CN112086527A - 一种补偿反射镜集成的全反射式单行载流子光电二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种补偿反射镜集成的全反射式单行载流子光电二极管，所述器件通过引入全反射镜和补偿反射镜结构，使得入射光信号斜入射在二极管表面的部分反射信号光在引入的新反射镜表面能够重新反射回二极管本体内，增大效率，且入射光信号斜入射部分在二极管表面斜入射进而增加光在吸收层的传播长度，在保持器件的高速、高饱和输出的前提下进一步提升量子效率。此外，所述器件在收集层和接触层中间插入P型掺杂薄层进行电场优化，使器件可以在更高的工作电压下进行正常工作，高的工作电压可以应对高光强造成的空间电荷效应，对其进行补偿，使得器件在更高的光强下依然保有高的响应速度。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电器件技术领域，具体的讲，涉及一种单行载流子光电二极管。
背景技术
普通光电二极管(pin-PD)在工作时，由于光生载流子产生的电场屏蔽即空间电荷效应，其在高电流密度工作时还要保持较高的响应速度是困难的。为减少或消除空间电荷效应对工作时的影响，提高输出功率，可以采用优化外部结构来减少光生载流子的漂移距离和提高载流子漂移速度来降低工作器件的空间电荷密度这两种方法来实现。
基于上述两点，1997年，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(uni-traveling-carrier photodiode,UTC-PD)。
传统的单行载流子光电二极管的带宽和量子效率之间会相互制约，在不降低高速、高饱和的输出特性下，单行载流子光电二极管的量子效率也没办法得到提高。
同时单行载流子光电二极管工作时需要施加反向偏置电压来获得更大输出，由于光输出电流的增加，使得输出到负载的交流信号会产生电压摆幅叠加的偏置上，从而造成器件性能的下降。
发明内容
为了进一步提升器件性能，减弱空间电荷的影响，提高器件的量子效率和响应度，本发明提供一种补偿反射镜集成的全反射式单行载流子光电二极管，包括有源区衬底，和设置在所述有源区衬底上的二极管本体，其特征在于：在所述有源区衬底上设有全反射镜和补偿反射镜结构，所述全反射镜设置在毗邻所述二极管本体的一侧上，该全反射镜通过在所述有源区衬底上表面刻蚀形成的第一V型凹槽，并让第一V型凹槽相对所述二极管本体的一面作为全反射镜的工作面，光线从入射面进入有源区衬底后经过该工作面全反射，且全反射的光线入射到所述二极管本体内；所述补偿反射镜是设置毗邻所述二极管本体的另一侧上，该补偿反射镜通过在所述有源区衬底侧面刻蚀形成的第二V型凹槽，并让第二V型凹槽相对所述二极管本体的一面作为补偿反射镜的工作面，从二极管本体反射出来的部分光线经过该补偿反射镜的工作面后重新反射回所述二极管本体上。
所述一种补偿反射镜集成的全反射式单行载流子光电二极管还包括依次相连的P金属接触层、扩散阻挡层、吸收层、收集层、N金属接触层以及P型掺杂薄层，所述P型掺杂薄层设置在收集层和N金属接触层中间，通过P型掺杂薄层对收集层的电场分布进行优化，充分利用电子运输中的速度过冲现象，使得载流子速度在相关尺寸内超过其经典值，实现快速渡越。
优选地，所述吸收层是采用P型单层渐变高掺杂吸收层。
优选地，所述P型掺杂薄层用于提高反向偏置工作电压，工作电压不超过8V。
优选地，进入所述吸收层的入射光强不超过2×105W/cm2。
优选地，所述有源区衬底的材料是InP。
优选地，优选地，所述全反射镜的工作面与衬底表面之间的夹角为54.7°，以实现入射信号光满足全反射条件。
优选地，所述补偿反射镜的表面与衬底右侧边界之间的夹角为19.4°，使信号光再次反射回二极管本体中。
优选地，第一V型凹槽和第二V型凹槽都是采用HBr湿化学刻蚀技术形成的晶体表面。
与现有技术相比，本发明的益处有：
本发明所述的一种补偿反射镜集成的全反射式单行载流子光电二极管通过设置全反射镜和补偿反射镜可以提高器件的量子效率，这是由于入射光信号经全反射后在吸收层异质界面处产生折射，此时斜入射光照方式和普通的光照式相比，在吸收层的传播长度要增加1.8倍左右，且再次利用到在吸收异质界面处的反射信号光，进而量子效率也会得到提高。此外，在收集层和接触层中间插入P型掺杂薄层进行电场优化，使器件可以在更高的工作电压下进行正常工作，高的工作电压可以应对高光强造成的空间电荷效应，对其进行补偿，使得器件在更高的光强下依然保有高的响应速度。
附图说明
图1为补偿反射镜集成的全反射式单行载流子光电二极管结构示意图；
图2为单行载流子光电二极管的能带结构示意图；
其中，1：P金属接触层，2：扩散阻挡层，3：吸收层，4：收集层，5：N金属接触层，6：P型掺杂薄层，7：全反射镜，8：二极管本体，9：入射信号光，10：有源区衬底，11：补偿反射镜。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
如图1所示本发明提供一种补偿反射镜集成的全反射式单行载流子光电二极管，包括有源区衬底，和设置在所述有源区衬底上的二极管本体，其特征在于：在所述有源区衬底上设有全反射镜和补偿反射镜结构，所述全反射镜设置在毗邻所述二极管本体的一侧上，该全反射镜7通过在所述有源区衬底10上表面刻蚀形成的第一V型凹槽，并让第一V型凹槽相对所述二极管本体的一面作为全反射镜7的工作面，入射信号光9从入射面进入有源区衬底10后经过该工作面全反射7，且全反射7的光线入射到二极管本体8内；补偿反射镜11是设置毗邻二极管本体8的另一侧上，该补偿反射镜11通过在有源区衬底10侧面刻蚀形成的第二V型凹槽，并让第二V型凹槽相对所述二极管本体8的一面作为补偿反射镜11的工作面，从二极管本体8反射出来的部分光线经过该补偿反射镜的工作面后重新反射回二极管本体8上。
全反射镜7的工作面与有源区衬底10表面之间的夹角为54.7°，以实现入射信号光满足全反射条件。
补偿反射镜11的工作面与有源区衬底右侧边界之间的夹角为19.4°，使信号光9再次反射回二极管本体8中。
所述补偿反射镜集成的全反射式单行载流子光电二极管还包括依次相连的P金属接触层1、扩散阻挡层2、吸收层3、收集层4、N金属接触层5、P型掺杂薄层6，如图2所示在所述收集层4和N金属接触层5中间插入P型掺杂薄层6，对收集层4进行近弹道优化设计，充分利用电子运输中的速度过冲现象，使得载流子速度在相关尺寸内超过其经典值，实现快速渡越。此外，P型掺杂薄层还用于提高反向偏置工作电压，可以让二极管本体在更高的工作电压下进行工作，工作电压不超过8V。
吸收层3所采用的是单层的渐变高掺杂吸收层，利用渐变掺杂吸收层代替传统的高掺杂设计，可以提高电子在吸收层的迁移速度，减少吸收层的渡越时间，提高带宽，其中进入吸收层3入射光强不超过2×105W/cm2。
其中，有源区衬底的材料是InP，设置的第一V型凹槽和第二V型凹槽都是采用HBr湿化学刻蚀技术形成的晶体表面。
需要说明的是，高的工作电压可以对高光强造成的空间电荷效应进行补偿，使得器件在更高的光强下依然维持高响应速度。
随着反向偏置电压的增大，由于吸收层3的自感应电场效应，器件带宽会出现轻微的上升，会加速电子运输，从而减少电子的渡越时间，进而增大3dB带宽，提升饱和性能。在本实施例中，收集层4和N金属接触层5中间插入P型掺杂薄层6来提高反向偏置工作电压时，工作电压不超过8V。
综上所述，本发明的一种补偿反射镜集成的全反射式单行载流子光电二极管，可在更高的工作电压下进行正常工作以及在更高的光强下依然保有高的响应速度，且具有较高的量子效率。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。
Claims (9)
1.一种补偿反射镜集成的全反射式单行载流子光电二极管，包括有源区衬底，和设置在所述有源区衬底上的二极管本体，其特征在于：在所述有源区衬底上设有全反射镜和补偿反射镜结构，所述全反射镜设置在毗邻所述二极管本体的一侧上，该全反射镜通过在所述有源区衬底上表面刻蚀形成的第一V型凹槽，并让第一V型凹槽相对所述二极管本体的一面作为全反射镜的工作面，光线从入射面进入有源区衬底后经过该工作面全反射，且全反射的光线入射到所述二极管本体内；所述补偿反射镜是设置毗邻所述二极管本体的另一侧上，该补偿反射镜通过在所述有源区衬底侧面刻蚀形成的第二V型凹槽，并让第二V型凹槽相对所述二极管本体的一面作为补偿反射镜的工作面，从二极管本体反射出来的光线经过该补偿反射镜的工作面后重新反射回所述二极管本体上。
2.根据权利要求1所述的一种补偿反射镜集成的全反射式单行载流子光电二极管，其特征在于：所述二极管本体包括依次相连的P金属接触层、扩散阻挡层、吸收层、收集层、N金属接触层以及P型掺杂薄层。
3.根据权利要求2所述的一种补偿反射镜集成的全反射式单行载流子光电二极管，其特征在于：所述P型掺杂薄层设置在所述收集层和所述N金属接触层中间。
4.根据权利要求2所述的一种补偿反射镜集成的全反射式单行载流子光电二极管，其特征在于：进入所述吸收层的入射光强不超过2×105W/cm2。
5.根据权利要求2所述的一种补偿反射镜集成的全反射式单行载流子光电二极管，其特征在于:所述吸收层是采用P型单层渐变高掺杂吸收层。
6.根据权利要求1所述的一种补偿反射镜集成的全反射式单行载流子光电二极管，其特征在于:设置的所述第一V型凹槽和第二V型凹槽都是采用溴化氢湿化学刻蚀技术形成的晶体表面。
7.根据权利要求1所述的一种补偿反射镜集成的全反射式单行载流子光电二极管，其特征在于：设置所述全反射镜的工作面与有源区衬底表面之间的夹角为54.7°。
8.根据权利要求1所述的一种补偿反射镜集成的全反射式单行载流子光电二极管，其特征在于：设置所述补偿反射镜的工作面与有源区衬底右侧边界之间的夹角为19.4°。
9.根据权利要求1所述的一种补偿反射镜集成的全反射式单行载流子光电二极管，其特征在于：所述有源区衬底的材料是InP。
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