[發(fā)明專利]一種基于共振腔增強(qiáng)的位置敏感傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011013269.5
• 申請(qǐng)日: 2020-09-24
• 公開（公告）號(hào): CN112259625B
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李建軍;張令宇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L31/0352
• 分類號(hào): H01L31/0352;H01L31/0216;H01L31/0232;H01L31/105;H01L31/18
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

一種基于共振腔的位置敏感傳感器，屬于半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域。從上而下包括上電極、增透膜、上布拉格反射鏡、諧振腔、下布拉格反射鏡、N型襯底層、下公共電極。其中上布拉格反射鏡由單層厚度分別為1/4諧振腔諧振波長(zhǎng)的低折射率材料層和高折射率材料層交替組成，下布拉格反射鏡由單層厚度分別為1/4諧振腔諧振波長(zhǎng)的低折射率材料層和高折射率材料層交替組成。本發(fā)明通過上布拉格反射鏡、諧振腔以及下布拉格反射鏡形成的共振增強(qiáng)吸收結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)原材料消耗相對(duì)較少、抗干擾能力更強(qiáng)、響應(yīng)速度更快的位置敏感傳感器。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于共振腔增強(qiáng)的位置敏感傳感器(Resonant Cavity EnhancedPosition Sensitive Detector，RCEPSD)，屬于半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域。

背景技術(shù)

位置敏感傳感器(PSD)是一種對(duì)其光敏面上的入射光點(diǎn)位置敏感的光電器件。當(dāng)在器件光敏面上的入射光點(diǎn)位置發(fā)生變化時(shí)，PSD輸出的電信號(hào)也隨之發(fā)生變化，通過對(duì)變化的電信號(hào)進(jìn)行處理，可以確定入射光點(diǎn)在PSD器件感光面上的位置。近年來,由于半導(dǎo)體激光器的迅速發(fā)展,PSD在性能、體積上得到了很好的改善,促進(jìn)了PSD器件廣泛的實(shí)用研究。

PSD是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的大光敏面的光電二極管，其普通結(jié)構(gòu)如圖1所示。在高阻半導(dǎo)體材料(300)的兩面形成均勻的電阻層，即P型(200)和N型(400)半導(dǎo)體層，在P型層光敏面的兩端制作電極100引出電信號(hào)，并在N型層400下面制作公共電極500。PSD有暗電流、響應(yīng)時(shí)間、位置誤差等參數(shù)。暗電流是指器件在反偏條件下，沒有入射光時(shí)產(chǎn)生的反向直流電流，在所有工作在反偏狀態(tài)的結(jié)型器件中都存在，一般PSD暗電流的大小在nA量級(jí)。器件的響應(yīng)頻率隨載流子的渡越時(shí)間變化，載流子的渡越時(shí)間是指光生載流子向結(jié)區(qū)擴(kuò)散以及在結(jié)電場(chǎng)中漂移的弛豫時(shí)間，普通PSD的載流子渡越時(shí)間為ns量級(jí)。同時(shí)普通PSD的響應(yīng)時(shí)間約在μs量級(jí)。盡管利用PSD做成的光電測(cè)量裝置具有位置分辨率高、處理電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但普通PSD仍有如下幾個(gè)缺點(diǎn)：1.原材料消耗相對(duì)較高。光敏面下層的高阻半導(dǎo)體材料300，其作用是作為耗盡層吸收光，普通PSD為提高效率通常會(huì)制備較厚的耗盡層，因此普通PSD器件對(duì)原材料的消耗高。2.抗干擾能力差。普通PSD采用PIN結(jié)構(gòu)，吸收光的I層即300層的光譜響應(yīng)范圍寬，因此器件不但對(duì)信號(hào)光源有響應(yīng)，而且對(duì)周圍環(huán)境的雜散光也會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)，導(dǎo)致其探測(cè)光點(diǎn)位置時(shí)的抗干擾能力低。3.響應(yīng)速度相對(duì)較低。由于普通PSD的耗盡層厚度較大，光生載流子渡越耗盡區(qū)的時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致器件的響應(yīng)速度不高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種基于共振腔增強(qiáng)的位置敏感傳感器，以達(dá)到同時(shí)解決普通PSD存在的上述幾個(gè)問題的目的，從而實(shí)現(xiàn)原材料消耗少、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快的位置敏感傳感器。

本發(fā)明的一種基于共振腔增強(qiáng)的位置敏感傳感器參見圖2，從PSD的結(jié)構(gòu)示意圖來看，自上而下包括光敏面兩端的電極101和102、增透膜200、P型上布拉格反射鏡300、諧振腔400、N型下布拉格反射鏡500、N型襯底層600、下公共電極700。其中，P型上布拉格反射鏡300由單層厚度各為1/4諧振腔諧振波長(zhǎng)的相對(duì)低折射率材料301和相對(duì)高折射率材料302交替組成，N型下布拉格反射鏡500由單層厚度各為1/4諧振腔諧振波長(zhǎng)的相對(duì)低折射率材料501和相對(duì)高折射率材料502交替組成。

器件工作時(shí)，下公共電極700接地，電極101和102分別接相等的負(fù)電位，當(dāng)滿足共振波長(zhǎng)的光入射到增透膜200上時(shí)，入射光被共振腔400增強(qiáng)吸收并產(chǎn)生光生載流子，其中的電子經(jīng)過下布拉格反射鏡500被公共電極700收集，空穴經(jīng)過上布拉格反射鏡300被電極101和102收集，進(jìn)而在電極101和102上產(chǎn)生光生電流。當(dāng)入射光斑位于電極101和102之間的中心位置時(shí)，兩個(gè)電極上的光生電流相等；當(dāng)入射光斑靠近電極101時(shí)，電極101的光生電流將大于電極102上的光生電流，反之，當(dāng)入射光斑靠近電極102時(shí)，電極101的光生電流將小于電極102上的光生電流。由此，根據(jù)電極101和102的光生電流的相對(duì)大小，即可推斷光斑的質(zhì)心位置，進(jìn)而確定出探測(cè)器與光源間的相對(duì)位移情況。