CN111403540B - 一种雪崩光电二极管 - Google Patents

一种雪崩光电二极管 Download PDF

Info

Publication number
CN111403540B
CN111403540B CN202010040041.9A CN202010040041A CN111403540B CN 111403540 B CN111403540 B CN 111403540B CN 202010040041 A CN202010040041 A CN 202010040041A CN 111403540 B CN111403540 B CN 111403540B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
intrinsic
avalanche photodiode
multiplication
inalas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN202010040041.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111403540A (zh
Inventor
赵彦立
田扬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN202010040041.9A priority Critical patent/CN111403540B/zh
Publication of CN111403540A publication Critical patent/CN111403540A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111403540B publication Critical patent/CN111403540B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0216—Coatings
    • H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/035281—Shape of the body

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种雪崩光电二极管，包括：从上到下依次分布的第一接触层、本征吸收层、本征分压层、电荷控制层、倍增层和第二接触层；通过在本征吸收层和电荷控制层之间加入本征分压层，通过采用本征分压层，基于电势和电场的之间的关系，在不影响吸收层和倍增层电场的电场相对分布的前提下，增加雪崩光电二极管的厚度，从而降低由于电子空穴对的空间电荷效应而导致的倍增层的电场下降量，提高了雪崩光电二极管的线性度，与此同时，本发明并没有减小耗尽吸收层的厚度，雪崩光电二极管的响应度较高，能够同时兼顾雪崩光电二极管线性度与响应度性能。

Description

一种雪崩光电二极管
技术领域
本发明属于光电通信技术领域，更具体地，涉及一种雪崩光电二极管。
背景技术
随着信息化时代的到来，通信容量越来越大，因而高速、高灵敏度的通信技术成为人们追求的目标。在此需求下，光通信获得了长足的发展。雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiodes，APDs)，由于具有内部增益，可以实现高速、高灵敏度的光探测，从而在光通信系统中获得广泛的应用。之前APDs都是用来进行高灵敏度的光探测，对于线性度的要求不高。APD线性度用来描述在相同电压下APDs器件的光电流与输入光功率的关系。随着10Gbit/s及以上速率的以太网的发展与更高级调制格式的使用，对于光探测器的线性度有了更高的要求。线性度差的器件在高级调制格式的使用中会在光功率较大的时候产生很大的误码率，影响信号的传输质量。相较于传统的PIN-PDs和UTC-PDs，APDs的线性度很差，因此，研究一种线性度较高的雪崩光电二极管具有重要的意义。
目前，现有的提升雪崩光电二极管线性度的方法主要包括：基于混合吸收层的方法和双载流子注入法；其中，在基于混合吸收层的方法中，其吸收层一层是P型掺杂吸收层，另一层为本征掺杂吸收层，两个吸收层连接在一起。这样可以减小耗尽吸收层的厚度，降低载流子积累的浓度，减小空间电荷效应的影响，提高线性度，但是，由于雪崩光电二极管的响应度与耗尽吸收层的厚度相关，厚度越厚，雪崩光电二极管响应度越高。混合吸收层包含P型掺杂的吸收层和本征掺杂的吸收层；工作状态下，雪崩光电二极管的本征掺杂吸收层耗尽，而P型掺杂的吸收层不耗尽，在相同厚度下，耗尽的吸收层的响应度比不耗尽的吸收层响应度大，会造成雪崩光电二极管的响应度降低。另外，对于双载流子注入法，电子与空穴都在倍增层均发生倍增，对应的雪崩光电二极管的倍增层的两侧各有一个吸收层，分别为本征掺杂吸收层和P型掺杂吸收层，本质上也是减小了耗尽吸收层的厚度，同样可以降低载流子积累的浓度，减小空间电荷效应的影响，提高线性度，但是也同样会导致雪崩光电二极管的响应度下降，并且由于双载流子倍增会增加载流子碰撞离化的随机起伏，还会引入过高的噪声。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种雪崩光电二极管，其目的在于解决现有技术由于通过减小耗尽吸收层的厚度来减小空间电荷效应的影响而导致的无法兼顾雪崩光电二极管线性度与响应度性能的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种雪崩光电二极管，在现有雪崩光电二极管结构的基础上加入了本征分压层，包括：从上到下依次分布的第一接触层、本征吸收层、本征分压层、电荷控制层、倍增层和第二接触层；
第一接触层和第二接触层用于与金属进行欧姆接触形成电极；
本征吸收层用于吸收入射光，形成电子空穴对；
电荷控制层用于控制本征吸收层与倍增层的电场分布；
倍增层用于使电子空穴对中的电子或空穴发生碰撞离化，产生电流增益；
本征分压层用于基于电势和电场的之间的关系，在不影响吸收层和倍增层电场的电场相对分布的前提下，增加雪崩光电二极管的厚度，从而降低由于载流子积累产生的空间电荷效应而导致的倍增层的电场下降量，提高雪崩光电二极管的线性度。
进一步优选地，雪崩光电二极管在工作状态下，本征分压层的电场强度高于本征吸收层的电场强度、低于倍增层的电场强度，其中电子或空穴不会发生碰撞离化。
进一步优选地，通过调整本征分压层的厚度，控制雪崩光电二极管的线性度。
进一步优选地，上述本征分压层与电荷控制层的材料一致，使二者能带连续。
进一步优选地，上述本征分压层与倍增层的材料一致，便于本征分压层材料的生长。
进一步优选地，在上述本征吸收层与上述本征分压层之间还包括渐变层，用于减缓上述本征吸收层与上述本征分压层之间的能带不连续。
进一步优选地，上述雪崩光电二极管为三五族雪崩光电二极管。
进一步优选地，在三五族雪崩光电二极管中，上述第一接触层为P型掺杂InAlAs接触层，上述本征吸收层为本征InGaAs吸收层，上述渐变层为P型掺杂InAlGaAs渐变层，上述本征分压层为本征InAlAs分压层，上述电荷控制层为P型掺杂InAlAs电荷控制层，上述倍增层为InAlAs倍增层，上述第二接触层为N型掺杂InAlAs接触层。
进一步优选地，上述本征InAlAs分压层的厚度为100nm-1000nm。
进一步优选地，上述雪崩光电二极管为硅锗雪崩光电二极管；在硅锗雪崩光电二极管中，上述第一接触层为P型掺杂Si接触层，上述本征吸收层为本征掺杂Ge吸收层，上述本征分压层为本征掺杂Si分压层，上述电荷控制层为P型掺杂Si电荷控制层，上述倍增层为本征掺杂Si倍增层，上述第二接触层为N型掺杂Si接触层。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供了一种雪崩光电二极管，通过在本征吸收层和电荷控制层之间加入本征分压层，通过采用本征分压层，基于电势和电场的之间的关系，在不影响吸收层和倍增层电场的电场相对分布的前提下，增加雪崩光电二极管的厚度，从而降低由于电子空穴对的空间电荷效应而导致的倍增层的电场下降量，提高雪崩光电二极管的线性度，与此同时，本发明并没有减小耗尽吸收层的厚度，雪崩光电二极管的响应度较高，能够同时兼顾雪崩光电二极管线性度与响应度性能。
2、本发明提供了一种雪崩光电二极管，当雪崩光电二极管处于工作状态时，本征分压层的电场强度高于本征吸收层的电场强度，低于倍增层的电场强度，不会发生碰撞离化，空间电荷效应产生的电势会被分压层分担一部分，降落在倍增层的比例相应的会比没有本征分压层的雪崩光电二极管的少，倍增层的电场的下降量就会减少，雪崩光电二极管的增益下降就没有那么快，提高了雪崩光电二极管的线性度，且不会引入噪声。
3、本发明提供了一种雪崩光电二极管，通过加入本征分压层，增加了提升雪崩光电二极管的厚度，增加了载流子渡越时间，但是同时可以减小雪崩光电二极管的电容，使得雪崩光电二极管的RC时间长度降低，且在一定的厚度范围内不会对雪崩光电二极管的带宽产生显著的影响，在高速探测领域有现实的应用价值。
4、本发明提供了一种雪崩光电二极管，相较于传统APD结构，只是增加了一层分压层，材料生长和工艺制作不会因此变得复杂，具有很强的可实现性。
5、本发明提供了一种雪崩光电二极管，能够提升雪崩光电二极管的线性度，在高级调制格式的光通信领域有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明所提供的雪崩光电二极管结构示意图；
图2是本发明实施例1所提供的一种三五族雪崩光电二极管器件结构示意图；
图3是本发明实施例1所提供的三五族雪崩光电二极管各层的电场分布图；
图4是本发明实施例1所提供的有分压层的雪崩光电二极管与现有无分压层的雪崩光电二极管的线性度对比图；
图5是本发明实施例1所提供的一种硅锗雪崩光电二极管器件结构示意图。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为实现上述目的，本发明提供了一种雪崩光电二极管，如图1所示，包括：从上到下依次分布的第一接触层、本征吸收层、本征分压层、电荷控制层、倍增层和第二接触层；
第一接触层和第二接触层用于与金属进行欧姆接触形成电极；
本征吸收层用于吸收入射光，形成电子空穴对；
电荷控制层用于控制本征吸收层与倍增层的电场分布；
倍增层用于使电子空穴对中的电子或空穴发生碰撞离化，产生电流增益；
本征分压层用于基于电势和电场的之间的关系，在不影响吸收层和倍增层电场的电场相对分布的前提下，增加雪崩光电二极管的厚度，从而降低由于载流子积累产生的空间电荷效应而导致的倍增层的电场下降量，提高雪崩光电二极管的线性度；进一步地，本征分压层的厚度越厚，对于空间电荷效应产生的电势分担越多，这样空间电荷效应产生的电势落在倍增层的比例会更小，倍增层电场的减小量会更少，雪崩光电二极管的线性度会更好。通过调整本征分压层的厚度可以相应的控制雪崩光电二极管的线性度。具体的，根据泊松方程，在一维模型下，电场E与电势V的关系为E＝-V/L，其中，L是雪崩光电二极管的厚度。可以看到在相同的电势下，厚度越厚，电场强度越低。增加本征分压层后，增加了雪崩光电二极管的厚度，使得由空间电荷效应产生的电场在倍增层降低，这样雪崩光电二极管的整体电场下降量就会减少，雪崩光电二极管的增益下降就会减少，雪崩光电二极管的线性度就会得到提升。由于雪崩光电二极管的电场需要严格的控制，其他层的厚度增加会导致雪崩光电二极管的电场分布发生很大的变化，而增加一层本征分压层可以在保证雪崩光电二极管各层相对电场分布不变的情况下实现分压。优选地，雪崩光电二极管在工作状态下，本征分压层的电场强度高于本征吸收层的电场强度、低于倍增层的电场强度，其中电子或空穴不会发生碰撞离化，降低了由于空间电荷效应而导致的倍增层的电场下降量，缓解了雪崩光电二极管的增益下降，从而提高雪崩光电二极管的线性度。优选地，上述本征分压层与电荷控制层的材料一致，使二者能带连续。优选地，上述本征分压层与倍增层的材料一致，便于本征分压层材料的生长。
优选地，在本征吸收层与本征分压层之间还包括渐变层，用于减缓本征吸收层与本征分压层之间的能带不连续。优选地，上述雪崩光电二极管为三五族雪崩光电二极管，此时，上述第一接触层为P型掺杂InAlAs接触层，上述本征吸收层为本征InGaAs吸收层，上述渐变层为P型掺杂InAlGaAs渐变层，上述本征分压层为本征InAlAs分压层上述电荷控制层为P型掺杂InAlAs电荷控制层，上述倍增层为InAlAs倍增层，上述第二接触层为N型掺杂InAlAs接触层。
为了更清楚的说明本发明所提出的雪崩光电二极管，下面结合实施例进行详述：
实施例1、
以三五族雪崩光电二极管为例进行说明，如图2所示，包括：从上到下依次分布的P型掺杂InAlAs接触层、本征InGaAs吸收层、P型掺杂InAlGaAs渐变层、本征InAlAs分压层、P型掺杂InAlAs电荷控制层、InAlAs倍增层和N型掺杂InAlAs接触层；
其中，P型掺杂InAlAs接触层用于与P型电极连接。本征InGaAs吸收层用于吸收入射光，形成电子空穴对；本实施例中，上述入射光近红外波段。P型掺杂InAlGaAs渐变层用于减缓本征InGaAs吸收层与本征InAlAs分压层之间的能带不连续。本征InAlAs分压层用于基于电势和电场的之间的关系，在不影响吸收层和倍增层电场的电场相对分布的前提下，增加雪崩光电二极管的厚度，从而降低由于载流子积累产生的空间电荷效应而导致的倍增层的电场下降量，提高雪崩光电二极管的线性度；本实施例中，本征分压层与电荷控制层的材料一致，均为InAlAs材料，使二者能带连续，能带连续可以使载流子更容易的流向下一层，不会造成载流子的积累，同时加快了载流子的速度，可以提升雪崩光电二极管的高速特性。且本征分压层与倍增层的材料一致，也均为InAlAs材料，便于本征分压层的材料的生长。P型掺杂InAlAs电荷控制层用于控制吸收层与倍增层的电场分布。InAlAs倍增层用于进行电子或空穴的碰撞离化，产生电流增益。N型掺杂InAlAs接触层用于与N型电极连接。
具体的，雪崩光电二极管工作在反向偏压下，N型电极接高电势，P型电极接低电势。雪崩光电二极管在工作状态下，本征InGaAs吸收层完全耗尽，电场较低，吸收入射光产生电子空穴对，由于三五族雪崩光电二极管是电子倍增型器件，光生电子运动到高电场的InAlAs倍增层产生倍增，在倍增区由于碰撞离化产生的空穴会运动到本征InGaAs吸收层。由于本征InGaAs吸收层中的空穴饱和漂移速率小于InAlAs，在本征InGaAs吸收层的空穴积累越来越多，积累的空穴所产生的电场方向与InAlAs倍增层的电场方向相反，使得倍增层的电场降低，雪崩光电二极管的增益下降；在光功率较小的情况下，空穴积累的浓度较小，但是随着光功率的加大，雪崩光电二极管的电流增加，积累的空穴增多，空穴浓度较高，其产生的电场会与P型掺杂电荷控制层受主离子抵消掉，使得倍增层的电场降低，雪崩光电二极管的增益也就随之降低，雪崩光电二极管增益也就随之下降，空间电荷效应愈发明显，从而出现非线性现象。通过引入本征InAlAs分压层，本征InAlAs分压层的电场高于吸收层，同时低于倍增层，不会发生碰撞离化，空间电荷效应产生的电势会被分压层分担一部分，降落在InAlAs倍增层的比例相应的会比没有本征InAlAs分压层的雪崩光电二极管少，InAlAs倍增层的电场的下降量就会减少，雪崩光电二极管的增益下降就没有那么大，所以雪崩光电二极管的线性度会得到提升。
本实施例中，为了在不影响吸收层和倍增层的电场相对分布的前提下，增加雪崩光电二极管的厚度，并调整雪崩光电二极管各层的厚度，其中，P型掺杂InAlAs接触层、本征InGaAs吸收层、P型掺杂InAlGaAs渐变层、本征InAlAs分压层、P型掺杂InAlAs电荷控制层、InAlAs倍增层和N型掺杂InAlAs接触层的厚度分别为200nm、1.5μm、50nm、200nm、50nm、200nm和200nm。第一接触层中P型掺杂InAlAs的掺杂浓度为5e18cm-3，渐变层中P型掺杂InAlGaAs的掺杂浓度为9e16cm-3，电荷控制层中P型掺杂InAlAs的掺杂浓度为9e17cm-3，第二接触层中N型掺杂InAlAs的掺杂浓度为5e18cm-3。具体的，接触层在雪崩光电二极管工作时不会耗尽，所以其厚度对雪崩光电二极管内各层的电场分布没有影响，为了方便生长材料，其厚度一般设置为200nm。对于本征吸收层，本征吸收层越厚对光的吸收效率越高，但是随着其厚度的增加，雪崩光电二极管的速率也会相应下降，对于本征InGaAs吸收层来说，1.5μm可以保证可以将入射光基本吸收，同时兼顾崩光电二极管的高速特性。P型掺杂InAlGaAs渐变层主要是减缓雪崩光电二极管内本征InGaAs吸收层与本征InAlAs分压层之间的能带不连续，为了是能够使雪崩光电二极管高速工作，其厚度越薄越好，在现有的材料生长技术下，一般选择50nm。对于本征InAlAs分压层，其厚度越厚，雪崩光电二极管的线性度越大，但是厚度太厚会使得雪崩光电二极管的高速性能受到影响，为了在提升线性度的同时保证雪崩光电二极管的高速工作，所以选择200nm的厚度。电荷控制层主要是控制雪崩光电二极管内部各层的电场分配，在高掺杂浓度的时候，50nm厚度的电荷控制层就可以实现对雪崩光电二极管内部电场的控制。对于倍增层，其厚度越厚，雪崩光电二极管的增益越大，但是，同样的，厚度太厚会使得雪崩光电二极管的高速性能受到影响，故将其厚度设置为200nm，既可以获得高增益，又可以获得高速性能。通过对雪崩光电二极管各层参数进行调整，从而降低空间电荷效应而导致的倍增层的电场下降量，提高雪崩光电二极管的线性度。
进一步地，使用Silvoco商业软件计算得到上述三五族雪崩光电二极管各层的电场分布图，如图3所示，其中，横坐标为雪崩光电二极管的厚度，纵坐标为电场强度；此时P、N极两端的电压为25.6V，在反偏状态下，可以看到雪崩光电二极管中各层的电场分布情况，其中，本征InGaAs吸收层的电场较低，满足载流子饱和漂移速率的同时不会高到产生遂穿暗电流，本征InAlAs分压层的电场高于本征InGaAs吸收层的电场低于InAlAs倍增层的电场，不会发生碰撞离化；倍增层的电场最高。通常使用抑制比来描述雪崩光电二极管的线性度，具体的，抑制比＝10log(Ireal/Iideal),其中，Ireal为实际的光电流，Iideal为理想的没有非线性现象时的电流，使用1dB点的光功率来说明雪崩光电二极管的线性度，在1dB抑制比点光功率越大雪崩光电二极管的线性度越好。进一步地，如图4所示为本发明所提出的有分压层的雪崩光电二极管与现有无分压层的雪崩光电二极管的线性度对比图，其中，横坐标为光功率，纵坐标为抑制比；从图中可以看出，本发明所提出的雪崩光电二极管的线性度明显高于现有的雪崩光电二极管线性度的器件结构的线性度，对于1dB抑制比点，本发明所提出的有分压层的雪崩光电二极管为-7.4dBm，现有无分压层的雪崩光电二极管为-8.4dBm，线性度较高,本发明所提出的有分压层的雪崩光电二极管的1dB抑制点的光功率相较于现有无分压层的雪崩光电二极管大了1dB，线性度更好。
进一步地，本发明所提出的三五族雪崩光电二极管，可以应用于光通信领域、红外成像、激光雷达以及量子通信，应用范围较广。
优选地，上述雪崩光电二极管为硅锗雪崩光电二极管，此时，上述第一接触层为P型掺杂Si接触层，上述本征吸收层为本征掺杂Ge吸收层，上述本征分压层为本征掺杂Si分压层，上述电荷控制层为P型掺杂Si电荷控制层，上述倍增层为本征掺杂Si倍增层，上述第二接触层为N型掺杂Si接触层。
下面结合实施例进行详述：
实施例2、
以硅锗雪崩光电二极管为例进行说明，如图5所示，包括：从上到下依次分布的P型掺杂Si接触层、本征掺杂Ge吸收层、本征掺杂Si分压层、P型掺杂Si电荷控制层、本征掺杂Si倍增层和N型掺杂Si接触层。相较于三五族雪崩光电二极管二极管，硅锗雪崩光电二极管没有渐变层，本征掺杂Si分压层置于本征掺杂Ge吸收层和P型掺杂Si电荷控制层之间。硅锗雪崩光电二极管各层的功能与三五族雪崩光电二极管二极管类似，这里不再进行赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种雪崩光电二极管，其特征在于，包括：从上到下依次分布的第一接触层、本征吸收层、本征分压层、电荷控制层、倍增层和第二接触层；所述本征分压层与所述电荷控制层和所述倍增层的材料一致；所述电荷控制层为P型掺杂的电荷控制层；
所述本征分压层用于基于电势和电场的之间的关系，在不影响吸收层和倍增层电场的电场相对分布的前提下，增加雪崩光电二极管的厚度，从而降低由于载流子积累产生的空间电荷效应而导致的倍增层的电场下降量，提高雪崩光电二极管的线性度；
所述雪崩光电二极管在工作状态下，所述本征分压层的电场强度高于所述本征吸收层的电场强度、且低于所述倍增层的电场强度。
2.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，通过调整所述本征分压层的厚度，控制雪崩光电二极管的线性度。
3.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，在所述本征吸收层与所述本征分压层之间还包括渐变层，用于减缓所述本征吸收层与所述本征分压层之间的能带不连续。
4.根据权利要求3所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述雪崩光电二极管为三五族雪崩光电二极管。
5.根据权利要求4所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述第一接触层为P型掺杂InAlAs接触层，所述本征吸收层为本征InGaAs吸收层，所述渐变层为P型掺杂InAlGaAs渐变层，所述本征分压层为本征InAlAs分压层，所述电荷控制层为P型掺杂InAlAs电荷控制层，所述倍增层为InAlAs倍增层，所述第二接触层为N型掺杂InAlAs接触层。
6.根据权利要求5所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述本征InAlAs分压层的厚度为100nm-1000nm。
7.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述雪崩光电二极管为硅锗雪崩光电二极管；在所述硅锗雪崩光电二极管中，所述第一接触层为P型掺杂Si接触层，所述本征吸收层为本征掺杂Ge吸收层，所述本征分压层为本征掺杂Si分压层，所述电荷控制层为P型掺杂Si电荷控制层，所述倍增层为本征掺杂Si倍增层，所述第二接触层为N型掺杂Si接触层。
CN202010040041.9A 2020-01-15 2020-01-15 一种雪崩光电二极管 Expired - Fee Related CN111403540B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010040041.9A CN111403540B (zh) 2020-01-15 2020-01-15 一种雪崩光电二极管

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010040041.9A CN111403540B (zh) 2020-01-15 2020-01-15 一种雪崩光电二极管

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111403540A CN111403540A (zh) 2020-07-10
CN111403540B true CN111403540B (zh) 2022-02-15

Family

ID=71428436

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010040041.9A Expired - Fee Related CN111403540B (zh) 2020-01-15 2020-01-15 一种雪崩光电二极管

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111403540B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1914741A (zh) * 2004-02-03 2007-02-14 Ntt电子股份有限公司 雪崩光敏二极管
CN102257640A (zh) * 2008-12-17 2011-11-23 Ntt电子股份有限公司 雪崩光电二极管
CN107768462A (zh) * 2017-11-02 2018-03-06 天津大学 两级台面铟镓砷/铟磷雪崩光电二极管及其制备方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4755854B2 (ja) * 2005-06-02 2011-08-24 富士通株式会社 半導体受光装置及びその製造方法
EP2200096B1 (en) * 2008-12-18 2019-09-18 Alcatel Lucent Avalanche photodiode

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1914741A (zh) * 2004-02-03 2007-02-14 Ntt电子股份有限公司 雪崩光敏二极管
CN102257640A (zh) * 2008-12-17 2011-11-23 Ntt电子股份有限公司 雪崩光电二极管
CN107768462A (zh) * 2017-11-02 2018-03-06 天津大学 两级台面铟镓砷/铟磷雪崩光电二极管及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"光通信用雪崩光电二极管( APD) 频率响应特性研究";莫秋燕 等;《物理学报 》;20111231;第60卷(第7期);第072902-1至072902-10页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111403540A (zh) 2020-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7202102B2 (en) Doped absorption for enhanced responsivity for high speed photodiodes
EP0800219B1 (en) Heterojunction pin photodiode
CN103022218B (zh) 一种InAs雪崩光电二极管及其制造方法
CN110797424A (zh) 一种具有暗电流抑制结构的锑化物超晶格甚长波红外探测器
JP4093304B2 (ja) アバランシ・フォトダイオード
CN111952384A (zh) 光电探测器及其制备方法
US9276158B2 (en) Photodiode
Li et al. InGaAs/InAlAs SAGCMCT avalanche photodiode with high linearity and wide dynamic range
CN114361285A (zh) 1.55微米波段雪崩光电探测器及其制备方法
CN116705892B (zh) 一种雪崩二极管
CN219106174U (zh) 一种apd光电探测器
US20230055105A1 (en) Waveguide photodetector
CN111403540B (zh) 一种雪崩光电二极管
CN112563351A (zh) 一种大功率InGaAs/InP单行载流子光电探测器的设计方法
CN205542845U (zh) 低噪声雪崩光电探测器
JP2002231992A (ja) 半導体受光素子
JP2006229156A (ja) フォトダイオード
EP1470574A2 (en) Enhanced photodetector
CN115295646A (zh) 一种高性能光探测器芯片外延片
US20030111675A1 (en) Doped absorption for enhanced responsivity for high speed photodiodes
JP5251131B2 (ja) 半導体受光素子
CN113284972B (zh) 一种量子阱雪崩光电二极管
CN116247118B (zh) 一种双载流子倍增的雪崩光电探测器
Nada et al. High-speed avalanche photodiodes based on III-V compounds for optical communications
Li et al. High-speed and low dark current InGaAs/InAlAs Avalanche Photodiodes with gradually-doped p-type absorption layers

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20220215