【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体光电器件领域，特别涉及一种单行载流子光电探测器及其制备方法和使用方法。
技术介绍
1、随着通信技术的不断发展，高速数据通信对于载波的频率和带宽提出了更高的要求，预计下一代移动通信技术(6g)将会以太赫兹(thz，100ghz-10thz)作为主要频段。单行载流子光电探测器(uni-traveling carrier photodetector，utc-pd)是一种典型的pin型光电探测器，其有效载流子的类型为电子，具有响应速度快，工作带宽高，饱和功率高等特点。目前商用utc-pd的响应带宽最高可超过300ghz，因此该器件常作为太赫兹波发射器在超高速无线通信系统中被广泛应用。utc-pd的主要性能指标有直流响应度和响应带宽。影响这两项指标的主要因素为探测器的吸收层设计。通过增加吸收层的厚度，可以提高吸收层对入射光的吸收程度，从而增加器件的直流响应度。然而，吸收层厚度的增加导致光生电子的渡越时间增加，器件的本征响应带宽下降。同样的，通过扩大吸收层的面积，可以提高吸收层的收集光效率，但是造成器件的电容值增加，rc响应带宽降低。因此，拥有极高带宽的utc-pd大多存在直流响应度较低的问题。由于太赫兹波在大气环境中存在严重的衰减，因此在太赫兹无线通信系统中，utc-pd常处于大功率的工作状态，以保证产生足够功率的太赫兹信号。
2、光电探测器在大功率的工作状态下，会在器件的吸收层产生大量光生载流子。光生载流子积累会导致器件内部的电场强度降低，光生载流子的漂移速度减慢，以至于探测器的输出饱和，响应带宽下降。目
3、比如，授权号为cn105140330b的专利专利技术公开了一种能够工作于零偏压下的低功耗单行载流子光电探测器。该光电探测器由inp半绝缘衬底以及其上的外延层组成。外延层包括inp半绝缘衬底、第一ingaas腐蚀阻止层、inp次收集层(其上镀有n型接触电极)、第二ingaas腐蚀阻止层、inp收集层、ingaasp过渡层、ingaas吸收层、inalas电子阻挡层和ingaas接触层(其上镀有p型接触电极)。其中在吸收层和电子阻挡层上优选地使用了inalas/ingaas异质结，利用inalas的高费米能级和大禁带宽度获得了在零偏压下更好的响应度与相应带宽，并且降低了功耗。以及授权号为cn111682078b的专利专利技术公开了一种单行载流子光电探测器及其制作方法，在吸收层附近引入表面等离激元结构，利用局域的场增强以及传输中的近场增强与散射等特性增加吸收层的吸收，提高吸收层的光电转化效率，使得厚度较薄的吸收层具有较高的吸收性能，从而使得单行载流子光电探测器在较薄厚度的吸收层也能具有较高的响应度特性，进而在高速单行载流子探测器设计过程中，能够在不牺牲器件响应度特性指标的前提下，降低吸收层厚度，进而降低器件的载流子渡越时间，提升器件的高频带宽特性，也即实现了同时具有高响应度和高频带宽特性的器件。
4、还需要更多方向上的改进思路以提供更多的性能优异的光电探测器。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种解决在大功率条件下，器件输出饱和，高频带宽下降问题的utc-pd。该设计采用圆柱体全包围的器件外延结构，在器件过渡层中引入横向电势变化，建立横向电场。该电场使积累的光生载流子漂移出过渡层，从而缓解光生载流子积累效应，提高器件的饱和工作点。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
3、一种单行载流子光电探测器，所述单行载流子光电探测器整体为圆柱形结构，中间为圆柱形的n型衬底，从中间向外周还依次设有n型收集层、n型过渡层、p型吸收层、p型阻隔层，
4、所述p型阻隔层的外周面一整圈上形成有侧阳极，
5、所述圆柱形结构的两侧底面，其中一侧底面作为前底面并形成有前阴极，另一侧底面作为后底面并形成有后阳极。
6、优选的，所述侧阳极的材料为透明导电材料。
7、优选的，所述侧阳极的材料为氧化铟锡(ito)或氧化锌铝(azo)。
8、优选的，所述前阴极与所述n型衬底形成欧姆接触；所述后阳极与所述n型衬底、n型收集层、n型过渡层形成欧姆接触。
9、具体的，所述n型衬底为重掺杂n型半导体衬底，掺杂浓度大于1×1018cm-5；
10、所述n型收集层为n型轻掺杂区域，掺杂浓度小于1×1016cm-3；
11、所述n型过渡层为n型轻掺杂区域，掺杂浓度小于1×1016cm-3；
12、所述p型吸收层为p型变掺杂区域，掺杂浓度从靠近n型过渡层一侧向靠近p型阻隔层一侧由1×1016cm-3至1×1018cm-3渐变；
13、所述p型阻隔层为p型重掺杂区域，掺杂浓度大于1×1018cm-3。
14、优选的，所述n型衬底的材料为iii-v族化合物半导体，本实施例中以inp作为示例；
15、所述n型收集层的材料为iii-v族化合物半导体，材料与所述n型衬底相同，本实施例中以inp作为示例；
16、所述p型吸收层的材料为iii-v族化合物半导体，所述p型吸收层材料的带隙大于所述收集层材料的带隙；本实施例中以in0.53ga0.47as作为示例；
17、所述n型过渡层的材料为组分渐变iii-v族化合物半导体，ingaasp，带隙沿圆柱外周面向圆柱内部的方向逐渐减小；即从1.3ev至0.75ev渐变；
18、所述p型阻隔层的材料为iii-v族化合物半导体，带隙大于p型吸收层。
19、所述n型收集层的厚度为100nm～200nm；
20、所述n型过渡层的厚度不大于20nm；
21、所述p型吸收层的厚度为100nm～200nm；
22、所述p型阻隔层的厚度为10nm～30nm。
23、本专利技术还提供了所述单行载流子光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
24、(1)在n型衬底外周依次外延形成n型收集层、n型过渡层、p型吸收层和p型阻隔层；
25、(2)通过掺杂改变p型吸收层的杂质分布曲线，所述杂质分布曲线的线型包含但不限于：线性分布、高斯分布和余误差分布；
26、(3)在p型吸收层的外周面外延形成p型阻隔层，在所述p型阻隔层的外周面上沉积形成导电电极作为侧阳极，在所述圆柱形结构的前底面沉积生长金属电极作为前阴极，在所述圆柱形结构的后底面沉积生长金属电极作为后阳极。
27、具体的，外延形成n型收集层、n型过渡层、p型吸收层和p型阻隔层的方法各自选自以下一种：气相外延、金属有机化学气相淀积、分子束外延；
28、通过掺杂改变p型吸收层的杂质分布曲线的掺杂方法为扩散或离子注入；
29、形成侧阳极时使用的沉积方法为电子束蒸发或磁控溅射；
30、形成前阴极和后阳极时使用的沉积方法各本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种单行载流子光电探测器，其特征在于，所述单行载流子光电探测器整体为圆柱形结构，中间为圆柱形的N型衬底，从中间向外周还依次设有N型收集层、N型过渡层、P型吸收层、P型阻隔层，
2.根据权利要求1所述单行载流子光电探测器，其特征在于，所述侧阳极的材料为透明导电材料。
3.根据权利要求2所述单行载流子光电探测器，其特征在于，所述侧阳极的材料为氧化铟锡、氧化锌铝中的至少一种。
4.根据权利要求1所述单行载流子光电探测器，其特征在于，所述前阴极与所述N型衬底形成欧姆接触；所述后阳极与所述N型衬底、N型收集层、N型过渡层形成欧姆接触。
5.根据权利要求1所述单行载流子光电探测器，其特征在于，所述N型衬底为重掺杂N型半导体衬底，掺杂浓度大于1×1018cm-3；
6.根据权利要求1所述单行载流子光电探测器，其特征在于，
7.根据权利要求1所述单行载流子光电探测器，其特征在于，
8.权利要求1～7任一所述单行载流子光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述制备方法，
10.权利要求1～7任一所述单行载流子光电探测器的使用方法，其特征在于，以所述圆柱形结构的外周面为感光面，所述侧阳极和后阳极同时接地，所述前阴极接高电位。
...【技术特征摘要】
1.一种单行载流子光电探测器，其特征在于，所述单行载流子光电探测器整体为圆柱形结构，中间为圆柱形的n型衬底，从中间向外周还依次设有n型收集层、n型过渡层、p型吸收层、p型阻隔层，
2.根据权利要求1所述单行载流子光电探测器，其特征在于，所述侧阳极的材料为透明导电材料。
3.根据权利要求2所述单行载流子光电探测器，其特征在于，所述侧阳极的材料为氧化铟锡、氧化锌铝中的至少一种。
4.根据权利要求1所述单行载流子光电探测器，其特征在于，所述前阴极与所述n型衬底形成欧姆接触；所述后阳极与所述n型衬底、n型收集层、n型过渡层形成欧姆接触。
5.根据权利要求1所述单行载流子光电探测器，其特征在于，所述n型...
【专利技术属性】
技术研发人员：张睿，郭乾文，
申请(专利权)人：浙江大学杭州国际科创中心，
类型：发明
国别省市：
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