[发明专利]具有低暗电流特性的谐振腔增强型光电探测器

说明书

技术领域

本发明涉及光电探测器技术领域，尤其是谐振腔增强型光电探测器技术领域。

背景技术

进入二十一世界以来，人们对数据业务要求的爆炸式增长推动了光纤通讯系统的飞速发展。但光纤通信系统的发展决定于光纤通信器件的发展，某些器件的进步可能带来光纤通信革命性的变化。现在商用光纤通信系统的速率已从20年前的45Mb/s，增加了200多倍。目前10Gb/s系统已经大批量装备网络，诸多公司部署测试100Gb/s光网路，IP的爆炸式发展所带来的对带宽的巨大需求，必然要使人们更充分地利用光纤丰富的带宽资源，继续成倍地提升系统的速率。

高速大容量的光纤通信系统考察光接收器件是否适用的主要指标有：响应度(即量子效率)，响应速度(即3dB响应带宽)，响应波长范围，是否易于光电集成，工艺难度等。普通的光电探测器和雪崩二极管对数据信号速率10Gb/s的响应没有问题，但是要继续提高响应速率将会遇到困难。这是由于普通光电探测器的响应速度与吸收层的厚度呈反比，而量子效率却和吸收层厚度呈正比。要获得更大的响应速度，需要减小吸收层厚度，这会导致量子效率的下降。因此响应速度和量子效率这两个重要性能参数之间有相互制约的关系。虽然带宽超过200GHz的光电探测器也已研制成功，但其带宽效率乘积仍然受材料特性的限制。

谐振腔增强型结构光电探测器，依靠有源器件结构内部的法布里-泊罗谐振腔，可以极大的增强腔内光场的强度，使器件的量子效率在谐振波长位置得到很大的增强，从而使器件可以在较薄的吸收层情况下在谐振波长处获得高量子效率，带宽效率乘积惊人地得到改善。

在目前已经研制成功以及投入实际应用的谐振腔增强型光电探测器中，普遍采用较厚的吸收层来获得较高的量子效率，但是这样的设计不仪影响了响应速度的提高，而且使得探测器普遍具有很高的暗电流，而暗电流太高将会影响探测器的使用稳定性和使用寿命。所以，当前的谐振腔增强型光电探测器在高量子效率与低暗电流特性两个方面形成相互制约。

本发明通过在谐振腔增强型光电探测器中引入一组势垒结构并上且设计适当厚度的吸收层厚度，得到一种具备超低暗电流并且具有高量子效率的谐振腔增强型光电探测器，这种探测器结构能够在非常低的暗电流水平保持很高的量子效率，从而实现探测器长时间平稳高效地运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有低暗电流特性的谐振腔增强型光电探测器结构，运用这种器件结构，能够实现低暗电流水平下的高量子效率探测。

本发明提供一种具有低暗电流特性的谐振腔增强型光电探测器结构，为表示方便，砷化镓用相应化学式GaAs表示，砷化铝用相应化学式AlAs表示，铟镓砷用相应化学式InGaAs表示，铝镓砷根据组分的不同分别用Al_0.45Ga_0.55As和Al_XGa_1-XAs表示，器件结构包括：

一砷化镓衬底；

一砷化镓缓冲层，该砷化镓缓冲层生长在砷化镓衬底上；

一谐振腔结构，该谐振腔结构生长在砷化镓缓冲层上；

其中谐振腔结构进一步还包括如下结构：

一下反射镜，该下反射镜生长在砷化镓缓冲层上，包括交替生长的下反射镜砷化镓层和下反射镜砷化铝层；

一腔体下砷化镓层，该腔体下砷化镓层生长在下反射镜上；

一有源区，该有源区生长在腔体下砷化镓层上，包括交替生长的铟镓砷量子点和砷化镓间隔层；

一腔体中砷化镓层，该腔体中砷化镓层生长在有源区上；

一势垒结构，该势垒结构生长在腔体中砷化镓层上，包括依次生长的下铝镓砷层、砷化铝层、上铝镓砷层以及铝镓砷渐变层，其中下铝镓砷层和上铝镓砷层的组成成份都为Al_0.45Ga_0.55As，铝镓砷渐变层的组成成份为Al_XGa_1-XAs，沿着生长方向，X由0.45渐变至0；

一腔体上砷化镓层，该腔体上砷化镓层生长在势垒结构上；

一上反射镜，该上反射镜生长在腔体上砷化镓层上，包括依次生长的上反射镜砷化铝层和上反射镜砷化镓层；

在上述结构中，下反射镜包括33对交替生长的下反射镜砷化镓层和下反射镜砷化铝层，上反射镜包括3对交替生长的上反射镜砷化铝层和上反射镜砷化镓层，有源区包括13对交替生长的铟镓砷量子点和砷化镓间隔层。