CN113517307A - 一种级联型光电探测器及其制造方法 - Google Patents

一种级联型光电探测器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种级联型光电探测器及其制造方法，所述级联型光电探测器包括，衬底以及形成于衬底之上的第一光电探测器、第二光电探测器，所述第一光电探测器和第二光电探测器串联连接以实现光路和电路的同时串联。所述第一光电探测器包括依次设置的P电极、P型欧姆接触层、第一P型半导体、第一吸收区半导体和第一N型半导体；所述第二光电探测器包括依次设置的第二P型半导体、第二吸收区半导体、第二N型半导体和N型欧姆接触层；还包括分布于所述第二N型半导体两侧并与所述N型欧姆接触层相邻设置的第一N电极和第二N电极。该级联型光电探测器能够在相同尺寸下提高器件RC限制带宽，降低器件RC时间常数，降低大带宽与高饱和特性之间的矛盾。

Description

一种级联型光电探测器及其制造方法
技术领域
本发明涉及光电子器件领域，具体的，涉及一种级联型光电探测器及其制造方法。
背景技术
近年来，随着高速大容量信息技术的发展，光信息处理技术得到广泛关注。光电探测器作为光链路接收前端关键器件，其带宽、饱和特性对于提升链路的数据容量、动态范围起着至关重要的作用。
常规的光电探测器为单个二极管，其工作在反偏状态，当入射光被材料吸收后产生光生载流子，然后被电极收集，进而感应出光电流。其带宽特性受限于器件的尺寸和载流子渡越时间。常规来说，随着器件尺寸的减小，器件带宽特性增加。然而随着器件尺寸的减小，其空间电荷效应增强，导致其线性饱和度降低。此外，随着器件尺寸的减小，其热效应增强，使得其不能工作在大电流状态。带宽与饱和特性存在矛盾。
针对单管探测器结构，1996年Davis领导的课题组提出了一种单行载流子结构的光电探测器(Uni-traveling-carrier photodiode，UTC-PD)，相比传统的P-I-N结构探测器，可大幅提升带宽、饱和特性，得到了广泛的关注。众多研究组对单管UTC-PD进行了研究，如空间电荷效应、负载偏压摆幅效应、过冲效应等。然而近些年来，单管探测器结构发展缓慢，但其大带宽与高饱和特性仍然存在很大矛盾。
发明内容
为解决上述问题至少之一，针对单管光电探测器带宽与饱和特性存在很大矛盾的问题。本发明的一个目的在于提供一种级联型光电探测器，包括：
衬底以及形成于衬底之上的第一光电探测器、第二光电探测器，所述第一光电探测器和第二光电探测器串联连接以实现光路和电路的同时串联。
所述第一光电探测器包括依次设置的P电极、P型欧姆接触层、第一P型半导体、第一吸收区半导体和第一N型半导体；
所述第二光电探测器包括依次设置的第二P型半导体、第二吸收区半导体、第二N型半导体和N型欧姆接触层；还包括第一N电极和第二N电极分布于所述第二N型半导体两侧，并与所述N型欧姆接触层相邻设置。
所述第一光电探测器和第二光电探测器之间设置有相连的重掺杂N型半导体层和重掺杂P型半导体层，用于实现所述第一光电探测器和第二光电探测器的串联连接。
一种可能的实施方式中，所述第一光电探测器和第二光电探测器的响应度相同；
一种可能的实施方式中，所述衬底为半绝缘材料或掺杂N型衬底。
一种可能的实施方式中，所述级联型光电探测器为台面结构探测器。
一种可能的实施方式中，所述级联型光电探测器同时适用于背入射和正入射。
基于相同的设计构思，本发明第二方面提供了一种级联型光电探测器的制造方法，包括：
在衬底上依次生长第二探测器层、重掺杂P半导体层、重掺杂N型半导体层和第一探测器层；
所述第二探测器层包括依次设置的N型欧姆接触层、第二N型半导体、第二吸收区半导体和第二P型半导体；
所述第一探测器包括依次设置的第一N型半导体、第一吸收区半导体、第一P型半导体和P型欧姆接触层；
所述第一光电探测器和第二光电探测器之间设置有相连的重掺杂N型半导体层和重掺杂P型半导体层，用于实现所述第一光电探测器和第二光电探测器的串联连接。
在第一探测器的P型欧姆接触层远离衬底方向制作P电极作为信号电极；
刻蚀所述第一探测器的P型欧姆接触层、第一P型半导体、第一吸收区半导体、第一N型半导体、重掺杂N型半导体层、重掺杂P型半导体层、第二探测器的第二P型半导体、第二吸收区半导体、第二N半导体，露出第二探测器的N型欧姆接触层，引出N型电极作为地电极。
本发明的有益效果如下：
本发明的目的在于提供一种级联型光电探测器及其制造方法，这种级联型光电探测器能够在相同尺寸下降低器件RC时间常数，提高器件RC限制带宽，进而提高器件带宽特性，降低大带宽、高饱和特性之间的矛盾。
附图说明
图1示出了本发明的一个实施例提出的一种级联型光电探测器的结构示意图；
图2示出一种单管光电探测器的示意图；
图3示出了本发明的一个实施例提出的一种级联型光电探测器的正入射示意图；
图4示出了本发明的一个实施例提出的一种级联型光电探测器的背入射示意图；
图5示出一种单管光电探测器的等效电路图；
图6示出本发明的一个实施例提出的一种级联型光电探测器的等效电路图；101：P电极 102：P型欧姆接触层 103：第一P型半导体 104：第一吸收区半导体 105：第一N型半导体 201：重掺杂N型半导体层 202：重掺杂P型半导体层 303：第二P型半导体 304：第二吸收区半导体 305：第二N型半导体 306：N型欧姆接触层 11：第一N电极 12：第二N电极 7：衬底9：入射光
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例一：
本发明的一个实施例提出了一种级联型光电探测器，如图1所示，包括：
衬底7以及形成于衬底之上的第一光电探测器、第二光电探测器，所述第一光电探测器和第二光电探测器串联连接以实现光路和电路的同时串联。所述衬底为半绝缘材质或掺杂N型衬底。
从最接近衬底7的一层开始，按照远离衬底的方向依次为：N型欧姆接触层306、第二N型半导体305、第二吸收区半导体304、第二P型半导体303、重掺杂P型半导体层202、重掺杂N型半导体层201、第一N型半导体105、第一吸收区半导体104、第一P型半导体103、P型欧姆接触层102和P电极101；还包括，远离衬底方向，设置于所述N型欧姆接触层上的第一N电极11和第二N电极12，所述第一N电极11和第二N电极12分布于所述第二N型半导体两侧。其中P电极101加载到P型欧姆接触层102，N电极加载到N型欧姆接触层306。这种级联型光电探测器能够有效降低器件RC时间常数，进而提高器件带宽。
其中，所述P电极、P型欧姆接触层、第一P型半导体、第一吸收区半导体和第一N型半导体组成了第一光电探测器；
所述第二P型半导体、第二吸收区半导体、第二N型半导体、N型欧姆接触层、第一N电极和第二N电极组成了所述第二光电探测器。
其中，通过调控第一探测器的N型半导体和第二探测器的P型半导体的掺杂浓度来实现串联，即所述重掺杂N型半导体层和重掺杂P型半导体层通过掺杂浓度的调控实现所述第一光电探测器和第二光电探测器的串联连接。
设计第一光电探测器和第二光电探测器的吸收区半导体的厚度以使得所述第一光电探测器和第二光电探测器的响应度相同。
所述级联型光电探测器为台面结构探测器。
应注意的是，本实施例中的级联型光电探测器同时适用于正入射和背入射；如图3所示，正入射即光从正面垂直入射，分别被第一光电探测器和第二光电探测器吸收；如图4所示，背入射即光从衬底背面垂直入射，分别被第二光电探测器和第一光电探测器吸收，再经过P电极反射，再次被第一光电探测器和第二光电探测器吸收。
级联型光电探测器，相当于两个相同电容串联，阻抗仅为单管探测器的1/2，故而其RC限制带宽提高1倍。
光电探测器的带宽特性由载流子渡越时间和RC时间常数共同决定。同一外延结构在相同工作条件下(偏置电压、光电流密度相同)，其渡越时间相同。随着器件尺寸的增加，RC时间常数限制带宽减小，故而器件带宽减小。然而随着尺寸的增加，器件的饱和功率增加。故而器件的大带宽特性、高饱和特性存在矛盾点。本次发明的主要目的，在相同尺寸下提高器件RC限制带宽，降低器件RC时间常数，提高器件带宽特性，降低大带宽、高饱和特性之间的矛盾。
具体地，图2为单管光电探测器的简易示意图，包含P电极1、第三N电极13和第四N电极14。其中，探测器外延结构可以为传统的PIN、UTC、APD探测器，在这里简化为P型欧姆接触层2、P型半导体3、吸收区半导体4、N型半导体5和N型欧姆接触层6。图5为所述单管光电探测器的等效电路示意图，带宽特性由载流子渡越时间和RC时间常数共同决定。图6为级联型光电探测器的等效电路示意图。由图5和图6可得，级联型光电探测器的结电容串联，其等效电容仅为单管探测器的一半，故而其RC时间常数限制带宽fRC＝1/(2πRC)，增加一倍，故而器件带宽特性增加。当器件带宽主要受限于RC时间常数时，相同尺寸的级联型光电探测器的带宽特性相比单管光电探测器增加一倍。
由以上实施例可以看出，本发明提出了一种级联型光电探测器结构，相比单管探测器能够提高RC时间常数限制带宽一倍，进而有效提高其带宽特性。
在一种可能的实施例中，所述第一光电探测器和第二光电探测器可替换为传统的PIN、UTC和APD探测器。
实施例二：
本发明的一个实施例提出了一种级联型光电探测器的制造方法，包括：
在衬底上依次生长第二探测器层、重掺杂P型半导体层、重掺杂N型半导体层和第一探测器层；
所述第二探测器层包括依次设置的N型欧姆接触层、第二N型半导体、第二吸收区半导体和第二P型半导体；
所述第一探测器层包括依次设置的第一N型半导体、第一吸收区半导体、第一P型半导体和P型欧姆接触层；
在第一探测器的P型欧姆接触层上制作P电极作为信号电极；
刻蚀所述第一探测器的P型欧姆接触层、第一P型半导体、第一吸收区半导体、第一N型半导体、两探测器相连的重掺杂N型半导体层和重掺杂P型半导体层、第二探测器的第二P型半导体、第二吸收区半导体、第二N半导体，露出第二探测器的N型欧姆接触层，引出N型电极作为地电极。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种级联型光电探测器，其特征在于，包括衬底以及形成于衬底之上的第一光电探测器、第二光电探测器，所述第一光电探测器和第二光电探测器串联连接以实现光路和电路的同时串联。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，
所述第一光电探测器包括依次设置的P电极、P型欧姆接触层、第一P型半导体、第一吸收区半导体和第一N型半导体；
所述第二光电探测器包括依次设置的第二P型半导体、第二吸收区半导体、第二N型半导体和N型欧姆接触层，还包括分布于所述第二N型半导体两侧并与所述N型欧姆接触层相邻设置的第一N电极和第二N电极。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，
所述第一光电探测器和第二光电探测器之间设置有相连的重掺杂N型半导体层和重掺杂P型半导体层，用于实现所述第一光电探测器和第二光电探测器的串联连接。
4.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述第一光电探测器和第二光电探测器的响应度相同。
5.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，
所述衬底为半绝缘材料或掺杂N型衬底。
6.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，
所述级联型光电探测器为台面结构探测器。
7.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，
所述级联型光电探测器同时适用于背入射和正入射。
8.一种级联型光电探测器的制造方法，其特征在于，
在衬底上依次生长第二探测器层、重掺杂P型半导体层、重掺杂N型半导体层和第一探测器层；
所述第二探测器层包括依次设置的N型欧姆接触层、第二N型半导体、第二吸收区半导体和第二P型半导体；
所述第一探测器包括依次设置的第一N型半导体、第一吸收区半导体、第一P型半导体和P型欧姆接触层；
在第一探测器的P型欧姆接触层远离衬底方向制作P电极作为信号电极；
刻蚀所述第一探测器的P型欧姆接触层、第一P型半导体、第一吸收区半导体、第一N型半导体、重掺杂N型半导体层、重掺杂P型半导体层、第二探测器的第二P型半导体、第二吸收区半导体、第二N半导体，露出第二探测器的N型欧姆接触层，引出N型电极作为地电极。
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