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半導(dǎo)體光電探測(cè)器由于體積小，重量輕，響應(yīng)速度快，靈敏度高，易于與其它半導(dǎo)體器件集成，是光源的最理想探測(cè)器，可廣泛用于光通信、信號(hào)處理、傳感系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)。最近幾年，由于超高速光通信、信號(hào)處理、測(cè)量和傳感系統(tǒng)的需要，需要超高速高靈敏度的半導(dǎo)體光電探測(cè)器。為此，發(fā)展了諧振腔增強(qiáng)型（RCE）光電探測(cè)器、金屬半導(dǎo)體-金屬行波光電探測(cè)器，以及分離吸收梯度電荷和信增（SAGCM）雪崩光電探測(cè)器（APD）等。 諧振腔增強(qiáng)型(RCE)光電探測(cè)器 現(xiàn)代高性能的光通信、信號(hào)處理和測(cè)量系統(tǒng)，需要光電探測(cè)器必須具有高的響應(yīng)速度和高的靈敏度。對(duì)于高帶寬的光信號(hào)探測(cè)，需要光電探測(cè)器的最佳典型結(jié)構(gòu)是薄的光吸收區(qū)。然而，薄的光吸收層必定導(dǎo)致半導(dǎo)體材料在吸收系數(shù)比較小的波長(zhǎng)位置的量子時(shí)效率減小。雖然帶寬超過200GHz的光電探測(cè)器也已研制成功，但帶寬效率積仍然受材料特性的限制。在肖特基光電探測(cè)器中，金屬接觸中的光損耗進(jìn)一步受到頂部照射器件量子效率的限制，增加器件的響應(yīng)度只靠采用半透明的肖特基接觸。最近幾年發(fā)展的光電子器件新種類--諧振腔增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器，靠有源器件結(jié)構(gòu)內(nèi)部的法布里-泊羅諧振腔，使器件的量子效率在諧振波長(zhǎng)位置猛烈增強(qiáng)，帶寬效率積驚人地改善，致使允許制作薄的光吸收區(qū)。所以，RCE結(jié)構(gòu)探測(cè)器方案對(duì)肖特基型光電探測(cè)器特別有吸引力。 器件結(jié)構(gòu) RCE肖特基光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)的各層用分子束外延生長(zhǎng)在GaAs襯底上。諧振腔由GaAs-AlAs分布布拉格反射（DBR）的底部反射器和半透明的頂部金（Au）接觸形成。InGaAs吸收層的In克分子數(shù)低于10%，為了避免載流子俘獲，兩個(gè)異質(zhì)結(jié)層都線性地形成25nm的梯度�？偟奈諈^(qū)厚度為130nm左右，用來(lái)消除腔中的持續(xù)波效應(yīng)。通過耗盡區(qū)中吸收層位置的最佳化，得到電子和空穴的最小渡越時(shí)間。器件用光刻法制作，采用臺(tái)面隔離和Au空橋連接頂部，接觸到片上的微波共平面?zhèn)鬏斁�。Au接觸層厚度為20nm，Si3N4涂蓋層厚度200nm。 國(guó)內(nèi)的發(fā)展水平 據(jù)因特網(wǎng)消息：中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所光電子技術(shù)研究中心，研制了用于光通信的新型光電子器件垂直腔面發(fā)射激光器和光電探測(cè)器。特別是他們用分子束外延在GaAs襯底上生長(zhǎng)InGaAs外延層，制作了InGaAs多量子阱（MQW）諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器（RCE-PD）。測(cè)得這種光電探測(cè)器的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為1298nm，半最大值全寬（FWHM）為5nm，波長(zhǎng)調(diào)整范圍為10nm，暗電流為20PA，電容為2PF，3dB帶寬300MHz。另外一種光電探測(cè)器峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為1060nm，半最大值全寬FWHM為1.6nm，波長(zhǎng)調(diào)整范圍為10nm，暗電流為30PA，電容為2PF，3dB帶寬為450MHz。 另?yè)?jù)報(bào)道：中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在注入氧分隔（SIMOX）的晶片上，研制了正面進(jìn)光和背面進(jìn)光的兩種SiGe/Si諧振腔增強(qiáng)型光電探測(cè)器。SIMOX晶片正面的Si層厚度為250nm，氧化物的厚度也為250nm。SiGe/Si多量子阱用MBE外延生長(zhǎng)在SIMOX襯底上，生長(zhǎng)溫度為600℃。SiO2/Si分布布拉格反射器用電子束蒸發(fā)淀積，形成具有SIMOX晶片掩埋氧化物層的垂直微腔。正面進(jìn)光的RCE光電探測(cè)器在 =1285nm波長(zhǎng)時(shí)，峰值響應(yīng)度為10.2mA/W；背面進(jìn)光的器件在 =1305nm時(shí)，峰值響應(yīng)度為19mA/W。背面進(jìn)光的響應(yīng)度幾乎為正面進(jìn)光的響應(yīng)度的2倍，主要是由于背面進(jìn)光的器件鏡面反射率高達(dá)99%，而正面進(jìn)光的器件鏡面反射率只80%。 金屬-半導(dǎo)體-金屬行波光電探測(cè)器 低溫生長(zhǎng)GaAs(LTG-GaAs)基光電探測(cè)器（PD）由于它們短的響應(yīng)時(shí)間、高的電帶寬、低的暗電流，以及它們能夠與其微波器件例如微波天線集成而受到大大關(guān)注。然而，LTG-GaAs的寬吸收能隙（～800nm）限制了它在長(zhǎng)波長(zhǎng)（1300-1500nm）光通信的應(yīng)用。在長(zhǎng)波長(zhǎng)制式，幾個(gè)PS的響應(yīng)時(shí)間已從LTG-InGaAs基PD得到了，但這比短波長(zhǎng)制式的LTG-GaAs基PD的亞PS響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)得多。近來(lái)，有幾個(gè)研究組在長(zhǎng)波長(zhǎng)光通信制式使用垂直照射結(jié)構(gòu)或邊緣耦合行波結(jié)構(gòu)，演示了LTG-GaAs基p-i-n/n-i-n和MSM PD。通過使用內(nèi)部能隙對(duì)導(dǎo)帶的欠態(tài)躍遷，在LTG-GaAs中得到了低于帶隙的光子吸收。然而，由于低于能隙的吸收系數(shù)比準(zhǔn)能帶-能帶吸收系數(shù)小得多，用常規(guī)的垂直照射PD結(jié)構(gòu)，得到的量子效率是極低的（約為0.6mA/W）。邊緣耦合的p-i-n/n-i-n行波PD結(jié)構(gòu)，低效率問題可以靠增加器件的吸收長(zhǎng)度克服。雖然最大輸出功率可隨器件吸收長(zhǎng)度而增加，但電帶寬將嚴(yán)重地降低。 分離吸收梯度電荷和倍增雪崩光電探測(cè)器 雪崩光電二極管（APD）是0.92-1.65 m波長(zhǎng)范圍工作的現(xiàn)代長(zhǎng)拖曳高比特速率光通信系統(tǒng)最廣泛使用的光電探測(cè)器。在各種APD結(jié)構(gòu)中，分離吸收梯度電荷和倍增（SAGCM）結(jié)構(gòu)是最有前途的APD結(jié)構(gòu)之一。它具有高的性能例如：高的內(nèi)部增益、可靠性改善，以及超過100GHz的高增益帶寬積。 集成微鏡的InGaAs光電探測(cè)器 光耦合在光通信的器件特性中是很重要的。使用折射微鏡可以增加光耦合效率和耦合容差。因此，它的應(yīng)用隨光電子器件封裝微型化而被廣泛接受。聚合物微鏡已用于MSM光電探測(cè)器和光發(fā)射二極管。半導(dǎo)體材料有比較高的折射率，符合需要大合成數(shù)值孔徑的微鏡。至今，對(duì)半導(dǎo)體微鏡的研究方法包括：光致抗蝕劑回流干腐蝕、表面微機(jī)械和投影掩模再生長(zhǎng)等。然而，這些方法需要多工藝步驟和/或高價(jià)的工藝設(shè)備。 2002年，韓國(guó)Samsung電子公司光電子部的S.R.Cho等人，研制了與半導(dǎo)體微鏡集成的InGaAs p-i-n光電探測(cè)器。這種p-i-n光電探測(cè)器具有典型的外延層結(jié)構(gòu)。它由n+-InP緩沖層、n -InGaAs吸收層和n -InP項(xiàng)層組成。全部外延層用金屬有機(jī)氣相外延（MOVPE）技術(shù)生長(zhǎng)在n+-InP襯底上。然后，P區(qū)用SiN掩蔽的后置生長(zhǎng)Zn擴(kuò)散工藝選擇形成。圓形微鏡制作在InP-InGaAs-InP p-i-n光電探測(cè)器的后部，這是InP晶體。在微鏡制作之前，InP襯底減薄到120 m并且拋光。測(cè)量結(jié)果表明，這種與半導(dǎo)體微鏡集成的InGaAs p-i-n光電探測(cè)器的光纖耦合容差提高超過50%。 量子阱紅外光電探測(cè)器 量子阱紅外光電探測(cè)器（QWIP）受到許多商業(yè)、工業(yè)和軍事應(yīng)用的關(guān)注，因?yàn)樗鼈兊男阅芸梢耘c傳統(tǒng)的HgCdTe探測(cè)器競(jìng)爭(zhēng)。目前，大多數(shù)QWIPs是生長(zhǎng)在GaAs（GsAs-AlGaAs材料系統(tǒng)）和InP（InGaAs-InP材料系統(tǒng)）襯底上，基于這些QWIPs的大制式焦平面陣列（FPA）攝像機(jī)已經(jīng)研制成功了。但是，F(xiàn)PA的讀出集成電路（ROIC）是硅基的，復(fù)雜的技術(shù)象倒裝晶片焊接技術(shù)使FPA與硅基ROIC混合集成為必需的技術(shù)。 2002年，IEEE會(huì)員J.Jiang等人，用Si作襯底研制了InGaAs-InP量子阱紅外光電探測(cè)器。使用低溫成核層技術(shù)和厚緩沖層材料生長(zhǎng)技術(shù)在Si上生長(zhǎng)InP。使用現(xiàn)場(chǎng)熱循環(huán)退火技術(shù)減少InP在Si上的線錯(cuò)密度。使用這個(gè)方法，使探測(cè)器的暗電流減小2個(gè)數(shù)量級(jí)，在77K和7-9 m波長(zhǎng)范圍得到探測(cè)靈敏度高達(dá)2.3 109cmHz1/2/W。 高速叉指式Ge PIN光電探測(cè)器 工作在1.3 m波長(zhǎng)，用于高速和長(zhǎng)拖曳光傳輸?shù)墓怆娞綔y(cè)器是光傳輸系統(tǒng)廣泛研究的主題。至今，許多這個(gè)工作都集中在Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的長(zhǎng)波長(zhǎng)光電探測(cè)器。Ge被認(rèn)為是代替材料，因?yàn)樗羞m合于1.3 m波長(zhǎng)的帶隙，間接帶隙0.67eV，直接帶隙0.81eV。Ge有達(dá)到高速性能的潛力，因?yàn)樗陔娦挪ㄩL(zhǎng)有高的電子遷移率和高的光吸收系數(shù)。此外，Ge有希望應(yīng)用于例如微波和毫米波光子系統(tǒng)，這種需要高的光電流和高的線性度的系統(tǒng)。近來(lái)Ge在Si襯底上外延層的沉積工藝技術(shù)使Ge更有吸引力，因?yàn)樗菀着cSi集成電路技術(shù)兼容。已有報(bào)道用在Si襯底外延生長(zhǎng)的Ge制作金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）光電探測(cè)器。 為了得到高的響應(yīng)度，使用叉指式的平面結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)的MSM光電探測(cè)器已廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗容^容易制作和具有低的電容。然而，MSM探測(cè)器與PIN探測(cè)器比較，量子效率低，暗電流大。 位敏探測(cè)器 位敏探測(cè)器（PSDs）是一種重要的光傳感器。薄膜型晶硅基分離器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，其中主要優(yōu)點(diǎn)是有潛力制作大面積器件而沒有內(nèi)部中斷或分界面，以便它們對(duì)光輸入信息提供連續(xù)的傳感。PSD用于準(zhǔn)直、光處理和機(jī)器人視覺系統(tǒng)等。 2001年，澳大利亞西部大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的J.Henry等人，用新的氫化非晶硅（a-Si∶H）肖特基勢(shì)壘結(jié)構(gòu)制作的薄膜位敏探測(cè)器PSD與常規(guī)的晶體硅器件位敏探測(cè)器進(jìn)行了比較研究。測(cè)得a-Si∶H結(jié)構(gòu)的器件輸出線性相關(guān)系數(shù)為r=0.983-0.997，晶硅器件如Pt/C-Si和Au-In/C-Si器件的r近似為1。另外a-Si∶H結(jié)構(gòu)器件的空間分辨小于50 m，而晶硅（C-Si）結(jié)構(gòu)器件的空間分辨小于10m。 結(jié)語(yǔ) 半導(dǎo)體光電探測(cè)器正朝著超高速、高靈敏度、寬帶寬以及單片集成的方向發(fā)展，它可廣泛地應(yīng)用于光通信、信號(hào)處理、傳感系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)。 |
