一种850nm波段单载流子高速探测器

摘要

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种850nm波段单载流子高速探测器，其不同之处在于：其包括入射端，所述入射端上由下至上依次包括衬底、第一收集层、第二收集层、过渡层、p型多量子阱吸收层、p型阻挡层和p型接触层，还包括正电极层和负电极层，所述正电极层位于所述p型接触层上，所述负电极层位于所述第一收集层上且位于所述第二收集层的一侧。本发明适于850nm波段工作，有利于提高探测器响应速率，增大探测带宽。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种850nm波段单载流子高速探测器。

背景技术

光探测器是一种用来探测光或其他电磁辐射能量的装置，它把辐射能量转换成电流或电压，并从外部电路测量这些电流、电压值。大多数光电类型使用pn结，而基于Si或Ge的结称为Si电池或Ge电池。由于具有从可见光到近红外的良好特性，因此具有广泛的应用范围。当以施加反向偏置电压并取出电流的方式使用光伏器件时，其具有极佳的测量特性。通常称为光电二极管，它越来越多地代替光电倍增管。光电晶体管使用与光电二极管相同的检测方法，但结合了用于放大输出的机制。CCD也是光电探测器。

半导体光电探测器由于体积小、灵敏度商、响应速度快、易于集成，是最理想的光电探测器，典型的包括PIN光电二极管、雪崩二极管以及硅光电倍增管。在光纤通信，传感系统、高能物理、核医学等领域广泛应用。

单载流子高速探测器是一种新型的高速探测器，在大容量光纤通信系统和超高速测试系统的发展中，能够同时满足高响应速度和高饱和输出功率要求的光电二极管正成为人们关注的焦点。因为这样的光电二极管和光放大器组成的光接收机，其性能优于普通光电二极管(pin-PD)和后置电放大器组成的光接收机，从而可以省去电放大器，扩展了带宽的同时还简化了接收机的结构。

作为一种新型光电探测器，其独特的工作方式和高速、高饱和输出等特性，越来越受到专业技术研究领域和工业、产业界人士的极大关注，拥有非常广阔的市场前景。目前，在国外以日本NTT光子实验室为代表的一些研究机构对高饱和输出、高速InGaAs PD的研发应用，已取得了相当大的进展。

对普通的pin-PD而言，高电流密度工作时要保持高速响应是困难的，这些困难主要是由光生载流子产生的电场屏蔽即空间电荷效应引起的，所以要想得到高速、高饱和输出的光电二极管，基于InGaAs/InP pin PD结构，在进行光电二极管结构的设计时，人们为此采用多种方法来减少或消除引起空间电荷效应的因素。如采用分布或边耦合结构通过减少光生载流子的漂移空间距离来降低光电二极管空间电荷效应，提高了输出功率；采用优化参数的InGaAs、InP双耗尽区结构，通过减少光生载流子的漂移空间距离和InGaAs层的热阻影响来降低空间电荷效应，改善线性响应特性。

另一种方法是提高载流子漂移速度来降低器件的空间电荷密度，基于这一概念，1997年由日本NTT光子实验室T.Ishibashi等人成功研制出由p型中性光吸收层和n型宽带隙集结层构成，只用电子作为有源载流子的光电二极管，即单行载流子光电二极管(TC-PD)，实现了高达400kA/cm2及80GHz的3dB带宽，并利用该器件直接驱动40Gb/s光信号逻辑集成电路。

迄今为止，NTT光子实验已成功开发出不同规格的UTC-D，例如26mA的峰值电流和152GHz的3dB带宽，100mA的峰值电流和80GHz的3dB带宽，其中性能最好的是1.55m光照下，半峰宽(FWHM)为0.97ps及310GHz的3dB带宽以及约0.5V偏压下具有超高速特性的UTC-pd，由此可以看出UTC结构的光电二极管中能同时实现宽3dB带宽和高饱和输出的性能特性。

传统的pin-PD光吸收层是本征(非故意掺杂的n型)层，在工作电压下完全耗尽。在耗尽层中，光生电子-空穴均充当有源载流子。因为空穴的迁移率比电子的迁移率低，所以当大功率的光入射时仍残留在耗尽层中的大量空穴产生了空间电荷效应，从而限制了器件的最大输出电压值。为了克服这个问题，人们采用了单行载流子结构。由p型中性InGaAs光吸收层和n型宽带隙InP集结层构成的UTC-PD，耗尽集结层与光吸收层在空间上完全分离，吸收层中产生的光生电子-空穴对，同时向吸收层两端扩散。靠近阳极端的p型扩散阻断层阻止电子向阳极扩散，从而使电子只集结层方向扩散，即形成了单行载流子。当吸收层扩散电子注入集结层后，电子在异质界面导带势垒建立的内电场作用下因过冲效应电子高速(4×107cm/s)掠过该层，而吸收层中的光生空穴作为多数载流子，其介电弛豫时间非常短，对光电极管工作速度的影响可以忽略不计。与传统的pinPD截然不同之处在于UTC-PD的带宽取决于电子在吸收层的扩散时间和集结层的漂移时间当集结层足够薄，电子在集结层的延迟时间约为0.2～0.4ps，这个值与吸收层的响应时间t相比可以忽略不计，UTC-PD的带宽主要由电子在吸收层的扩散时间决定。因为电子的扩散时间要比电子的漂移时间长，所以UTC-PD的速度性能可以通过利用具有内建场的光吸收层加以改善。吸收层中的内建场引起电子输运的漂移成分，有利于电子更快地向集结层运动。要想实现UTC-PD的超高速工作，必须充分利用集结层中电子速度过冲这一特点。电子的过冲速度大约比空穴的饱和速度高一个数量级，有效地抑制了耗尽层中空间电荷效应，这使得UTC-pd与pin-PD相比，在高的工作速度下仍有高的输出饱和电流。

综上，常规的单载流子探测器为InP体系，而InP基适于1550nm波段工作，在850nm波段的响应度等各方面均会受到一定影响。

鉴于此，为克服上述技术缺陷，提供一种850nm波段单载流子高速探测器成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种850nm波段单载流子高速探测器，适于850nm波段工作，有利于提高探测器响应速率，增大探测带宽。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种850nm波段单载流子高速探测器，其不同之处在于：其包括入射端，所述入射端上由下至上依次包括衬底、第一收集层、第二收集层、过渡层、p型多量子阱吸收层、p型阻挡层和p型接触层，还包括正电极层和负电极层，所述正电极层位于所述p型接触层上，所述负电极层位于所述第一收集层上且位于所述第二收集层的一侧。

按以上技术方案，所述入射端为850nm波段的增透介质膜层，其为双层混合结构，包括第一介质膜层和第二介质膜层，二者的光学厚度和为850nm的四分之一。

按以上技术方案，所述衬底为低缺陷密度半绝缘GaAs材料。

按以上技术方案，所述第一收集层为N型高掺杂GaAs材料，厚度为50-100nm，掺杂浓度大于5x10

按以上技术方案，所述第二收集层为N型低掺杂GaAs材料，厚度为200-300nm，掺杂浓度为5x10

按以上技术方案，所述过渡层由下至上依次包括电荷层、下过渡层和上过渡层，所述电荷层为n型GaAs材料，厚度为5-15nm，掺杂浓度为1x10

按以上技术方案，所述p型多量子阱吸收层为InGaAs/AlGaAs多量子阱材料，掺杂浓度为1x10

按以上技术方案，所述p型阻挡层为p型InGaAsP材料，掺杂浓度大于1x10

按以上技术方案，所述p型接触层为p型InGaAs材料，掺杂浓度大于2x10

按以上技术方案，所述正电极层为TiAu双金属层，总厚度为400-500nm；所述负电极层为AuGeNi/Au材料，总厚度为300-500nm。

由上述方案，本发明公开了一种850nm波段单载流子高速探测器，主要针对850nm波段高速、高饱和功率、高响应度的探测器应用，利用III-V多组分体系灵活的能带工程，通过P型多数载流子吸收层设计、电子扩散阻挡层设计、过渡层和收集层设计来调节电场，使只有电子流对光生电流有贡献，避免空穴运动速度慢带来的诸多不利效应。本发明提供的850nm波段单载流子高速探测器，吸收层不是采用常规InP基UTC-PD的p型InGaAs，而是采用P型多量子阱结构，提高了850nm波段响应度，而整个材料是基于GaAs体系，适于850nm波段工作，而InP基适于1550nm波段工作。本发明可在更薄的情况下实现高效吸收，更有利提高探测器响应速率，增大探测带宽，在高速光纤通信领域中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例激光器的整体结构示意图；

其中：10－入射端，20－衬底，30－第一收集层，41－第二收集层，42－负电极层，50－过渡层(51－电荷层，52－下过渡层，53－上过渡层)，60－p型多量子阱吸收层，70－p型阻挡层，80－p型接触层，90－正电极层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在下文中，将参考附图来更好地理解本发明的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本发明的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。

如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本发明。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”和其衍生词将与如图1定向的发明有关。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的发明构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。

请参考图1，本发明一种850nm波段单载流子高速探测器，其不同之处在于：其包括入射端10，所述入射端10上由下至上依次包括衬底20、第一收集层30、第二收集层41、过渡层50、p型多量子阱吸收层60、p型阻挡层70和p型接触层80，还包括正电极层90和负电极层42，所述正电极层90位于所述p型接触层80上，所述负电极层42位于所述第一收集层30上且位于所述第二收集层41的一侧。

具体的，入射端10为一种对850nm波段的增透介质膜层，其为双层混合结构，包括第一介质膜层和第二介质膜层，二者的光学厚度和为850nm的四分之一。其中，第一介质膜层为氧化铝层，第二介质膜层为氧化硅层，其中氧化硅层在氧化铝层下方。

具体的，衬底20为低缺陷密度半绝缘GaAs材料。

优选的，第一收集层30为N型高掺杂GaAs材料，厚度为50-100nm，掺杂浓度大于5x10

优选的，第二收集层41为N型低掺杂GaAs材料，厚度为200-300nm，掺杂浓度为5x10

具体的，过渡层50由下至上依次包括电荷层51、下过渡层52和上过渡层53，所述电荷层51为n型GaAs材料，厚度为5-15nm，掺杂浓度为1x10

具体的，p型多量子阱吸收层60为InGaAs/AlGaAs多量子阱材料，掺杂浓度为1x10

优选的，p型阻挡层70为p型InGaAsP材料，掺杂浓度大于1x10

优选的，p型接触层80为p型InGaAs材料，掺杂浓度大于2x10

优选的，所述正电极层90为TiAu双金属层，总厚度为400-500nm；所述负电极层42为AuGeNi/Au材料，总厚度为300-500nm。

根据以上器件结构描述，所需要的外延材料各层的一个实施例，如表1所示(不限于下表)：

表1：850nm波段UTC-PD外延结构

如表1所述的一种850nm波段P型掺杂多量子阱吸收层单载流子高速探测器，其外延材料特征在于GaAs衬底层20，该层为低缺陷密度半绝缘GaAs材料，厚度为100微米。

上述实施例中，所述的一种850nm波段P型掺杂多量子阱吸收层单载流子高速探测器，其外延材料特征在于第一收集层30为n型高掺杂GaAs材料，厚度为100nm，掺杂浓度大于5x10

上述实施例中，所述的一种850nm波段P型掺杂多量子阱吸收层单载流子高速探测器，其外延材料特征在于第二收集层41为n型低掺杂GaAs材料，厚度为200nm，掺杂浓度为5x10

上述实施例中，所述的一种850nm波段P型掺杂多量子阱吸收层单载流子高速探测器，其外延材料特征在于过渡层50包含三层，分别为电荷层51，下过渡层52及上过渡层53。其中电荷层51为n型GaAs材料，厚度为15nm，掺杂浓度为1x10

上述实施例中，所述的一种850nm波段P型掺杂多量子阱吸收层单载流子高速探测器，其外延材料特征在于p型多量子阱吸收层60为InGaAs/AlGaAs多量子阱材料，其包括5对，P型掺杂多量子阱吸收层掺杂浓度为1x10

上述实施例中，所述的一种850nm波段P型掺杂多量子阱吸收层单载流子高速探测器，其外延材料特征在于P型阻挡层70为P型InGaAsP材料，掺杂浓度大于1x10

上述实施例中，所述的一种850nm波段P型掺杂多量子阱吸收层单载流子高速探测器，其外延材料特征在于P型接触层80为P型InGaAs材料，掺杂浓度大于2x10

本发明实施例中，利用GaAs作为衬底，采用InGaAsP/InGaAs/AlGaAs/GaAs体系实现850nm波段工作的UTC-PD，其吸收层不是采用常规InP基UTC-PD的p型InGaAs，而是采用P型多量子阱结构，可在更薄的情况下实现高效吸收，更有利提高探测器响应速率，增大探测带宽。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。