[發明專利]單芯片收發光電組件和模塊、光電系統及電子設備

在審

• 申請號: 201910181946.5
• 申請日: 2019-03-11
• 公開（公告）號: CN111697100A
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發明（設計）人: 王祿;陳弘;王文新
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01L31/173
• 分類號: H01L31/173;H04B10/50;H04B10/69
• 代理公司: 北京市正見永申律師事務所 11497
• 代理人: 黃小臨;馮玉清

本申請涉及單芯片收發光電組件和模塊、光電系統及電子設備。根據一實施例，一種光電組件可包括：多個光電單元，形成于相同的外延片上，每個光電單元包括相同的層結構和層材料；以及驅動電路，用于驅動所述多個光電單元；其中，取決于所述驅動電路提供的驅動信號，每個光電單元被用作發光單元或光電探測單元。本申請的光電組件中的多個光電單元可以通過同一工藝制成，并且每個光電單元可以通過正向偏置或反向偏置驅動而兼用作發光單元和光電探測單元，從而以低成本實現了結構緊湊并且功能豐富的光電組件。

技術領域

本發明總體上涉及光電器件領域，更特別地，涉及一種包括發光單元和收光單元的光學系統，其中所述發光單元和收光單元通過同一工藝形成于單個外延片上，從而具有相同的層結構和層材料，僅通過驅動電路以不同方式驅動而分別用作發光單元和收光單元，其中收光和發光的有源區為同一層或多層結構。本發明還涉及用于光通信的光收發模塊、用于檢測物體三維形狀的光電系統、以及包括所述光電組件、光收發模塊或光電系統的電子設備。

背景技術

對物體進行三維形狀、尺寸、位置等信息的測量，是無人駕駛、工業測繪、醫療、手機面部識別等應用場景下重要的技術需求。現有技術通常采用一個發光單元和一個接收光單元，分別進行待測物體的照明和回光感知。

以手機結構光為例，通常在手機上設置一個點陣投影結構和光電探測器陣列，兩個器件在手機上相隔一定距離。由點陣投影機構發射出結構光，在照射至人臉或其他物體后，結構光形狀被物體三維形狀調制，調制后的光被探測器陣列接收后進行解調，形成三維物體圖像。

在自動駕駛領域，也存在類似的應用。例如，紅外光源發射紅外光以照射物體，紅外光電探測單元通過探測紅外紅光來檢測三維物體或者環境的形狀、尺寸和距離等參數，供自動駕駛系統形成相應的駕駛策略。與傳統的攝像頭相比，紅外檢測能克服大霧等惡劣天氣的影響，具有更高的可靠性。

此外，在光通訊系統中，一般包括光收發模塊，其具有一個發光結構(一般為激光器)和一個接收結構(一般為光電二極管探測器)，以實現光收發功能。

發明內容

在上述技術中，發光機構和光電探測器均通過不同的工藝形成于兩個單獨的外延片上，并且分別封裝為單獨的器件，彼此分立地安置在系統中。如果能使用單芯片來制造發光單元和探測單元，則在上述應用場景中將顯著降低系統體積、功耗和成本。為解決此問題，曾有相關技術嘗試制備基于單個芯片的發光和探測器，但發光機構和探測結構均由不同的半導體外延層實現其功能，外延生長工藝繁雜，且需特殊電路配合工作。

量子阱中的光吸收，是被學術界和工業界廣泛研究的一個問題。一般認為，量子阱材料可以吸收光子，但產生的光生載流子受到勢壘的限制，難以進入連續態形成電流。然而，本發明人通過實驗發現，置于PN結之中的量子阱存在反常的載流子高效抽取和吸收增強現象，上述現象使得PN結中的量子阱可以制備高性能光電探測器。由于半導體發光二極管和半導體激光器其有源區結構即為置于PN結之中的量子阱，利用上述現象，如將半導體發光二極管或激光器的偏置電壓置于反偏，該器件即可以作為探測器使用。因此，基于量子阱材料在不同偏置條件下的光發射和光吸收，有望利用成熟的發光二極管或垂直腔面發射激光器外延材料，來實現單芯片收發光組件的制造，從而利用單個半導體外延片，即可加工出單芯片發光和收光組件。

一般認為，受量子阱材料的厚度限制，利用其帶間躍遷機制形成光電探測器量子效率較低。本發明利用半導體PN結對低維半導體材料參與的光吸收和電抽取過程的調制作用，大幅度提升基于量子阱或量子點材料的光電探測器的量子效率。入射光子經量子阱帶間躍遷吸收后，在PN結調制下，光生載流子迅速進入連續態，在內建電場和外加偏壓的共同作用下，迅速形成光電流。應理解，本發明的原理不僅適用于量子阱材料，還可以應用于包括量子點、量子線和超晶格等在內的其他低維半導體材料。