通用宽带光检测器设计和制造方法技术

本申请涉及通用宽带光检测器设计和制造方法。一种宽光谱带宽光检测器，该检测器设计用于在不同的航空电子网络和传感器中使用的所有类型的光纤，以及用于制造这种光检测器的方法。提供了肖特基势垒光检测器，该检测器包括锗，其对在紫外至近红外范围(220至1600nm)内的光具有宽的光谱响应。提供具有宽光谱响应的光检测器避免了在具有不同光纤网络和传感器的航空电子平台中使用多种不同类型的光检测器和接收器。

Design and manufacture of general wide band photodetector

【技术实现步骤摘要】
通用宽带光检测器设计和制造方法
本文所公开的技术一般涉及能够实现电气部件之间的通信的光纤网络。相比铜网络，光纤网络具有更高的速度、更低的重量和抗电磁干扰性的优点。许多型号的商用飞机都具有光纤网络，以便减小尺寸、重量和功率。
技术介绍
使用塑料光纤(POF)的光网络在重量、尺寸、带宽、功率和抗电磁干扰性上具有优于铜线的优势。塑料光纤在易于处理、安装和维护上具有优于玻璃光纤(GOF)的优点。使用POF可以产生显著的重量减轻。重量减轻对于交通工具比如飞机上的网络可能是重要的，其中重量减轻可以导致减少的燃料消耗和降低的排放。在POF网络可完全取代GOF网络之前，使用GOF网络的传统航空电子系统也将用于许多旧型号的和新型号的商用飞机中。玻璃光纤在1550nm的波长处具有最低损耗。玻璃光纤在1300nm处还具有最低色散。因为广泛可用的、成熟的且低成本的垂直腔面发射激光发射器在850nm波长下操作，所以短距离多模式玻璃光纤网络也使用850nm波长。因此，一些传统的航空电子GOF网络在850nm、1300nm和1550nm下操作。这些传统的GOF网络将与许多飞机系统中的POF网络共存。现有的解决方案是针对不同的光纤网络或传感器使用不同的光检测器。例如，对于使用由聚(甲基丙烯酸甲酯)制成的POF的低数据速率POF网络(例如，控制器区域网络(CAN)总线)，使用硅光检测器用于在可见波长范围(450、550和650nm)内的接收器操作。对于高速千兆位POF网络(例如，ARINC664，千兆位以太网)，使用InGaAs光检测器用于在1200至1550nm波长范围的接收器操作。对于GOF网络，GaAs光检测器用于850nm的波长，和InGaAs光检测器用于1300nm或1550nm的波长网络。上述解决方案的缺点是多方面的。第一，在具有不同的光纤网络和传感器的飞机系统中，需要不同的接收器。多个接收器的部件的供应、存储和安装增加了飞机航空电子系统的生产成本。第二，目前没有满足未来商用飞机航空电子系统中所有光纤(POF和GOF)网络的宽光谱范围和高量子效率要求的具有宽带光谱特性的商用现货(COTS)光检测器。例如，一些COTS接收器具有光检测器尺寸，该检测器尺寸没有优化以与大直径POF连接。结果，具有不匹配的光检测器尺寸的POF网络具有较低的接收器灵敏度，这反过来提供了较低的光学链路余量和较短的链路距离。第三，一些COTSPOF接收器具有光检测器结构，这使得接收器产生低于期望的光功率电平的额外的光脉冲。这个问题在本文中称为“任意脉冲现象”(APP)。由于APP问题，光纤网络的动态范围减小。
技术实现思路
设计以下一些细节中公开的技术旨在减轻上述问题。以下特别详细地公开了用于不同航空电子网络和传感器的所有光纤类型的非常宽的光谱带宽光检测器设计和制造方法。本文提出的解决方案提供了一种包括锗的肖特基势垒光检测器(下文中称为“锗肖特基势垒光检测器”)，该检测器对紫外至近红外范围(220至1600nm)内的光具有宽的光谱响应。提供具有宽光谱响应的光检测器避免了在具有不同光纤网络和传感器的航空电子平台中使用多种不同类型的光检测器和接收器。锗具有覆盖220至1600nm的波长范围的宽的光谱响应。该光谱范围跨越所有类型的POF和GOF网络或传感器的所有最低损耗波长，包括低数据速率POF、GbPOF、单模GOF和多模GOF网络。另外，本文公开的锗肖特基势垒光检测器的结构被设计为使光检测器的量子效率最大化。根据一些实施例的肖特基势垒光检测器结构还包括厚的有源层和优化的光检测器尺寸和耗尽宽度，以消除在一些COTS接收器中由光检测器产生的APP问题。与硅和InGaAs光检测器相比，本文所公开的肖特基势垒光检测器具有低制造成本。根据一些实施方式，锗肖特基势垒光检测器被设计为具有以下特征：(a)金属层厚度和外延层厚度，其被优化用于不同类型的光纤网络和传感器；(b)外延层中的低背景掺杂浓度；(c)所有航空电子光纤网络的优化检测区域；(d)具有介电钝化层以减少暗电流的台面结构，暗电流是光纤接收器中散粒噪声的主要来源。通过降低散粒噪声，增强了接收器灵敏度。锗肖特基势垒光检测器也可用于非航空航天电信网络。尽管以下特别详细地将描述锗肖特基势垒光检测器和制造这种光检测器的方法的各种实施方式，但是这些实施方式中的一个或多个可以通过以下方面中的一个或多个来表征。以下详细公开的主题的一个方面是光检测器，该检测器包括：由掺杂锗制成的衬底；由在衬底顶部上生长的掺杂外延锗制成的台面结构，其中掺杂外延锗的掺杂密度小于掺杂锗的掺杂密度；由沉积在台面结构的顶部上的金属制成的金属膜；由沉积在台面结构的顶部上并与膜接触的金属制成的金属垫；由沉积在衬底底部上的金属制成的欧姆接触层；沉积在膜上的抗反射涂层；和覆盖台面结构的暴露表面的介电钝化层。金属膜和金属垫由选自金、银、铝、铜和铟的金属制成。金属膜和台面结构配置为形成在台面结构中并与金属膜相邻的耗尽区。在光子撞击金属膜期间，当通过电压源施加适当的反向偏置电压时，穿透外延层的所有光子在耗尽区内部被吸收。以下详细公开的主题的另一方面是光纤器件，该光纤器件包括：具有末端的光纤；金属壳体，该金属壳体包括底座、连接至底座的透镜罩和安装在透镜罩顶部的开口中的玻璃球透镜；和设置在金属壳体内部的光检测器，光检测器包括由掺杂锗制成的衬底，由在衬底顶部上生长的掺杂外延锗制成的台面结构，掺杂外延锗的掺杂密度小于掺杂锗衬底的掺杂密度，由沉积在台面结构的顶部上的金属制成的金属膜，由沉积在台面结构的顶部上并与膜接触的金属制成的金属垫，和由沉积在衬底底部上的金属制成的欧姆接触层。光纤、玻璃球透镜和金属膜是对准的。以下详细公开的主题的进一步方面是用于制造光检测器的方法，该方法包括：抛光和研磨(lap)掺杂锗晶片直到形成具有在100至150微米的范围内的厚度的锗衬底；使掺杂锗外延层在锗衬底顶部上生长约15微米厚；将欧姆接触金属层沉积在锗衬底底部上；将金属膜和金属垫沉积在锗外延层顶部上使得金属垫与金属膜接触；通过去除一些锗外延层形成台面结构；将介电钝化层沉积在台面结构的暴露表面上；和将抗反射涂层沉积在金属膜的顶部上。下面公开了锗肖特基势垒光检测器和制造这种光检测器的方法的其他方面。附图说明在前述部分中讨论的特征、功能和优势可以在各种实施方式中独立地实现，或者可以在又其他实施方式中组合实现。为了说明上述和其他方面的目的，将在下文中参考附图描述各种实施方式。在该部分中简要描述的图均未按比例绘制。图1是显示低数据速率POF、GbPOF和GOF的衰减与波长的关系图。图2是显示不同半导体材料的吸收系数与波长的关系图。图3是显示根据一个实施方式的锗肖特基势垒光检测器的结构的图。图4A至4E是表示制造图3中描述的类型的锗肖特基势垒光检测器的方法中的各个步骤的图。图5是表示根据一个实施方式的沉积在外延层顶部上的金属膜和金属垫的顶视图的图。图6是显示图3中描绘的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光检测器，其包括：/n由掺杂锗制成的衬底；/n由在所述衬底顶部上生长的掺杂外延锗制成的台面结构，其中所述掺杂外延锗的掺杂密度小于所述掺杂锗的掺杂密度；/n沉积在所述台面结构的顶部上的由金属制成的金属膜；/n沉积在所述台面结构的顶部上并且与所述膜接触的由金属制成的金属垫；和/n沉积在所述衬底底部上的由金属制成的欧姆接触层。/n

【技术特征摘要】
20180829 US 16/115,6091.一种光检测器，其包括：
由掺杂锗制成的衬底；
由在所述衬底顶部上生长的掺杂外延锗制成的台面结构，其中所述掺杂外延锗的掺杂密度小于所述掺杂锗的掺杂密度；
沉积在所述台面结构的顶部上的由金属制成的金属膜；
沉积在所述台面结构的顶部上并且与所述膜接触的由金属制成的金属垫；和
沉积在所述衬底底部上的由金属制成的欧姆接触层。


2.如权利要求1所述的光检测器，其中所述金属膜和金属垫由选自金、银、铝、铜和铟的金属制成。


3.如权利要求2所述的光检测器，其中所述金属膜和所述台面结构形成具有在0.54至0.64伏特的范围内的肖特基势垒高度的结。


4.如权利要求1所述的光检测器，进一步包括连接至所述金属垫和所述欧姆接触层的电压源，其中所述金属膜和所述台面结构配置为产生在所述台面结构中并与所述金属膜相邻的耗尽区，所述耗尽区具有宽度，在光子撞击所述金属膜期间，当由电压源施加反向偏置电压时所述宽度增加。


5.如权利要求4所述的光检测器，其中所述金属膜具有在450至600微米的范围内的直径。


6.如权利要求4-5所述的光检测器，其中有效理查森常数在128至135A/cm2-°K2的范围内。


7.如权利要求1所述的光检测器，进一步包括沉积在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·Y·禅，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国;US