高量子效率多工作波长谐振腔增强型光电探测器

摘要

一种高量子效率多工作波长谐振腔增强型光电探测器，包括：一砷化镓衬底；一砷化镓缓冲层生长在砷化镓衬底上；一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；一腔体上砷化镓层生长在有源区上；一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；其特征在于，下反射镜包括6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1对依次生长的上反射镜砷化铝层和上反射镜砷化镓层。

说明书

技术领域

本发明涉及光电探测器领域，尤其是谐振腔增强型光电探测器领域，提供了一种具有高量子效率并且能够实现多波长探测的谐振腔增强型光电探测器结构，能够实现在多波长的高量子效率探测。

背景技术

二十一世纪是信息高技术世纪，信息时代的特征是信息量大爆炸，信息传递非常快捷，信息处理十分迅速，其量化的标志为3T：光通信速率＞1Tbit/s；计算机速度＞1Tbit/s；光盘存储密度＞1Tbit/inch2。要实现3T，需要依赖于从上个世纪开始的本世纪将进一步得到发展的光电子技术。光子是物质存在和运动的基本形态之一，运用光子作为信息和能量的载体，将把新世纪的科学技术推向一个更加光辉灿烂的未来。光电子器件尤其是半导体光电子器件及其集成在高速率、大容量信息应用领域中发挥不可替代的关键作用，它是光信息技术发展的基础。而信息光子学的发展又对光电子器件不断提出新的要求，促使它往纵深层次更快发展。它要求材料更多样化，波长覆盖更宽，谱线更精细，器件功率更高，可列阵集成化，应用更广泛。

垂直腔光子器件是一类具有开拓创新意义及有很好应用前景的新型光电器件。它们的典型结构是将有源区放置在一个用分子束外延制备出的垂直谐振腔内，利用谐振腔的高品质因子改善光电器件性能。垂直腔型光子器件具有易于制备二维列阵，实现集发射接收一体化以及高密度光电集成的优点，因此近年来备受关注，研究进展十分迅速，正成功迈向实用化阶段。目前垂直腔器件以垂直腔表面发射激光器、谐振腔增强型表面发光二极管、光探测器和光调制器等几种器件的研究为主。谐振腔增强型光电探测器特有的波长选择性、高量子效率和高响应速度兼容的优点，成为波长选择应用中接收器件的强有力竞争者。引入谐振腔的光调制器在改善消光比降低工作电压、减小功耗等方面体现出很大优势。垂直腔面发射激光器具有阈值电流、低单纵模工作、调制频率高和高平面集成性等优点，在实际应用中极具潜力。谐振腔发光二极管不仅发光强度高、光谱宽度窄且光束方向性大为改善。

垂直共振腔光电探测器的概念是AT&T Bell实验室的Chin等人1990年提出的，也称为谐振腔增强型Resonant-Cavity Enhanced(简称RCE光电探测器)，其结构是在分布布喇格反射镜Distributed BraggReflector(简称DBR)构成的谐振腔中插入一薄层半导体吸收层，入射光在F-P腔的作用下来回通过吸收层，发生共振增强吸收现象，成为一类非常具有实用价值的高性能光电探测器，它具有以下主要特点：

1、波长选择性好；

2、量子效率高；

3、响应速度快；

4、低功耗低噪声。

从上述优点我们可以看出，谐振腔增强型光电探测器最突出的两个优点就是波长选择性好和量子效率高，当前世界各国在谐振腔增强型光电探测器上的研究，也基本集中在这两个性能指标的提高上。而这种类型的光电探测器也有其明显的缺点，那就是可选择的波长只有一个。

本发明通过设计谐振腔增强型光电探测器上反射镜和下反射镜的组数，得到一种具备多个工作波长并且具有高量子效率的谐振腔增强型光电探测器，可以在多个工作波长实现高量子效率的光探测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高量子效率多工作波长谐振腔增强型光电探测器结构，运用这种器件结构，能够实现在多波长的高量子效率探测。

本发明提供一种高量子效率多工作波长谐振腔增强型光电探测器，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；

一腔体上砷化镓层，该腔体上砷化镓层生长在有源区上；

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；

其特征在于，下反射镜包括6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1对依次生长的上反射镜砷化铝层和上反射镜砷化镓层。

其中有源区包括21对交替生长的铟镓砷量子点和砷化镓间隔层。

其中有源区中的铟镓砷量子点的生长厚度为6个单分子层。

其中有源区中的砷化镓间隔层的生长厚度为20nm。

其下反射镜中的下反射镜砷化镓层和上反射镜中的上反射镜砷化镓层的生长厚度都为76nm，其下反射镜中的下反射镜砷化铝层和上反射镜中的上反射镜砷化铝层的生长厚度都为92nm。

其工作波长分别为940nm、1000nm及1080nm。

本发明通过将下反射镜设计为6对分布布拉格反射镜和将上反射镜设计为1对分布布拉格反射镜以及使用21层铟镓砷量子点，其有益效果在于获得了多个工作波长，并且在每个工作波长都具备了高量子效率，这是传统的谐振腔增强型光电探测器所不具备的。

附图说明

为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明器件的结构图；

图2为本发明实施例的结构图；

图3为本发明实施例的光谱测试图；

图4为本发明实施例的IV测试图。

具体实施例

请参阅图2所示，为本发明的一个具体实施例，整个器件结构包括：

一砷化镓(GaAs)衬底10；

一砷化镓缓冲层20，生长厚度为1000nm，该砷化镓缓冲层20生长在砷化镓衬底10上；

一谐振腔结构30，该谐振腔结构30生长在砷化镓缓冲层20上，

其中谐振腔结构30进一步还包括如下结构：

一下反射镜31，该下反射镜31生长在砷化镓缓冲层20上，包括交替生长的下反射镜砷化镓层311和下反射镜砷化铝(AlAs)层312，生长厚度分别为76nm和92nm；

一腔体下砷化镓层32，生长厚度为580nm，该腔体下砷化镓层32生长在下反射镜31上；

一有源区33，该有源区33生长在腔体下砷化镓层32上，包括交替生长的铟镓砷(工nGaAs)量子点331和砷化镓间隔层332，其中每个砷化镓间隔层332的生长厚度为20nm，铟镓砷量子点331的生长厚度为6个单分子层(Monolayer，简称ML)；

一腔体上砷化镓层34，生长厚度为175nm，该腔体上砷化镓层34生长在有源区33上；

一上反射镜35，该上反射镜35生长在腔体上砷化镓层34上，包括依次生长的上反射镜砷化铝层351和上反射镜砷化镓层352，生长厚度分别为92nm和76nm；

在上述结构中，下反射镜31包括6对交替生长的下反射镜砷化镓层311和下反射镜砷化铝层312，上反射镜35包括1对依次生长的上反射镜砷化铝层351和上反射镜砷化镓层352，有源区33包括21对交替生长的铟镓砷量子点331和砷化镓间隔层332。

图3是上述实施例器件结构测试得到的光谱，其中实线表示反射谱，虚线表示荧光谱。从上述的两个光谱曲线中，我们可以明显看到本实施例器件的三个工作波长为940nm、1000nm和1080nm，荧光谱在这三个波长呈现出的荧光峰与反射谱在这三个波长呈现出的谐振腔模式——对应。

图4是上述实施例器件结构测试得到的IV曲线，其中实线表示有光照时测试得到的总电流随着偏压的变化，虚线表示没有光照时测试得到的暗电流随着偏压的变化。这里光照测试采用的入射光波长选择在第一个工作波长940nm，利用光功率计测得的入射光功率为44nW。为了得到本实施例谐振腔增强型光电探测器在第一工作波长940nm处的光电响应，我们取偏压为-1V作为工作偏压，在IV测试曲线中，将偏压为-1V时的光照总电流减去偏压为-1V时的暗电流，就可以得到由940nm入射光产生的光电流，大小为27nA。用光电流除以入射光功率，便可以得到本实施例谐振腔增强型光电探测器在第一工作波长940nm处的光电响应为0.61A/W，为了进一步计算本实施例谐振腔增强型光电探测器在第一工作波长940nm处的量子效率，可以通过如下公式得到，量子效率＝光电响应(A/W)*1.24/入射波长(微米)，代入相应数据我们得到本实施例谐振腔增强型光电探测器在第一工作波长940nm处的量子效率＝0.61*1.24/0.94＝80％。本实施例谐振腔增强型光电探测器在第二工作波长1000nm以及第三工作波长1080nm处的IV响应曲线与第一工作波长940nm处的IV响应曲线类似，不再给以附图表示，下面给出第二工作波长1000nm以及第三工作波长1080nm处的光电响应以及量子效率的计算；

第二工作波长1000nm的入射光功率为28nw，在偏压-1V的光电流为19nA，则光电响应＝19nA/28nW＝0.68A/W，量子效率＝0.68*1.24/1.0＝84％。

第三工作波长1080nm的入射光功率为23nw，在偏压-1V的光电流为16nA，则光电响应＝16nA/23nW＝0.7A/W，量子效率＝0.7*1.24/1.08＝80％。

通过以上对本实施例中谐振腔增强型光电探测器三个工作波长以及相应量子效率的分析计算，我们得到本实施例谐振腔增强型光电探测器具有940nm、1000nm及1080nm三个工作波长，对应的量子效率依次为80％、84％及80％，可以看出本实施例谐振腔增强型光电探测器不仅具备了多工作波长，而且在每个工作波长都有非常高的量子效率。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求范围所界定的为准。