本发明专利技术公开了一种基于InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器的结构优化方法，所述结构优化方法包括：根据雪崩探测器的实际结构和类型建立起相应仿真模型，并将所述雪崩探测器的实际性能与仿真模型的仿真实验结果进行拟合，之后依据拟合结果优化该雪崩探测器的倍增层掺杂浓度、电荷层掺杂浓度和电荷层厚度等，最终得到优化后的器件结构。本发明专利技术提供的方法能够通过模拟计算优化器件的外延结构，从而有效地控制雪崩光电二极管器件内部电场分布情况，进而实现对器件贯穿电压、击穿电压等特性的有效控制，从而提高器件性能并满足实际需求，具有广泛应用前景。
Structure optimization method of avalanche photodetector based on InGaAs / InAlAs / InP
【技术实现步骤摘要】
基于InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器的结构优化方法
本专利技术特别涉及一种基于InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器的结构优化方法，属于半导体红外光电探测器领域
技术介绍
随着通信5G时代的到来，进一步地对光纤通讯相关行业设备、系统性能提出了更高要求。光纤通信技术是现代通信技术的基础，在光纤系统中，光接收机和光发射器是光纤通信系统中最重要的组成部分，激光器和探测器分别作为光发射器和接收机最核心部分。其中光探测器是光接收机中至关重要的一个器件。探测器性能的强弱决定着光纤系统的传输能力大小。与传统的PIN结构探测器相比较，雪崩光电二极管(APD)内部载流子在高电场条件下产生雪崩效应，且具有较高的内部增益机制。探测器内部的载流子在偏置电压下产生的雪崩倍增效应可以极大提高光电信号检测的灵敏度，从而提高了器件的响应以及信噪比等。所以在光纤通讯中，通常把APD探测器作为光纤组件系统中接收光发射机发射信号的接收器。目前用于光纤通信波段(1330nm，1550nm)的光电子器件大部分是利用InP半导体材料制造的。InP作为一种带隙较宽的半导体，由于它和带隙较窄的半导体InGaAs晶格匹配，所以目前成熟的商用APD都采用InP/InGaAs异质结结构。但是，因为InP和InGaAs的带隙相差较大(约为0.4eV)，在反向偏置电压下，吸收区产生的空穴漂移到InP/InGaAs异质结边缘时，由于禁带带阶差的影响，载流子达到倍增区的速度减弱，部分空穴被陷阱捕获，从而大大影响了APD器件的响应时间、响应带宽，增大了器件暗电流。而InAlAs的禁带宽度比InP更大，InAlAs/InGaAsAPD有更好的增益-噪声特性，因此InAlAs/InGaAsSACGM结构的APD也成为当前研究的热点。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种基于InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器的结构优化方法，在尽量节约生长材料与进行工艺时间的前提下，实现对器件的贯穿电压和击穿电压的调控，进而克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种基于InGaAs/InAlAs/InP的雪崩光电探测器的结构优化方法，其包括：提供雪崩光电探测器，并建立用于描述所述雪崩光电探测器的模拟模型；将基于所述雪崩光电探测器的测试结果与基于所述模拟模型的计算结果进行拟合；将所述测试结果和计算结果进行拟合，并根据拟合结果至少调节所述雪崩光电探测器外延结构中的电荷层厚度及掺杂浓度、缓冲层厚度及掺杂浓度中的任意一种或多种，进而至少实现对所述雪崩光电探测器的贯穿电压和击穿电压的调节，最终获得优化后的雪崩光电探测器。进一步的，所述的结构优化方法具体包括：采用仿真软件建立用于描述所述雪崩光电探测器的模拟模型，所述仿真软件包括半导体TCAD仿真软件。进一步的，所述的结构优化方法具体包括：先根据所述拟合结果调节所述雪崩光电探测器外延结构中的倍增层厚度、电荷层厚度和/或掺杂浓度，获得一次优化后的雪崩光电探测器；之后，再根据所述拟合结果调节所述一次优化后的雪崩光电探测器的缓冲层厚度和/或掺杂浓度，获得二次优化后的雪崩光电探测器。在一些较为具体的实施方案中，所述雪崩光电探测器的外延结构包括依次设置在InP衬底上的InP缓冲层、InAlAs缓冲层、InAlAs倍增层、InAlAs电荷层、InAlGaAs过渡层、InGaAs吸收层、nAlAs窗口层和InGaAs接触层。在一些较为具体的实施方案中，所述InAlAs窗口层掺杂浓度为1×1018/cm3以上的重掺杂，InGaAs吸收层掺杂浓度为小于1×1015/cm3的本征掺杂、厚度为500nm-1μm，所述InAlGaAs过渡层掺杂浓度为小于1×1015/cm3的本征掺杂、厚度为50nm-100nm。在一些较为具体的实施方案中，所述InP缓冲层的掺杂浓度为1×1018/cm3以上的重掺杂、厚度为500nm-800nm。在一些较为具体的实施方案中，所述优化后的雪崩光电探测器中所采用的InGaAs和InAlAs材料中In组分均为和InP衬底的晶格系数相匹配并能够探测到相应光谱波段的组分系数。在一些较为具体的实施方案中，所述的结构优化方法还包括：对优化后的雪崩光电探测器进行测试并获得优化的测试结果，再将所述优化的测试结果与所述计算结果进行拟合，以验证优化后的雪崩光电探测器的结构有效性。进一步的，所述模拟模型包括载流子生成模型、迁移率模型、复合模型、碰撞离化模型或能带变窄模型。进一步的，所述测试结果和计算结果均包括雪崩光电探测器的光电流特性和暗电流特性。与现有技术相比，本专利技术对InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器的结构优化方法，能够从结构上对器件进行优化设计，并通过模拟计算结果调整器件的外延结构，针对器件的击穿电压与贯穿电压进行调控，从而提高器件性能并满足实际需求，具有广泛应用前景。附图说明图1为本专利技术一典型实施案例中一种InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器的结构示意图；图2为本专利技术一典型实施案例中一种InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器光电流和暗电流的拟合图；图3为本专利技术一典型实施案例中通过电荷层层面密度优化得到的结果的比较图；图4为本专利技术一典型实施案例中通过缓冲层掺杂浓度优化得到的结果的比较图。具体实施方式鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。本专利技术根据雪崩探测器的实际结构和类型在Silvaco仿真软件中建立起相同的仿真模型；将该雪崩探测器的实际性能与该仿真模型的仿真实验结果进行拟合；在优化该雪崩探测器的倍增层掺杂浓度、电荷层掺杂浓度和电荷层厚度的基础上，通过调节缓冲层的层面密度，对器件性能进行进一步的微调，最终得到优化后的结构。本专利技术通过控制缓冲层的厚度以及电荷层的层面密度，有效地控制雪崩探测器(雪崩光电二极管器件)内部电场分布情况，进而达到控制器件贯穿电压、击穿电压等特性的目的。在一些较为具体的实施方案中，一种基于InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器的结构优化方法，其可以包括：Ⅰ、利用仿真软件对雪崩光电探测器(如下可简称为“器件”)的实际外延结构和器件工艺在仿真软件中进行结构和工艺模型建模；Ⅱ、将实际器件的测试结果与仿真软件中的模拟计算结果相比较并进行拟合，以保证仿真结果的准确性；Ⅲ、同时以调节控制器件的贯穿电压与击穿电压为目的，将器件外延结构中的倍增层厚度、电荷层厚度及电荷层掺杂浓度进行调节，得到一次优化之后的器件；Ⅳ、在步骤Ⅲ的基础上，同样以调节控制器件的贯穿电压与击穿电压为目的，进一步对一次优化后的器件外延结构的缓冲层的厚度与掺杂浓度进行调节，得到二次优化之后的器件本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器的结构优化方法，其特征在于包括：/n提供雪崩光电探测器，并建立用于描述所述雪崩光电探测器的模拟模型；/n将基于所述雪崩光电探测器的测试结果与基于所述模拟模型的计算结果进行拟合；/n将所述测试结果和计算结果进行拟合，并根据拟合结果至少调节所述雪崩光电探测器外延结构中的电荷层厚度及掺杂浓度、缓冲层厚度及掺杂浓度中的任意一种或多种，进而至少实现对所述雪崩光电探测器的贯穿电压和击穿电压的调节，最终获得优化后的雪崩光电探测器。/n
【技术特征摘要】
1.一种基于InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器的结构优化方法，其特征在于包括：
提供雪崩光电探测器，并建立用于描述所述雪崩光电探测器的模拟模型；
将基于所述雪崩光电探测器的测试结果与基于所述模拟模型的计算结果进行拟合；
将所述测试结果和计算结果进行拟合，并根据拟合结果至少调节所述雪崩光电探测器外延结构中的电荷层厚度及掺杂浓度、缓冲层厚度及掺杂浓度中的任意一种或多种，进而至少实现对所述雪崩光电探测器的贯穿电压和击穿电压的调节，最终获得优化后的雪崩光电探测器。
2.根据权利要求1所述的结构优化方法，其特征在于具体包括：采用仿真软件建立用于描述所述雪崩光电探测器的模拟模型，所述仿真软件包括半导体TCAD仿真软件。
3.根据权利要求1所述的结构优化方法，其特征在于具体包括：
先根据所述拟合结果调节所述雪崩光电探测器外延结构中的倍增层厚度、电荷层厚度和/或掺杂浓度，获得一次优化后的雪崩光电探测器；
之后，再根据所述拟合结果调节所述一次优化后的雪崩光电探测器的缓冲层厚度和/或掺杂浓度，获得二次优化后的雪崩光电探测器。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的结构优化方法，其特征在于：所述雪崩光电探测器的外延结构包括依次设置在InP衬底上的InP缓冲层、InAlAs缓冲层、InAlAs倍增层、InAlAs电荷层、InAlGaAs过渡层、InGaAs吸收层、InAlAs...
【专利技术属性】
技术研发人员：王航，谭明，吴渊渊，黄欣萍，陆书龙，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所南昌研究院，
类型：发明
国别省市：江西;36
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