專利名稱：光探測器及其光設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光設(shè)備，特別涉及光探測器。更具體地，盡管非排他地，
本發(fā)明涉及金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)的光探測器及其光電子設(shè)備。
背景技術(shù)：
對許多光電子應(yīng)用而言，例如光通信、傳感、監(jiān)控和/或控制，光探測 器是必需的。光探測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。電信號通常是電流形式， 在為信息萃取處理之前電流被放大。 一個典型的光探測器包括一感光區(qū)， 入射的光信號撞擊在此感光區(qū)上，并發(fā)生光能到電能的轉(zhuǎn)換。為了獲得最 大的響應(yīng)度，感光區(qū)通常比入射光束的空間范圍大。在許多應(yīng)用里，需要 多個光探測器或光探測器陣列。例如，在分光計里需要光探測器陣列。
許多年來，金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)光探測器由于其高速和高感應(yīng)度， 已經(jīng)被廣泛用于光纖系統(tǒng)里的光探測。圖1顯示的典型MSM光探測器在基 板上包括一適當(dāng)厚度的吸收層，金屬電極被沉積在此吸收層上。 一個應(yīng)用 在850nm波長或更低范圍上的典型MSM光探測器包括一未摻雜砷化鎵 (GaAs)的吸收層和一半絕緣的砷化鎵基板。在美國專利US 5， 461， 246 中描述了一個MSM光探測器的例子，在此通過引用被合并到本文中。
發(fā)明目的
本發(fā)明的目的是提供一個新的光探測設(shè)備，在一個新的構(gòu)造上包括多 個光探測器。至少，本發(fā)明的目的是提供一個包括多個光探測器的光探測 設(shè)備的有用替代方案供公眾選擇。
發(fā)明概述
廣義地講，.本發(fā)明描述了一個包括多個光探測器的光電設(shè)備，每個所 述的光探測器包括多個平行連接的光探測片，所述多個光探測器的光探測 片間隔插入排列，從而一光探測器的一光探測片位于另一光探測器的光探 測片之間，且另一光探測器的一光探測片位于所述光探測器的光探測片之 間。這種結(jié)構(gòu)對許多感光或其它應(yīng)用是有益的。
優(yōu)選地，每個所述光探測片是伸長型的，并包括多個間隔插入的金屬 電極在光吸收層上。
優(yōu)選地，所述伸長型光探測片具有相同寬度，且間隔插入的伸長光探 測片的相鄰對之間的間距是相同的。從而對使用相對簡易的設(shè)備去執(zhí)行精 確的光點跟蹤提供便利。
優(yōu)選地，所述伸長型光探測片具有相同尺寸，且間隔插入的伸長光探 測片的相鄰對之間的間距是相同的。
優(yōu)選地，所述伸長型光探測片包括相同寬度的矩形部分，所述伸長光 片的長邊是平行的，且間隔插入的伸長光探測片的相鄰對之間的間距是相 同的。
優(yōu)選地，所述光探測片是伸長型的，且所述伸長型光探測片的長寬比 率超過IO。
優(yōu)選地，所述光探測片是伸長型的，且所述伸長型光探測片的長寬比 率超過100。
優(yōu)選地，所述多個光探測器是在單個基板上形成。這是有利的，因為 可以得到一個強健且準確的感應(yīng)設(shè)備，而且是低成本且容易配置的。
優(yōu)選地，所述多個光探測器中的每個都具有單獨的輸出終端。
優(yōu)選地，所述光探測器包括光電二極管。
優(yōu)選地，所述光探測器包括MSM光探測器。MSM光探測器獨特的電壓-
電流特征，通過改變偏壓，對于同一光，使產(chǎn)生相反極性的光電流成為可 能，從而提供顯著的效用。'
優(yōu)選地，所述設(shè)備還包括與所述多個光探測器的信號輸出微分連接的 微分電路。
優(yōu)選地，至少一個光探測器的伸長光探測片有一波長感應(yīng)涂層。
優(yōu)選地，光探測器的伸長光探測片上涂有一波長感應(yīng)涂層，所述光探測 器上的波長感應(yīng)涂層是不同的，它們被安排調(diào)整使得能產(chǎn)生一個波長對響 應(yīng)度的線性區(qū)域。
優(yōu)選地，光探測器的伸長光探測片有一波長感應(yīng)涂層，且在所述多個 光探測器上涂層的波長感應(yīng)度是不同的。
優(yōu)選地，所述設(shè)備還包括波長感應(yīng)電路，波長感應(yīng)電路包括信號處理 裝置，處理來自所述多個光探測器的微分信號輸出，來確定入射光信號的 波長。
依照本發(fā)明的一個首選實施例，提供一個包括本發(fā)明光電設(shè)備的光探 測設(shè)備，其中所述的多個光探測器具有微分輸出，微分輸出被微分放大。
優(yōu)選地，所述多個光探測器涂敷有波長感應(yīng)物質(zhì)，且對所述多個光探 測器而言波長感應(yīng)度是不同的，所述多個光探測器的輸出差被處理用于波 長識別。


以下將通過實例并參考附圖，詳細解釋本發(fā)明的首選實施例，其中
圖1是顯示一個傳統(tǒng)MSM光探測器橫截面的示意圖，
圖1A是顯示另一個傳統(tǒng)MSM光探測器金屬電極的示意圖，
圖2是顯示本發(fā)明第一首選實施例的光探測設(shè)備的示例俯視圖，
圖2A是一光探測片的放大圖，
圖3是顯示圖2光探測設(shè)備的示例實施的頂部透視圖，
圖4是顯示本發(fā)明第二首選實施例的光探測設(shè)備的示例俯視圖，
圖5是顯示圖2光探測器第一應(yīng)用的示意圖，
圖6是顯示圖5應(yīng)用運行的電示意圖，
圖7是顯示本發(fā)明光探測設(shè)備第二應(yīng)用的等效電子電路圖，
圖8是說明圖7應(yīng)用的示意圖，
圖9顯示分別加在感光片A和B上的涂層反射率對應(yīng)波長，以及其微 分數(shù)值，
圖10說明本發(fā)明光探測設(shè)備的第三應(yīng)用，
圖ll顯示圖IO結(jié)構(gòu)的間隔層A和B的各自傳輸系數(shù)對應(yīng)波長，以及 微分數(shù)值，
圖12說明本發(fā)明光探測設(shè)備作為第四應(yīng)用位移傳感器的示例實施， 圖13說明圖12應(yīng)用的應(yīng)用原理，
圖14顯示圖13設(shè)備感光片用于圖14A的應(yīng)用中的示例詳圖， 圖14A顯示關(guān)于兩組寬度和片間間距的光點位移的信號幅度變化圖， 圖15顯示有關(guān)圖15A中顯示的光束點位移的光信號輸出的變化圖， 圖15A說明圖15應(yīng)用的本發(fā)明光探測設(shè)備的感光片， 圖16顯示使用本發(fā)明光探測設(shè)備的偏斜測量(也稱撓度測量 deflection measurement)的示例結(jié)構(gòu)。
首選實施例詳述
在圖1顯示的包含單個光探測片的傳統(tǒng)MSM光探測器單元中，指狀金
屬電極沉積在一個非摻雜III-V半導(dǎo)體(如砷化鎵(GaAs)或銦鎵砷化物 (InGaAs))的活性吸收層上，以形成一個光探測單元。指狀金屬電極交叉 間隔設(shè)置，連接到第一偏壓(圖l中的V+)的一指狀金屬電極位于一對連' 接到第二偏壓(圖1中的V—)的指狀金屬電極的中間。在圖1A顯示的另一 個傳統(tǒng)MSM光探測器單元中，光探測片包括設(shè)置在III-V半導(dǎo)體活性吸收 層上的多個指狀金屬電極對，以形成一分布式光探測片。多個指狀金屬電 極連接到各自的偏壓，且多個指狀金屬電極是交叉間隔配置，從而光探測 片包括多個相鄰平行的配對的指狀金屬電極，它們連接到不同的偏壓。
由于MSM光探測器的對稱結(jié)構(gòu)，理想的MSM光探測器的I-V特征對于 偏壓具有正/負對稱性，如美國專利5，461，246的圖2所示。當(dāng)合適波長的 光照射在MSM設(shè)備上時，光電流的方向依賴于偏壓極性。因此，如果反向 偏壓極性，光電流的方向也將反向。
本發(fā)明圖2和圖3的光電設(shè)備100包括第一光探測器120和第二光探 測器140。每個光探測器都包括多個平行電連接著的伸長型光探測片A122 和B142。設(shè)備100的光探測片類似于傳統(tǒng)MSM探測器的單個光探測單元， 包括以上所述的多個插入式金屬電極。光探測器的伸長型光探測片相互平 行，且此兩個光探測器120和140的伸長光探測片被間隔排列插入，其中 第一光探測器的一個伸長光探測片位于第二光探測器的一對伸長光探測片 中間并相互平行，反之亦然。在此兩個光探測器的伸長光探測片之間的間 隔插入構(gòu)造如圖2中所示的A-B-A或B-A-B次序，其中A和B分別代表第 一和第二光探測器的伸長光探測片。因此，分別屬于此兩個光探測器的兩 組光探測片(A，B)被交替地布置在整個有效感光區(qū)上。光探測器的多個伸 長光片是相互連接的，例如，通過基板上的導(dǎo)線布置。當(dāng)探測片A和B之 間的相互連接交叉時， 一個絕緣層，例如氮化硅(Si美)，可以提供必要的 絕緣。
每個光探測片A122和B142都有定義光探測片感光區(qū)的片寬(SW)和 片長(SL)。光探測片的相鄰對被隔開一個片間間距(SS)。光探測片的片 寬(SW)與相鄰光探測片之伺的相同片間間距相同。光探測片伸長的長寬 比(SL/SW)最好超過10，盡管對采用本發(fā)明的許多應(yīng)用而言， 一個超過 100的長寬比將是有利的。為了便于說明，說明書里的長寬比是片長對片寬 之間的比率。
設(shè)備100的光探測片具有相同的片寬，且光探測片相鄰對之間的片間 距也是相同的。因為具有相同片寬的光探測片A和B，因為屬于兩個不同光 探測器的光探測片相鄰對之間的相同片間距，所以在整個感光區(qū)上的每個 組成的光探測器的有效感光區(qū)是相等的，并以間隔插入方式沿著橫向方向 基本上均勻分布。因為均勻分布的(屬于不同光探測器)的感光片橫向穿 過包括兩個光探測器整體的整個感光區(qū)， 一個光源若其橫向覆蓋區(qū)超過一 對光探測片的總計橫向范圍，此光源將被此兩個光探測器檢測到，而不管 光撞擊的即時位置。
如果入射光的橫向覆蓋區(qū)大大超過不同光探測器的一對相鄰光探測片 的總計橫向范圍，例如，如果橫向覆蓋區(qū)超過多個光片對的橫向范圍，每 個光探測器的光電流輸出將更加均勻。由于光撞擊的準確位置，光探測的 均勻性降低光探測器的光反應(yīng)敏感性。結(jié)果，光源和光探測器之間的光學(xué) 校直要求可以不那么嚴格。多個具有均勻分布的相互插入排列的光探測片 的光探測器的形成，便于將入射光源分割成兩個光輸出，而不需要光分離 器。此外，多個光探測器的光電流輸出的極性或方向能夠通過改變偏壓極 性而被改變，從而提供顯著的優(yōu)點。
如果入射光源的覆蓋區(qū)是橫向?qū)ΨQ的，光電流的均勻性將得到加強。 為了進一步增強光電流輸出的均勻性，光片是關(guān)于縱軸對稱的，將光探測 片橫向地分成兩半。作為一個便利示范，每個光探測片A或B的感光區(qū)是
矩形的。
盡管每個光探測器的^探測片具有相同的片寬，和在不同光探測器的
光探測器相鄰對之間的相同的片間距，應(yīng)該理解依照具體應(yīng)用可以改變片 寬和片間距，例如，對于入射光信號在感光區(qū)上撞擊的位置需要被識別出 來的應(yīng)用。片寬和間距的變化可以根據(jù)在感光區(qū)上光接收位置上表現(xiàn)的圖 案來設(shè)定。
圖4光電設(shè)備類似于圖2和圖3的設(shè)備100，只是其包括三個光探測器 而不是兩個探測器。每個光探測器包括多個平行電連接的伸長光探測片A、 B或C。分別屬于三個光探測器的一組三個光探測片A、 B、 C交替位于整個 有效感光區(qū)上。每個伸長光探測片的物理特性和片間關(guān)系類似于圖2和圖3 的設(shè)備IOO，盡管伸長光探測片依照次序ABCA、 BCAB或CABC排列。以上所 述的設(shè)備IOO的特征加以必要的變更應(yīng)用到設(shè)備200上。
圖5和6描述圖2光電設(shè)備的第一個示例應(yīng)用，其中來自第一和第二 光探測器的微分電輸出信號被利用和處理。以相反極性的偏壓加到第一和 第二光探測器上，從而輸出光電流的方向是相反的。相反電流極性產(chǎn)生的 微分輸出信號被微分放大，例如微分放大器，而獲得增強的信號分辨率。 光探測片的物理尺寸和其間隔間距可以被調(diào)整，使得每個光探測器的光電 流輸出基本上是相同的，而不管光點在設(shè)備光感應(yīng)區(qū)上撞擊的瞬時位置。 分布式和插入式光探測片的特征，特別當(dāng)片寬和片間隔間距遠遠小于光點 的橫向長度時，會增強設(shè)備光電流輸出的均勻性。利用設(shè)備內(nèi)這對光探測 器的微分光電流輸出使得可以使用微分放大器，從而不利的電干擾例如共 模干擾和噪音將被減輕，因為這種共模噪聲將不會被微分放大器放大。
圖7、 8和9描述本發(fā)明光電設(shè)備的第二個應(yīng)用，用于波長探測、識別、
監(jiān)控和/或控制?！鐖D7所示， 一波長感應(yīng)涂層被應(yīng)用在光^^測器和入射光
之間。由于波長感應(yīng)涂層的波長選擇性，光探測器的光電流輸出依賴于入
射光的波長，適合運行于300-700皿之間的涂層的示范選擇性及其差異的 曲線圖如圖9所示。如圖9內(nèi)所看到的，在此兩個波長感應(yīng)涂層的波長響 應(yīng)之間的差異在500-700nm有一個線性區(qū)。參考圖9的示范線性區(qū)，通過 校準一波長監(jiān)控設(shè)備，通過參考線性區(qū)可以確定瞬間入射光的波長，且可 以使用反饋控制來確保產(chǎn)生正確波長的光。對此應(yīng)用而言，第一光探測器 的光探測片A被涂敷一波長響應(yīng)R—A 230的波長感應(yīng)物質(zhì)，且第二光探測 器的光探測片B被涂敷一特定波長響應(yīng)R_B 240的波長感應(yīng)物質(zhì)，如圖7 和9所示。在此應(yīng)用里，第一和第二光探測器被偏壓以相同極性的電壓， 不失一般性盡管也可以使用微分輸出。類似地，尺寸遠比光點尺寸小的分 布式和插入式光探測片方便了這兩個光探測器均勻探測光，獲得增強的探 測分辨率。因為在此應(yīng)用里非微分輸出被饋入到微分放大器，光電設(shè)備可 以用非MSM光探測器來實現(xiàn)。
圖10和11描述本發(fā)明光電設(shè)備的另一個示范應(yīng)用，可以用來探測、 識別、監(jiān)控和/或控制一具體波長的光波的波長感應(yīng)設(shè)備。
為了增強光電設(shè)備的波長感應(yīng)性， 一外部光腔(optical cavity)被放 置在入射光源和光探測器120、 140的中間。參考圖9，通過在光腔310的 外表面和在朝向接近光束的光腔上游端涂上一反射涂層，形成一個光共振 器。在光腔下游端和獨立光探測器120和140之間，涂上另一反射涂層。 這個反射涂層可以加在光探測表面上。通常，光腔物質(zhì)(如玻璃)和光探 測器的半導(dǎo)體之間的界面，要足夠能獲得所期待的光譜響應(yīng)。如果沒有足 夠的光譜響應(yīng)，可以外加一額外的涂層?？梢栽诠馇缓凸馓綔y器中間設(shè)立 一個光間隔層。光間隔層342、 344的厚度隨不同的光探測器而不同。更特 別地，通過在如圖11所示的兩個光探測器光路之間提供一個可變模式間隔， 調(diào)整間隔層厚度差以獲得一個合適的波長，其獨立與不同片的信號。通過 調(diào)整兩個光路之間的模式間隔，而得到光譜反應(yīng)，合并光譜反應(yīng)的微分特
征，能夠獲得一個如圖ll所示的光譜反應(yīng)曲線。不失一般性，通過跟蹤模 式間隔和不同曲線350之間的關(guān)系，能夠從光探測器獲得具體波長或敏感 信息用于有用的應(yīng)用。' '
圖12-15A描述的是本發(fā)明光探測器作為位移感應(yīng)器的應(yīng)用，用來探測 光照射到光探測器上的瞬時方位。在圖12和13的電路方案示意圖里，圖 12的光探測器及其各自光電流輸出被連接到各個放大器。為了便于入射光 的方位識別，入射光點的橫向覆蓋區(qū)小于一對間隔插入的光探測片的總橫 向?qū)挾?。例如，如圖14和15A所示，每個光探測片有一個20^m的片寬和 一個5wm的片間距，而圓形入射光點的半徑是20/zm。當(dāng)光點的橫向覆蓋 區(qū)小于一對光探測片的總合計片寬時，來自光探測器120和140的光電流 輸出的變化將具有如圖14A所示的兩個反相曲線362和364的變化。另一 對具有更跳躍的響應(yīng)峰值的反相曲線是由具有更小橫向覆蓋區(qū)10vm的一 個光點而得到的。圖15描述來自不同光探測器的光探測片的光電流輸出的 變化，其作為光束移動的函數(shù)，光點直徑等于40;/m。光點的位置可以通過 比率(A-B) / (A+B) 380精確地確定，比率與光電流強度無關(guān)。
圖16描述的是本發(fā)明光探測器的位移檢測特征的一個示例應(yīng)用。在此 方案里，來自激光源370的光束380以一個角度照射到物體發(fā)射面。如圖 16的箭頭所示，當(dāng)物體移位時，光點也跟著移動。根據(jù)以上所述的方法跟 蹤光點的移動，物體的位移就能夠被測量出來。沿著一個合適長度收集物 體的位移信息，物體的偏差和個別位移就能夠被測量出來。
參考以上所述的例子或首選實施例可以闡明本發(fā)明，應(yīng)該理解，那些 是協(xié)助理解本發(fā)明的例子，而不是意在限制本發(fā)明。特別地，對本領(lǐng)域技 術(shù)人員而言，明顯的或細微的變換或修改，以及在其上所作的改進，都應(yīng) 該被看作屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。 而且，通過參考MSM光探測器來解釋本發(fā)明，應(yīng)該理解，不失一般性， 不管有改變還是沒有改變，本發(fā)明還可以采用其它光探測器，如PIN 二極 管或其它適當(dāng)變更的光電二極管。
權(quán)利要求
1.一個光電設(shè)備，包括多個光探測器，每個所述光探測器包括多個平行連接的光探測片，所述多個光探測器的光探測片是間隔插入排列的，使得一個光探測器的一個光探測片位于另一光探測器的光探測片之間，另一光探測器的一個光探測片位于所述光探測器的光探測片之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，其中每個所述光探測片是伸長型的，并包括在光吸收層上的多個插入式金屬電極。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，其中所述伸長光探測片都是相同 寬度，且在間隔插入式的伸長光探測片的相鄰對之間的間距是相同的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，所述伸長光探測片具有相同尺寸， 且在間隔插入式的伸長光探測片的相鄰對之間的間距是相同的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，其中所述伸長光探測片包括相同 寬度的矩形部分，所述伸長光片的長邊是平行的，且在間隔插入式的伸長 光探測片的相鄰對之間的間距是相同的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，其中所述光探測片是伸長型的， 且所述伸長光探測片的長寬比率超過10。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光電設(shè)備，其中所述光探測片是伸長型的， 且所述伸長光探測片的長寬比率超過100。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，其中所述多個光探測器在單個基 板上形成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電設(shè)備，其中所述多個光探測器中的每個 都具有單獨輸出端口。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光電設(shè)備，其中所述光探測器包括光電二 極管。
11. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光電設(shè)備，其中所述光探測器包括MSM光
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的光電設(shè)備，還包括與所述多個光探測器的信號輸出微分連接著的微分電路。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的光電設(shè)備，其中至少一光探測器的伸長光 探測片具有一波長感應(yīng)涂層。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的光電設(shè)備，其中光探測器的伸長光探測片 上涂有一波長感應(yīng)涂層，所述光探測器上的波長感應(yīng)涂層是不同的，它們被 安排調(diào)整使得能產(chǎn)生一個波長對響應(yīng)度的線性區(qū)域。
15. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的光電設(shè)備，其中光探測器的伸長光探測片 具有一波長感應(yīng)涂層，所述多個光探測器上涂層的波長感應(yīng)度是不同的。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的光電設(shè)備，還包括波長感應(yīng)電路，波長感 應(yīng)電路包括信號處理裝置，以處理來自所述多個光探測器的微分信號輸出， 用來確定入射光信號的波長。
17. —個光探測設(shè)備，包括權(quán)利要求ll所述的光電設(shè)備，其中所述多 個光探測器具有微分輸出，微分輸出被微分放大。
18. —個光探測設(shè)備，包括權(quán)利要求l所述的光電設(shè)備，其中所述多 個光探測器涂敷有波長感應(yīng)物質(zhì)，且對所述多個光探測器而言，波長感應(yīng) 度是不同的，從所述多個光探測器的輸出差被處理用于波長識別。
全文摘要
本發(fā)明提供的一個光電設(shè)備包括多個光探測器，每個所述的光探測器包括多個平行連接的光探測片，所述多個光探測器的光探測片被間隔插入排列，使得一個光探測器的一個光探測片位于另一光探測器的光探測片的中間，而此另一光探測器的一個光探測片位于所述光探測器的光探測片的中間。
文檔編號H01L31/08GK101171691SQ200680015631
公開日2008年4月30日 申請日期2006年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月26日
發(fā)明者托斯騰·威匹耶斯基 申請人:香港應(yīng)用科技研究院有限公司