材料。

7.如權(quán)利要求1所述的一種使用陣列光柵技術(shù)的光電探測(cè)器，其特征在于，所述陣列光柵與所述稀釋波導(dǎo)的尺寸可以根據(jù)實(shí)際耦合光的需求進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)所述光電探測(cè)器有源區(qū)的大小需隨之作出有利于改善器件性能的調(diào)整。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種使用陣列光柵技術(shù)的光電探測(cè)器，在該器件中，半絕緣襯底上外延生長(zhǎng)稀釋波導(dǎo)與光電探測(cè)器有源區(qū)，在波導(dǎo)側(cè)刻蝕掉一定長(zhǎng)度的稀釋波導(dǎo)后外延生長(zhǎng)陣列光柵，使得信號(hào)光先經(jīng)過(guò)陣列光柵后再進(jìn)入稀釋波導(dǎo)，在稀釋波導(dǎo)內(nèi)逐漸向上耦合至光電探測(cè)器吸收層。在光電探測(cè)器工作時(shí)，信號(hào)光先從端面耦合進(jìn)入陣列光柵中初步匯聚，再端接進(jìn)入稀釋波導(dǎo)，在稀釋波導(dǎo)內(nèi)逐漸向上耦合至光電探測(cè)器吸收層，最終在光電探測(cè)器吸收層中被吸收轉(zhuǎn)化為光生載流子。該結(jié)構(gòu)可以使得光電探測(cè)器捕獲更強(qiáng)的光功率耦合進(jìn)吸收層，有助于提高光電探測(cè)器的響應(yīng)度。

技術(shù)研發(fā)人員：張雅麗,何宇業(yè),張尚劍,劉永
受保護(hù)的技術(shù)使用者：電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23