CN114093958A - 一种高速率大光敏面的单载流子光电探测器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高速率大光敏面的单载流子光电探测器结构，主要包括电极结构部分、电子扩散阻挡层、吸收层、间隔层和收集层部分，应用于光通信技术领域，通过优化电极和器件结构，在保持大光敏面的同时改善器件对光的吸收，对于提升器件性能和拓展应用领域有较大帮助。
Description
技术领域
一种高速率大光敏面的单载流子光电探测器结构，属于光通信技术领域，涉及器件结构制作技术。
背景技术
传统的PIN探测器结构，决定工作带宽的主要因素为载流子渡越时间和RC常数，它们与耗尽层的厚度成反比关系，且后者还与光敏面积和外电路负载等条件相关；此外，这两个参数又存在相互制约的关系，因此，在同时需要高速率和大光敏面的技术情形中，克服对应矛盾至关重要。
单载流子探测器作为一种独特的器件，主要利用电子作为工作的载流子。相比于传统的器件结构，因为空穴在很短的时间内发生介电弛豫，且产生空穴的吸收区位于靠近阳极的位置，有效避免空穴迁移速率较慢对探测器的输出拖尾影响，同时具有高速率、大饱和功率、线性度较好等特性，在空间光通信相关的探测领域得到了广泛的应用。但是随着信息高速发展，光传输链路中探测器件的速率提升成为了一种主要的问题出现在科研工作者的需求中，对于探测器件，还存在着同时提升探测速率与光敏面积的限制。因此，这两个因素对器件的性能提升有了很大影响。
对于适宜工作在1550波段的器件材料，铟镓砷因为具有相对较好载流子迁移率特性，在磷化铟基探测器中得到广泛使用；针对工作速率的器件结构优化方法，通常也是从相应层的尺寸和掺杂分布两个角度进行。不同结构对应的最优设计组合不是固定不变的，需要依次进行尝试；针对光敏面积的改进，除了大小满足基本条件，还可以试图增加光的吸收，这也增加了光能利用率。在没有明显增大器件尺寸的情况下也实现了对应要求。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种高速率大光敏面的单载流子光电探测器结构，通过结构方案设计，增加器件对光的吸收，保持较高的载流子运动速率，有利于降低电子向阴极集结时间，在保持大光敏结构的前提下，达到探测器的高速工作条件。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
设计了一种高速率大光敏面的单载流子光电探测器结构，设计方案如下：
结构包括衬底(1)、刻蚀停止层部分、N型接触层(4)、收集层部分、间隔层部分、吸收层(11)、电子扩散阻挡层(12)、P型接触层(13)、电极结构部分；
所述刻蚀停止层部分由刻蚀停止层(2)和刻蚀停止层(3)组成；刻蚀停止层(2)淀积在衬底(1)的上表面，刻蚀停止层(3)淀积在N型接触层(4)的上表面，且刻蚀停止层(3)和N型接触层(4)的组合位于刻蚀停止层(2)的上表面；
所述收集层部分由亚收集层(5)和收集层(6)组成；亚收集层(5)位于收集层(6)下表面且淀积在刻蚀停止层(3)的上方；
所述间隔层部分由第一间隔层(7)、第二间隔层(8)、第三间隔层(9)和第四间隔层(10)组成，依次淀积在收集层(6)的上表面；吸收层(11)与第四间隔层(10)上表面接触；
所述电极结构部分由阳极电极(14)、阳极电极(15)和阴极电极(16)组成；吸收层(11)的上表面一部分依次沉积电子扩散阻挡层(12)、P型接触层(13)和阳极电极(14)，另一部分直接接触阳极电极(15)，且这两部分有一定水平间距，阳极电极(15)的高度与P型接触层(13)上表面大概持平；阴极电极(16)与N型接触层(4)的部分上表面接触，且与刻蚀停止层(3)有一定水平间距。
提出第一个优化方案：电子扩散阻挡层(12)、P型接触层(13)和阳极电极(14)部分的宽度只占据探测器台面结构特定的一部分宽度，且降低了P型接触层(13)的厚度，通过设计可以减少P型接触层(13)对入射光的吸收和P型接触层(13)与阳极电极(14)界面处的吸收峰值。
提出第二个优化方案：阳极电极(15)直接与吸收层(11)接触，且与电子扩散阻挡层(12)、P型接触层(13)和阳极电极(14)组成的部分相距一定间隔，可以把第一个优化方案所述入射光的吸收峰值转移到吸收区，增加有效的光吸收。
提出第三个优化方案：间隔层部分的第一间隔层(7)、第四层间隔层(10)分别于其下和其上表面接触的收集层(6)、吸收层(11)材料相同；中间的第二间隔层(8)、第三间隔层(9)采用不同组分的铟镓砷磷，这样可以保持收集层(6)和吸收层(11)能带连续性，方便电子迁移至阴极方向。
入射光从衬底(1)入射，被吸收层(11)主要吸收，经阳极电极(14)和阳极电极(15)反射并原路出射。
综上所述，本发明的有益效果在于：
1.降低阳极电极(14)下界面交界区域对入射光的吸收；
2.较宽的阳极电极(15)直接与吸收层(11)接触，直接反射绝大部分的入射光，提升吸收层(11)的光能利用率。
本发明的应用价值在于，为用于空间光通信的光电探测器提供了一种同时拥有大光敏面和高速工作特性的探测器。
为了使本发明的技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
附图说明
图1为本发明系统的概述图；
图2为传统结构主要吸收区域分布图；
图3为本发明主要吸收区域分布图；
说明书附图2和附图3中的颜色越深表示光吸收越强。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的工作方式进行详细描述。
本发明具体结构为图1所示结构以右侧纵向边缘为中心旋转一周形成；本实例采用1550nm波段单色光；主要部分的参数如下：N型接触层(4)为InP材料，厚度为500nm，掺杂为1e19/cm3；收集层(6)由InP组成，厚度为250nm，掺杂为1e17/cm3；第一间隔层(7)、第四间隔层(10)分别为InGaAs和InP材料，掺杂分别为1e18/cm3和2.1e18/cm3，厚度分别为10nm和6nm；第二间隔层(8)和第三间隔层(9)由In0.649Ga0.351As0.755P0.245和In0.77Ga0.23As0.499P0.501组成，掺杂均为1e15/cm3，厚度均为5nm；吸收层(11)为InGaAs材料，掺杂为峰值在上表面的高斯分布，厚度为200nm；电子扩散阻挡层(12)为In0.649Ga0.351As0.755P0.24材料，厚度和掺杂为20nm、2e19/cm3；P型接触层(13)为InGaAs材料，厚度为10nm掺杂为3e19/cm3。
如图1所示，单色光从衬底(1)垂直入射，经顶部电极部分的阳极电极(14)、阳极电极(15)反射原路返回；光主要的吸收区域在吸收层(11)。经过吸收，空穴载流子经电子扩散阻挡层(12)和P型接触层(13)迁入阳极，在相对于电子运动过程很短的时间内发生介电弛豫；由于电子扩散阻挡层(12)的作用，电子只能由间隔层部分、收集层部分和N型接触层(4)迁移至阴极，并作为单载流子工作；间隔层部分的第一间隔层(7)、第二间隔层(8)、第三间隔层(9)和第四层间隔层(10)用来保持间隔层(6)和吸收层(11)部分材料的导带连续性，方便电子快速移动至阴极；对于器件每层尺寸和掺杂的设计主要是从内电场分布和载流子分布的角度降低载流子运动时间。吸收层(11)的高斯掺杂是为了引入内建电场，产生电子漂移运动，降低渡越时间；间隔层中第四层间隔层(10)的掺杂浓度对比相邻层有很高的突变，也可在异质结处产生电场，有利于电子通过势垒，减少电子在该处的积累，进而降低电子在收集区的积累，降低渡越时间。
如图2，传统单载流子探测器结构中，N型接触层(13)对于入射光在阳极电极(14)的下界面处有不少吸收，本发明主要得益于优化方案一和二，如图3所示，阳极电极(14)下界面交界处的光吸收区域减少，主要的吸收峰值转移到与阳极电极(15)直接接触的吸收层(11)中，较大地提升了探测器性能。
Claims (4)
1.一种高速率大光敏面的单载流子光电探测器结构，其特征在于：衬底(1)、刻蚀停止层部分、N型接触层(4)、收集层部分、间隔层部分、吸收层(11)、电子扩散阻挡层(12)、P型接触层(13)和电极结构部分；所述刻蚀停止层部分由刻蚀停止层(2)和刻蚀停止层(3)组成；刻蚀停止层(2)淀积在衬底(1)的上表面，刻蚀停止层(3)淀积在N型接触层(4)的上表面，且刻蚀停止层(3)和N型接触层(4)的组合位于刻蚀停止层(2)的上表面；所述收集层部分由亚收集层(5)和收集层(6)组成；亚收集层(5)位于收集层(6)下表面且淀积在刻蚀停止层(3)的上方；所述间隔层部分由第一间隔层(7)、第二间隔层(8)、第三间隔层(9)和第四间隔层(10)组成，依次淀积在收集层(6)的上表面；吸收层(11)与第四间隔层(10)上表面接触；所述电极结构部分由阳极电极(14)、阳极电极(15)和阴极电极(16)组成；吸收层(11)的上表面一部分依次沉积电子扩散阻挡层(12)、P型接触层(13)和阳极电极(14)，另一部分直接接触阳极电极(15)，且这两部分有一定水平间距，阳极电极(15)的高度与P型接触层(13)上表面大概持平；阴极电极(16)与N型接触层(4)的部分上表面接触，且与刻蚀停止层(3)有一定水平间距。
2.根据权利要求1所述的一种高速率大光敏面的单载流子光电探测器结构，其特征在于：电子扩散阻挡层(12)、P型接触层(13)和阳极电极(14)部分的宽度只占据探测器台面结构特定的一部分宽度。
3.根据权利要求1所述的一种高速率大光敏面的单载流子光电探测器结构，其特征在于：阳极电极(15)直接与吸收层(11)接触，且与电子扩散阻挡层(12)、P型接触层(13)和阳极电极(14)部分相距一定间隔。
4.根据权利要求1所述的一种高速率大光敏面的单载流子光电探测器结构，其特征在于：间隔层部分的第一间隔层(7)、第四层间隔层(10)分别于其下和其上表面接触的收集层(6)、吸收层(11)材料相同；中间的第二间隔层(8)、第三间隔层(9)采用不同组分的铟镓砷磷。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20220225 |