金屬交叉電極結構對光電探測器響應帶寬的影響

湖南工學院電氣與信息工程學院 杜鳴笛 張鵬宇 張 磊

金屬交叉電極結構對光電探測器響應帶寬的影響

湖南工學院電氣與信息工程學院 杜鳴笛 張鵬宇 張 磊

隨著光纖通信朝著高數據、高容量的方向發展，這就要求光電探測器具有很高的響應速度。金屬交叉電極的電容非常小，廣泛應用于高速光電探測器中。本文利用MATLAB軟件進行仿真和模擬，詳細分析了電極的寬度、間隙的寬度以及電極的對數對器件帶寬的影響。得到的結論為：電極寬度越窄、間隙的寬度越寬、對數越小時，電極的電容就越小，及響應帶寬就越大。

交叉電極；帶寬；交叉電極

0 前言

響應速度是光電探測器對光載電信號的響應快慢。在高速通信系統中，傳輸中所攜帶的信息量很大，就要求光電探測器對入射的高速信號光能夠快速響應，從而提高信噪比和減少誤碼率。減少探測器的響應時間一般有三種方法：（1）減少光生載流子在耗盡區內的傳輸時間和擴散時間，這可以通過減少吸收層的厚度來實現；（2）采用低載流子壽命的半導體材料；（3）減少電路電容。PIN光電二極管具有較高的響應帶寬和響應度的特點，因此它是光電探測器中最常用和最基本的結構。Beling在PIN光電二極管中采用行波電極結構可以地提高3dB帶寬，其帶寬為120GHz[1]，由于寄生電容的存在和慢載流子擴散運動，響應帶寬進一步升高具有很大的困難。1985年，在德國亞深技術大學半導體電子學研究所中，W.Roth帶領著他的團隊率先將MSM結構器件應用于光電探測器，由此第一個GaAs金屬-半導體-金屬光電探測器 MSM-PD也就被成功研發出來[2]。后來，隨著THz波的發展，很多科學家把交叉電極用在THz混頻器上[3,4]。

1 模型和理論分析

金屬-半導體-金屬電極能夠有效地提高響應速度。其結構如圖1所示，電極寬度為W，電極間隙寬度為L，電極間隙就是探測器的光敏面。

圖1 金屬-半導體-金屬交叉電極的結構示意圖

交叉電極的電容影響光電探測器的響應帶寬，電極電容的計算公式為[5]：

A為吸收面積。從式（1）、（2）、（3）可以看出交叉電極電容與電極寬度W、電極間隙寬度L和吸收面積A三個方面有關系，下面分別分析這三個物理參數對響應帶寬的影響。

2 仿真計算

圖2 電極間隙寬度分別為 0.5μm，1.5μm，3μm時，器件帶寬與電阻關系

取電極空隙的寬度為0.2μm，響應帶寬與電阻的關系如圖2 所示。從圖2可以看出，電極間隙寬度越寬，響應速度就越快，這是低電容所導致。如果要實現高速響應，如THz混頻的電極空隙寬度約為3.0μm。

當電極間隙取3μm，電極對數取4時，電極寬度分別為0.1μm，0.5μm，1μm時， 器件的響應帶寬與電阻的關系如圖3所示意。從圖3可以看出，電極很窄時的電容非常低；從探測器的響應速率的角度來考慮，就要求窄電極的交叉電極。

電極的間隙寬度取值為3μm，電極寬度為0.1μm時，器件的響應速度和電阻的關系如圖4所示。這是由于對數越多，電極的電容就會急劇增大，導致響應帶寬減少。

圖3 電極寬度分別為0.1μm，0.5μm，1μm時，器件帶寬與電阻關系

圖4 電極對數分別為1，4，10時，器件帶寬與電阻關系

通過改變電極寬度，電極間隙寬度和電極對數三個物理量從而提高器件的響應帶寬。如果僅從探測器的響應速度來考慮，就需要窄電極、寬間隙和小面積吸收層。從三個圖中還可以看出，當電阻增加到5的時候，響應帶寬是急劇降低，因此選擇合適的電極材料能降低電阻，能更好地增加帶寬。在設計探測器時候，根據器件的所需達到的指標進行優化物理量。

3 總結

根據金屬交叉電極比普通的PIN結構電極的電容小，采用該結構可以得到高響應帶寬的探測。本文利用MATLAB軟件進行仿真和模擬，理論分析了電極的寬度、間隙的寬度以及電極的對數對器件帶寬的影響。電極寬度越窄、間隙的寬度越寬、對數越小時，電極的電容就越小，及響應帶寬就越大。

[1]Beling A.,Bach H.G.,Mekonnen G.G.,Kunkel R.and Schmidt D.Miniaturized waveguide-integrated p-i-n photodetector with 120-GHz bandwidth and high responsivity.IEEE Photonics Technology Letters,2005,17(10):2152-2154.

[2]W.Roth H.Shumacher J.Kluge etc.The.DSI Diode A Fast Large-Area Optoelectronic Detector IEEE Trans[J].Electron Lett.1985.32(20):1034-1056.

[3]Saeedkia D.,Mansour R.R.and Safavi-Naeini S.Analysis of a photoconductive photomixer array source designed for terahertz applications.IEEE Trans.Antennas Propag,2005,53(12):4044-4050.

[4]Awad M.,Nagel M.,Kurz H.,Herfort J.and Ploog K.Characterization of low temperature GaAs antenna array terahertz emitters.Applied Physics Letters,2007,91(18):181124.

[5]Soole J.B.D.and Schumacher H.Transit-time limited frequency response of InGaAs MSM photodetectors[J].IEEE Transactions on Electron Devices.1990,37(11):2285-2291.

With the development of optical fi ber communication in the direction of high data and high capacity，it is required that the photoelectric detector has a high response speed.Metal-semiconductor-metal device has the characteristics of small size，high sensitivity，reliable performance and high speed，it is widely used in military and civilian applications.Using MATLAB software for simulation and modeling，detailed analysis of the impact of the electrode width，width of the gap，and the logarithm of the electrode on the capacitance and bandwidth of the device.The results are that the narrower electrode，the wider gap and the larger number of electrode，the capacitance of the device is very small，which the response bandwidth is very wide.

cross electrode；Bandwidth；Cross electrode

2015年度科研啟動經費（HQ15002）。