CN105140330B - 一种低功耗、零偏压单行载流子光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明涉及光通信及传感技术领域，特别涉及一种低功耗、无需偏压的单行载流子光探测器结构。
背景技术
光纤通信系统及微波光子应用的快速发展提高了对于光电探测器高速、大功率性能的需求。
为了应对这些需求，只利用高速电子作为载流子的单行载流子光电探测器被提出并在近年内得到了大量的关注，目前高速单行载流子光电探测器已经具有了同时处理高速、大功率光信号的能力。但是普通单行载流子光电探测器的正常工作需要高反向偏压的支持，而光电探测器在大功率的光注入及高反向偏压的工作环境下会产生大量的焦耳热，随之而来的是较高的热噪声及热失效概率。
目前解决单行载流子光电探测器发热问题的方案是将其键合至高热导率的衬底上，然而这种方法大大增加了光电探测器制备工艺的复杂度。在单片外延的基础上优化单行载流子光电探测器在大功率光注入下的性能，实现工作在低功耗、零偏压下的高性能单行载流子光电探测器是本发明的一个重要目标。
发明内容
本发明旨在解决光电探测器在处理大功率光信号时性能下降的技术问题，在InP基衬底上提供一种工作在低功耗的零偏压下具有较好的性能的新型单行载流子光电探测器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提出了一种低功耗、零偏压单行载流子光电探测器，其包括如下结构：半导体衬底，其由InP材料构成，并具有半绝缘特性；外延层，其由InAlAs、InGaAs、InGaAsP及InP材料构成；所述光电探测器以p型掺杂的InAlAs材料作为电子阻挡层；所述光电探测器入光面位于衬底一侧。
本发明中所述的单行载流子光电探测器的结构从下至上依次为：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InAlAs材料中In的组分是0.52，Al的组分是0.48，采用p型掺杂，杂质材料是Zn，掺杂浓度在1×1018原子/cm3到3×1019原子/cm3的范围内，1×1018原子/cm3和3×1019原子/cm3也包括在内。传统单行载流子光电探测器的电子阻挡层材料为InP，由于InAlAs材料相较于InP材料拥有更大的禁带宽度和较高的费米能级，因此可以提供更高的电子势垒和更低的空穴势垒，有利于光生载流子在光电探测器中的运动。
本发明中所述的单行载流子光电探测器的外延层的厚度在2μm到4μm的范围内，2μm和4μm也包括在内。外延层厚度主要取决于其InGaAs吸收层的厚度，较厚的外延层厚度会增加光电探测器的相应度，但会降低光电探测器的高速响应。光电探测器的厚度可以根据具体应用场合的要求进行优选。
本发明中所述的InP收集层为n型掺杂，杂质材料是Si，掺杂浓度在1×1016原子/cm3到5×1016原子/cm3的范围内，1×1016原子/cm3和5×1016原子/cm3也包括在内。少量的掺杂可以利用电荷补偿效应提高光电探测器的大功率性能。
本发明中所述的InGaAs材料中In的组分是0.53，Ga的组分是0.47。InGaAs吸收层底部采用p型掺杂，掺杂材料是Si，掺杂浓度范围在2×1017原子/cm3到5×1017原子/cm3的范围内，2×1017原子/cm3和5×1017原子/cm3也包括在内，顶部掺杂浓度范围在1×1018原子/cm3到5×1018原子/cm3的范围内，1×1018原子/cm3和5×1018原子/cm3也包括在内。其掺杂浓度自底向上线性增加，从而在吸收层引入一个准电场以加速光生载流子在吸收层中的迁移速度。
本发明中所述的InP半绝缘衬底经过减薄抛光处理，从而降低了光纤-光电探测器之间的耦合损耗，提高了光耦合效率。
本发明的有益效果是：通过对材料的优化与结构的调整，本发明提出的单行载流子光电探测器在零偏压下具有更好的响应度与响应带宽，同时减少了探测器的功耗。
附图说明
图1是本发明所述的光电探测器的外延层结构示意图。
图2是InGaAs、InAlAs、InP三种材料的禁带能量示意图。
图3是本发明所述的单行载流子光电探测器与普通单行载流子光电探测器在零偏压下的频率响应。
具体实施方式
图1是本发明实施例所述单行载流子光电探测器的结构示意图，如图1所示，所述单行载流子光电探测器包括：半绝缘的InP衬底11、n型重掺杂的InP次收集层12、n型轻掺杂的InP收集层13、p型轻掺杂的InGaAsP过渡层14、p型渐变掺杂的InGaAs吸收层15、p型重掺杂的InAlAs电子阻挡层16和p型重掺杂的InGaAs接触层17。整个外延结构可以利用分子束外延(MBE)或金属有机元化学气相沉积(MOCVD)等技术在半绝缘的InP衬底上进行单片外延生长，之后利用光刻及湿法腐蚀或干法腐蚀技术刻蚀出具有一定面积的圆形或其他形状的光电探测器及其各台面。接下来结合光刻技术与磁控溅射技术在光电探测器台面上蒸镀接触电极。n型接触电极制作在InP次吸收层12的顶端台面上，p型接触电极制作在InGaAs接触层17的顶端台面上。
本发明所包括的InAlAs电子阻挡层16采用In0.52Al0.48As材料，如图2所示，相比较于InP材料，In0.52Al0.48As材料的导带能量高出0.261电子伏特，价带能量高出0.155电子伏特，这种特性增加了电子势垒并降低了空穴势垒，在光电探测器中为光生空穴提供了更加平滑的价带，使得该异质结更加适用于光电探测器的电子阻挡界面。
本发明所包括的InAlAs电子阻挡层16采用p型掺杂，杂质材料是Zn，掺杂浓度范围是1×1018原子/cm3到3×1019原子/cm3，本实施例中优选为1×1019原子/cm3。InGaAs吸收层15采用p型掺杂，掺杂材料是Si，底部的掺杂浓度范围在2×1017原子/cm3到5×1017原子/cm3的范围内，本实施例中优选为5×1017原子/cm3，顶部掺杂浓度范围在1×1018原子/cm3到5×1018原子/cm3的范围内，本实施例中优选为5×1018原子/cm3。其掺杂浓度自底向上线性增加，从而在吸收层中形成一个准电场。由于本发明所述的单行载流子光电探测器工作于零偏压的状态下，因此在吸收层内的准电场将对光生载流子的迁移起到极大的促进作用，从而提高该光电探测器的响应度及3dB带宽。
本实施例中InGaAs吸收层15的厚度优选为850nm，目的是获得较高的响应度。本发明中各外延层的厚度及掺杂浓度均可根据具体应用需求进行变更与设计，如较小的吸收层厚度有利于提高光电探测器的高速响应并减小空间电荷效应从而应用于高速、超高速光纤通信领域等，而较大的吸收层厚度则可以增加光电探测器的量子效率从而应用于小信号探测等传感领域。以上对于结构的改动及应用均包含在本发明范围内。
本发明所包括的InP收集层13采用n型轻掺杂，杂质材料是Si，其掺杂浓度在1×1016原子/cm3到5×1016原子/cm3的范围内，本实施例中优选为2×1016原子/cm3，利用电荷补偿原理提高所述光电探测器对大功率注入光的响应效率。
图3给出了具备完全相同的外延层结构及掺杂浓度的InAlAs/InGaAs单行载流子光电探测器和InP/InGaAs单行载流子光电探测器的频率响应仿真对比图，仿真中两探测器均工作于零偏压状态，且入射光功率相同。从图中可以看出本发明所述光电探测器在零偏压下的3dB带宽远好于传统InP/InGaAs单行载流子光电探测器。
应当理解上述的实例和实施例在此仅用于说明目的，对于本领域技术人员而言，进行各种更改或变化是显而易见的，这将包含在本申请的精神和范围内。
Claims (8)
1.一种低功耗、零偏压单行载流子光电探测器，其特征在于包括如下结构：半导体衬底，其由InP材料构成，并具有半绝缘特性；外延层，其由InAlAs、InGaAs、InGaAsP及InP材料构成；所述光电探测器以p型掺杂的InAlAs材料作为电子阻挡层；所述光电探测器入光面位于衬底一侧。
2.根据权利要求1所述的低功耗、零偏压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的结构从下至上依次为：InP半绝缘衬底、第一InGaAs腐蚀阻止层、InP次收集层、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。
3.根据权利要求2所述的低功耗、零偏压单行载流子光电探测器，其特征在于：所述InAlAs材料中In的组分是0.52，Al的组分是0.48。
4.根据权利要求2所述的低功耗、零偏压单行载流子光电探测器，其特征在于：所述InAlAs电子阻挡层为p型掺杂，杂质材料是Zn，掺杂浓度在1×1018原子/cm3到3×1019原子/cm3的范围内，1×1018原子/cm3和3×1019原子/cm3也包括在内。
5.根据权利要求2所述的低功耗、零偏压单行载流子光电探测器，其特征在于：所述InP收集层为n型掺杂，杂质材料是Si，掺杂浓度在1×1016原子/cm3到5×1016原子/cm3的范围内，1×1016原子/cm3和5×1016原子/cm3也包括在内。
6.根据权利要求2所述的低功耗、零偏压单行载流子光电探测器，其特征在于：所述InGaAs材料中In的组分是0.53，Ga的组分是0.47。
7.根据权利要求2所述的低功耗、零偏压单行载流子光电探测器，其特征在于：所述InGaAs吸收层采用p型掺杂，杂质材料是Si，底部的掺杂浓度范围在2×1017原子/cm3到5×1017原子/cm3的范围内，2×1017原子/cm3和5×1017原子/cm3也包括在内，顶部掺杂浓度范围在1×1018原子/cm3到5×1018原子/cm3的范围内，1×1018原子/cm3和5×1018原子/cm3也包括在内，其掺杂浓度自底向上线性增加。
8.根据权利要求2所述的低功耗、零偏压单行载流子光电探测器，其特征在于：所述InP半绝缘衬底经过减薄抛光处理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |