CN111276555A - 基于InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器的结构优化方法 - Google Patents
基于InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器的结构优化方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器的结构优化方法，所述结构优化方法包括：根据雪崩探测器的实际结构和类型建立起相应仿真模型，并将所述雪崩探测器的实际性能与仿真模型的仿真实验结果进行拟合，之后依据拟合结果优化该雪崩探测器的倍增层掺杂浓度、电荷层掺杂浓度和电荷层厚度等，最终得到优化后的器件结构。本发明提供的方法能够通过模拟计算优化器件的外延结构，从而有效地控制雪崩光电二极管器件内部电场分布情况，进而实现对器件贯穿电压、击穿电压等特性的有效控制，从而提高器件性能并满足实际需求，具有广泛应用前景。
Description
技术领域
本发明特别涉及一种基于InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器的结构优化方法，属于半导体红外光电探测器领域技术领域。
背景技术
随着通信5G时代的到来，进一步地对光纤通讯相关行业设备、系统性能提出了更高要求。光纤通信技术是现代通信技术的基础，在光纤系统中，光接收机和光发射器是光纤通信系统中最重要的组成部分，激光器和探测器分别作为光发射器和接收机最核心部分。其中光探测器是光接收机中至关重要的一个器件。探测器性能的强弱决定着光纤系统的传输能力大小。
与传统的PIN结构探测器相比较，雪崩光电二极管(APD)内部载流子在高电场条件下产生雪崩效应，且具有较高的内部增益机制。探测器内部的载流子在偏置电压下产生的雪崩倍增效应可以极大提高光电信号检测的灵敏度，从而提高了器件的响应以及信噪比等。所以在光纤通讯中，通常把APD探测器作为光纤组件系统中接收光发射机发射信号的接收器。
目前用于光纤通信波段(1330nm，1550nm)的光电子器件大部分是利用InP半导体材料制造的。InP作为一种带隙较宽的半导体，由于它和带隙较窄的半导体InGaAs晶格匹配，所以目前成熟的商用APD都采用InP/InGaAs异质结结构。但是，因为InP和InGaAs的带隙相差较大(约为0.4eV)，在反向偏置电压下，吸收区产生的空穴漂移到InP/InGaAs异质结边缘时，由于禁带带阶差的影响，载流子达到倍增区的速度减弱，部分空穴被陷阱捕获，从而大大影响了APD器件的响应时间、响应带宽，增大了器件暗电流。而InAlAs的禁带宽度比InP更大，InAlAs/InGaAs APD有更好的增益-噪声特性，因此InAlAs/InGaAs SACGM结构的APD也成为当前研究的热点。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器的结构优化方法，在尽量节约生长材料与进行工艺时间的前提下，实现对器件的贯穿电压和击穿电压的调控，进而克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种基于InGaAs/InAlAs/InP的雪崩光电探测器的结构优化方法，其包括：
提供雪崩光电探测器，并建立用于描述所述雪崩光电探测器的模拟模型；
将基于所述雪崩光电探测器的测试结果与基于所述模拟模型的计算结果进行拟合；
将所述测试结果和计算结果进行拟合，并根据拟合结果至少调节所述雪崩光电探测器外延结构中的电荷层厚度及掺杂浓度、缓冲层厚度及掺杂浓度中的任意一种或多种，进而至少实现对所述雪崩光电探测器的贯穿电压和击穿电压的调节，最终获得优化后的雪崩光电探测器。
进一步的，所述的结构优化方法具体包括：采用仿真软件建立用于描述所述雪崩光电探测器的模拟模型，所述仿真软件包括半导体TCAD仿真软件。
进一步的，所述的结构优化方法具体包括：
先根据所述拟合结果调节所述雪崩光电探测器外延结构中的倍增层厚度、电荷层厚度和/或掺杂浓度，获得一次优化后的雪崩光电探测器；
之后，再根据所述拟合结果调节所述一次优化后的雪崩光电探测器的缓冲层厚度和/或掺杂浓度，获得二次优化后的雪崩光电探测器。
在一些较为具体的实施方案中，所述雪崩光电探测器的外延结构包括依次设置在InP衬底上的InP缓冲层、InAlAs缓冲层、InAlAs倍增层、InAlAs电荷层、InAlGaAs过渡层、InGaAs吸收层、nAlAs窗口层和InGaAs接触层。
在一些较为具体的实施方案中，所述InAlAs窗口层掺杂浓度为1×1018/cm3以上的重掺杂，InGaAs吸收层掺杂浓度为小于1×1015/cm3的本征掺杂、厚度为500nm-1μm，所述InAlGaAs过渡层掺杂浓度为小于1×1015/cm3的本征掺杂、厚度为50nm-100nm。
在一些较为具体的实施方案中，所述InP缓冲层的掺杂浓度为1×1018/cm3以上的重掺杂、厚度为500nm-800nm。
在一些较为具体的实施方案中，所述优化后的雪崩光电探测器中所采用的InGaAs和InAlAs材料中In组分均为和InP衬底的晶格系数相匹配并能够探测到相应光谱波段的组分系数。
在一些较为具体的实施方案中，所述的结构优化方法还包括：对优化后的雪崩光电探测器进行测试并获得优化的测试结果，再将所述优化的测试结果与所述计算结果进行拟合，以验证优化后的雪崩光电探测器的结构有效性。
进一步的，所述模拟模型包括载流子生成模型、迁移率模型、复合模型、碰撞离化模型或能带变窄模型。
进一步的，所述测试结果和计算结果均包括雪崩光电探测器的光电流特性和暗电流特性。
与现有技术相比，本发明对InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器的结构优化方法，能够从结构上对器件进行优化设计，并通过模拟计算结果调整器件的外延结构，针对器件的击穿电压与贯穿电压进行调控，从而提高器件性能并满足实际需求，具有广泛应用前景。
附图说明
图1为本发明一典型实施案例中一种InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器的结构示意图；
图2为本发明一典型实施案例中一种InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器光电流和暗电流的拟合图；
图3为本发明一典型实施案例中通过电荷层层面密度优化得到的结果的比较图；
图4为本发明一典型实施案例中通过缓冲层掺杂浓度优化得到的结果的比较图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明根据雪崩探测器的实际结构和类型在Silvaco仿真软件中建立起相同的仿真模型；将该雪崩探测器的实际性能与该仿真模型的仿真实验结果进行拟合；在优化该雪崩探测器的倍增层掺杂浓度、电荷层掺杂浓度和电荷层厚度的基础上，通过调节缓冲层的层面密度，对器件性能进行进一步的微调，最终得到优化后的结构。
本发明通过控制缓冲层的厚度以及电荷层的层面密度，有效地控制雪崩探测器(雪崩光电二极管器件)内部电场分布情况，进而达到控制器件贯穿电压、击穿电压等特性的目的。
在一些较为具体的实施方案中，一种基于InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器的结构优化方法，其可以包括：
Ⅰ、利用仿真软件对雪崩光电探测器(如下可简称为“器件”)的实际外延结构和器件工艺在仿真软件中进行结构和工艺模型建模；
Ⅱ、将实际器件的测试结果与仿真软件中的模拟计算结果相比较并进行拟合，以保证仿真结果的准确性；
Ⅲ、同时以调节控制器件的贯穿电压与击穿电压为目的，将器件外延结构中的倍增层厚度、电荷层厚度及电荷层掺杂浓度进行调节，得到一次优化之后的器件；
Ⅳ、在步骤Ⅲ的基础上，同样以调节控制器件的贯穿电压与击穿电压为目的，进一步对一次优化后的器件外延结构的缓冲层的厚度与掺杂浓度进行调节，得到二次优化之后的器件；
Ⅴ、将优化后的器件进行测试并与仿真软件中的模拟数据拟合，验证优化结构的有效性。
进一步的，所述步骤(Ⅰ)中所采用的仿真软件为Silvaco公司的TCAD半导体仿真软件。
进一步的，所述步骤(Ⅰ)中所采用的用于描述器件的物理模型(即前述模拟模型)包括载流子生成模型、迁移率模型、复合模型、碰撞离化模型或能带变窄模型。
进一步的，所述步骤(Ⅱ)中所采用的实际器件的测试结果与仿真软件中的模拟计算结果均为器件的光电流特性和暗电流特性。
进一步的，所述步骤(Ⅲ)中所采用的InAlAs窗口层的掺杂浓度为1×1018/cm3以上的重掺杂，InGaAs吸收层的掺杂浓度小于1×1015/cm3的本征掺杂，厚度为500nm-1μm，InAlGaAs过渡层的掺杂浓度为小于1×1015/cm3的本征掺杂，厚度为50nm-100nm；所述优化后的雪崩光电探测器中所采用的InGaAs和InAlAs材料中In组分均为和InP衬底的晶格系数相匹配并能够探测到相应光谱波段的组分系数，例如，InGaAs和材料中In组分含量为0.53；InAlAs材料中In组分含量为0.52。
以下结合附图及实施案例对本发明的技术方案作进一步的说明。
请参阅图1所示，在本发明一具体实施案例中，基于InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器的结构优化方法包括：
Ⅰ、提供如图1所示的雪崩光电探测器，InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器的外延结构从下到上依次为：InP衬底、掺杂浓度为2×1018/cm3的800nm InP缓冲层、InAlAs缓冲层、本征InAlAs倍增层、InAlAs电荷层，本征50nm InAlGaAs过渡层、本征1000nm InGaAs吸收层、掺杂浓度为1×1017/cm3的400nm InAlAs窗口层、掺杂浓度为3×1018/cm3的100nmInGaAs接触层；采用薄层i型InAlAs倍增层，用以降低载流子在探测器内部的渡越时间，提高工作速度，P型InAlAs电荷层、i型InAlGaAs过渡层，用以消除和过渡InAlAs和InGaAs之间的势垒，提高器件的响应速度；
Ⅱ、通过将实际器件的光电流暗电流测试结果与仿真软件中的计算结果相比较，用以验证软件中器件模型的正确性，保证仿真模型的可靠性，图2为实际器件的测试I-V特性曲线和仿真软件中的计算结果对比结果；
Ⅲ、经过仿真软件计算，不同层面密度的电荷层与不同掺杂浓度的缓冲层对器件贯穿电压与击穿电压的对应关系如图3、图4所示，通过参考不同结构特性对器件贯穿电压与击穿电压的影响，优选出需要的器件结构，从而达到器件实际所需的电压要求，进而达到结构优化、调控器件贯穿电压与击穿电压的目的。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于InGaAs/InAlAs/InP雪崩光电探测器的结构优化方法，其特征在于包括：
提供雪崩光电探测器，并建立用于描述所述雪崩光电探测器的模拟模型；
将基于所述雪崩光电探测器的测试结果与基于所述模拟模型的计算结果进行拟合；
将所述测试结果和计算结果进行拟合，并根据拟合结果至少调节所述雪崩光电探测器外延结构中的电荷层厚度及掺杂浓度、缓冲层厚度及掺杂浓度中的任意一种或多种，进而至少实现对所述雪崩光电探测器的贯穿电压和击穿电压的调节，最终获得优化后的雪崩光电探测器。
2.根据权利要求1所述的结构优化方法，其特征在于具体包括：采用仿真软件建立用于描述所述雪崩光电探测器的模拟模型，所述仿真软件包括半导体TCAD仿真软件。
3.根据权利要求1所述的结构优化方法，其特征在于具体包括：
先根据所述拟合结果调节所述雪崩光电探测器外延结构中的倍增层厚度、电荷层厚度和/或掺杂浓度，获得一次优化后的雪崩光电探测器；
之后，再根据所述拟合结果调节所述一次优化后的雪崩光电探测器的缓冲层厚度和/或掺杂浓度，获得二次优化后的雪崩光电探测器。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的结构优化方法，其特征在于：所述雪崩光电探测器的外延结构包括依次设置在InP衬底上的InP缓冲层、InAlAs缓冲层、InAlAs倍增层、InAlAs电荷层、InAlGaAs过渡层、InGaAs吸收层、InAlAs窗口层和InGaAs接触层。
5.根据权利要求4所述的结构优化方法，其特征在于：所述InAlAs窗口层的掺杂浓度为1×1018/cm3以上的重掺杂，所述InGaAs吸收层的掺杂浓度为小于1×1015/cm3的本征掺杂、厚度为500nm-1μm，所述InAlGaAs过渡层的掺杂浓度为小于1×1015/cm3的本征掺杂、厚度为50nm-100nm。
6.根据权利要求4所述的结构优化方法，其特征在于：所述InP缓冲层的掺杂浓度为1×1018/cm3以上的重掺杂、厚度为500nm-800nm。
7.根据权利要求4所述的结构优化方法，其特征在于：所述优化后的雪崩光电探测器中所采用的InGaAs和InAlAs材料中In组分含量均为与InP衬底的晶格系数相匹配并能够探测到相应光谱波段的组分系数。
8.根据权利要求1所述的结构优化方法，其特征在于还包括：对优化后的雪崩光电探测器进行测试并获得优化的测试结果，再将所述优化的测试结果与所述计算结果进行拟合，以验证优化后的雪崩光电探测器的结构有效性。
9.根据权利要求1所述的结构优化方法，其特征在于：所述模拟模型包括载流子生成模型、迁移率模型、复合模型、碰撞离化模型或能带变窄模型。
10.根据权利要求1所述的结构优化方法，其特征在于：所述测试结果和计算结果均包括雪崩光电探测器的光电流特性和暗电流特性。
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