[发明专利]半导体光电探测器芯片结构

说明书

技术领域

本发明涉及光电子器件领域，尤其涉及一种半导体光电探测器芯片结构。

背景技术

现今国内外光纤通信正朝着高速率、网络化和集成化的方向发展。针对将来的高度信息化社会的需求，继传输容量为2.5Gb/s系统的实用后，10Gb/s系统也已经投入商用。目前40Gb/s系统也开始提上议程。与此相应，作为光通信系统所必要的超高速、高灵敏度的光光电探测器件也有了显著的进展。

光纤通信中最常用的半导体光电探测器主要是光电二极管(PIN)和雪崩光电二极管(APD)，两种结构各有其自身的特点和优势。其中PIN结构简单，工艺实现上容易，而且稳定性高，而APD结构则由于其内部会发生碰撞电离形成内增益，它比传统的光电二极管(PIN)的灵敏度要优8-9dBm，因此APD也被广泛的应用在高速的光纤通信系统中。

从传统光通信的2.5Gbit/s的传输速率，到目前40Gbit/s传输速率提上课题，高速光通信系统对光电探测器的要求越来越高。围绕着对器件高带宽、低噪声等性能要求，研究人员从各方面对高性能光电探测器芯片的设计展开了广泛的研究。与传统的PN结光电二极管相比，PIN二极管引入了掺杂少的本征层作为耗尽层，其吸收光子的机会和电容的大小都可以通过本征层厚度的大小来控制，从而大大提高了器件设计的灵活性，而且在性能方面PIN二极管也优于PN结光电二极管。

目前光通信波段常用的材料是以N型的InP为衬底，然后在衬底上依次生长一定厚度的InGaAs和P型的InP层，通过外加偏置电压，让高电场均匀的落在本征区域。当激光照射PIN二极管时，大部分光子在本征区域里面被强烈的吸收，并在偏置的电场下光生电子和空穴往两个电极的方向扩展。该结构的特点在于，它可以通过本征层厚度的大小来控制电容，频率响应，和响应度。当本征层厚度缩小，其光生载流子在器件里面漂移的时间就会变小，从而可以提高器件的响应速度，最终提高带宽性能。但另一方面，缩小厚度就会使电容变大，响应度变小，减低器件的性能。目前对于高速PIN二极管的研究集中在如何在保持器件厚度小的前提下，能够综合解决响应度小，电容大的问题。富士通等公司的一些结构正是基于这样的思路，这些结构中采用了平面的结构，并且让激光从侧面入射到本征层中，这样一方面在侧向增加了对入射光的吸收，同时在垂直方向上又减少了载流子的渡越时间。这两方面的结果增大了器件的响应度又提高的带宽的响应。另外也可以通过减少结的接触面积和外部电路的设计来减少电容。然而，这些在工艺实现上比较复杂，需要生长波导把激光引到吸收层和复杂的外部电路设计，大大增加了工艺的难度。因此如何设计一种结构既能使器件有良好的带宽特性，又能保证一定的响应度，并且在工艺实现过程中相对简单的PIN二极管芯片结构是目前研究热点。