一种高增益带宽积的光探测器
阅读：57发布：2020-05-12
专利汇可以提供一种高增益带宽积的光探测器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种高增益带宽积的 光探测器 ，涉及光探测器技术领域，包括以下步骤：衬底、波 半导体 光 放大器 TWSOA和 波导 雪 崩光电 二极管 WGAPD。所述TWSOA和WGAPD沿入射光方向间隔设置在所述衬底上。所述WGAPD与TWSOA一一对齐的设有下列层： 缓冲层 、第一渐变层、有源层、第二渐变层、第一功能层、第二功能层、扩散控制层和顶层。本实用新型的光探测器的增益带宽积能够达到1000GHz。(ESM)同样的 发明 创造已同日 申请 发明 专利，下面是一种高增益带宽积的光探测器专利的具体信息内容。
1.一种高增益带宽积的光探测器，其特征在于，包括：
衬底；
沿入射光方向间隔设置在所述衬底上的行波半导体光放大器TWSOA和波导雪崩光电二极管WGAPD；
所述WGAPD与TWSOA一一对齐的设有下列层：缓冲层、第一渐变层、有源层、第二渐变层、第一功能层、第二功能层、扩散控制层和顶层；
其中：所述缓冲层为n型掺杂InP；所述第一渐变层为本征或弱n型掺杂InGaAsP；所述有源层为本征或弱n型掺杂InGaAs；所述扩散控制层为p型掺杂InGaAsP；所述顶层均为p型掺杂InP；所述WGAPD的第二渐变层、第一功能层和第二功能层分别为本征或弱n型掺杂InGaAsP、n型掺杂InP和本征或弱n型掺杂InGaAsP；所述TWSOA的第二渐变层、第一功能层和第二功能层分别为p型掺杂InGaAsP、p型掺杂InP和p型掺杂InGaAsP。
2.如权利要求1所述的光探测器，其特征在于：所述TWSOA和WGAPD上均设有电极。
3.如权利要求1所述的光探测器，其特征在于：所述TWSOA的入射光侧面设有增透膜。
4.如权利要求1所述的光探测器，其特征在于：所述WGAPD的第一功能层的厚度为50-
200nm，所述第一功能层的掺杂浓度为2-7×1017cm-3，掺杂面密度为2.8-3.6×1012cm-2。
5.如权利要求1所述的光探测器，其特征在于：所述WGAPD的第二功能层的厚度50-
300nm。
6.如权利要求1所述的光探测器，其特征在于：所述TWSOA的长度L1为150-300μm，宽度W1为1-2.5μm。
7.如权利要求1所述的光探测器，其特征在于：所述WGAPD长度L2为10-30μm，宽度W2为
1.5-3μm。
8.如权利要求1所述的光探测器，其特征在于：所述TWSOA和WGAPD之间间隔的距离为1-
3μm。
9.如权利要求1所述的光探测器，其特征在于：所述扩散控制层的厚度为100-200nm。
10.如权利要求1所述的光探测器，其特征在于：所述顶层的厚度1.5-3μm。
一种高增益带宽积的光探测器
技术领域
[0001] 本实用新型涉及光探测器技术领域，具体涉及一种高增益带宽积的光探测器。
背景技术
[0002] 随着物联网、5G的快速发展，光纤通信系统的带宽要求不断提高。目前用于高速光信号接收模块的光探测器采用平面型雪崩光电二极管(APD,Avalanche Photo Diode)，具有内部增益，可放大电流信号，速率10Gbps的APD已得到广泛应用。然而，25Gbps以上速率的APD设计和制造难度较大，成为光通信系统传输速率的限制因素。APD的带宽主要受光生载流子渡越时间和雪崩建立时间的限制。目前10Gbps的APD采用垂直光入射方式，只能通过减小光吸收层厚度来减小渡越时间，但与此同时会减小量子效率和响应度，导致灵敏度下降。雪崩建立时间与APD增益大小有关，增益越大则雪崩建立时间越长，导致带宽下降，因此要求APD具有一定的增益带宽积。
[0003] 25Gbps以上高速率APD的研究方向，主要包括p型倒置APD、波导雪崩光电二极管(WGAPD)和隐逝波耦合雪崩光电二极管(ECAPD)。其中p型倒置APD采用三级台阶结构和部分p型掺杂的光吸收层，通过减小光生载流子渡越时间来提高带宽，增益带宽积达到270GHz。WGAPD和ECAPD采用波导结构，使光从器件侧面入射，能够在不降低量子效率的情况下采用较薄的有源层，提高带宽，此类APD的带宽可达35GHz，但增益较低，增益带宽积约140GHz。
实用新型内容
实用新型内容
[0005] 为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是：一种高增益带宽积的光探测器，包括：
[0006] 衬底；
[0008] 所述WGAPD与TWSOA一一对齐的设有下列层：缓冲层、第一渐变层、有源层、第二渐变层、第一功能层、第二功能层、扩散控制层和顶层；
[0009] 其中：所述缓冲层为n型掺杂InP；所述第一渐变层为本征或弱n型掺杂InGaAsP；所述有源层为本征或弱n型掺杂InGaAs；所述扩散控制层为p型掺杂InGaAsP；所述顶层均为p型掺杂InP；所述WGAPD的第二渐变层、第一功能层和第二功能层分别为本征或弱n型掺杂InGaAsP、n型掺杂InP和本征或弱n型掺杂InGaAsP；所述TWSOA的第二渐变层、第一功能层和第二功能层分别为p型掺杂InGaAsP、p型掺杂InP和p型掺杂InGaAsP。
[0011] 在上述技术方案的基础上，所述TWSOA的入射光侧面设有增透膜。
[0012] 在上述技术方案的基础上，所述WGAPD的第一功能层的厚度为50-200nm，所述第一功能层的掺杂浓度为2-7×1017cm-3，掺杂面密度为2.8-3.6×1012cm-2。
[0013] 在上述技术方案的基础上，所述WGAPD的第二功能层的厚度50-300nm。
[0014] 在上述技术方案的基础上，所述TWSOA的长度L1为150-300μm，宽度W1为1-2.5μm。
[0015] 在上述技术方案的基础上，所述WGAPD长度L2为10-30μm，宽度W2为1.5-3μm。
[0016] 在上述技术方案的基础上，所述TWSOA和WGAPD之间间隔的距离为1-3μm。
[0017] 在上述技术方案的基础上，所述扩散控制层的厚度为100-200nm。
[0018] 在上述技术方案的基础上，所述顶层的厚度1.5-3μm。
[0019] 与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型的高增益带宽积的光探测器，将行波半导体光放大器TWSOA与波导雪崩光电二极管WGAPD集成，TWSOA将入射光放大后再由WGAPD转化为电信号，整个光探测器的增益带宽积能够达到1000GHz以上。附图说明
[0021] 图2为本实用新型实施例中的外延结构的结构示意图；
[0022] 图3为本实用新型实施例中的外延结构两次锌扩散工艺后的结构示意图；
[0023] 图4为本实用新型实施例中的外延结构两次锌扩散工艺后的俯视图；
[0024] 图5为本实用新型实施例中的制作多通道光探测器的结构示意图。
具体实施方式
[0025] 以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明。
[0026] 参见图1所示，本实用新型实施例提供一种高增益带宽积的光探测器的制造方法，包括以下步骤：
[0027] 步骤S1，在衬底上，依次生长缓冲层、第一渐变层、有源层、第二渐变层、第一功能层、第二功能层、扩散控制层和顶层形成外延结构。
[0028] 具体地，参见图2所示，在半绝缘(S.I.，semi-insulating)磷化铟InP衬底上，通过分子束外延MBE(Molecular Beam Epitaxy)或金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)等外延生长技术，依次生长缓冲层，第一渐变层，有源层，第二渐变层，第一功能层，第二功能层，扩散控制层和顶层。其中：
[0029] 缓冲层为n型掺杂InP，掺杂浓度为1-2×1018cm-3，缓冲层的厚度为0.5-1μm；
[0030] 第一渐变层为本征(i，intrinsic)或弱n型掺杂In1-xGaxAsyP1-y(0＜x＜1，0＜y＜1且y/x＝2.13，下文称InGaAsP)，掺杂浓度小于2×1015cm-3，下文所谓弱n型掺杂InGaAsP即此浓度范围，第一渐变层的厚度50-100nm，采用多层成分不同或一层成分线性渐变的InGaAsP，由缓冲层过渡至有源层；
[0031] 有源层为本征或弱n型掺杂InGaAs，有源层的厚度100-300nm。优选地，有源层可采用In0.511Ga0.489As或五组量子阱，可有效消除入射光偏振的影响；
[0032] 第二渐变层为本征或弱n型掺杂InGaAsP，第二渐变层的厚度50-100nm，采用多层成分不同或一层成分线性渐变的InGaAsP，由有源层过渡至第一功能层。
[0033] 第一功能层为n型掺杂InP，掺杂浓度为2-7×1017cm-3，第一功能层的厚度为50-200nm，同时掺杂面密度为2.8-3.6×1012cm-2；
[0034] 第二功能层为本征或弱n型掺杂InP，第二功能层的厚度50-300nm；
[0035] 扩散控制层为本征或弱n型掺杂InGaAsP，扩散控制层的厚度为100-200nm；
[0036] 顶层为本征或弱n型掺杂InP，顶层的厚度1.5-3μm。
[0037] 步骤S2，对整个外延结构进行第一次锌扩散工艺，使锌扩散至扩散控制层。
[0038] 具体地，参见图3所示，整个外延结构的顶层和扩散控制层分别变为p型掺杂InP和p型掺杂InGaAsP。
[0039] 步骤S3，遮蔽部分外延结构，对未遮蔽部分外延结构进行第二次锌扩散工艺，使锌扩散至第二渐变层以形成TWSOA，被遮蔽部分外延结构形成WGAPD。
[0040] 具体地，参见图3所示，在外延结构上采用等离子体增强化学PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)工艺镀钝化膜，配合光刻、反应离子刻蚀RIE(Reactive Ion Etching)等工艺使部分外延结构被遮蔽。通过第二次锌扩散工艺，未被遮蔽的外延结构的第二功能层、第一功能层和第二渐变层均为p型掺杂。被遮蔽的外延结构的第二功能层、第一功能层和第二渐变层形成倍增层、电荷层以及过渡层。即未被遮蔽的外延结构形成TWSOA，被遮蔽的外延结构形成WGAPD。
[0041] 步骤S4，参见图3和图4所示，刻蚀外延结构将TWSOA和WGAPD分离，并形成条形的TWSOA和WGAPD。
[0042] 具体地，参见图3和图4所示，通过感应耦合等离子体ICP(Inductively Coupled Plasma)刻蚀工艺将TWSOA与WGAPD之间的区域刻蚀至缓冲层下方，使TWSOA与WGAPD隔离，避免电串扰。其中，TWSOA的长度L1为150-300μm，WGAPD长度L2为10-30μm，二者间隔距离δ为1-3μm。TWSOA宽度W1为1-2.5μm，WGAPD宽度W2为1.5-3μm。同时，将TWSOA和WGAPD条形两侧的区域刻蚀至缓冲层，以便后续制作电极。
[0043] 需要说明的是，参见图5所示，批量生产中，多个光探测器可以在同一晶圆片采用本实用新型实施例的制造方法进行制造。
[0044] 与现有技术相比，本实用新型实施中的高增益带宽积的光探测器的制造方法，将行波半导体光放大器TWSOA与波导雪崩光电二极管WGAPD集成，TWSOA将入射光放大后再由WGAPD转化为电信号，其中TWSOA提供光增益6～10dB(即4～10倍)，WGAPD增益带宽积约120GHz，整个光探测器的增益带宽积能够达到1000GHz以上，大大高于现有的光探测器的增益带宽积。
[0045] 作为优选的实施方式，分别制造TWSOA和WGAPD的电极。具体地，对TWSOA采用p型和n型电极结构，WGAPD采用GSG(接地-信号-接地)共面波导电极结构。
[0046] 作为优选的实施方式，在TWSOA的入射光侧面制造增透膜，通过减少反射光达到增加光的透过率的目的。
[0047] 参见图3所示，本实用新型实施例还提供一种高增益带宽积的光探测器，包括：衬底、波半导体光放大器TWSOA和波导雪崩光电二极管WGAPD。TWSOA和WGAPD沿入射光方向间隔设置在衬底上，优选地，衬底为半绝缘InP。WGAPD与TWSOA一一对齐的设有下列层：缓冲层、第一渐变层、有源层、第二渐变层、第一功能层、第二功能层、扩散控制层和顶层。
[0048] 其中：缓冲层为n型掺杂InP；第一渐变层和有源层均为本征或弱n型掺杂InGaAsP；扩散控制层为p型掺杂InGaAsP；顶层均为p型掺杂InP；WGAPD的第二渐变层、第一功能层和第二功能层分别为本征或弱n型掺杂InGaAsP、n型掺杂InP和本征或弱n型掺杂InGaAsP；
TWSOA的第二渐变层、第一功能层和第二功能层分别为p型掺杂InGaAsP、p型掺杂InP和p型掺杂InGaAsP。
TWSOA的第二渐变层、第一功能层和第二功能层分别为p型掺杂InGaAsP、p型掺杂InP和p型掺杂InGaAsP。
[0049] 与现有技术相比，本实用新型实施中的高增益带宽积的光探测器，将行波半导体光放大器TWSOA与波导雪崩光电二极管WGAPD集成，TWSOA将入射光放大后再由WGAPD转化为电信号，其中TWSOA提供光增益6～10dB(即4～10倍)，WGAPD增益带宽积约120GHz，整个光探测器的增益带宽积能够达到1000GHz以上，大大高于现有的光探测器的增益带宽积。
[0050] 作为优选的实施方式，TWSOA和WGAPD均设有电极。具体地，TWSOA采用p型和n型电极结构，WGAPD采用GSG(接地-信号-接地)共面波导电极结构。
[0051] 作为优选的实施方式，TWSOA的入射光侧面设有增透膜，通过减少反射光达到增加光的透过率的目的。
[0052] 作为优选的实施方式，缓冲层为n型掺杂InP，掺杂浓度为1-2×1018cm-3，缓冲层的厚度为0.5-1μm；
[0053] 作为优选的实施方式，第一渐变层为本征(i，intrinsic)或弱n型掺杂In1-xGaxAsyP1-y(0＜x＜1，0＜y＜1且y/x＝2.13，下文称InGaAsP)，掺杂浓度小于2×1015cm-3，下文所谓弱n型掺杂InGaAsP即此浓度范围，第一渐变层的厚度50-100nm，采用多层成分不同或一层成分线性渐变的InGaAsP，由缓冲层过渡至有源层；
[0054] 作为优选的实施方式，有源层为本征或弱n型掺杂InGaAs，有源层的厚度100-300nm。优选地，有源层可采用In0.511Ga0.489As或五组量子阱，可有效消除入射光偏振的影响；
[0055] 作为优选的实施方式，WGAPD的第二渐变层为本征或弱n型掺杂InGaAsP，又称为过渡层，第二渐变层的厚度50-100nm，采用多层成分不同或一层成分线性渐变的InGaAsP，由有源层过渡至第一功能层。
[0056] 作为优选的实施方式，WGAPD的第一功能层为n型掺杂InP，又称为电荷层，厚度为50-200nm，掺杂浓度为2-7×1017cm-3，掺杂面密度为2.8-3.6×1017cm-2。
[0057] 作为优选的实施方式，WGAPD的第二功能层为本征或弱n型掺杂InP，又称为倍增层，厚度为50-300nm。
[0058] 作为优选的实施方式，TWSOA的第二渐变层、第一功能层和第二功能层分别为p型掺杂InGaAsP、p型掺杂InP和p型掺杂InGaAsP，各个层的厚度与WGAPD的对应的层相同。
[0059] 作为优选的实施方式，扩散控制层为p型掺杂InGaAsP，扩散控制层的厚度为100-200nm。
[0060] 作为优选的实施方式，顶层为p型掺杂InP，顶层的厚度1.5-3μm。
[0061] 作为优选的实施方式，TWSOA的长度L1为150-300μm，WGAPD长度L2为10-30μm。TWSOA宽度W1为1-2.5μm，WGAPD宽度W2为1.5-3μm。TWSOA和WGAPD之间间隔的距离为1-3μm。
[0062] 本实用新型不仅局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本实用新型相同或相近似的技术方案，均在其保护范围之内。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 一种基于直波导相位调制器的分布式光纤声波传感系统 | 2020-05-12 | 118 |
| 半导体光放大器、光输出装置以及距离测量装置 | 2020-05-13 | 603 |
| 半导体光放大器芯片、光接收子组件和光模块 | 2020-05-08 | 253 |
| 一种基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器 | 2020-05-11 | 86 |
| 基于宽频混沌激光的分布式光纤动态应变传感装置及方法 | 2020-05-11 | 498 |
| 一种可调谐窄线宽激光器 | 2020-05-11 | 584 |
| 一种可调谐激光器 | 2020-05-11 | 369 |
| 基于SOA非线性效应同时实现全光比较器和编码器的装置 | 2020-05-08 | 556 |
| 一种全光逻辑门 | 2020-05-08 | 650 |
| 基于二维材料可饱和吸收体的硅基被动锁模外腔激光器 | 2020-05-11 | 246 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
半导体光放大器热门专利
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈