CN112289875A - 一种双掺杂谐振腔单行载流子光电二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双掺杂谐振腔单行载流子光电二极管，所述器件在吸收层和收集层同时进行处理，在吸收层进行线性渐变掺杂从而吸收层的禁带宽度呈现线性变化或在吸收层掺杂材料组分实现阶跃式分布从而吸收层的禁带宽度呈现梯度变化，这都利于提高吸收层内建电场强度进而减少电子漂移时间，提高器件响应度。在收集层采用氧化工艺获得收集层部分氧化物绝缘层结构，由其低折射率特性，将降低所述器件的寄生电容，提升器件的响应速度。此外，在集成器件的外部上引入第一反射镜和第二反射镜形成谐振腔结构，从而增强入射信号光在高Q值谐振腔内场的振幅，进而使所述器件量子效率提高。
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
光电二极管(PD)是一种重要的O/E转换器件。在国民经济和军事领域中有着广泛的应用，是光纤通信、超宽带无线通信、导弹制导、红外成像及遥感等应用系统的核心器件。PD其中的两个重要指标是响应速率和量子效率。光电二极管在工作时，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。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减少或消除空间电荷效应对工作时的影响，提高输出功率。
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)。极大地提高了器件工作时的响应速度，降低了空间电荷效应的影响，提高了器件的饱和电流。UTC-PD之所以被称之为“单行”，是因为器件性能主要由电子输运所决定的，光吸收发生在P型掺杂的吸收层内，空穴为多数载流子，光激发产生的空穴通过多数载流子的集体运动很快弛豫到电极，只有电子是有效载流子进入漂移区，因此，仅有“高速”的电子为有效载流子带来了更大的带宽。
UTC-PD的带宽主要是由电子在吸收层的扩散时间决定，由于电子的扩散时间要比电子的漂移时间长，可根据这一特点，通过利用具有内建场的光吸收层来改善UTC-PD的速度性能。如果吸收层相对很薄，电子在集结层的渡越时间决定了器件的总延迟时间，可以优化外部结构来增强内建电场、减少电子的渡越时间来优化增强器件。
本发明将针对单行载流子光电二极管，提出一种在吸收层和收集层同时处理且引入谐振腔结构的单行载流子光电二极管器件，旨在进一步提升器件性能，提升器件的响应速度和提高器件的量子效率。
发明内容
基于以上所述现有技术，为实现上述目的及相关目的，本发明提供一种双掺杂谐振腔单行载流子光电二极管。
一种双掺杂谐振器单行载流子光电二极管，包括P型金属接触层、扩散阻挡层、吸收层、收集层、N型金属接触层，在所述P型金属接触层的上方设有第一反射镜，所述第一反射镜具有面向光线入射方向的透射面以及面向所述P型金属接触层的反射面，在所述N型金属接触层的下方设有第二反射镜，所述第二反射镜面向所述N型金属接触层的一面为反射面，所述第一反射镜和第二反射镜形成谐振腔，当光线从所述第一反射镜入射之后，依次进入所述P型金属接触层、扩散阻挡层、吸收层、收集层、N型金属接触层，并从所述第二反射镜反射回该双掺杂谐振腔单行载流子光电二极管的各个层。
优选地，所述单行载流子光电二极管还包括N电极和P电极。
优选地，所述吸收层是P型渐变掺杂的InGaAs材料或P型阶跃式掺杂的InGaAs材料，其方向从P型金属接触层到N型金属接触层渐变掺杂。掺杂材料中的Ga成分沿所述方向逐步增大或材料中的Ga成分沿所述方向呈阶跃式梯度增大变化，使得吸收层的禁带宽度呈现线性变化或是梯度变化，不论是线性变化还是梯度变化，禁带宽度都会越变越窄。
优选地，所述收集层结构是氧化工艺处理的部分氧化绝缘型收集层，分为氧化区和非氧化区。
进一步地，所述氧化区是由含Al成分的材料经氧化工艺制成，氧化区位于收集层的两端边缘区域且为插入氧化层型。
进一步地，所述收集层氧化部分的折射率小于2.5，氧化工艺为湿氮氧化法。
进一步地，所述第一反射镜的反射面的反射率为0.9，所述第二反射镜的反射率为0.99。
如上所述，本发明的一种双掺杂谐振腔单行载流子光电二极管，与现有技术相比，具有以下增益效果：
1.进行内建电场优化和降低单行载流子光电二极管的结电容，增大电子的漂移速度，使器件可具有高的响应速度。
2.由第一反射镜和第二反射镜组成的谐振腔结构，可以使入射的信号光在高Q值的谐振腔内振幅增强，充分利用信号光，可以获得较高的量子效率。
附图说明
图1是双掺杂谐振腔单行载流子光电二极管结构示意图。
图2是吸收层线性渐变掺杂型光电二极管能带结构示意图。
图3是吸收层阶跃式掺杂型光电二极管的能带结构示意图。
其中，1：P型金属接触层，2：扩散阻挡层，3：吸收层，4：收集层，5：N型金属接触层，6：氧化区，6’：非氧化区，7：P电极，8：N电极，9：第一反射镜，10：第二反射镜:。
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双掺杂谐振腔单行载流子光电二极管，包括P型金属接触层1、扩散阻挡层2、吸收层3、收集层4、N型金属接触层5、N电极以及P电极，在P型金属接触层1的上方设有第一反射镜9，第一反射镜9具有面向光线入射方向的透射面以及面向所述P型金属接触层1的反射面，在N型金属接触层5的下方设有第二反射镜10，第二反射镜10面向N型金属接触层5的一面为反射面，由第一反射镜9和第二反射镜10形成谐振腔，当光线从第一反射镜9入射之后，依次进入P型金属接触层1、扩散阻挡层2、吸收层3、收集层4、N型金属接触层5，并从第二反射镜10反射回该双掺杂谐振腔单行载流子光电二极管的各个层。
当入射光照射到吸收层3时被吸收，并产生电子空穴对，少数载流子-电子扩散或漂移到收集层4，当光生电子从吸收层3扩散或漂移注入到收集层4后，因速度过冲效应，电子高速略过该层。在收集层4电场(电子在异质界面导带势垒建立的内电场)的作用下因电子速度过冲效应高速向阴极方向漂移，形成电子电流，扩散阻挡层2阻止电子向阳极扩散，使得光生电子只向收集层4方向单向移动，形成单行载流子。
具体的，在对吸收层4进行掺杂处理时，可选用线性渐变掺杂，如图2所示，掺杂材料中的Ga成分沿从P型金属接触层1到N型金属接触层5方向逐步增大，禁带宽度呈线性变化。
具体的，在对吸收层4进行掺杂处理时，如图3所示，还可使掺杂材料中Ga成分从P型金属接触层1到N型金属接触层5方向实现阶跃式增大变化，禁带宽度呈阶跃式变化，不论Ga成分的增加是线性变化还是梯度变化，都使得禁带宽度都会越变越窄。
需要说明的是，以上两种通过对吸收层4结构进行掺杂处理，都可以增强吸收层4内建电场的强度，光生电子在较强的内建电场的作用下，漂移速度增加，电子漂移时间对应减少，可以提高器件的响应速度。
具体的，收集层4分为氧化区6和非氧化区6’，在对氧化区6进行处理时，氧化区6是由含Al成分的材料经氧化工艺制成，采用湿氮氧化工艺。
如图1所示，氧化区6位于收集层4的两端边缘区域。
需要说明的是，上述在收集层4的处理，所得到的折射率小于2.5的氧化区6和非氧化区6’共同组成的部分氧化收集层结构，能降低单行载流子光电二极管的寄生电容，减少RC时间常数，进而提高器件的响应速度。
其中，设置的第一反射镜9的反射面的反射率为0.9和第二反射镜10的反射率为0.99，形成谐振腔结构。
需要说明的是，谐振腔结构的引入，充分利用入射的信号光，信号光在腔内振幅增强，可提高器件的量子效率。
综上所述，本发明的一种双掺杂谐振腔单行载流子光电二极管，所述器件在吸收层3和收集层4同时进行掺杂处理，增强内建电场，降低单行载流子光电二极管的寄生电容，提高器件的响应速度，同时在外部引入谐振腔结构，使得入射信号光在腔内振幅增强，进一步提高了器件的量子效率。
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 (8)
1.一种双掺杂谐振腔单行载流子光电二极管，包括P型金属接触层、扩散阻挡层、吸收层、收集层、N型金属接触层，其特征在于：在所述P型金属接触层的上方设有第一反射镜，所述第一反射镜具有面向光线入射方向的透射面以及面向所述P型金属接触层的反射面，在所述N型金属接触层的下方设有第二反射镜，所述第二反射镜面向所述N型金属接触层的一面为反射面，所述第一反射镜和第二反射镜形成谐振腔，当光线从所述第一反射镜入射之后，依次进入所述P型金属接触层、扩散阻挡层、吸收层、收集层、N型金属接触层，并从所述第二反射镜反射回该双掺杂谐振腔单行载流子光电二极管的各个层。
2.根据权利要求1所述的一种双掺杂谐振腔单行载流子光电二极管，其特征在于：所述吸收层为P型线性掺杂薄层，其方向从P型金属接触层到N型金属接触层线性掺杂InGaAs材料，材料中的Ga成分沿所述方向增大，使得吸收层的禁带宽度越变越窄。
3.根据权利要求1所述的一种双掺杂谐振腔单行载流子光电二极管，其特征在于：所述吸收层还可以是P型阶跃式掺杂薄层，其方向从P型金属接触层到N型金属接触层阶跃式掺杂InGaAs材料，材料中的Ga成分沿所述方向增大，使得吸收层的禁带宽度越变越窄。
4.根据权利要求1所述的一种双掺杂谐振腔单行载流子光电二极管，其特征在于：还包括N电极和P电极。
5.根据权利要求1所述的一种双掺杂谐振腔单行载流子光电二极管，其特征在于：所述收集层结构由氧化区和非氧化区组成，所述氧化区位于收集层的两端边缘区域。
6.根据权利要求5所述的一种双掺杂谐振腔单行载流子光电二极管，其特征在于：所述氧化区是由含Al成分的材料经氧化工艺制成且为插入型氧化绝缘层型。
7.根据权利要求5所述的一种双掺杂谐振腔单行载流子光电二极管，其特征在于：所述收集层氧化区的折射率小于2.5，氧化工艺为湿氮氧化法。
8.根据权利要求1所述的一种双掺杂谐振腔单行载流子光电二极管，其特征在于，所述第一反射镜的反射面的反射率为0.9，所述第二反射镜的反射率为0.99。
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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 | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Hao Ran Inventor after: Zhen Zheng Inventor after: Wang Sanfei Inventor after: Tang Kaida Inventor after: Jiang Huaqing Inventor after: Shi Yan Inventor after: Jin Shangzhong Inventor before: Hao Ran Inventor before: Wang Sanfei Inventor before: Zhen Zheng Inventor before: Tang Kaida Inventor before: Jiang Huaqing Inventor before: Shi Yan Inventor before: Jin Shangzhong |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210129 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |