一种高带宽的单行载流子光电二极管制造技术

本发明专利技术公开了一种高带宽的单行载流子光电二极管，属于太赫兹通信领域；具体是：以现有光电二极管UTC

【技术实现步骤摘要】
一种高带宽的单行载流子光电二极管


[0001]本专利技术属于太赫兹通信领域，涉及光电转换器件，具体是一种高带宽的单行载流子光电二极管。

技术介绍

[0002]太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10THz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波，在频谱资源逐渐紧张的时代，太赫兹频段的开发十分关键。
[0003]太赫兹波通信具有带宽大、波束更窄、穿透能力强以及能量物联互通等优点。未来6G技术的关键正是“无所不在的覆盖”和“无缝连接”问题，因此使用太赫兹波作为下一代宽带无线通信的信息载体已成为目前的研究热点，其中，太赫兹信号源的产生则是太赫兹通信领域的研究难点。
[0004]量子级联激光器频率可拓展至太赫兹(THz)，是重要的THz辐射源，但是对温度有严格的要求，且结构复杂成本高昂；光电导开关技术中超短激光脉冲也是重要的THz辐射源，但量子效率与输出功率都比较低；光电探测器基于光生伏特效应，具有光电转换功能，可以在室温下工作，频率调节范围很大，且成本较低、稳定性较好；因此光电探测器被用作产生太赫兹波的关键器件。但是，作为太赫兹通信系统中实现光电转换功能的光探测器，必须具备能够迅速响应髙比特率的调制光信号(即高带宽)、充分的将入射光功率转变为光电流(即高量子效率)以及在高光强注入下不会导致输出电信号失真(即髙饱和输出功率)的能力，才能满足系统的要求。因此，提升带宽、量子效率和饱和输出功率是研究太赫兹通信中高性能光电探测器的重点。
[0005]日本NTT实验室T.Ishibashi等人在1997年首次提出了一种采用分布式设计结构的光电二极管——UTC
‑
PD(Uni
‑
traveling
‑
carrier photodiode)即单行载流子光电二极管，只依靠电子作为有源载流子，具有快速响应，高饱和输出的特点。UTC
‑
PD可适用于高性能光纤通信系统、雷达及卫星和太赫兹通信系统等应用场景。
[0006]众所周知，传统的PIN型PD由于光生空穴在本征耗尽区的移速较慢，导致空穴积累效应严重，从而形成内建电场，降低了载流子漂移速度。尤其在高光强辐照下，PD处于大注入状态，PIN型PD的响应度显著降低，3dB带宽明显变窄。而相较于PIN型PD，UTC
‑
PD在高光强辐照、大注入状态下则表现出卓越的性能。
[0007]因此UTC
‑
PD的出现突破了传统光电探测器的局限，具有更宽的带宽、更高的量子效率和输出功率及饱和电流，是当今高速光电子器件领域的研究热点，具有非常重要的研究意义及广阔的应用前景。
[0008]在UTC
‑
PD中，响应度与带宽一直是相互制约的两个性能参数，近年来，许多学者都在研究如何实现同时满足高响应度高带宽的高性能UTC
‑
PD。

技术实现思路

[0009]针对现有技术的缺点，本专利技术提供了一种高带宽的单行载流子光电二极管，以现
有光电二极管UTC
‑
PD为基础，通过在吸收层引入线性掺杂，在其引入内建电场；以及改变缓冲层材料In1‑
x
Ga
x
As
y
P1‑
y
中的组分x与组分y，使传统UTC
‑
PD的结构得到优化，减少电子从吸收层渡越到收集层的时间，同时提高了器件的3dB带宽。
[0010]所述高带宽的单行载流子光电二极管，通过MOCVD或者MBE工艺生长外延层，具体包括在InP衬底上，从下到上依次生长N型接触层，收集层，缓冲层，吸收层，阻挡层和P型接触层；
[0011]首先，对吸收层采用线性掺杂，从靠近阻挡层的一端到靠近缓冲层的另一端，掺杂浓度从2e18/cm^3到2e17/cm^3的范围内呈线性变化。
[0012]然后，在吸收层材料与收集层材料之间通过外延生长，加入缓冲层In1‑
x
Ga
x
As
y
P1‑
y
，并通过缓冲层的禁带宽度E
g
范围，计算缓冲层中Ga与As的不同组分；
[0013]具体为：由于缓冲层InGaAsP禁带宽度小的一端靠近吸收层，禁带宽度大的一端靠近收集层；且缓冲层In1‑
x
Ga
x
As
y
P1‑
y
的范围为0.734≤E
g
≤1.35，结合禁带宽度E
g
的计算公式为：
[0014]E
g
＝1.35+x(0.642+0.758x)+(0.101y
‑
1.101)y
‑
(0.28x
‑
0.109y+0.159)xy
[0015]其中x是Ga的组分，y是As的组分；
[0016]同时，为了和收集层材料InP晶格匹配，缓冲层中的组分x与y还需要满足公式：
[0017][0018]由此确定组分x的最终数值范围为0.009≤x≤0.4651，y的数值范围为0.02≤y≤0.994。
[0019]接着，光在吸收层中被吸收，产生电子空穴对，电子、空穴在浓度差的作用下会同时向吸收层两端扩散。
[0020]电子是吸收层中的少数载流子，由于阻挡层的阻挡无法向阳极运动，在外部反向偏压下电子向收集层漂移，同时由于线性掺杂，使得靠近缓冲层端的电场强度和电势差变大，加速了电子通过吸收层；
[0021]通过改变In1‑
x
Ga
x
As
y
P1‑
y
中的Ga与As的组分，增加了异质结界面的导带连续性，从而让电子能迅速、无阻碍地到达收集层，最终到达N型接触层；
[0022]空穴是吸收层中的多数载流子，向P型接触层电极扩散，由此器件被导通形成电流。
[0023]本专利技术的优点在于：
[0024]本专利技术通过在吸收层中采用了线性掺杂的方式引入内建电场，加速电子通过吸收层；同时，通过在吸收层与收集层中引入缓冲层In1‑
x
Ga
x
As
y
P1‑
y
，加速电子通过缓冲层。
附图说明
[0025]图1为本专利技术一种高带宽的单行载流子光电二极管的原理图；
[0026]图2为本专利技术一种高带宽的单行载流子光电二极管的生长图；
[0027]图3为吸收层采用线性掺杂与均匀掺杂相对应的电场强度分布对比图；
[0028]图4为吸收层均匀掺杂、吸收层线性掺杂、吸收层线性掺杂且缓冲层为梯度带隙结构分别对应的频率响应曲线。
[0029]1‑
UTC
‑
PD结构；101
‑
P型接触层；102
‑
阻挡层；103
‑
线性掺杂的吸收层；104...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高带宽的单行载流子光电二极管，其特征在于，以现有光电二极管UTC
‑
PD为基础，通过工艺生长外延层，在InP衬底上，从下到上依次生长N型接触层，收集层，缓冲层，吸收层，阻挡层和P型接触层；通过在吸收层引入线性掺杂，从靠近阻挡层的一端到靠近缓冲层的另一端，掺杂浓度从2e18/cm^3到2e17/cm^3的范围内呈线性变化，在其引入内建电场，加速电子通过吸收层；同时，在吸收层材料与收集层材料之间通过外延生长，加入缓冲层In1‑
x
Ga
x
As
y
P1‑
y
，改变缓冲层材料In1‑
x
Ga
x
As
y
P1‑
y
中的组分x与组分y，使得电子快速通过缓冲层；总体优化了传统UTC
‑
PD的结构，减少电子从吸收层渡越到收集层的时间，同时提高了器件的3dB带宽。2.如权利要求1所述的一种高带宽的单行载流子光电二极管，其特征在于，所述改变缓冲层中Ga与As的不同组分具体计算为：由于缓冲层InGaAsP禁带宽度小的一端靠近吸收层，禁带宽度大的一端靠近收集层；且缓冲层In1‑
x
Ga
x
As
y
P1‑
y
...

【专利技术属性】
技术研发人员：余建国，王雲，李凯乐，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：