專利名稱:一種雪崩光電探測(cè)器和提高雪崩光電探測(cè)器高頻特性的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域,具體是指一種雪崩光電探測(cè)器(APD)和提高雪崩光電探測(cè)器高頻特性的方法。
背景技術(shù):
在過(guò)去的五十年中,雪崩光電探測(cè)器(APD)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于商業(yè)、軍事和科學(xué)研究中,如量子信息、生物分子探測(cè)、激光雷達(dá)成像、天文探測(cè)等。近些年,Aro研究的動(dòng)力主要來(lái)源于光通信。工作波長(zhǎng)在1.55 iim的高速、高靈敏度的APD是高比特率長(zhǎng)距離光纖通信的關(guān)鍵器件。由于其內(nèi)在增益,APD可以比PIN型探測(cè)器的靈敏度高5-10分貝。在過(guò)去的十幾年中,由于材料和器件結(jié)構(gòu)的進(jìn)步,APD的性能明顯提高。目前APD已經(jīng)成功應(yīng)用于10GB/s的光接收器中,并且隨著器件結(jié)構(gòu)和材料質(zhì)量的改進(jìn),更加高的速度將成為可能。限制雪崩光電探測(cè)器高頻性能的因素主要有三個(gè),即載流子渡越時(shí)間、電容-電阻時(shí)間常數(shù)和倍增建立時(shí)間。其中載流子渡越時(shí)間和電容-電阻時(shí)間常數(shù)是一對(duì)矛盾體,減小其中一個(gè)往往意味著增大另一個(gè)。如果能引入新的設(shè)計(jì)自由度,減小兩者中對(duì)限制器件高頻特性起主要作用的一個(gè)的同時(shí)保持另一個(gè)不變,或在兩者作用相當(dāng)時(shí)同時(shí)降低兩者將有利于提聞器件的聞?lì)l性能。圖1顯示了現(xiàn)有的APD的基本結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示,APD至少包括有吸收層8、電荷層6和倍增層5。所述吸收層8用于吸收目標(biāo)探測(cè)光,將目標(biāo)探測(cè)光的光子轉(zhuǎn)化為自由載流子對(duì)(電子空穴對(duì)),也稱光生自由載流子對(duì);所述電荷層6用于調(diào)控器件內(nèi)部電場(chǎng)分布;所述倍增層5用于使進(jìn)入其中的自由載流子引發(fā)雪崩倍增效應(yīng),產(chǎn)生更多的自由載流子對(duì),或稱雪崩載流子對(duì),放大信號(hào)。通常,電荷層6設(shè)置于吸收層8與倍增層5之間,并且與倍增層緊鄰,如圖1所示。對(duì)于實(shí)際的Aro器件,除了圖1所示的層之外,還可包括襯底和其他功能層。襯底作為材料生長(zhǎng)的基底,功能層包括用于提高材料生長(zhǎng)質(zhì)量的緩沖層、用于與電極接觸的接觸層、用于將未被吸收的入射光反射再次進(jìn)入吸收層或形成諧振腔的分布布拉格反射層(DBR)以及用于減小器件電容的空間層等。圖2是現(xiàn)有技術(shù)的一種諧振腔增強(qiáng)型InGaAs/InAlAs/InP APD的結(jié)構(gòu)圖示意圖。如圖2所示,該APD器件在其縱向包括依次疊置的半絕緣InP襯底l,N+InP緩沖層2、N+In0.53Ga0 47As (InGaAs) /In0 52A10 48As (InAlAs)分布布拉格反射層(DBR 層)3、N+InAlAs 第一接觸層41、200nm的InAlAs倍增層5、150nm的P型電荷層6、50nm的InAlAs第一空間層71、60nm 的 InGaAs 吸收層 8、50nm 的 InAlAs 第二空間層 72、200nm 的 P+InAlAs 第二接觸層42和30nm的P+InGaAs第三接觸層43。其中P型電荷層的摻雜濃度可以是2.7X IO17/cm3,第一、第二 InAlAs空間層、InGaAs吸收層和InAlAs倍增層均不摻雜。如圖2所示,光進(jìn)入InGaAs吸收層8后被吸收層材料吸收,轉(zhuǎn)化為光生載流子對(duì)。其中的電子在電場(chǎng)的作用下經(jīng)過(guò)第一空間層71和P型電荷層6進(jìn)入InAlAs倍增層5,在InAlAs倍增層5內(nèi)高電場(chǎng)的作用下發(fā)生雪崩倍增,產(chǎn)生更多的自由載流子對(duì)。新產(chǎn)生的自由載流子對(duì)中,空穴在電場(chǎng)的作用下,需要經(jīng)過(guò)P型電荷層6、第一空間層71、吸收層8和第二空間層72進(jìn)入上面的P型第二、第三接觸層42、43被收集,而電子漂移出倍增層5后即被下面的N型第一接觸層41收集??梢?jiàn),空穴需要比電子更長(zhǎng)的時(shí)間才能被收集,既不利于載流子渡越時(shí)間的縮短,又不利于器件電容的減小,從而限制了器件的高頻性能。需要注意的是,圖1和圖2僅為結(jié)構(gòu)示意圖,其中示意性地顯示了各層的位置關(guān)系,而不反映器件各層的厚度。
發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是使雪崩光電探測(cè)器的載流子渡越時(shí)間和電容-電阻時(shí)間常數(shù)中的一個(gè)降低時(shí),另一個(gè)保持不變或基本不變,或者使二者同時(shí)降低,以提高雪崩光電探測(cè)器的高頻特性。(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明提出一種雪崩光電探測(cè)器,用于探測(cè)目標(biāo)探測(cè)光,包括縱向依次排列的吸收層、第一電荷層和倍增層,所述吸收層用于吸收目標(biāo)探測(cè)光,將目標(biāo)探測(cè)光的光子轉(zhuǎn)化為光生自由載流子對(duì);所述第一電荷層用于調(diào)控器件內(nèi)部電場(chǎng)分布;所述倍增層用于使進(jìn)入其中的自由載流子引發(fā)雪崩倍增效應(yīng),產(chǎn)生雪崩載流子對(duì);所述雪崩光電探測(cè)器還包括渡越層,所述渡越層與所述吸收層分別位于倍增層的兩側(cè),所述雪崩載流子對(duì)中的一種類型的載流子經(jīng)由所述渡越層縱向漂移至所述雪崩光電探測(cè)器的一端。本發(fā)明還提出一種提高雪崩光電探測(cè)器高頻特性的方法,所述雪崩光電探測(cè)器用于探測(cè)目標(biāo)探測(cè)光,包括縱向依次排列的吸收層、第一電荷層和倍增層,所述吸收層用于吸收目標(biāo)探測(cè)光,將目標(biāo)探測(cè)光的光子轉(zhuǎn)化為光生自由載流子對(duì);所述第一電荷層用于調(diào)控器件內(nèi)部電場(chǎng)分布;所述倍增層用于使進(jìn)入其中的自由載流子引發(fā)雪崩倍增效應(yīng),產(chǎn)生雪崩載流子對(duì);所述方法包括:提供渡越層,并使所述渡越層與所述吸收層分別位于倍增層的兩側(cè),當(dāng)所述倍增層產(chǎn)生雪崩載流子時(shí),使所述雪崩載流子對(duì)中的一種類型的載流子經(jīng)由所述渡越層縱向漂移至所述雪崩光電探測(cè)器的一端。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,所述渡越層的禁帶寬度大于目標(biāo)探測(cè)光的光子能量。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,所述雪崩光電探測(cè)器還包括第二電荷層,其位于所述倍增層的相對(duì)于具有所述第一電荷層的一側(cè)的另一側(cè),并且其摻雜類型與所述第一電荷層相反。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,所述第二電荷層緊鄰所述倍增層。(三)有益效果本發(fā)明通過(guò)在雪崩光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入了渡越層,為器件設(shè)計(jì)增加了新的自由度,能更好地調(diào)節(jié)器件的電容和載流子渡越時(shí)間之間的折中,有利于器件高頻特性的提聞。
圖1是現(xiàn)有的APD的基本結(jié)構(gòu)示意圖;圖2是現(xiàn)有技術(shù)的一種諧振腔增強(qiáng)型InGaAs/InAlAs/InP APD的結(jié)構(gòu)圖示意圖;圖3是本發(fā)明的APD的基本結(jié)構(gòu)示意圖;圖4是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例的APD的結(jié)構(gòu)示意圖;圖5是本發(fā)明的另一實(shí)施例的APD的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為了更加方便的調(diào)節(jié)雪崩光電探測(cè)器(APD)的載流子渡越時(shí)間和器件電容,提高器件的高頻特性,根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面,APD在其縱向除了包括原有的吸收層、電荷層和倍增層之外還增設(shè)了一個(gè)渡越層,且使該渡越層和所述吸收層分別位于倍增層的兩側(cè)。當(dāng)倍增層因雪崩效應(yīng)產(chǎn)生大量雪崩載流子對(duì)(電子-空穴對(duì))時(shí),其中一種類型的載流子(比如空穴)經(jīng)由所述吸收層縱向漂移至APD的一端(從倍增層的具有吸收層的一側(cè)),另一種類型的載流子(比如電子)則經(jīng)由該渡越層(從倍增層的具有渡越層的一偵U縱向漂移至APD的另一端。假設(shè)器件渡越層另一側(cè)結(jié)構(gòu)與無(wú)渡越層時(shí)相同,由于渡越層的存在,經(jīng)由渡越層所在一側(cè)飄移的一種類型的載流子的飄移時(shí)間增加,但是,由于從吸收層所在一側(cè)漂移的另一種類型的載流子的漂移時(shí)間較長(zhǎng),因此,當(dāng)增加從渡越層所在一側(cè)漂移的一種類型載流子的漂移時(shí)間,而又保證該漂移時(shí)間小于或等于另一類型的載流子的漂移時(shí)間時(shí),可以不影響或基本不影響APD的載流子渡越時(shí)間。但是由于渡越層的存在,器件的耗盡區(qū)厚度變大,因此器件的電容得到有效的降低。假設(shè)器件的耗盡區(qū)厚度不變,由于渡越層的存在,吸收層所在一側(cè)的耗盡區(qū)寬度可以得到降低,從而,在不影響或基本不影響APD電容的情況下降低載流子的渡越時(shí)間;或者,減小吸收層所在一側(cè)的耗盡區(qū)寬度,但是由于渡越層的引入,器件總耗盡區(qū)厚度依舊大于無(wú)渡越層時(shí),此時(shí)可以同時(shí)降低APD電容和渡越時(shí)間。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面,在增加所述渡越層的同時(shí),APD中還另增加一個(gè)電荷層。為表述清楚起見(jiàn),我們將新增的電荷層稱為第二電荷層,原來(lái)的電荷層稱為第一電荷層。該第二電荷層設(shè)置于倍增層的相對(duì)于第一電荷層所在一側(cè)的另一側(cè),并且其摻雜類型與第一電荷層相反。通常該第二電荷層也與倍增層緊鄰。也就是說(shuō),第二電荷層與所述渡越層位于倍增層的同一側(cè)。該第二電荷層的作用是使渡越層所在一側(cè)(相對(duì)于倍增層)的器件工作狀態(tài)下處于耗盡狀態(tài)的各層有適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度,在保證載流子高速漂移的同時(shí)保證與渡越層同側(cè)各層內(nèi)的電場(chǎng)不會(huì)過(guò)高,以防止過(guò)高的電場(chǎng)產(chǎn)生過(guò)大的隧道暗電流或產(chǎn)生有害的雪崩倍增。下面參照附圖來(lái)描述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
,以更加突出本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn),需要注意的時(shí),同圖1和圖2 —樣,下面的附圖只是示意性地表示層疊結(jié)構(gòu),而不用于表示各層在具體實(shí)施時(shí)的具體尺寸大小。圖3是本發(fā)明的APD的基本結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示,本發(fā)明的APD用兩個(gè)電荷層(第一電荷層61、第二電荷層62)取代了圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)中的電荷層6,并且增加了一個(gè)渡越層9。具體來(lái)說(shuō),根據(jù)本發(fā)明,AH)在縱向依次包括吸收層8、第一電荷層61、倍增層5、第二電荷層62和渡越層9。其中,在圖3顯不的具體實(shí)施方式
中,第一電荷層61和第二電荷層62均緊鄰倍增層。當(dāng)然,在具體實(shí)施時(shí),APD還可以包括襯底和其他功能層,在此沒(méi)有 不出。通過(guò)在常規(guī)SACM結(jié)構(gòu)各層外引入一個(gè)渡越層9,雪崩載流子對(duì)(電子-空穴對(duì))中的一種類型載流子在漂移出倍增層5后被電極收集前需要漂移經(jīng)過(guò)此渡越層9。如前所述,在不影響或基本不影響載流子渡越時(shí)間的情況下可降低APD電容,或者在不影響或基本不影響APD電容的情況下降低載流子渡越時(shí)間,或者同時(shí)降低兩者。與現(xiàn)有的電荷層6類似,本發(fā)明的第一電荷層61和第二電荷層62均用于調(diào)控器件內(nèi)部電場(chǎng)分布,使倍增層5內(nèi)有足夠高的電場(chǎng),從而可以發(fā)生自由載流子的雪崩倍增。同時(shí),第一電荷層61還用于使吸收層8所在一側(cè)(相對(duì)于倍增層5的一側(cè))、器件工作狀態(tài)下處于耗盡狀態(tài)的各層有適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度,以在保證載流子高速漂移的同時(shí)防止這些層內(nèi)的電場(chǎng)過(guò)高,防止過(guò)高的電場(chǎng)產(chǎn)生過(guò)大的隧道暗電流或產(chǎn)生有害的雪崩倍增。類似的,第二電荷層62用于使渡越層9所在一側(cè)(相對(duì)于倍增層5的一側(cè))器件工作狀態(tài)下處于耗盡狀態(tài)的各層有適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度,以在保證載流子高速漂移的同時(shí)防止過(guò)高的電場(chǎng)產(chǎn)生過(guò)大的隧道暗電流或產(chǎn)生有害的雪崩倍增。如前所述,該第二電荷層62的摻雜類型與第一電荷層61的摻雜類型相反。例如第二電荷層62可以與第一電荷層61的材料相同、厚度相同、摻雜水平相同,但摻雜種類相反。根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式,第二電荷層62的材料與第一電荷層61的材料相同,所述渡越層9的材料與所述倍增層5的材料相同。但本發(fā)明并不限于此,第二電荷層62和渡越層9的材料也可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)需要選擇,但需保證其禁帶寬度大于目標(biāo)探測(cè)光的光子能量,以防止該第二電荷層62和渡越層9內(nèi)光的吸收。例如,對(duì)于1550nm的目標(biāo)探測(cè)光來(lái)說(shuō),第二電荷層62、渡越層9可以由InP、InAlAs等材料構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式,渡越層9的材料與第一電荷層61、第二電荷層62及倍增層5的材料均相同。下面參照?qǐng)D4來(lái)描述本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例。如圖4所示,該實(shí)施例的APD在其縱向依次包括襯底1、緩沖層2、DBR層3、第一接觸層41、渡越層9、第二電荷層62、倍增層5、第一電荷層61、空間層7、吸收層8、第二接觸層42和第三接觸層43。該實(shí)施例的APD相當(dāng)于將圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)的APD的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)第二電荷層62,渡越層9,并且去除了原有的第一空間層71。并且,該實(shí)施例使APD的總耗盡區(qū)的寬度(第一接觸層41與第二接觸層42這間的距離)保持不變,同時(shí),維持第一電荷層61相比于電荷層6對(duì)電場(chǎng)分布的調(diào)控作用不變,也即,使第一電荷層61的總摻雜量與電荷層6相同。由此,若第一電荷層61的厚度相比于電荷層6有所減小時(shí),其摻雜濃度相比于電荷層6的摻雜濃度有所提高。具體來(lái)說(shuō),該實(shí)施例將圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)中的150nm的P型摻雜濃度為
2.7 X IO1Vcm3的InAlAs電荷層6的厚度改為50nm,摻雜濃度提高至8.1 X IO1Vcm3,以使總摻雜量保持不變。在倍增層5下面新引入了一層50nm的N型摻雜濃度為8.1 X IO1Vcm3的InAlAs第二電荷層62,并將原來(lái)的50nm InAlAs第一空間層71移到N型第二電荷層62的下面作為渡越層9,并將其厚度改為lOOnm。所述吸收層8用于吸收目標(biāo)探測(cè)光,將目標(biāo)探測(cè)光的光子轉(zhuǎn)化為光生自由載流子對(duì),從而將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。其材料由APD的目標(biāo)探測(cè)波長(zhǎng)決定,其禁帶寬度滿足小于目標(biāo)探測(cè)光的光子能量的條件。例如,對(duì)于1550nm的目標(biāo)探測(cè)光來(lái)說(shuō),其可以由In0.53Ga0.47As, Ge等材料構(gòu)成,當(dāng)襯底是InP時(shí),優(yōu)選為Ina53Gaa47As,當(dāng)襯底是Si時(shí),優(yōu)選為Ge。所述倍增層5用于當(dāng)所述光生載流子進(jìn)入后,在倍增層高電場(chǎng)的作用下與倍增層材料發(fā)生碰撞電離,發(fā)生雪崩效應(yīng)而倍增產(chǎn)生大量自由載流子對(duì),從而放大信號(hào)。倍增層的材料5也由APD的目標(biāo)探測(cè)波長(zhǎng)決定,其禁帶寬度滿足大于目標(biāo)探測(cè)光的光子能量的條件。例如,對(duì)于1550nm的目標(biāo)探測(cè)光來(lái)說(shuō),其可以由InP、InAlAs等材料構(gòu)成。所述渡越層9可在不增加器件載流子渡越時(shí)間的情況下降低器件電容或在不增加器件電容的情況下降低器件載流子渡越時(shí)間,或同時(shí)降低兩者。所述第一電荷層61和第二電荷層62均用于調(diào)控器件內(nèi)部電場(chǎng)分布,使倍增層5內(nèi)有足夠高的電場(chǎng),從而可以發(fā)生自由載流子的雪崩倍增。第一電荷層61還用于使吸收層8所在一側(cè)(相對(duì)于倍增層5的一側(cè))器件工作狀態(tài)下處于耗盡狀態(tài)的各層有適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度,以在保證載流子高速漂移的同時(shí)防止這些層內(nèi)的電場(chǎng)過(guò)高,以防止過(guò)高的電場(chǎng)產(chǎn)生過(guò)大的隧道暗電流或產(chǎn)生有害的雪崩倍增。類似的,第二電荷層62用于使渡越層9所在一側(cè)(相對(duì)于倍增層5的一側(cè))器件工作狀態(tài)下處于耗盡狀態(tài)的各層有適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度,以在保證載流子高速漂移的同時(shí)防止過(guò)高的電場(chǎng)產(chǎn)生過(guò)大的隧道暗電流或產(chǎn)生有害的雪崩倍增。如前所述,該第二電荷層62的摻雜類型與第一電荷層61的摻雜類型相反。例如第一電荷層61可以與第二電荷層62材料相同、厚度相同、摻雜水平相同,摻雜種類相反。例如,對(duì)于1550nm的目標(biāo)探測(cè)光來(lái)說(shuō),其可以由InP、InAlAs等材料構(gòu)成。所述空間層7用于降低器件電容,所述第一至第三接觸層41、42、43用于與金屬電極接觸,所述DBR層3用于反射未被吸收的入射光,形成諧振腔,所述緩沖層2用于提高材料生長(zhǎng)質(zhì)量,所述襯底I用于提供材料生長(zhǎng)的基底。上述各層的生長(zhǎng)、厚度、材料均為本領(lǐng)域內(nèi)公知的技術(shù),故再此不再詳細(xì)說(shuō)明。以上參照?qǐng)D4描述了本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例,但是,應(yīng)當(dāng)理解的是,在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)之上,本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)上述實(shí)施例中APD中的各層的數(shù)量、分布、功能、厚度、材料和摻雜濃度進(jìn)行各種變化。例如,本發(fā)明要求渡越層9和吸收層8分處倍增層5的兩側(cè),但是,吸收層8和倍增層9中的哪個(gè)層更靠近襯底I是可以選擇的。例如當(dāng)倍增層5的材料電子離化率高于空穴時(shí),一般選擇電子注入倍增層5,此時(shí)一般吸收層8遠(yuǎn)離襯底,而渡越層9靠近襯底I ;當(dāng)倍增層5材料電子離化率低于空穴時(shí),一般選擇空穴注入倍增層,此時(shí)一般吸收層8靠近襯底I,而渡越層9遠(yuǎn)離襯底I。以1550nm目標(biāo)波長(zhǎng)為例如果襯底I為InP,而倍增層5是InAlAs,則如圖4所示,吸收層8遠(yuǎn)離襯底1,渡越層9靠近襯底I ;如果襯底I是InP,倍增層8是InP,吸收層8可以更靠近襯底1,渡越層9則在倍增層5的另一側(cè)而更遠(yuǎn)離襯底I。圖5顯示了本發(fā)明的另一實(shí)施例的APD結(jié)構(gòu),如圖5所示。該實(shí)施例中,APD在縱向依次包括襯底1、緩沖層2、吸收層8、空間層7、第二電荷層62、倍增層5、第一電荷層61、渡越層9和接觸層4。該實(shí)施例中,吸收層8比渡越層9更靠近襯底I,襯底I的材料為InP,倍增層材料也為InP,渡越層9的材料同樣可為InP或InAlAs,優(yōu)選為InP。根據(jù)上述兩個(gè)實(shí)施例可見(jiàn),本發(fā)明對(duì)于襯底的位置和除了倍增層、電荷層、吸收層、渡越層之外的其他功能層的位置、厚度、材料等不作限定,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)器件性能要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q。例如,根據(jù)本發(fā)明的其他具體實(shí)施方式
,在吸收層8所在的一側(cè),吸收層8的外側(cè)除了包括空間層7、第二、第三接觸層42、43,還可包括另一 DBR層,其用于與原有的DBR層3形成諧振腔,增強(qiáng)光的吸收。再例如,根據(jù)本發(fā)明的其他具體實(shí)施方式
,在吸收層8所在的一側(cè),在吸收層8和第一電荷層61之間還可以包括另一空間層,其用于減小器件電容。如上所述,本發(fā)明新增加的電荷層可以調(diào)節(jié)器件內(nèi)電場(chǎng)分布,保證倍增層內(nèi)高電場(chǎng)的同時(shí)使新增加的渡越層同側(cè)器件工作狀態(tài)下處于耗盡狀態(tài)的各層內(nèi)保持適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng),既能保證載流子在其中的高速漂移,又能防止其內(nèi)發(fā)生雪崩倍增或產(chǎn)生過(guò)大的隧道暗電流。假設(shè)器件中兩種載流子遷移率相同,并假設(shè)在現(xiàn)有技術(shù)的不增加新的電荷層和渡越層的結(jié)構(gòu)中,除倍增層外耗盡區(qū)厚度為d,光子進(jìn)入器件被吸收生成光生載流子后,光生載流子需要經(jīng)過(guò)此耗盡區(qū)進(jìn)入倍增層。進(jìn)入倍增層的光生載流子在倍增層完成倍增后,形成新的載流子對(duì)。其中一種載流子需要再次經(jīng)過(guò)耗盡區(qū)被接觸層收集,耗時(shí)為t,而另一種載流子漂移出倍增層后即進(jìn)入另一側(cè)接觸層被收集。本發(fā)明在引入新的電荷層和渡越層后,設(shè)新引入兩者之和為dl,那么倍增生成的另一種載流子需要漂移過(guò)這兩層,耗時(shí)tl。調(diào)節(jié)dl的厚度使tl小于或等于t,此時(shí)載流子的渡越時(shí)間與原結(jié)構(gòu)一致。即通過(guò)新結(jié)構(gòu)的引入,器件載流子渡越時(shí)間保持不變的情況下,耗盡區(qū)厚度變大,從而降低了器件電容。同理,通過(guò)新結(jié)構(gòu)的引入,可以在保持器件耗盡區(qū)厚度不變的情況下,降低d的值到d2,而使dl+d2 = d,從而在保持器件電容不變的情況下降低載流子的渡越時(shí)間。通過(guò)合理的參數(shù)調(diào)整,例如降低d的值到d3,使d3 < d的同時(shí)滿足dl+d3 > d,則本發(fā)明的器件還可以同時(shí)降低載流子渡越時(shí)間和電阻-電容時(shí)間常數(shù)。因此,本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的引入給器件設(shè)計(jì)引入了新的自由度,可以更好的調(diào)節(jié)器件的電容-電阻常數(shù)限制帶寬和渡越時(shí)間限制帶寬之間的沖突:或者在保持器件渡越時(shí)間不變的情況下降低器件電容,或者保持器件電容不變的情況下降低器件渡越時(shí)間,或者同時(shí)降低兩者,從而提聞其聞?lì)l特性。對(duì)比本發(fā)明的實(shí)施例和與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的腔長(zhǎng)不變,吸收層8在諧振腔中的位置也不變,即諧振腔的光學(xué)特性保持不變。器件在工作狀態(tài)下耗盡區(qū)的厚度也保持不變,即器件電容保持不變。但是在現(xiàn)有技術(shù)中,光生載流子在漂移出吸收層后,需要經(jīng)過(guò)200nm的路程進(jìn)入倍增層5。在倍增層5通過(guò)雪崩倍增產(chǎn)生新的自由載流子,其中的空穴在漂移出倍增層5后需要經(jīng)過(guò)310nm的路程進(jìn)入上面的P型第二接觸層42被收集,而電子漂移出倍增層5即被下面的N型第一接觸層41收集。在本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中,光生載流子在漂移出吸收層8后,只需經(jīng)過(guò)50nm的路程即可進(jìn)入倍增層5,從而大幅度降低了倍增前的載流子渡越時(shí)間。倍增層5雪崩倍增生成的空穴在漂移出倍增層后,只要經(jīng)過(guò)160nm的路程即可進(jìn)入上面的P型第二接觸層42被收集,新生成的電子在漂移出倍增層后需要經(jīng)過(guò)150nm的路程進(jìn)入下面的N型第一接觸層41被收集。由于電子遷移率往往高于空穴,因此電子漂移過(guò)150nm路程所需要的時(shí)間低于空穴漂移過(guò)160nm路程所需要的時(shí)間,即本發(fā)明倍增結(jié)束后載流子漂移時(shí)間僅等于現(xiàn)有技術(shù)的倍增結(jié)束后空穴漂移160nm所需要的時(shí)間,從而大幅度降低了倍增后的載流子渡越時(shí)間??傊?,本發(fā)明可以在保持器件電容不變的情況大幅下降低器件載流子渡越時(shí)間,因此可以有效提高器件的高頻特性。同理,本發(fā)明可以在保持器件載流子渡越時(shí)間不變的情況下增加器件的腔長(zhǎng),從而降低器件電容,提高其高頻特性。通過(guò)合理的參數(shù)調(diào)整,本發(fā)明還可以同時(shí)降低器件載流子渡越時(shí)間和電容,提高器件的高頻特性。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于普通分離吸收電荷倍增結(jié)構(gòu),諧振腔增強(qiáng)型結(jié)構(gòu),部分耗盡型結(jié)構(gòu)以及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)中。以上所述的具體實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明,應(yīng)理解的是,以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已,并不用于限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種雪崩光電探測(cè)器,用于探測(cè)目標(biāo)探測(cè)光,包括縱向依次排列的吸收層(8)、第一電荷層(61)和倍增層(5), 所述吸收層(8)用于吸收目標(biāo)探測(cè)光,將目標(biāo)探測(cè)光的光子轉(zhuǎn)化為光生自由載流子對(duì); 所述第一電荷層(6)用于調(diào)控器件內(nèi)部電場(chǎng)分布; 所述倍增層(5)用于使進(jìn)入其中的自由載流子引發(fā)雪崩倍增效應(yīng),產(chǎn)生雪崩載流子對(duì);其特征在于: 所述雪崩光電探測(cè)器還包括渡越層(9),所述渡越層(9)與所述吸收層(8)分別位于倍增層(5)的兩側(cè),所述雪崩載流子對(duì)中的一種類型的載流子經(jīng)由所述渡越層(8)縱向漂移至所述雪崩光電探測(cè)器的一端。
2.如權(quán)利要求1所述的雪崩光電探測(cè)器,其特征在于,所述渡越層的禁帶寬度大于目標(biāo)探測(cè)光的光子能量。
3.如權(quán)利要求1所述的雪崩光電探測(cè)器,其特征在于,所述雪崩光電探測(cè)器還包括第二電荷層(62),其位于所述倍增層(5)的相對(duì)于具有所述第一電荷層¢1)的一側(cè)的另一偵牝并且其摻雜類型與所述第一電荷層(61)相反。
4.如權(quán)利要求3所述的雪崩光電探測(cè)器,其特征在于,所述第二電荷層(62)緊鄰所述倍增層(5)。
5.一種提高雪崩光電探測(cè)器高頻特性的方法,所述雪崩光電探測(cè)器用于探測(cè)目標(biāo)探測(cè)光,包括縱向依次排列的吸收層(8)、第一電荷層(61)和倍增層(5),所述吸收層(8)用于吸收目標(biāo)探測(cè)光,將目標(biāo)探測(cè)光的光子轉(zhuǎn)化為光生自由載流子對(duì);所述第一電荷層(6)用于調(diào)控器件內(nèi)部電場(chǎng)分布;所述倍增層(5)用于使進(jìn)入其中的自由載流子引發(fā)雪崩倍增效應(yīng),產(chǎn)生雪崩載流子對(duì);其特征在于,所述方法包括: 提供渡越層(9),并使所述渡越層(9)與所述吸收層(8)分別位于倍增層(5)的兩側(cè),當(dāng)所述倍增層(5)產(chǎn)生雪崩載流子時(shí),使所述雪崩載流子對(duì)中的一種類型的載流子經(jīng)由所述渡越層(8)縱向漂移至所述雪崩光電探測(cè)器的一端。
6.如權(quán)利要求5所述的提高雪崩光電探測(cè)器高頻特性的方法,其特征在于,所述渡越層的禁帶寬度大于目標(biāo)探測(cè)光的光子能量。
7.如權(quán)利要求5所述的提高雪崩光電探測(cè)器高頻特性的方法,其特征在于,該方法還包括: 在所述倍增層(5)的相對(duì)于具有所述第一電荷層¢1)的一側(cè)的另一側(cè)提供一第二電荷層(62),并使其摻雜類型與所述第一電荷層(61)相反。
8.如權(quán)利要求7所述的提 高雪崩光電探測(cè)器高頻特性的方法,其特征在于,使所述第二電荷層¢2)緊鄰所述倍增層(5)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雪崩光電探測(cè)器和提高雪崩光電探測(cè)器高頻特征的方法,所述雪崩光電探測(cè)器用于探測(cè)目標(biāo)探測(cè)光,并包括縱向依次排列的吸收層(8)、第一電荷層(61)、倍增層(5)、第二電荷層(62)和渡越層。吸收層(8)用于吸收目標(biāo)探測(cè)光,將目標(biāo)探測(cè)光的光子轉(zhuǎn)化為光生自由載流子對(duì);第一電荷層(6)用于調(diào)控器件內(nèi)部電場(chǎng)分布;倍增層(5)用于使進(jìn)入其中的自由載流子引發(fā)雪崩效應(yīng),產(chǎn)生雪崩載流子對(duì),雪崩載流子對(duì)中的一種類型的載流子經(jīng)由所述渡越層(9)縱向漂移至所述雪崩光電探測(cè)器的一端。本發(fā)明能更好地調(diào)節(jié)雪崩光電探測(cè)器的電容和載流子渡越時(shí)間,有利于其高頻特性的提高。
文檔編號(hào)H01L31/107GK103077996SQ201310049958
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月8日
發(fā)明者李彬, 韓勤, 楊曉紅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所