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半導體光電探測器由于體積小，重量輕，響應速度快，靈敏度高，易于與其它半導體器件集成，是光源的最理想探測器，可廣泛用于光通信、信號處理、傳感系統和測量系統。最近幾年，由于超高速光通信、信號處理、測量和傳感系統的需要，需要超高速高靈敏度的半導體光電探測器。為此，發展了諧振腔增強型（RCE）光電探測器、金屬半導體-金屬行波光電探測器，以及分離吸收梯度電荷和信增（SAGCM）雪崩光電探測器（APD）等。 諧振腔增強型(RCE)光電探測器 現代高性能的光通信、信號處理和測量系統，需要光電探測器必須具有高的響應速度和高的靈敏度。對于高帶寬的光信號探測，需要光電探測器的最佳典型結構是薄的光吸收區。然而，薄的光吸收層必定導致半導體材料在吸收系數比較小的波長位置的量子時效率減小。雖然帶寬超過200GHz的光電探測器也已研制成功，但帶寬效率積仍然受材料特性的限制。在肖特基光電探測器中，金屬接觸中的光損耗進一步受到頂部照射器件量子效率的限制，增加器件的響應度只靠采用半透明的肖特基接觸。最近幾年發展的光電子器件新種類--諧振腔增強型結構光電探測器，靠有源器件結構內部的法布里-泊羅諧振腔，使器件的量子效率在諧振波長位置猛烈增強，帶寬效率積驚人地改善，致使允許制作薄的光吸收區。所以，RCE結構探測器方案對肖特基型光電探測器特別有吸引力。 器件結構 RCE肖特基光電探測器結構的各層用分子束外延生長在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克分子數低于10%，為了避免載流子俘獲，兩個異質結層都線性地形成25nm的梯度。總的吸收區厚度為130nm左右，用來消除腔中的持續波效應。通過耗盡區中吸收層位置的最佳化，得到電子和空穴的最小渡越時間。器件用光刻法制作，采用臺面隔離和Au空橋連接頂部，接觸到片上的微波共平面傳輸線。Au接觸層厚度為20nm，Si3N4涂蓋層厚度200nm。 國內的發展水平 據因特網消息：中國科學院半導體所光電子技術研究中心，研制了用于光通信的新型光電子器件垂直腔面發射激光器和光電探測器。特別是他們用分子束外延在GaAs襯底上生長InGaAs外延層，制作了InGaAs多量子阱（MQW）諧振腔增強型光電探測器（RCE-PD）。測得這種光電探測器的峰值響應波長為1298nm，半最大值全寬（FWHM）為5nm，波長調整范圍為10nm，暗電流為20PA，電容為2PF，3dB帶寬300MHz。另外一種光電探測器峰值響應波長為1060nm，半最大值全寬FWHM為1.6nm，波長調整范圍為10nm，暗電流為30PA，電容為2PF，3dB帶寬為450MHz。 另據報道：中國科學院半導體研究所在注入氧分隔（SIMOX）的晶片上，研制了正面進光和背面進光的兩種SiGe/Si諧振腔增強型光電探測器。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外延生長在SIMOX襯底上，生長溫度為600℃。SiO2/Si分布布拉格反射器用電子束蒸發淀積，形成具有SIMOX晶片掩埋氧化物層的垂直微腔。正面進光的RCE光電探測器在 =1285nm波長時，峰值響應度為10.2mA/W；背面進光的器件在 =1305nm時，峰值響應度為19mA/W。背面進光的響應度幾乎為正面進光的響應度的2倍，主要是由于背面進光的器件鏡面反射率高達99%，而正面進光的器件鏡面反射率只80%。 金屬-半導體-金屬行波光電探測器 低溫生長GaAs(LTG-GaAs)基光電探測器（PD）由于它們短的響應時間、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注。然而，LTG-GaAs的寬吸收能隙（～800nm）限制了它在長波長（1300-1500nm）光通信的應用。在長波長制式，幾個PS的響應時間已從LTG-InGaAs基PD得到了，但這比短波長制式的LTG-GaAs基PD的亞PS響應時間長得多。近來，有幾個研究組在長波長光通信制式使用垂直照射結構或邊緣耦合行波結構，演示了LTG-GaAs基p-i-n/n-i-n和MSM PD。通過使用內部能隙對導帶的欠態躍遷，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比準能帶-能帶吸收系數小得多，用常規的垂直照射PD結構，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結構，低效率問題可以靠增加器件的吸收長度克服。雖然最大輸出功率可隨器件吸收長度而增加，但電帶寬將嚴重地降低。 分離吸收梯度電荷和倍增雪崩光電探測器 雪崩光電二極管（APD）是0.92-1.65 m波長范圍工作的現代長拖曳高比特速率光通信系統最廣泛使用的光電探測器。在各種APD結構中，分離吸收梯度電荷和倍增（SAGCM）結構是最有前途的APD結構之一。它具有高的性能例如：高的內部增益、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光電探測器和光發射二極管。半導體材料有比較高的折射率，符合需要大合成數值孔徑的微鏡。至今，對半導體微鏡的研究方法包括：光致抗蝕劑回流干腐蝕、表面微機械和投影掩模再生長等。然而，這些方法需要多工藝步驟和/或高價的工藝設備。 2002年，韓國Samsung電子公司光電子部的S.R.Cho等人，研制了與半導體微鏡集成的InGaAs p-i-n光電探測器。這種p-i-n光電探測器具有典型的外延層結構。它由n+-InP緩沖層、n -InGaAs吸收層和n -InP項層組成。全部外延層用金屬有機氣相外延（MOVPE）技術生長在n+-InP襯底上。然后，P區用SiN掩蔽的后置生長Zn擴散工藝選擇形成。圓形微鏡制作在InP-InGaAs-InP p-i-n光電探測器的后部，這是InP晶體。在微鏡制作之前，InP襯底減薄到120 m并且拋光。測量結果表明，這種與半導體微鏡集成的InGaAs p-i-n光電探測器的光纖耦合容差提高超過50%。 量子阱紅外光電探測器 量子阱紅外光電探測器（QWIP）受到許多商業、工業和軍事應用的關注，因為它們的性能可以與傳統的HgCdTe探測器競爭。目前，大多數QWIPs是生長在GaAs（GsAs-AlGaAs材料系統）和InP（InGaAs-InP材料系統）襯底上，基于這些QWIPs的大制式焦平面陣列（FPA）攝像機已經研制成功了。但是，FPA的讀出集成電路（ROIC）是硅基的，復雜的技術象倒裝晶片焊接技術使FPA與硅基ROIC混合集成為必需的技術。 2002年，IEEE會員J.Jiang等人，用Si作襯底研制了InGaAs-InP量子阱紅外光電探測器。使用低溫成核層技術和厚緩沖層材料生長技術在Si上生長InP。使用現場熱循環退火技術減少InP在Si上的線錯密度。使用這個方法，使探測器的暗電流減小2個數量級，在77K和7-9 m波長范圍得到探測靈敏度高達2.3 109cmHz1/2/W。 高速叉指式Ge PIN光電探測器 工作在1.3 m波長，用于高速和長拖曳光傳輸的光電探測器是光傳輸系統廣泛研究的主題。至今，許多這個工作都集中在Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的長波長光電探測器。Ge被認為是代替材料，因為它有適合于1.3 m波長的帶隙，間接帶隙0.67eV，直接帶隙0.81eV。Ge有達到高速性能的潛力，因為它在電信波長有高的電子遷移率和高的光吸收系數。此外，Ge有希望應用于例如微波和毫米波光子系統，這種需要高的光電流和高的線性度的系統。近來Ge在Si襯底上外延層的沉積工藝技術使Ge更有吸引力，因為它容易與Si集成電路技術兼容。已有報道用在Si襯底外延生長的Ge制作金屬-半導體-金屬（MSM）光電探測器。 為了得到高的響應度，使用叉指式的平面結構。平面結構的MSM光電探測器已廣泛應用，因為它比較容易制作和具有低的電容。然而，MSM探測器與PIN探測器比較，量子效率低，暗電流大。 位敏探測器 位敏探測器（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點，其中主要優點是有潛力制作大面積器件而沒有內部中斷或分界面，以便它們對光輸入信息提供連續的傳感。PSD用于準直、光處理和機器人視覺系統等。 2001年，澳大利亞西部大學電氣與電子工程學院的J.Henry等人，用新的氫化非晶硅（a-Si∶H）肖特基勢壘結構制作的薄膜位敏探測器PSD與常規的晶體硅器件位敏探測器進行了比較研究。測得a-Si∶H結構的器件輸出線性相關系數為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結構器件的空間分辨小于50 m，而晶硅（C-Si）結構器件的空間分辨小于10m。 結語 半導體光電探測器正朝著超高速、高靈敏度、寬帶寬以及單片集成的方向發展，它可廣泛地應用于光通信、信號處理、傳感系統和測量系統。 |
