一种用于单行载流子光电二极管的吸收区结构制造技术

本发明专利技术提供一种用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，所述吸收区结构采用In1-xGaxAsyP1-y材料生长，其中，x、y分别为Ga元素和As元素的材料组分，0<x<1，0<y≤1，且组分参数x、y呈线性渐变或阶跃式梯度变化，使得吸收区内的禁带宽度实现梯度变化，且组分参数x、y的选取使得In1-xGaxAsyP1-y材料的晶格常数与InP匹配，同时，其禁带宽度不大于波长为1.5μm的激光的光子能量。本发明专利技术采用的梯度能带结构引入的内建电场显著增强了吸收区内的电场强度，增强的电场将有效加速电子的漂移，缩短其在吸收区的渡越时间。本发明专利技术可有效降低单行载流子光电二极管吸收区内电子的渡越时间，对提升器件的带宽及实现基于该器件的超高速无线通信系统具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种单行载流子光电二极管的设计方法，特别是涉及一种用于单行载流子光电二极管的吸收区结构。
技术介绍
光电二极管(Photodiode，PD)是一种重要的光电转换器件，在国民经济及军事应用领域有着广泛的应用，是光纤通信、超宽带无线通信、导弹制导、红外成像及遥感等应用系统的核心器件。PD有两个重要指标：饱和电流和响应带宽。前者决定了输出功率，后者则反应了器件的高频响应能力，很多关于PD的研究是围绕提升这两个性能指标而展开的。饱和电流大、响应速度快的PD可满足更多的应用需求，这一点对于高速通信系统尤为重要。传统的PD基于PIN结构，其能带结构图如图1所示。光吸收发生在I区耗尽层，在电场作用下，光激发产生的电子空穴对分别向器件的两极移动。在PIN-PD中，电子和空穴的输运共同决定了器件的性能。然而，空穴的漂移速度远低于电子，这就限制了器件的带宽；同时，当入射光功率变大时，产生的大量空穴将不能及时离开耗尽区，而空穴的聚集引发空间电荷效应，使器件进入饱和状态。由于上述限制，一般的高速PIN-PD的响应带宽为数十GHz，若要应用于太赫兹(100GHz～10THz)领域则略显不足。1997年，单行载流子光电二极管(Unitravelingcarrierphotodiode,UTC-PD)的专利技术彻底解决了“慢速”空穴的问题，给PD的性能带来了质的突破。UTC-PD一般采用InGaAs/InP材料体系，能带结构如图2所示，其中吸收区为p型掺杂In0.53Ga0.47As，入射光在此激发电子空穴对；收集区(即漂移区、耗尽层)为禁带较宽的InP，对入射激光透明。在此结构中，吸收区与漂移区分离。UTC-PD之所以被称之为“单行”，是因为器件性能主要由电子输运所决定的：光吸收发生在p型掺杂的吸收区内，空穴为多数载流子，光激发产生的空穴通过多数载流子的集体运动很快弛豫到电极，只有电子是有效载流子进入漂移区，因此，“慢速”空穴带来的影响被完全排除。仅有“高速”的电子为有效载流子带来了更大的带宽；而在饱和电流方面，尽管在UTC-PD收集区的注入端也会存在空间电荷效应，但该效应由是电子引起的，由于电子漂移速度远高于空穴，因此需要更强的入射激光激发产生更大量的电子才能引起电子的囤积，所以，UTC-PD的饱和特性也远高于PIN-PD。在UTC-PD的电子输运中，其吸收区中的电子主要通过扩散的方式进入收集区，为了能使电子更快的漂移进入收集区，研究人员对吸收区进行了梯度掺杂，形成了内建电场以加速电子，从而缩短了电子在吸收区的渡越时间，提升了器件的高频响应能力。在此基础之上，本专利技术将提出一种新型的吸收区结构，旨在进一步提升器件的响应带宽，对发展超宽带光纤通信及太赫兹无线通信系统具有重大意义。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，用于提升单行载流子光电二极管的响应带宽。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，所述吸收区结构采用In1-xGaxAsyP1-y材料生长，其中，x、y分别为Ga元素和As元素的材料组分，0<x<1，0<y≤1，且组分参数x、y呈线性渐变或阶跃式梯度变化，使得吸收区内的禁带宽度实现梯度变化。作为本专利技术的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构的一种优选方案，组分参数x、y的选取使得In1-xGaxAsyP1-y材料的禁带宽度不大于波长为1.5μm的激光的光子能量作为本专利技术的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构的一种优选方案，所述In1-xGaxAsyP1-y材料的组分参数x、y的取值范围为0.38≤x≤0.47，0.82≤y≤1。优选地，所述吸收区In1-xGaxAsyP1-y材料的组分从靠近p型接触层的一端朝靠近n型接触层的一端呈线性渐变，且Ga组分x为逐渐增大，使得吸收区内的禁带宽度实现线性变化。优选地，所述吸收区In1-xGaxAsyP1-y材料的组分从靠近p型接触层的一端朝靠近n型接触层的一端呈阶跃式梯度变化，且Ga组分x为逐梯度增大，使得吸收区内的禁带宽度实现梯度变化。进一步地，所述吸收区In1-xGaxAsyP1-y材料中，靠近p型接触层一端的组分为In0.62Ga0.38As0.82P0.18，靠近n型接触层的一端的组分为In0.53Ga0.47As，中间组分呈线性渐变或呈阶跃式梯度变化。作为本专利技术的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构的一种优选方案，所述吸收区In1-xGaxAsyP1-y材料的晶格常数应与InP相匹配，x、y满足：x=0.1896y0.4176-0.0125y.]]>作为本专利技术的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构的一种优选方案，所述吸收区In1-xGaxAsyP1-y材料的带隙为：Eg(In1-xGaxAsyP1-y)＝1.35+(0.642+0.758x)x+(0.101y-1.101)y-(0.28x-0.109y+0.159)xy其中，0.74eV≤Eg(In1-xGaxAsyP1-y)≤0.82eV。作为本专利技术的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构的一种优选方案，所述单行载流子光电二极管包括依次相连的p型接触层、阻挡层、吸收区、连接层、收集区、电荷区、以及n型接触层。如上所述，本专利技术的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，具有以下有益效果：本专利技术采用的梯度能带结构引入的内建电场显著增强了吸收区内的电场强度。该增强的电场将有效加速电子的漂移，缩短其在吸收区的渡越时间。本专利技术可有效降低单行载流子光电二极管吸收区内电子的渡越时间，对提升器件的带宽及实现基于该器件的超高速无线通信系统具有重要意义。附图说明图1显示为现有技术中的PIN-PD的能带结构图示意图。图2显示为现有技术中的单行载流子光电二极管UTC-PD的能带结构示意图。图3a～图3b显示为本专利技术的单行载流子光电二极管UTC-PD的能带结构。其中，图3a中虚线圈内为UTC-PD的吸收区结构，图3b为线性梯度能带结构的吸收区，禁带宽度线性连续变化，图3c为阶跃式梯度能带结构的吸收区，禁带宽度阶跃式变化。图4显示为模拟得到本专利技术的器件吸收区内的电场分布情况，虚线为普通UTC-PD器件，实线为具有线性梯度能带结构吸收区的UTC-PD。图5显示为模拟得到本专利技术的器件响应特性，虚线为普通UTC-PD器件，实线为具有线性梯度能带结构吸收区的UTC-PD。元件标号说明101p型接触层102本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，其特征在于，所述吸收区结构采用In1‑xGaxAsyP1‑y材料生长，其中，x、y分别为Ga元素和As元素的材料组分，0<x<1，0<y≤1，且组分参数x、y呈线性渐变或阶跃式梯度变化，使得吸收区内的禁带宽度实现梯度变化。

【技术特征摘要】
1.一种用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，其特征在于，所述吸收区结构采用
In1-xGaxAsyP1-y材料生长，其中，x、y分别为Ga元素和As元素的材料组分，0<x<1，0<y≤1，
且组分参数x、y呈线性渐变或阶跃式梯度变化，使得吸收区内的禁带宽度实现梯度变化。
2.根据权利要求1所述的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，其特征在于：组分参数
x、y的选取使得In1-xGaxAsyP1-y材料的禁带宽度不大于波长为1.5μm的激光的光子能量。
3.根据权利要求1所述的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，其特征在于：所述
In1-xGaxAsyP1-y材料的组分参数x、y的取值范围为0.38≤x≤0.47，0.82≤y≤1。
4.根据权利要求1所述的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，其特征在于：所述吸收
区In1-xGaxAsyP1-y材料的组分从靠近p型接触层的一端朝靠近n型接触层的一端呈线性渐
变，且Ga组分x为逐渐增大，使得吸收区内的禁带宽度实现线性变化。
5.根据权利要求1所述的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，其特征在于：所述吸收
区In1-xGaxAsyP1-y材料的组分从靠近p型接触层的一端朝靠近n型接触层的一端呈阶跃式
梯度变化，且Ga组分x为逐梯度增大，使得吸收区内的禁带宽度实现梯度变化。
6.根据权利要求4或5所述的用于单行载流子光电二极管的吸收区结...

【专利技术属性】
技术研发人员：张戎，曹俊诚，邵棣祥，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31