TWI425626B - Series complex complex photodiode structure - Google Patents

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TWI425626B TW099119631A TW99119631A TWI425626B TW I425626 B TWI425626 B TW I425626B TW 099119631 A TW099119631 A TW 099119631A TW 99119631 A TW99119631 A TW 99119631A TW I425626 B TWI425626 B TW I425626B
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Description

串聯式複數光二極體結構
本發明係有關於一種串聯式複數光二極體結構，尤指涉及一種至少可串聯二個以上之光偵測器結構者，特別係指可使整體元件在相同頻寬(Bandwidth)下，藉由增加元件面積而提供更大電流之輸出，以證明由本元件在頻寬效率(BRP)與飽和電流-頻寬乘積(SCBP)之特性能有重大之改進以達到高速、高響應度及高頻寬之表現，俾可讓射頻光纖通訊系統得以簡化進而符合成本效益者。
在光纖毫米波通訊系統中，高速與高功率之光偵測器(PD)扮演著重要之角色，其功能係將強大之光功率轉換成高功率之毫米波功率。飽和電流-頻寬之乘積(Saturation Current-Bandwidth Product,SCBP)係評估高功率光偵測器運用在光纖毫米波段(Radio-Over-Fiber,ROF)通訊系統中之性能一重要指標，尤其在操作頻率高達100GHz或更高時其表現更為顯著。在這如此高頻之制度下，一個可以進一步地提升從光電元件發射端所送出之訊號之優越性能與低成本毫米波(Millimeter Wave,MMW)功率放大器，就如同利用光纖毫米波傳輸訊號之距離一樣仍係個挑戰。然而，要增加光偵測器之輸出飽和電流，係可以增強輸入之光功率並且還可以進一步地助長最大可運用之毫米波功率。因此運用在系統中之毫米波功率放大器之負擔可藉此而得到放鬆。要獲得光偵測器之最終高飽和電流-頻寬乘積之主要關鍵性在於縮減光子吸收層主動區面積與空乏層厚度之規模。一個較薄之空乏層會有更短暫之載子傳輸時間與較高之輸出飽和電流之性能。惟其接面電容也會隨之增加，要做出低接面電容元件則必須要降低主動區面積以維持很高之速度表現。然而，隨之而來之元件熱效應與高寄生阻抗可能會係一個所需面對之新問題，因為當主動區面積很小時(趨近於10μm2)，光偵測器之飽和電流將會受到嚴重之限制。藉由光偵測器之小型化降低負載電阻到25或12.5歐姆(Ω)，使之達到超高度之性能(趨近於300GHz)。然而，光功率之數值將相對25或12.5Ω負載分別減少為3dB與6dB。
除了上述縮減空乏區之厚度之外，另外一僅有方法係讓比電洞漂移速度更快之電子當成主動載子在整個光二極體磊晶層結構中運作以縮短載子漂移時間。單載子傳輸光偵測器(Uni-Traveling-Carrier Photodiode,UTC-PD)早已被證實擁有優越之飽和電流-頻寬之乘積。單載子傳輸光二極體已在一25Ω負載之下被證實擁有170GHz之光對電(O-E)3dB頻寬與縮減至13μm2主動區面積之最大輸出光電流約14mA，其SCBP為2380mA-GHz；亦或在一50GHz、50mA之外差拍頻之連續波測量下，其SCBP為2500mA-GHz。然而對於如此高之輸出光電流，單載子傳輸二極體或許需要一個很高之反向偏壓，惟其反向偏壓將會造成電子漂移速度之飽和進而限制住元件飽和電流-頻寬乘積之特性。鑑於此，另有一種更進一步改善光偵測器之飽和電流-頻寬乘積之方法係以分散式使用之行波(Traveling-Wave,TW)結構。單載子傳輸光偵測器(1938mA-GHz、17GHz，114mA)與P-I-N光偵測器(1760mA-GHz、80GHz，22mA)早已被證實擁有優越之飽和電流-頻寬之乘積。其係藉由在TW結構中擴大光子吸收層使光電流分配一致，將數個小型化之光偵測器以一低損耗電傳輸線組成。然而，在此TW結構中，發射之光波必須與光致電波小心地匹配一致，因此必需經由精細地之微調以得到最大之平坦光對電頻率響應，故其電子或光學結構之複雜設計係必要的；再者，由於50Ω之模擬負載在輸入端中係必要吸收之反射電波，因此該TW結構之有效負載電阻大約係在25Ω。
如第7～9圖所示，分別為習用之單一近彈道單載子傳輸光偵測器(Near-Ballistic Uni-Traveling-Carrier Photodiode,NBUTC-PD)之結構示意圖、習用以單一近彈道單載子傳輸光偵測器為實施例之上視示意圖、及習用之覆晶結合單一NBUTC-PD之上視示意圖。習用之單一近彈道單載子傳輸光偵測器600係包括一主要以磷化銦光偵測器60，利用覆晶鍵合(Flip-Chip Bonded)結合一基板，並使用三金屬條6作為單端共平面波導(Co-Planar Waveguide,CPW)，以及一電阻值為25Ω之負載70；其中該光偵測器係連接於該負載70之輸入與輸出之間。當操作時，一入射光B行進至該光偵測器60將被轉換成該負載70中之光電流。該單一近彈道單載子傳輸光偵測器已在一25Ω負載之下被證實擁有110GHz之光對電頻寬與縮減至289μm2主動區面積之最大輸出光電流約37mA(SCBP為4070mA-GHz)。另有提出以磷化銦之光偵測器係以25Ω為負載之文獻，例如在SCBP方面，parallel-fed traveling wave PDs在相同之17GHz、114mA或80GHz、22mA之外差拍頻之連續波測量下，其SCBP為1938mA-GHz或1760mA-GHz。
故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種以改良成至少可串聯二個以上之光偵測器結構，可使整體元件在相同頻寬(Bandwidth)下，藉由增加元件面積而提供更大電流之輸出，以證明由本元件在頻寬效率(BRP)與飽和電流-頻寬乘積(SCBP)之特性能有重大之改進以達到高速、高響應度及高頻寬之表現，俾可讓射頻光纖通訊系統得以簡化進而符合成本效益者。
本發明之次要目的係在於，提供一種將線性串聯NBUTCPDs以覆晶結合在AIN基板以作為良好之散熱片，藉此可巨大改善總集所有光偵測器結構之電阻電容限制頻寬，在EO結構中無需複雜之設計，係一相當有益於減少實際使用時裝置之封裝成本者。
為達以上之目的，本發明係一種串聯式複數光二極體結構，係由一分光裝置、一光偵測器模組及一負載組成，其中該分光裝置係用以反射一入射光，並對該入射光進行分光為多光束，使該入射光得以照射每一光偵測器，俾供由每一光偵測器激發一光電流信號以驅動該負載。
上述光偵測器模組係由數個光偵測器組成而連接於該負載之輸入與輸出之間者。
請參閱『第1圖』所示，係本發明之結構示意圖。如圖所示：本發明係一種串聯式複數光二極體結構100，係由一分光裝置10、一光偵測器模組20及一負載30組成，其中該光偵測器模組20係由數個光偵測器201組成而連接於該負載30之輸入與輸出之間者。
上述分光裝置10係用以將入射光A進行分光為多光束，使該入射光A得以照射每一光偵測器201，俾供由每一光偵測器201激發一光電流信號以驅動該負載30。其中，該光偵測器模組係至少含二個以上之光偵測器組成者，且其光偵測器係為近彈道單載子傳輸光偵測器(Near-Ballistic Uni-Traveling-Carrier Photodiode,NBUTC-PD)。
請參閱『第2圖～第4圖』所示，係分別為本發明一較佳實施例之線性串聯二NBUTC-PD結構示意圖、本發明一較佳實施例之線性串聯二NBUTC-PD之上視示意圖、及本發明覆晶結合線性串聯二NBUTC-PD之上視示意圖。如圖所示：當運用時，本發明係將上述光偵測器模組以串聯二NBUTC-PD為一較佳實施例。此結構100係包括線性串聯二個光偵測器201，利用覆晶鍵合(Flip-Chip Bonded)結合一氮化鋁(AIN)基板作為散熱片，具有高熱導係數與低介電損失，並使用三金屬條1作為單端共平面波導(Co-Planar Waveguide,CPW)，以及一電阻值為50歐姆之負載30，其中，本結構之總主動區面積係為578μm2。
本結構包括連接一連串之數個光偵測器，如上述實施例之二個，因總接面電容之數值會根據序列連接之光偵測器201數目而減少，雖然伴隨該光偵測器201之序列連接數目也使得寄生電阻隨之增加；惟，比起50歐姆之負載30電阻存在，因伴隨該光偵測器201序列連接而增加之寄生電阻係小之又小，其所能影響之能力亦微乎其微，故此寄生電阻係可省略視之，因而依本結構所得之總電阻並非有以串聯單位之數量增加而線性增加。鑑於此，故本發明之串聯式複數光二極體結構，係為可在總電阻不增加下，達到有效降低電容之功效者。
請參閱『第5圖及第6圖』所示，係分別為本發明測量串聯結構與單一控制之光對電頻率響應示意圖、及本發明測量串聯結構與單一控制之最大輸出功率對輸出光電流示意圖。如圖所示：在本發明中，係在線性串聯結構中採用二個易於光學對準之近彈道單載子傳輸光偵測器。為說明本發明以串聯陣列改良電阻電容限制頻寬(RC-limited Bandwidth)之效果，係在此二個光偵測器上必須保持相同之光功率，俾以得到最大之響應值。當操作時，係控制上述二個光偵測器之直流響應度皆為0.12A/W。光偵測器之光對電(Optical-to-Electrical,O-E)頻率響應與光功率量測係以二種激光外差拍頻系統(Two-Laser Heterodyne Beating System)與三個不同之毫米波功率感應器(MMW Power Sensor)，頻率範圍從直流到50GHz，V頻帶為50～75GHz，以及W頻帶為75～110GHz。
請參第5圖，係以空白與填滿之正方圖形顯示單一光偵測器與串聯二光偵測器分別在-3V與-6V反偏壓之下所測量之O-E頻率響應曲線4a、4b。如圖所示，串聯二光偵測器所測量之3dB頻寬由於已改良電阻電容限制頻寬，即使係具有一大之總主動區面積(578μm2)亦可高達91GHz之頻率響應，比單一光偵測器(總主動區面積為289μm2)所測得之27GHz明顯高約三倍。據此，基於上述之測量結果，本發明藉由串聯結構之使用，係可比單一結構得到大約1.7倍高之頻寬效率(Bandwidth-Responsivity Product,BRP)。
請參第6圖，係以空白圓形圖形與填滿正方圖形顯示單一光偵測器與串聯二光偵測器分別在-5V與-10V之反偏壓之下所測量之光功率對光電流曲線5a、5b。如圖所示，單一光偵測器與串聯二光偵測器之操作頻率分別固定在27與91GHz，而本發明之串聯結構與單一結構所測量之飽和電流皆在相等之75毫安培(mA)。雖然串聯結構需要之偏壓係大約高於單一結構之兩倍，但由於串聯結構以總主動區面積作為散熱片也大於單一結構之兩倍(289 VS 578μm2)，所以正確來說兩者結構被測量之飽和電流係相同的(如圖所示75mA，18dBm)。在單一結構之室溫操作之下與測量之飽和電流-頻寬乘積(Saturation Current-Bandwidth Product,SCBP)相較，本發明實施例之串聯結構展現大約3.4倍高之SCBP，在50Ω負載下係高達6825mA-GHz(91GHz，>75mA)。
藉此，本發明係針對在單一近彈道單載子傳輸光偵測器中最常見之缺點提出一種新之結構，可證明本結構在BRP與SCBP之性能上有重大之改進。透過本發明線性串聯多個近彈道單載子傳輸光偵測器之實現，利用覆晶結合近彈道單載子傳輸光偵測器而獲得一個超高之頻寬與一個很大飽和電流-頻寬乘積(>75mA，91GHz，>6825mA-GHz)之特性之紀錄。對於新近彈道單載子傳輸光偵測器覆晶結合結構帶來之創新結果可歸因於增加元件之主動區面積(578μm2)，因此得以縮小電流密度與減少寄生電阻，進而產生讓電容縮減之重要現象。藉由上述結構整合高功率NBUTC-PD而進一步擴大為578μm2總主動區面積，與傳統之單一NBUTC-PD之289μm2主動區面積比較，係可達到1.7與3.4倍高之BRP與SCBP。利用本發明之線性串聯NBUTCPDs，在50歐姆負載以下係可達到創新紀錄之高飽和電流-頻寬乘積(>75mA，91GHz，>6825mA-GHz)。
承上述，本發明以線性串聯NBUTCPDs所得之結構，係與傳統行波式光偵測器(Traveling Wave Photodetectors,TWPDs)之結構相反，本發明係將線性串聯NBUTCPDs以覆晶結合在AIN基板以作為良好之散熱片，藉此可巨大改善總集所有光偵測器結構之電阻電容限制頻寬，從上述實施例可知，本發明總集所有結構之光相位係不需要去微調即可得到最大值之平坦光對電頻率響應(O-E Frequency Responses)，因此在TWPD中EO結構之複雜設計係不需要的，係相當有益於減少實際使用時裝置之封裝成本。
綜上所述，本發明係一種串聯式複數光二極體結構，可有效改善習用之種種缺點，係以改良成至少可串聯二個以上之光偵測器結構，可使整體元件在相同頻寬(Bandwidth)下，藉由增加元件面積而提供更大電流之輸出，以證明由本元件在頻寬效率(BRP)與飽和電流-頻寬乘積(SCBP)之特性能有重大之改進以達到高速、高響應度及高頻寬之表現，俾可讓射頻光纖通訊系統得以簡化進而符合成本效益者，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
 (本發明部分)
1．．．金屬條
10．．．分光裝置
20．．．光偵測器模組
201．．．光偵測器
30．．．負載
4a、4b．．．O-E頻率響應曲線
5a、5b．．．光功率對光電流曲線
100．．．串聯式複數光二極體結構
(習用部分)
6．．．金屬條
60．．．光偵測器
70．．．負載
600．．．近彈道單載子傳輸光偵測器
第1圖，係本發明之結構示意圖。
第2圖，係本發明一較佳實施例之線性串聯二NBUTC-PD結構示意圖。
第3圖，係本發明一較佳實施例之線性串聯二NBUTC-PD之上視示意圖。
第4圖，係本發明覆晶結合線性串聯二NBUTC-PD之上視示意圖。
第5圖，係本發明測量串聯結構與單一控制之光對電頻率響應示意圖。
第6圖，係本發明測量串聯結構與單一控制之最大輸出功率對輸出光電流示意圖。
第7圖，係習用之單一近彈道單載子傳輸光偵測器之結構示意圖。
第8圖，係習用以單一近彈道單載子傳輸光偵測器為實施例之上視示意圖。
第9圖，係習用覆晶結合單一NBUTC-PD之上視示意圖。
10．．．分光裝置
100．．．串聯式複數光二極體結構
20．．．光偵測器模組
201．．．光偵測器
30．．．負載

Claims (4)

  1. 一種串聯式複數光二極體結構，係由一分光裝置、一光偵測器模組及一負載組成，其中該分光裝置係用以反射一入射光，並對該入射光進行分光為多光束，使該入射光得以照射每一光偵測器，俾供由每一光偵測器激發一光電流信號以驅動該負載；上述光偵測器模組係由數個光偵測器組成而連接於該負載之輸入與輸出之間者。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之串聯式複數光二極體結構，其中，該光偵測器係為近彈道單載子傳輸光偵測器(Near-Ballistic Uni-Traveling-Carrier Photodiode,NBUTC-PD)。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之串聯式複數光二極體結構，其中，該光偵測器模組係至少含二個以上之光偵測器組成者。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之串聯式複數光二極體結構，其中，該負載之電阻值係為50歐姆(Ω)。
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