一種用于單行載流子光電二極管的吸收區(qū)結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種單行載流子光電二極管的設(shè)計(jì)方法，特別是設(shè)及一種用于單行載 流子光電二極管的吸收區(qū)結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 光電二極管（Photodiode, PD)是一種重要的光電轉(zhuǎn)換器件，在國民經(jīng)濟(jì)及軍事應(yīng) 用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是光纖通信、超寬帶無線通信、導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外成像及遙感等應(yīng)用 系統(tǒng)的核屯、器件。PD有兩個(gè)重要指標(biāo)：飽和電流和響應(yīng)帶寬。前者決定了輸出功率，后者則 反應(yīng)了器件的高頻響應(yīng)能力，很多關(guān)于PD的研究是圍繞提升運(yùn)兩個(gè)性能指標(biāo)而展開的。飽 和電流大、響應(yīng)速度快的PD可滿足更多的應(yīng)用需求，運(yùn)一點(diǎn)對于高速通信系統(tǒng)尤為重要。
[0003] 傳統(tǒng)的PD基于PIN結(jié)構(gòu)，其能帶結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。光吸收發(fā)生在I區(qū)耗盡層， 在電場作用下，光激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對分別向器件的兩極移動(dòng)。在PIN-PD中，電子和空 穴的輸運(yùn)共同決定了器件的性能。然而，空穴的漂移速度遠(yuǎn)低于電子，運(yùn)就限制了器件的帶 寬；同時(shí)，當(dāng)入射光功率變大時(shí)，產(chǎn)生的大量空穴將不能及時(shí)離開耗盡區(qū)，而空穴的聚集引 發(fā)空間電荷效應(yīng)，使器件進(jìn)入飽和狀態(tài)。由于上述限制，一般的高速PIN-PD的響應(yīng)帶寬為 數(shù)十GHz,若要應(yīng)用于太赫茲（IOOGHz~IOTHz)領(lǐng)域則略顯不足。
[0004]1997 年，單行載流子光電二極管（Unitraveling carrier 地otodiode, UTC-PD) 的發(fā)明徹底解決了 "慢速"空穴的問題，給PD的性能帶來了質(zhì)的突破。UTC-PD -般采用 InGaAs/InP材料體系，能帶結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中吸收區(qū)為P型滲雜InO. 53GaO. 47As，入射 光在此激發(fā)電子空穴對；收集區(qū)（即漂移區(qū)、耗盡層）為禁帶較寬的InP，對入射激光透明。 在此結(jié)構(gòu)中，吸收區(qū)與漂移區(qū)分離。UTC-ro之所W被稱之為"單行"，是因?yàn)槠骷阅苤饕?由電子輸運(yùn)所決定的：光吸收發(fā)生在P型滲雜的吸收區(qū)內(nèi)，空穴為多數(shù)載流子，光激發(fā)產(chǎn)生 的空穴通過多數(shù)載流子的集體運(yùn)動(dòng)很快弛豫到電極，只有電子是有效載流子進(jìn)入漂移區(qū)， 因此嚴(yán)區(qū)速"空穴帶來的影響被完全排除。僅有"高速"的電子為有效載流子帶來了更大的 帶寬；而在飽和電流方面，盡管在UTC-TO收集區(qū)的注入端也會(huì)存在空間電荷效應(yīng)，但該效 應(yīng)由是電子引起的，由于電子漂移速度遠(yuǎn)高于空穴，因此需要更強(qiáng)的入射激光激發(fā)產(chǎn)生更 大量的電子才能引起電子的圍積，所W，UTC-TO的飽和特性也遠(yuǎn)高于PIN-PD。 陽0化]在UTC-PD的電子輸運(yùn)中，其吸收區(qū)中的電子主要通過擴(kuò)散的方式進(jìn)入收集區(qū)，為 了能使電子更快的漂移進(jìn)入收集區(qū)，研究人員對吸收區(qū)進(jìn)行了梯度滲雜，形成了內(nèi)建電場 W加速電子，從而縮短了電子在吸收區(qū)的渡越時(shí)間，提升了器件的高頻響應(yīng)能力。在此基礎(chǔ) 之上，本發(fā)明將提出一種新型的吸收區(qū)結(jié)構(gòu)，旨在進(jìn)一步提升器件的響應(yīng)帶寬，對發(fā)展超寬 帶光纖通信及太赫茲無線通信系統(tǒng)具有重大意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于W上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種用于單行載流子光電 二極管的吸收區(qū)結(jié)構(gòu)，用于提升單行載流子光電二極管的響應(yīng)帶寬。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種用于單行載流子光電二極管的 吸收區(qū)結(jié)構(gòu)，所述吸收區(qū)結(jié)構(gòu)采用Ini yGa^ASyPi y材料生長，其中，X、y分別為Ga元素和As 元素的材料組分，〇<x<l，0<y《1，且組分參數(shù)x、y呈線性漸變或階躍式梯度變化，使得吸收 區(qū)內(nèi)的禁帶寬度實(shí)現(xiàn)梯度變化。
[0008] 作為本發(fā)明的用于單行載流子光電二極管的吸收區(qū)結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選方案，組分參 數(shù)X、y的選取使得Ini xGaxASyPi y材料的禁帶寬度不大于波長為1. 5 ym的激光的光子能量
[0009] 作為本發(fā)明的用于單行載流子光電二極管的吸收區(qū)結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選方案，所述 Ini xGaxASyPi y材料的組分參數(shù)X、y的取值范圍為0. 38《X《0. 47,0. 82《y《1。
[0010] 優(yōu)選地，所述吸收區(qū)Ini xGaxASyPi y材料的組分從靠近P型接觸層的一端朝靠近n 型接觸層的一端呈線性漸變，且Ga組分X為逐漸增大，使得吸收區(qū)內(nèi)的禁帶寬度實(shí)現(xiàn)線性 變化。 W11] 優(yōu)選地，所述吸收區(qū)Ini xGaxASyPi y材料的組分從靠近P型接觸層的一端朝靠近n 型接觸層的一端呈階躍式梯度變化，且Ga組分X為逐梯度增大，使得吸收區(qū)內(nèi)的禁帶寬度 實(shí)現(xiàn)梯度變化。
[0012] 進(jìn)一步地，所述吸收區(qū)Ini xGaxASyPi y材料中，靠近P型接觸層一端的組分為 In〇.62G曰n.ssAsn.szPa 18,罪近n型接觸層的一端的組分為In〇.53Ga。.47AS,中間組分呈線性漸變或 呈階躍式梯度變化。
[0013] 作為本發(fā)明的用于單行載流子光電二極管的吸收區(qū)結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選方案，所述吸 收區(qū)Ini xGaxASyPi y材料的晶格常數(shù)應(yīng)與InP相匹配，X、y滿足：
[0015] 作為本發(fā)明的用于單行載流子光電二極管的吸收區(qū)結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選方案，所述吸 收區(qū)Irii xGa^ASyPi y材料的帶隙為：
[0016] EgQni xGaxASyPi y) = 1. 35+(0. 64化0. 758x) X+(0.1 Oly-I. 101) y
[0017] - (0. 28x-0. 109y+0. 159)巧 陽0化]其中，0. 74eV《EgQni xGaxASyPi y)《0. 82eV。
[0019] 作為本發(fā)明的用于單行載流子光電二極管的吸收區(qū)結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選方案，所述單 行載流子光電二極管包括依次相連的P型接觸層、阻擋層、吸收區(qū)、連接層、收集區(qū)、電荷 區(qū)、W及n型接觸層。
[0020] 如上所述，本發(fā)明的用于單行載流子光電二極管的吸收區(qū)結(jié)構(gòu)，具有W下有益效 果：本發(fā)明采用的梯度能帶結(jié)構(gòu)引入的內(nèi)建電場顯著增強(qiáng)了吸收區(qū)內(nèi)的電場強(qiáng)度。該增強(qiáng) 的電場將有效加速電子的漂移，縮短其在吸收區(qū)的渡越時(shí)間。本發(fā)明可有效降低單行載流 子光電二極管吸收區(qū)內(nèi)電子的渡越時(shí)間，對提升器件的帶寬及實(shí)現(xiàn)基于該器件的超高速無 線通信系統(tǒng)具有重要意義。
【附圖說明】
[0021] 圖1顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的PIN-PD的能帶結(jié)構(gòu)圖示意圖。
[0022] 圖2顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的單行載流子光電二極管UTC-PD的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖3a~圖3b顯示為本發(fā)明的單行載流子光電二極管UTC-PD的能帶結(jié)構(gòu)。其中， 圖3a中虛線圈內(nèi)為UTC-PD的吸收區(qū)結(jié)構(gòu)，圖3b為線性梯度能帶結(jié)構(gòu)的吸收區(qū)，禁帶寬度 線性連續(xù)變化，圖3c為階躍式梯度能帶結(jié)構(gòu)的吸收區(qū)，禁帶寬度階躍式變化。
[0024]圖4顯示為模擬得到本發(fā)明的器件吸收區(qū)內(nèi)的電場分布情況，虛線為普通UTC-PD 器件，實(shí)線為具有線性梯度能帶結(jié)構(gòu)吸收區(qū)的UTC-PD。
[00巧]圖5顯示為模擬得到本發(fā)明的器件響應(yīng)特性，虛線為普通UTC-TO器件，實(shí)線為具 有線性梯度能帶結(jié)構(gòu)吸收區(qū)的UTC-PD。 陽0%] 元件標(biāo)號說明[0027] 101 P型接觸層 陽02引102 阻擋層
[0029] 103 吸收區(qū)
[0030] 104 收集區(qū)
[0031] 105 n型接觸層
【具體實(shí)施方式】
[0032] W下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書 所掲露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可W通過另外不同的具體實(shí) 施方式加W實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可W基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離 本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0033] 請參閱圖3a~圖5。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅W示意方式說明 本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖示中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù) 目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其 組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0034] 如圖3a~圖3c所示，本發(fā)明提出用于單行載流子光電二極管的吸收區(qū)結(jié)構(gòu)采用 梯度能帶結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)方案如下：
[00對 1)根據(jù)器件材料體系選取四元材料作為吸收區(qū)的材料，對于InP/InGaAs材料體 系的單行載流子光電二極管扣TC-PD)，吸收區(qū)選取四元材料IniyGa^ASyPiy，其中X、y分別 為Ga元素和As元素的材料組分，0<x<l，0<y《1。不同的x、y取值，Irii xGaxASyPi y材料的 帶隙不同。因此，梯度能帶結(jié)構(gòu)可W通過按照一定的規(guī)則變化X、y的取值來實(shí)現(xiàn)。
[0036] 。在變化X、y構(gòu)建能帶梯度時(shí)，Irii xGa^ASyPi y材料需滿足如下兩個(gè)條件：
[0037] 第一，InixGaxASyPi y的晶格常數(shù)應(yīng)與InP相匹配，因此X、y需滿足：
[0039]第二Ini xGaxASyPi y的帶隙可表示為：
[0040]EgQnixGaxASyPiy) =1. 35+(0.64化0. 758x)X+(0.1 Oly-I. 101)y
[0041 ] - (0. 28x-〇. 109y+0. 15