CN103268898A - 一种雪崩光电探测器及其高频特性提高方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雪崩光电探测器，其用于探测目标探测光，并包括纵向依次排列的吸收层(3)、第一电荷层(41)、倍增层(5)、第二电荷层(42)和渡越层(6)，其中第一电荷层(41)为N型掺杂，第二电荷层(42)为P型掺杂。吸收层(3)用于吸收目标探测光，将目标探测光的光子转化为光生自由载流子对；第一电荷层(41)用于调控器件内部电场分布；倍增层(5)用于使进入其中的自由载流子引发雪崩效应，产生雪崩载流子对，雪崩载流子对中的空穴经由所述渡越层(6)纵向漂移至所述雪崩光电探测器的一端。本发明能更好地调节雪崩光电探测器的电容和载流子渡越时间，有利于其高频特性的提高。

Description

一种雪崩光电探测器及其高频特性提高方法

技术领域

本发明属于半导体器件领域，具体是指一种雪崩光电探测器(APD)及其高频特性提高方法。

背景技术

在过去的五十年中，雪崩光电探测器(APD)已经广泛的应用于商业、军事和科学研究中，如量子信息、生物分子探测、激光雷达成像、天文探测等。近些年，APD研究的动力主要来源于光通信。工作波长在1.55μm的高速、高灵敏度的APD是高比特率长距离光纤通信的关键器件。由于其内在增益，APD可以比PIN型探测器的灵敏度高5-10分贝。在过去的十几年中，由于材料和器件结构的进步，APD的性能明显提高。目前APD已经成功应用于10GB/s的光接收器中，并且随着器件结构和材料质量的改进，更加高的速度将成为可能。

限制雪崩光电探测器高频性能的因素主要有三个，即载流子渡越时间、电容-电阻时间常数和倍增建立时间。其中载流子渡越时间和电容-电阻时间常数是一对矛盾体，减小其中一个往往意味着增大另一个。如果能引入新的设计自由度，减小两者中对限制器件高频特性起主要作用的一个的同时保持另一个不变，或在两者作用相当时同时降低两者将有利于提高器件的高频性能。

图1显示了现有的APD的基本结构示意图。如图1所示，分离吸收电荷倍增结构(SACM)APD至少包括有吸收层3、电荷层4和倍增层5。所述吸收层3用于吸收目标探测光，将目标探测光的光子转化为自由载流子对(电子空穴对)，也称光生自由载流子对；所述电荷层4用于调控器件内部电场分布；所述倍增层5用于使进入其中的自由载流子引发雪崩倍增效应，产生更多的自由载流子对，或称雪崩载流子对，放大信号。通常，电荷层4设置于吸收层3与倍增层5之间，并且与倍增层紧邻。

对于实际的APD器件，除了图1所示的层之外，还可包括衬底和其他功能层。衬底作为材料生长的基底，功能层包括用于提高材料生长质量的缓冲层、用于与电极接触的接触层等。

如图1所示，光进入吸收层3后被吸收层材料吸收，转化为光生自由载流子对(电子空穴对)。其中的空穴在电场的作用下进入倍增层5，在倍增层5内高电场的作用下发生雪崩倍增，产生更多的自由载流子对。新产生的自由载流子对中，电子在电场的作用下，需要经过N型电荷层4、吸收层3进入N型接触层被收集，而空穴漂移出倍增层5后即被P型接触层收集。可见，电子需要比空穴更长的时间才能被收集，既不利于载流子渡越时间的缩短，又不利于器件电容的减小，从而限制了器件的高频性能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是为了更好的调节雪崩光电探测器的载流子渡越时间和电容-电阻时间常数之间的折中，使雪崩光电探测器的载流子渡越时间和电容-电阻时间常数中的一个降低时，另一个保持不变或基本不变，或者使二者同时降低，以提高雪崩光电探测器的高频特性。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明公开了一种雪崩光电探测器，用于探测目标探测光，其包括纵向依次排列的吸收层(3)、第一电荷层(41)、倍增层(5)、第二电荷层(42)和渡越层(6)；

所述吸收层(3)用于吸收目标探测光，将目标探测光的光子转化为光生自由载流子对；

所述第一电荷层(41)用于调控器件内部电场分布；

所述倍增层(5)用于使进入其中的自由载流子引发雪崩倍增效应，产生雪崩载流子对；

所述第二电荷层(42)也用于调控器件内部电场分布；

所述渡越层(6)用于调节所述雪崩光电探测器中载流子的渡越时间和/或电容；

其中，所述渡越层(6)、第二电荷层(42)与所述吸收层(3)、第一电荷层(41)分处所述倍增层(5)的两侧。

本发明还提供了一种雪崩光电探测器的高频特性提高方法，所述方法包括：

在材料外延结构中，依次生长吸收层、第一电荷层、倍增层；在所述倍增层上依次生长渡越层和第二电荷层，使得所述渡越层、第二电荷层与所述吸收层、第一电荷层分处倍增层的两侧；

其中，所述第一电荷层和第二电荷层用于调控器件内部电场分布；所述渡越层用于调节所述雪崩光电探测器中载流子的渡越时间和/或电容。

(三)有益效果

本发明通过在雪崩光电探测器结构设计中引入了渡越层和额外的电荷层，为器件设计增加了新的自由度，能更好地调节器件的电容和载流子渡越时间之间的折中，有利于器件高频特性的提高。

附图说明

图1是现有的APD的基本结构示意图；

图2是本发明的APD的基本结构示意图；

图3是本发明的一个具体实施例的APD的结构示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图2示出了本发明提出的雪崩光电探测器(APD)的基本结构示意图。如图2所示，所述雪崩光电探测器(APD)包括：

吸收层3，其位于倍增层5的一侧，用于吸收目标探测光，将目标探测光的光子转化为光生自由载流子对；

第一电荷层41，其位于所述吸收层3和倍增层5之间，用于调控器件内部电场分布，使得倍增层5内具有足够高的电场；其还用于使吸收层3所在一侧(相对于倍增层5)器件工作状态下处于耗尽状态的各层有适当的电场强度，以在保证载流子高速漂移的同时防止这些层内的电场过高，防止过高的电场产生过大的隧道暗电流或产生有害的雪崩倍增；其掺杂类型为N型掺杂；

倍增层5，其位于第一电荷层41和第二电荷层42之间，用于使进入其中的自由载流子引发雪崩倍增效应，产生雪崩载流子对；

第二电荷层42，其位于所述倍增层5的另一侧，用于调控器件内部电场分布，使渡越层6所在一侧(相对于倍增层)的器件工作状态下处于耗尽状态的各层有适当的电场强度，在保证载流子高速漂移的同时保证渡越层同侧各层内的电场不会过高，以防止过高的电场产生过大的隧道暗电流或产生有害的雪崩倍增；其掺杂类型为P型掺杂；

渡越层6，其位于所述第二电荷层42一侧，所述倍增层5产生的雪崩载流子对中的空穴纵向漂移至所述雪崩光电探测器的P型电极端，被所述P型电极收集前，需经过所述渡越层6，进而调节所述APD的电容和载流子渡越时间。

本发明中，为了调节所述APD的载流子渡越时间和器件电容，提高器件的高频特性，在其纵向除了包括吸收层3、第一电荷层41和倍增层5之外还增设了渡越层6和第二电荷层42，并且，使所述渡越层6、第二电荷层42与所述吸收层3、第一电荷层41分处倍增层5的两侧，也即，使渡越层6与第二电荷层42在同一侧(相对于倍增层5)，吸收层3与第一电荷层41在同一侧(相对于倍增层5)。当倍增层5因雪崩效应产生新的自由雪崩载流子对即电子-空穴对时，其中的电子经由所述吸收层3等纵向漂移至APD的一端，即吸收层3所在的一侧，而其中的空穴则经由所述渡越层6等纵向漂移至APD的另一端。

由于电子从吸收层所在一侧漂移的时间较长，因此增加了渡越层，使得经由渡越层所在一侧漂移的空穴的飘移时间增加，但依然保持空穴的漂移时间小于或等于电子的漂移时间。这样可以不影响或基本不影响APD的载流子渡越时间。但是由于渡越层的存在，器件的耗尽区厚度变大，因此器件的电容得到有效的降低。假设引入渡越层后，保持器件的耗尽区厚度不变，由于渡越层6的存在，吸收层3所在一侧的耗尽区厚度可以得到降低，从而，在不影响或基本不影响APD电容的情况下降低载流子即电子和空穴的渡越时间；或者，减小吸收层所在一侧的耗尽区厚度，但是由于渡越层的引入，器件总耗尽区厚度依旧大于无渡越层时，此时可以同时降低APD电容和渡越时间。

优选地，所述第二电荷层42的材料与第一电荷层41的材料可以相同，所述渡越层6的材料与所述倍增层5的材料也可以相同。但本发明并不限于此，第二电荷层42和渡越层6的材料也可以由本领域技术人员根据需要选择，但需保证第二电荷层42和渡越层6禁带宽度大于目标探测光的光子能量，以防止该第二电荷层42和渡越层6吸收光。例如，对于1550nm的目标探测光来说，第二电荷层42、渡越层6可以由InP、InAlAs等材料构成。

优选地，所述渡越层6的材料与第一电荷层41、第二电荷层42及倍增层5的材料均相同。

所述雪崩光电探测器还包括位于所述雪崩光电探测器两端的接触层，所述接触层用于接触电极，以给所述雪崩光电探测器施加工作电压，并且，位于吸收层一侧的接触电极用于施加高电压，位于渡越层一侧的接触层用于施加低电压。

本发明通过在常规的分离吸收电荷倍增结构(SACM)结构即图1示出的结构各层外引入一个渡越层6，雪崩载流子对(电子-空穴对)中的空穴在漂移出倍增层5后被电极收集前需要漂移经过此渡越层6。如前所述，在不影响或基本不影响载流子渡越时间的情况下可降低APD电容，或者在不影响或基本不影响APD电容的情况下降低载流子渡越时间，或者同时降低两者。

下面根据另一优选实施例来描述本发明提出的雪崩光电探测器(APD)。

图3示出了本发明另一优选实施例中雪崩光电探测器(APD)的结构图。如图3所示，该APD为InGaAs/InP台面型APD，其包括：N型InP衬底1、依次生长在所述N型InP衬底上的1um N型InP缓冲层2、2um本征Ga_0.47In_0.53As(GaInAs)吸收层3、三层各40nm的GaInAsP本征过渡层81、82、83、厚度为0.3um的N型InP电荷层41、厚度为0.2um的本征InP倍增层5、厚度为0.3um的P型InP电荷层42、厚度为0.5um的本征InP渡越层6、厚度为0.2μm的P型InP接触层7；其中，所述本征过渡层的禁带宽度自下而上依次提高，所述N型InP电荷层的掺杂浓度为1e17/cm³，所述P型InP电荷层的掺杂浓度为1e17/cm³。

所述吸收层3用于吸收目标探测光，将目标探测光的光子转化为光生自由载流子对，从而将光信号转化为电信号。

所述三层过渡层用于平滑异质节界面处的能带，防止载流子在异质节界面处的堆积。

所述倍增层5用于当所述光生载流子进入后，在倍增层高电场的作用下与倍增层材料发生碰撞电离，发生雪崩效应而倍增产生大量自由载流子对，从而放大信号。

所述渡越层6可在不增加器件载流子渡越时间的情况下降低器件电容或在不增加器件电容的情况下降低器件载流子渡越时间，或同时降低两者。

所述第一电荷层41和第二电荷层42均用于调控器件内部电场分布，使倍增层5内有足够高的电场，从而可以发生自由载流子的雪崩倍增。

第一电荷层41还用于使吸收层3所在一侧(相对于倍增层5的一侧)器件工作状态下处于耗尽状态的各层有适当的电场强度，以在保证载流子高速漂移的同时防止这些层内的电场过高，以防止过高的电场产生过大的隧道暗电流或产生有害的雪崩倍增。

类似的，第二电荷层42用于使渡越层6所在一侧(相对于倍增层5的一侧)器件工作状态下处于耗尽状态的各层有适当的电场强度，以在保证载流子高速漂移的同时防止过高的电场产生过大的隧道暗电流或产生有害的雪崩倍增。如前所述，该第二电荷层42的掺杂类型与第一电荷层41的掺杂类型相反。

所述接触层7用于与电极接触，所述缓冲层2用于提高材料生长质量，所述衬底1用于提供材料生长的基底。上述各层的生长、厚度、材料均为本领域内公知的技术，故再此不再详细说明。

图3仅仅作为本发明的一个具体实施例，应当理解的是，在上述实施例的基础之上，本领域的技术人员可以对上述实施例中APD中的各层的数量、分布、功能、厚度、材料和掺杂浓度进行各种变化。

另外，上述APD结构中，可以在吸收层3的外侧，即远离倍增层5的一侧包括另一分布布拉格反射层(DBR)，以增强光的吸收；可以在吸收层3的内侧，即靠近倍增层5的一侧包括一层掺杂吸收层，以调节器件内部电场分布的同时增强光的吸收；可以将三层过渡层81、82、83调整为多于或少于三层，或将之调整为组分渐变层；可以在P型接触层外出增加一层增透膜，以提高光的透过率等。

如上所述，本发明通过新增加第二电荷层调节器件内电场分布，保证倍增层内高电场的同时使新增加的渡越层同侧器件工作状态下处于耗尽状态的各层内保持适当的电场，既能保证载流子在其中的高速漂移，又能防止其内发生雪崩倍增或产生过大的隧道暗电流。

假设器件中两种载流子迁移率相同，并假设在不增加第二电荷层和渡越层的情况下，除倍增层外耗尽区厚度为d，光子进入器件被吸收生成光生载流子后，光生载流子需要经过此耗尽区进入倍增层。进入倍增层的光生载流子在倍增层完成倍增后，形成新的载流子对。其中电子需要再次经过耗尽区被接触层收集，耗时为t，而空穴漂移出倍增层后即进入另一侧接触层被收集。

本发明在引入第二电荷层和渡越层后，设该两者厚度之和为d1，则倍增生成的空穴漂移过这两层的耗时t1。调节d1的厚度使t1小于或等于t，此时载流子的渡越时间不变。即在引入了第二电荷层和渡越层后，器件载流子渡越时间保持不变的情况下，耗尽区厚度变大，从而降低了器件电容。同理，在引入了第二电荷层和渡越层后，可以在保持器件耗尽区厚度不变的情况下，降低除倍增层、第二电荷层和渡越层外耗尽区厚度到d2，而使d1+d2＝d，从而在保持器件电容不变的情况下降低载流子的渡越时间。通过合理的参数调整，例如降低除倍增层、第二电荷层和渡越层外耗尽区厚度到d3，使d3＜d的同时满足d1+d3＞d，则本发明的器件还可以同时降低载流子渡越时间和电阻-电容时间常数。

因此，本发明提出的上述APD结构，可以更好的调节器件的电容-电阻常数限制带宽和渡越时间限制带宽之间的冲突：或者在保持器件渡越时间不变的情况下降低器件电容，或者保持器件电容不变的情况下降低器件渡越时间，或者同时降低两者，从而提高其高频特性。

在本发明中，倍增层通过雪崩倍增产生的自由载流子对中，电子漂移出倍增层后需经2.43μm的路程而被收集，而空穴只需经0.5μm的路程进入P型接触层而被收集，可见与现有技术相比，本发明的载流子渡越时间并不增加，但是器件在工作状态下耗尽区的厚度变大，即器件电容降低，因此器件的高频特性得到改善。

同理，本发明可以在保持器件电容不变的情况下降低器件载流子渡越时间，提高其高频特性。通过合理的参数调整，本发明还可以同时降低器件载流子渡越时间和电容，提高器件的高频特性。

本发明还提出了一种雪崩光电探测器的高频特性提高方法，所述方法包括：在材料外延结构中，依次生长吸收层、第一电荷层、倍增层，在倍增层上依次生长第二电荷层和渡越层，所述渡越层、第二电荷层与所述吸收层、第一电荷层分处倍增层的两侧，即，使渡越层与第二电荷层在同一侧(相对于倍增层)，吸收层与第一电荷层在同一侧(相对于倍增层)；当所述倍增层产生雪崩载流子时，使所述雪崩载流子对中的空穴经由所述渡越层纵向漂移至所述雪崩光电探测器的一端，所述第一电荷层为N型掺杂，所述第二电荷层为P型掺杂。

本发明可广泛应用于普通分离吸收电荷倍增结构，谐振腔增强型结构，部分耗尽型结构以及波导结构等结构中。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种雪崩光电探测器，用于探测目标探测光，其包括纵向依次排列的吸收层(3)、第一电荷层(41)、倍增层(5)、第二电荷层(42)和渡越层(6)；

所述吸收层(3)用于吸收目标探测光，将目标探测光的光子转化为光生自由载流子对；

所述第一电荷层(41)用于调控器件内部电场分布；

所述倍增层(5)用于使进入其中的自由载流子引发雪崩倍增效应，产生雪崩载流子对；

所述第二电荷层(42)也用于调控器件内部电场分布；

所述渡越层(6)用于调节所述雪崩光电探测器中载流子的渡越时间和/或电容；

其中，所述渡越层(6)、第二电荷层(42)与所述吸收层(3)、第一电荷层(41)分处所述倍增层(5)的两侧。

2.如权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述第一电荷层(41)的掺杂类型为N型，所述第二电荷层(42)的掺杂类型为P型，并且所述雪崩载流子对中的空穴经由所述渡越层(6)纵向漂移至所述雪崩光电探测器的一端。

3.如权利要求1或2所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述渡越层(6)用于调节所述雪崩载流子对中空穴的漂移时间接近所述电子的漂移时间。

4.如权利要求1或2所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述渡越层(6)用于降低所述雪崩光电探测器的电容。

5.如权利要求1或2所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述渡越层(6)在不增加载流子渡越时间的情况下降低所述雪崩光电探测器的电容或在不增加所述雪崩光电探测器电容的情况下降低载流子渡越时间，或同时降低两者。

6.如权利要求1或2所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述渡越层(6)的禁带宽度大于目标探测光的光子能量。

7.如权利要求1或2所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述第一电荷层(41)与所述第二电荷层(42)均紧邻所述倍增层(5)。

8.如权利要求1或2所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述雪崩光电探测器还包括位于所述雪崩光电探测器两端的接触层，所述接触层用于接触电极，以给所述雪崩光电探测器施加工作电压，并且，位于吸收层一侧的接触电极用于施加高电压，位于渡越层一侧的接触层用于施加低电压。

9.如权利要求1所述的雪崩光电探测器，其特征在于，所述雪崩光电探测器还包括缓冲层(2)、至少一层过渡层，所述缓冲层(2)生长在N型衬底1上，所述吸收层(3)生在在所述缓冲层(2)上，所述至少一层过渡层生长在所述吸收层(3)和第一电荷层(41)之间。

10.一种雪崩光电探测器的高频特性提高方法，所述方法包括：

在材料外延结构中，依次生长吸收层、第一电荷层、倍增层；在所述倍增层上依次生长第二电荷层和渡越层，使得所述渡越层、第二电荷层与所述吸收层、第一电荷层分处倍增层的两侧；

其中，所述第一电荷层和第二电荷层用于调控器件内部电场分布；所述渡越层用于调节所述雪崩光电探测器中载流子的渡越时间和/或电容。

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