金属交叉电极结构对光电探测器响应带宽的影响

湖南工学院电气与信息工程学院 杜鸣笛 张鹏宇 张 磊

金属交叉电极结构对光电探测器响应带宽的影响

湖南工学院电气与信息工程学院 杜鸣笛 张鹏宇 张 磊

随着光纤通信朝着高数据、高容量的方向发展，这就要求光电探测器具有很高的响应速度。金属交叉电极的电容非常小，广泛应用于高速光电探测器中。本文利用MATLAB软件进行仿真和模拟，详细分析了电极的宽度、间隙的宽度以及电极的对数对器件带宽的影响。得到的结论为：电极宽度越窄、间隙的宽度越宽、对数越小时，电极的电容就越小，及响应带宽就越大。

交叉电极；带宽；交叉电极

0 前言

响应速度是光电探测器对光载电信号的响应快慢。在高速通信系统中，传输中所携带的信息量很大，就要求光电探测器对入射的高速信号光能够快速响应，从而提高信噪比和减少误码率。减少探测器的响应时间一般有三种方法：（1）减少光生载流子在耗尽区内的传输时间和扩散时间，这可以通过减少吸收层的厚度来实现；（2）采用低载流子寿命的半导体材料；（3）减少电路电容。PIN光电二极管具有较高的响应带宽和响应度的特点，因此它是光电探测器中最常用和最基本的结构。Beling在PIN光电二极管中采用行波电极结构可以地提高3dB带宽，其带宽为120GHz[1]，由于寄生电容的存在和慢载流子扩散运动，响应带宽进一步升高具有很大的困难。1985年，在德国亚深技术大学半导体电子学研究所中，W.Roth带领着他的团队率先将MSM结构器件应用于光电探测器，由此第一个GaAs金属-半导体-金属光电探测器 MSM-PD也就被成功研发出来[2]。后来，随着THz波的发展，很多科学家把交叉电极用在THz混频器上[3,4]。

1 模型和理论分析

金属-半导体-金属电极能够有效地提高响应速度。其结构如图1所示，电极宽度为W，电极间隙宽度为L，电极间隙就是探测器的光敏面。

图1 金属-半导体-金属交叉电极的结构示意图

交叉电极的电容影响光电探测器的响应带宽，电极电容的计算公式为[5]：

A为吸收面积。从式（1）、（2）、（3）可以看出交叉电极电容与电极宽度W、电极间隙宽度L和吸收面积A三个方面有关系，下面分别分析这三个物理参数对响应带宽的影响。

2 仿真计算

图2 电极间隙宽度分别为 0.5μm，1.5μm，3μm时，器件带宽与电阻关系

取电极空隙的宽度为0.2μm，响应带宽与电阻的关系如图2 所示。从图2可以看出，电极间隙宽度越宽，响应速度就越快，这是低电容所导致。如果要实现高速响应，如THz混频的电极空隙宽度约为3.0μm。

当电极间隙取3μm，电极对数取4时，电极宽度分别为0.1μm，0.5μm，1μm时， 器件的响应带宽与电阻的关系如图3所示意。从图3可以看出，电极很窄时的电容非常低；从探测器的响应速率的角度来考虑，就要求窄电极的交叉电极。

电极的间隙宽度取值为3μm，电极宽度为0.1μm时，器件的响应速度和电阻的关系如图4所示。这是由于对数越多，电极的电容就会急剧增大，导致响应带宽减少。

图3 电极宽度分别为0.1μm，0.5μm，1μm时，器件带宽与电阻关系

图4 电极对数分别为1，4，10时，器件带宽与电阻关系

通过改变电极宽度，电极间隙宽度和电极对数三个物理量从而提高器件的响应带宽。如果仅从探测器的响应速度来考虑，就需要窄电极、宽间隙和小面积吸收层。从三个图中还可以看出，当电阻增加到5的时候，响应带宽是急剧降低，因此选择合适的电极材料能降低电阻，能更好地增加带宽。在设计探测器时候，根据器件的所需达到的指标进行优化物理量。

3 总结

根据金属交叉电极比普通的PIN结构电极的电容小，采用该结构可以得到高响应带宽的探测。本文利用MATLAB软件进行仿真和模拟，理论分析了电极的宽度、间隙的宽度以及电极的对数对器件带宽的影响。电极宽度越窄、间隙的宽度越宽、对数越小时，电极的电容就越小，及响应带宽就越大。

[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年度科研启动经费（HQ15002）。