薄层高频雪崩光电二极管及其应用制造技术

本发明专利技术属于光电传感器的技术领域，公开了一种薄层高频雪崩光电二极管及其应用

【技术实现步骤摘要】
薄层高频雪崩光电二极管及其应用


[0001]本专利技术属于光电传感器的
，尤其涉及一种薄层高频雪崩光电二极管及其应用
。

技术介绍

[0002]雪崩光电二极管（
APD
）具有较高频率响应特性和较高内增益的器件，器件在高的反偏压下，吸收层吸收入射光产生光生载流子，使得内部光生载流子在强电场的作用下与晶格碰撞离化会产生雪崩效应，单个载流子产生的光电流被放大至宏观上可以被探测的程度，从而实现单光电子探测，被广泛地应用于光纤通信
、
激光测距
、
量子密钥分配
、
量子成像
、
生物检测以及光纤传感等系统中
。
根据所具有的结构可将
APD
分为
PN
型
、PIN
型
、
吸收倍增分离型（
SAM
）
、
吸收电荷倍增分离型（
SACM
）
、
吸收渐变电荷倍增分离型（
SAGCM
）等以及以这些结构为基础演变的
APD。
[0003]其中，
SACM
型
APD
的特点是在结构中引入了电荷层，通过电荷层精准地调控吸收区和倍增区的电场，从而提高
APD
的响应速度和量子效率，有效克服了其他结构中存在的倍增区掺杂浓度和厚度对
APD
性能较大限制的局限，具有良好的应用前景
。
但是，
SACM
型
APD
中仍然存在着响应速度和量子效率在吸收区厚度上的矛盾
——
增大吸收区的厚度可使
APD
具有高的光吸收效率和高频宽，但是同时会降低响应速度且增大暗电流；而如若减小吸收区厚度可增大响应速度，但是吸收区厚度较小不利于长波的吸收，同样会降低
APD
的光吸收效率
、
频宽
、
检测灵敏度以及击穿电流，以及使得
APD
的暗电流增大，无法通过对
SACM
型
APD
结构的简单调整获得一种兼具高响应速度
、
高光吸收效率以及高灵敏度的
APD
，具有一定的局限性
。

技术实现思路

[0004]为了同时提高
APD
的高响应速度
、
高光吸收效率以及高灵敏度，本专利技术提供了一种薄层高频雪崩光电二极管及其应用
。
[0005]第一方面，本专利技术提供的雪崩光电二极管采用以下的技术方案：一种雪崩光电二极管，包括有：基板，包括有一正面和一背面；设置于所述基板正面的雪崩光电结构，所述雪崩光电结构包括沿着远离基板方向依次设置的
p
‑
欧姆接触层
、
吸收层
、p
‑
电荷层
、
倍增层
、n
‑
电荷层以及
n
‑
欧姆接触层；所述
p
‑
接触层和吸收层之间形成第一平台结构，所述倍增层和
n
‑
电荷层之间形成第二平台结构，所述
n
‑
电荷层和
n
‑
欧姆接触层形成第三平台结构；所述吸收层包括
N
层
p
‑
掺杂层和至少1层低掺杂层，所述低掺杂层设置于吸收层背离基板的一侧，
N=4~6
；所述
p
‑
掺杂层的厚度为
(0.05~0.15)um
，沿着远离基板的方向所述
p
‑
掺杂层的掺杂浓度逐层递减，最靠近基板的所述
p
‑
掺杂层的掺杂浓度为
(3E+18~4E+18)cm
‑3，最远离基板的所述
p
‑
掺杂层的掺杂浓度为
(5E+16~1E+18)cm
‑3；所述低掺杂层的厚度为
(0.2~0.25)um
，所述低掺杂层的掺杂浓度为
(1E
+15~2E+15)cm
‑3；光从所述基板的背面照入
。
[0006]第二方面，本专利技术提供了以上雪崩光电二极管在光纤通信系统
、
激光测距系统
、
量子密钥分配系统
、
量子成像系统
、
生物检测系统和和光纤传感系统中的应用
。
[0007]有益效果：本专利技术中提供的雪崩光电二极管与现有技术存在着较大的区别：首先，创造性地将吸收层设置为包括
N
层厚度极薄的
p
‑
掺杂层和至少1层低掺杂层或未掺杂层的
N+1
层有效分级掺杂的复合层结构，以在吸收层内部形成多个光滑界面，同时调控吸收层中的掺杂轮廓，使吸收层的掺杂浓度在特定的区间内且沿着远离基板的方向掺杂浓度呈逐层递减的趋势，使得吸收层相较于现有的
APD
可具有更小的厚度；其次，将雪崩光电结构和入光方向分别设置于基板的相对两侧，且倍增层以及
n
‑
欧姆接触层接近雪崩光电二极管的表面，以形成倒置结构（
p
‑
side down
）；再者，
p
‑
接触层和吸收层之间形成第一平台结构
、
倍增层和
n
‑
电荷层之间形成第二平台结构以及
n
‑
电荷层和
n
‑
欧姆接触层之间形成第三平台结构，使得雪崩光电结构具有三平台的
mesa
结构，通过吸收层特殊结构的设置，配合以雪崩光电结构内部层相对位置的调整以及整体结构的改变，通过各改进以及调整的协同配合，使得该雪崩光电二极管能够兼具高响应速度
、
高光吸收效率以及高灵敏度，很好地满足高频信号传输的需要
。
[0008]推测原因可能是：在本专利技术提供的雪崩光电二极管中，可利用吸收层内部的光滑界面使得光子在吸收层内部发生多次反射，以延长光子在吸收层的通过时间进而提高吸收光子效率，且极薄的吸收层厚度可最大限度地缩短光生载流子的通过时间，很好地提高响应速度；同时，吸收层沿着光入射的方向具有掺杂浓度逐层递减的趋势，即吸收层靠近光入射的一侧具有更高的空穴浓度，并配合以雪崩光电结构所具有的倒置结构以及三平台
mesa
结构，能够更好地控制电流密度以及
APD
边缘电场扩增，减小边缘击穿的产生，同时也降低了所产生的暗电流；本专利技术提供的技术方案中通过各技术特征的巧妙设置，有效克服了现有技术中雪崩光电二极管所存在的响应速度和量子效率在吸收区厚度上的矛盾，从而实现同时提高雪崩光电二极管本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种雪崩光电二极管，其特征在于，包括有：基板，包括有一正面和一背面；设置于所述基板正面的雪崩光电结构，所述雪崩光电结构包括沿着远离基板方向依次设置的
p
‑
欧姆接触层
、
吸收层
、p
‑
电荷层
、
倍增层
、n
‑
电荷层以及
n
‑
欧姆接触层；所述
p
‑
接触层和吸收层之间形成第一平台结构，所述倍增层和
n
‑
电荷层之间形成第二平台结构，所述
n
‑
电荷层和
n
‑
欧姆接触层形成第三平台结构；所述吸收层包括
N
层
p
‑
掺杂层和至少1层低掺杂层，所述低掺杂层设置于吸收层背离基板的一侧，
N=4~6
；所述
p
‑
掺杂层的厚度为
(0.05~0.15)um
，沿着远离基板的方向所述
p
‑
掺杂层的掺杂浓度逐层递减，最靠近基板的所述
p
‑
掺杂层的掺杂浓度为
(3E+18~4E+18)cm
‑3，最远离基板的所述
p
‑
掺杂层的掺杂浓度为
(5E+16~1E+18)cm
‑3；所述低掺杂层的厚度为
(0.2~0.25)um
，所述低掺杂层的掺杂浓度为
(1E+15~2E+15)cm
‑3；光从所述基板的背面照入
。2.
根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述吸收层包括4层厚度相等的
p
‑
掺杂层，所述
p
‑
掺杂层的厚度为
(0.07~0.075)um
，沿着远离基板的方向，所述
p
‑
掺杂层的掺杂浓度依次为
(3.2E+18~4.0E+18)cm
‑3、(2.5E+18~3.0E+18)cm
‑3、(1.5E+18~2E+18)cm
‑3和
(0.8E+18~1E+18)cm
‑3。3.
根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述
p
‑
掺杂层为碳掺杂的
In
x
Ga1‑
x
As
，
x=0.53
；任选地，所述低掺杂层为碳掺杂的
In
x
Ga1‑
x
As
，
x...

【专利技术属性】
技术研发人员：王望南，段海龙，张伟，蔡晓玲，
申请(专利权)人：粒芯科技厦门股份有限公司，
类型：发明
国别省市：