CN116565040A - 高速光电探测器的外延结构 - Google Patents

高速光电探测器的外延结构 Download PDF

Info

Publication number
CN116565040A
CN116565040A CN202210111115.2A CN202210111115A CN116565040A CN 116565040 A CN116565040 A CN 116565040A CN 202210111115 A CN202210111115 A CN 202210111115A CN 116565040 A CN116565040 A CN 116565040A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
epitaxial structure
transition
absorption
epitaxial
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.)
Pending
Application number
CN202210111115.2A
Other languages
English (en)
Inventor
宋国峰
晁明豪
刘青松
庄凌云
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.)
Institute of Semiconductors of CAS
Original Assignee
Institute of Semiconductors of CAS
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 Institute of Semiconductors of CAS filed Critical Institute of Semiconductors of CAS
Priority to CN202210111115.2A priority Critical patent/CN116565040A/zh
Publication of CN116565040A publication Critical patent/CN116565040A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/08Semiconductor 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
    • H01L31/10Semiconductor 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
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/1016Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation comprising transparent or semitransparent devices
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/0248Semiconductor 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
    • H01L31/0256Semiconductor 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 the material
    • H01L31/0264Inorganic materials
    • H01L31/0304Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L31/03042Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds characterised by the doping material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/0248Semiconductor 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
    • H01L31/0256Semiconductor 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 the material
    • H01L31/0264Inorganic materials
    • H01L31/0304Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L31/03046Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/08Semiconductor 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
    • H01L31/10Semiconductor 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
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/103Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN homojunction type
    • H01L31/1035Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN homojunction type the devices comprising active layers formed only by AIIIBV compounds
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

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)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

本公开提供了一种高速光电探测器的外延结构,所述高速光电探测器的外延结构包括:在半绝缘衬底上依次生长的缓冲层、下阴极接触层、刻蚀阻挡层、上阴极接触层、饱和漂移层、崖层、过冲漂移层、下过渡层、本征耗尽吸收层、重掺梯度非耗尽吸收层、上过渡层、扩散阻挡层和阳极接触层,所述本征耗尽吸收层和所述重掺梯度非耗尽吸收层均采用与InP材料晶格匹配度高、对1550nm波长光子吸收效率高的In0.53Ga0.47As材料。

Description

高速光电探测器的外延结构
技术领域
本公开涉及通信光电子技术领域,更具体地,涉及一种高速光电探测器的外延结构。
背景技术
信息时代下,宽带通信的需求和用户数量的激增都促使着无线通信中载波频率的不断提高。载波频率从微波频段逐步拓展到毫米波频段,传统的电子学器件和手段已难以应对高频、大带宽信号的产生、传输和处理,而基于微波光子学的光载无线通信系统(RoF)可以有效克服上述限制。RoF系统中,高频信号经调制器调制到载波上,通过光纤远距离传输到目标基站,经由光电转换器件转化为毫米波信号,辐射至目标终端。光电探测器作为系统核心器件之一,需具备高响应度的高速光电探测功能。
在实现本公开构思的过程中,发明人现有技术中至少存在如下问题:常见的高速光电探测器设计受限于光生载流子在吸收层中的扩散时间,不能满足高响应度的要求。
发明内容
有鉴于此,本公开的实施例提供了一种高速光电探测器的外延结构。
根据本公开的一个方面,提供了一种高速光电探测器的外延结构,包括在半绝缘衬底上依次生长的缓冲层、下阴极接触层、刻蚀阻挡层、上阴极接触层、饱和漂移层、崖层、过冲漂移层、下过渡层、本征耗尽吸收层、重掺梯度非耗尽吸收层、上过渡层、扩散阻挡层和阳极接触层,所述本征耗尽吸收层和所述重掺梯度非耗尽吸收层均采用与InP材料晶格匹配度高、对1550nm波长光子吸收效率高的In0.53Ga0.47As材料。
根据本公开的实施例,所述重掺梯度非耗尽吸收层包括多个子外延层,所述多个子外延层的掺杂浓度在外延生长方向上呈现阶梯状的单调变化。
根据本公开的实施例,所述多个子外延层的掺杂类型为p型掺杂。
根据本公开的实施例,所述多个子外延层的掺杂浓度为2×1017cm-3至1×1019cm-3
根据本公开的实施例,所述重掺梯度非耗尽吸收层包括7个子外延层,所述7个子外延层的掺杂浓度在外延生长方向上依次为:2×1017cm-3、5×1017cm-3、1×1018cm-3、2×1018cm-3、5×1018cm-3、7×1018cm-3和1×1019cm-3
根据本公开的实施例,所述重掺梯度非耗尽吸收层的厚度为200nm~350nm。
根据本公开的实施例,所述重掺梯度非耗尽吸收层的厚度为350nm。
根据本公开的实施例,所述本征耗尽吸收层的厚度为100nm~150nm。
根据本公开的实施例,所述本征耗尽吸收层的厚度为150nm。
根据本公开的实施例,所述本征耗尽吸收层的掺杂类型为n型,掺杂浓度为1×1016cm-3~2×1016cm-3
根据本公开的实施例,所述本征耗尽吸收层的掺杂类型为n型,掺杂浓度为1×1016cm-3
根据本公开的实施例,所述半绝缘衬底采用对通信C波段几乎透明的InP材料。
根据本公开的实施例,所述过冲漂移层的厚度为200nm~300nm。
根据本公开的实施例,所述饱和漂移层和过冲漂移层的厚度均为250nm。
根据本公开的实施例,所述饱和漂移层和过冲漂移层的掺杂类型均为n型,掺杂浓度均为2×1016cm-3
根据本公开的实施例,所述饱和漂移层和过冲漂移层采用的材料均为InP。
根据本公开的实施例,所述崖层的厚度为10nm~30nm。
根据本公开的实施例,所述崖层的厚度为20nm。
根据本公开的实施例,所述崖层的掺杂类型为p型,掺杂浓度为1×1017cm-3~5×1017cm-3
根据本公开的实施例,所述崖层的掺杂类型为p型,掺杂浓度为2×1017cm-3
根据本公开的实施例,所述崖层采用的材料为InP。
根据本公开的实施例,所述下过渡层依次包括第一过渡层、第二过渡层和第三过渡层,所述第一过渡层接触于所述本征耗尽吸收层,所述第三过渡层接触于所述过冲漂移层。
根据本公开的实施例,所述第一过渡层采用的材料为In0.65Ga0.35As0.755P0.245,所述第二过渡层采用的材料为In0.77Ga0.23As0.499P0.501,所述第三过渡层采用的材料为InP。
根据本公开的实施例,所述扩散层阻挡层采用的材料为InP。
根据本公开的实施例,所述上过渡层包括第三过渡层和第四过渡层,所述第三过渡层接触于所述重掺梯度非耗尽吸收层,所述第四过渡层接触于所述扩散阻挡层。
根据本公开的实施例,所述第三过渡层采用的材料为In0.65Ga0.35As0.755P0.245,所述第四过渡层采用的材料为In0.77Ga0.23As0.499P0.501
从上述技术方案可以看出,本公开提供的高速光电探测器的外延结构的有益效果如下:
1.本公开提供的高速光电探测器的外延结构,通过双吸收层(本征耗尽吸收层和重掺梯度非耗尽吸收层)结构在实现单行载流子效果的同时保障了响应度。
2.本公开提供的高速光电探测器的外延结构,通过双漂移层(饱和漂移层、崖层和过冲漂移层)结构充分利用电子的速度过冲效应,从而在减小电容的同时缩减了载流子输运时间。
3.本公开实施例的高速光电探测器的外延结构具有高响应度、高响应带宽的特点,能够满足1540~1560nm波段高频光载无线通信系统的接收需求,可以应用于高速光电探测器中。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述,本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚,在附图中:
图1示意性示出了本公开实施例的外延结构的示意图;
图2示意性示出了本公开实施例的重掺梯度非耗尽吸收层的多个子外延层的结构示意图。
具体实施方式
以下,将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解,这些描述只是示例性的,而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中,为便于解释,阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而,明显地,一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外,在以下说明中,省略了对公知结构和技术的描述,以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例,而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下,一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如,“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。
常见的高速光电探测器设计为单行载流子光电探测器(UTC-PD),通常包括一个p型重掺的吸收层以及一个n型轻掺的漂移层。该结构仅利用电子作为有效载流子,可以提升输运时间进而提高带宽,但受限于光生载流子在吸收层中的扩散时间,吸收层往往很薄,造成响应度的下降。
本公开的实施例提供了一种高速光电探测器的外延结构,包括在半绝缘衬底1上依次生长的缓冲层2、下阴极接触层3、刻蚀阻挡层4、上阴极接触层5、饱和漂移层6、崖层7、过冲漂移层8、下过渡层(9、10、11)、本征耗尽吸收层12、重掺梯度非耗尽吸收层13、上过渡层(14、15)、扩散阻挡层16和阳极接触层17,所述本征耗尽吸收层12和所述重掺梯度非耗尽吸收层13均采用与InP材料晶格匹配度高、对1550nm波长光子吸收效率高的In0.53Ga0.47As材料材料,可以采用金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)方法制备,能够准确地控制外延层化合物配比、厚度和掺杂浓度。
图1示意性示出了本公开实施例的外延结构的示意图。
如图1所示,采用金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)方法在半绝缘衬底1上依次生长的缓冲层2、下阴极接触层3、刻蚀阻挡层4、上阴极接触层5、饱和漂移层6、崖层7、过冲漂移层8、下过渡层(9、10、11)、本征耗尽吸收层12、重掺梯度非耗尽吸收层13、上过渡层(14、15)、扩散阻挡层16和阳极接触层17。
其中,半绝缘衬底1采用半绝缘的InP衬底;缓冲层2采用InP缓冲层,厚度为400nm,采用n型掺杂,掺杂浓度1.5×1018cm-3;下阴极接触层3采用InP下阴极接触层,刻蚀阻挡层4采用In0.53Ga0.47As刻蚀阻挡层,上阴极接触层5采用InP上阴极接触层,饱和漂移层6、崖层7和过冲漂移层8采用的材料均为InP,本征耗尽吸收层12采用In0.53Ga0.47As材料,重掺梯度非耗尽吸收层13采用In0.53Ga0.47As材料,扩散层阻挡层16采用的材料为InP,阳极接触层17米用In0.53Ga0.47As材料。
本公开的实施例的高速光电探测器的外延结构为InP/InGaAs材料体系,衬底、漂移层材料InP和窄带吸收材料In0.53Ga0.47As在外延结构上晶格匹配度好,In0.53Ga0.47As材料对通信C波段载光有良好的响应效果。此外,由于InP层对1540~1560 nm波段光透明,基于该外延结构的光电探测器适于使用背入射的入光方式。
根据本公开的实施例,所述下阴极接触层3、所述刻蚀阻挡层4和所述上阴极接触层5构成阴极接触层。刻蚀阻挡层4的设计使得在器件制备时可以采用具有高InP/InGaAs选择比的刻蚀溶剂准确控制电极接触面,同时与后续阴极电极之间形成欧姆接触。
如图1所示,下阴极接触层3厚度为400nm,刻蚀阻挡层4厚度为20nm,上阴极接触层5厚度为300nm。下阴极接触层3与上阴极接触层5的掺杂类型n型掺杂,掺杂浓度为1×1019cm-3。刻蚀阻挡层4采用n型掺杂,掺杂浓度为2×1019cm-3。下阴极接触层3、刻蚀阻挡层4和上阴极接触层5三者整体构成了阴极接触层。
根据本公开的实施例,所述阳极接触层17,用于与阳极电极之间形成欧姆接触。
如图1所示,所述阳极接触层17,厚度为50nm,掺杂类型为p型,掺杂浓度为3×1019cm-3
根据本公开的实施例,所述重掺梯度非耗尽吸收层13包括多个子外延层,所述多个子外延层的掺杂浓度在外延生长方向上呈现阶梯状的单调变化。
根据本公开的实施例,所述多个子外延层的掺杂类型为p型掺杂。
根据本公开的实施例,所述多个子外延层的掺杂浓度为2×1017cm-3至1×1019cm-3
根据本公开的一个实施例,所述重掺梯度非耗尽吸收层13包括7个子外延层,所述7个子外延层的掺杂浓度在外延生长方向上依次为:2×1017cm-3、5×1017cm-3、1×1018cm-3、2×1018cm-3、5×1018cm-3、7×1018cm-3和1×1019cm-3。整体非对称的设计可以使得在整个外延结构中电子作为主要载流子,从而获得更高的输运速度,同时梯度掺杂的设计实现了一定的内建电势差,从而缩减了该吸收层内载流子扩散时间。
根据本公开的实施例,所述重掺梯度非耗尽吸收层13的厚度为200nm~350nm。可选地,所述重掺梯度非耗尽吸收层13共包含7个子外延层,总厚度为350nm,具体如图1所示。
图2示意性示出了本公开实施例的重掺梯度非耗尽吸收层的多个子外延层的结构示意图。
如图2所示,从下到上依次生长第一层131,第二层132,第三层133,第四层134,第五层135,第六层136和第七层137,各层厚度均为50nm,掺杂类型均为p型掺杂,掺杂浓度依次为2×1017cm-3、5×1017cm-3、1×1018cm-3、2×1018cm-3、5×1018cm-3、7×1018cm-3和1×1019cm-3
根据本公开的实施例,所述本征耗尽吸收层12的掺杂类型为n型,掺杂浓度为1×1016cm-3,本征耗尽吸收层12采用了轻掺,可以一定程度上减小空间电荷效应造成的影响。
根据本公开的实施例,所述本征耗尽吸收层12的厚度为100nm~150nm,掺杂类型为n型,掺杂浓度为1×1016cm-3~2×1016cm-3
可选地,所述本征耗尽吸收层12的厚度为150nm,掺杂浓度为1×1016cm-3,具体如图1所示。
根据本公开的实施例,所述半绝缘衬底1采用对通信C波段几乎透明的InP材料,由于InP层对1540~1560nm波段光透明,基于该外延结构的光电探测器适于使用背入射的入光方式。
根据本公开的实施例,所述过冲漂移层8的厚度为200nm~300nm。可选地,所述饱和漂移层6和所述过冲漂移层8的厚度均为250nm。
根据本公开的实施例,所述饱和漂移层6和过冲漂移层8的掺杂类型均为n型,掺杂浓度均为2×1016cm-3。饱和漂移层6和过冲漂移层8采用了轻掺,可以一定程度上减小空间电荷效应造成的影响。
根据本公开的实施例,所述饱和漂移层6和过冲漂移层8采用的材料均为InP。
根据本公开的实施例,所述崖层7的厚度为10nm~30nm。可选地,所述崖层7的厚度为20nm。崖层7用于调控两侧漂移层的电场,从而使得载流子在InP过冲漂移层能够以超越饱和速度的过冲速度传输,并在InP饱和漂移层以饱和速率传输,从而增大整体结构带宽。
根据本公开的实施例,所述崖层7的掺杂类型为p型,掺杂浓度为1×1017cm-3~5×1017cm-3。可选地,所述崖层7的掺杂浓度为2×1017cm-3
如图1所示,所述饱和漂移层6为InP饱和漂移层,所述崖层7为InP崖层、所述过冲漂移层8为InP过冲漂移层。其中,所述饱和漂移层6厚度为250nm,所述崖层7厚度为20nm,所述过冲漂移层8厚度为250nm。所述饱和漂移层6和过冲漂移层8均为n型掺杂,掺杂浓度为2×1016cm-3。所述崖层7为p型掺杂,掺杂浓度为2×1017cm-3
根据本公开的实施例,所述下过渡层依次包括第一过渡层11、第二过渡层10和第三过渡层9,所述第一过渡层11接触于所述本征耗尽吸收层12,所述第三过渡层9接触于所述过冲漂移层8。
根据本公开的实施例,所述第一过渡层11采用的材料为In0.65Ga0.35As0.755P0.245,所述第二过渡层10采用的材料为In0.77Ga0.23As0.499P0.501,所述第三过渡层9采用的材料为InP,所述下过渡层提供了InGaAs层到InP层能带的平滑过渡效果。
如图1所示,所述第三过渡层9为InP过渡层;所述第二过渡层10为In0.77Ga0.23As0.499P0.501过渡层,所述第一过渡层11为In0.65Ga0.35As0.755P0.245过渡层。其中InP过渡层9,In0.77Ga0.23As0.499P0.501过渡层10和In0.65Ga0.35As0.755P0.245过渡层11厚度均为10nm,掺杂类型均为n型掺杂,其中InP过渡层9掺杂浓度为1×1016cm-3,In0.77Ga0.23As0.499P0.501过渡层10与In0.65Ga0.35As0.755P0.245过渡层11掺杂浓度为1×1017cm-3
根据本公开的实施例,所述扩散层阻挡层16采用的材料为InP,用于防止电子扩散进入阳极。
如图1所示,所述扩散层阻挡层16为InP扩散阻挡层,厚度为300nm,掺杂类型为p型,掺杂浓度为1×1019cm-3
根据本公开的实施例,所述上过渡层包括第三过渡层14和第四过渡层15,所述第三过渡层14接触于所述重掺梯度非耗尽吸收层13,所述第四过渡层15接触于所述扩散阻挡层16。所述上过渡层提供了InGaAs层到InP层能带的平滑过渡效果,避免了空穴在界面处的富集。
根据本公开的实施例,所述第三过渡层14采用的材料为In0.65Ga0.35As0.755P0.245,所述第四过渡层15采用的材料为In0.77Ga0.23As0.499P0.501
如图1所示,所述第三过渡层14为In0.65Ga0.35As0.755P0.245过渡层;所述第四过渡层15为In0.77Ga0.23As0.499P0.501过渡层。In0.65Ga0.35As0.755P0.245过渡层14与In0.77Ga0.23As0.499P0.501过渡层15厚度均为10nm,掺杂类型为p型,掺杂浓度均为2×1018cm-3
本公开实施例的高速光电探测器的外延结构技术原理为:本公开的1540~1560nm波段的高速光电探测器的外延结构,以双吸收层本征耗尽In0.53Ga0.47As吸收层、重掺梯度非耗尽In0.53Ga0.47As吸收层作为吸收区,响应光谱可以覆盖1540~1560nm,同时具有高响应度。同时电子作为主要载流子跨越吸收层与漂移层,而空穴被阳极迅速收集,可以避免空穴输运时间过长造成的带宽下降。梯度重掺的吸收层可以通过内建电场加速光生载流子的扩散。利用崖层控制漂移层的分层效果,使得电子能充分利用速度过冲效应,减小输运时间。保证了器件整体的高响应度与高响应带宽。
本公开实施例的高速光电探测器的外延结构通过双吸收层(本征耗尽吸收层和重掺梯度非耗尽吸收层)结构,在实现单行载流子效果的同时保障了响应度;通过双漂移层(饱和漂移层、崖层和过冲漂移层)结构充分利用电子的速度过冲效应,从而在减小电容的同时缩减了载流子输运时间。
下面将结合实施例及相关实验,对本公开实施例的高速光电探测器的外延结构进行详细说明。
实施例1
将本公开实施例的高速光电探测器的外延结构通过商业半导体仿真软件SILVACOTcad进行响应度与响应带宽的仿真,其中,所述外延结构的重掺梯度非耗尽吸收层的厚度为350nm;本征耗尽吸收层的厚度为150nm,掺杂浓度为1×1016cm-3;饱和漂移层和过冲漂移层的厚度均为250nm,掺杂浓度均为2×1016cm-3;崖层的厚度为20nm,掺杂浓度为2×1017cm-3
当外加5V偏压工作时,1550nm处直流响应度可达0.3A/W,基于上述结构的单管探测器综合考虑电容电阻延迟与载流子渡越时间,3dB响应带宽可达90GHz。
从以上实施例可见,本公开实施例的高速光电探测器的外延结构具有高响应度、高响应带宽的特点,能够满足1540~1560nm波段高频光载无线通信系统的接收需求,可以应用于高速光电探测器中,能够满足通信C波段光载无线通信系统的高频传输需求。
本领域技术人员可以理解,本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合,即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地,在不脱离本公开精神和教导的情况下,本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是,这些实施例仅仅是为了说明的目的,而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例,但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围,本领域技术人员可以做出多种替代和修改,这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (26)

1.一种高速光电探测器的外延结构,包括在半绝缘衬底上依次生长的缓冲层、下阴极接触层、刻蚀阻挡层、上阴极接触层、饱和漂移层、崖层、过冲漂移层、下过渡层、本征耗尽吸收层、重掺梯度非耗尽吸收层、上过渡层、扩散阻挡层和阳极接触层,其特征在于:
所述本征耗尽吸收层和所述重掺梯度非耗尽吸收层均采用与InP材料晶格匹配度高、对1550nm波长光子吸收效率高的In0.53Ga0.47As材料。
2.根据权利要求1所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述重掺梯度非耗尽吸收层包括多个子外延层,所述多个子外延层的掺杂浓度在外延生长方向上呈现阶梯状的单调变化。
3.根据权利要求2所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述多个子外延层的掺杂类型为p型掺杂。
4.根据权利要求3所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述多个子外延层的掺杂浓度为2×1017cm-3至1×1019cm-3
5.根据权利要求4所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述重掺梯度非耗尽吸收层包括7个子外延层,所述7个子外延层的掺杂浓度在外延生长方向上依次为:2×1017cm-3、5×1017cm-3、1×1018cm-3、2×1018cm-3、5×1018cm-3、7×1018cm-3和1×1019cm-3
6.根据权利要求5所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述重掺梯度非耗尽吸收层的厚度为200nm~350nm。
7.根据权利要求6所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述重掺梯度非耗尽吸收层的厚度为350nm。
8.根据权利要求6所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述本征耗尽吸收层的厚度为100nm~150nm。
9.根据权利要求8所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述本征耗尽吸收层的厚度为150nm。
10.根据权利要求8所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述本征耗尽吸收层的掺杂类型为n型,掺杂浓度为1×1016cm-3~2×1016cm-3
11.根据权利要求10所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述本征耗尽吸收层的掺杂类型为n型,掺杂浓度为1×1016cm-3
12.根据权利要求1所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述半绝缘衬底采用对通信C波段几乎透明的InP材料。
13.根据权利要求1所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述过冲漂移层的厚度为200nm~300nm。
14.根据权利要求13所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述饱和漂移层和过冲漂移层的厚度均为250nm。
15.根据权利要求14所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述饱和漂移层和过冲漂移层的掺杂类型均为n型,掺杂浓度均为2×1016cm-3
16.根据权利要求15所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述饱和漂移层和过冲漂移层采用的材料均为InP。
17.根据权利要求16所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述崖层的厚度为10nm~30nm。
18.根据权利要求17所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述崖层的厚度为20nm。
19.根据权利要求18所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述崖层的掺杂类型为p型,掺杂浓度为1×1017cm-3~5×1017cm-3
20.根据权利要求19所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述崖层的掺杂类型为p型,掺杂浓度为2×1017cm-3
21.根据权利要求20所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述崖层采用的材料为InP。
22.根据权利要求1所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述下过渡层依次包括第一过渡层、第二过渡层和第三过渡层,所述第一过渡层接触于所述本征耗尽吸收层,所述第三过渡层接触于所述过冲漂移层。
23.根据权利要求22所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述第一过渡层采用的材料为In0.65Ga0.35As0.755P0.245,所述第二过渡层采用的材料为In0.77Ga0.23As0.499P0.501,所述第三过渡层采用的材料为InP。
24.根据权利要求1所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述扩散层阻挡层采用的材料为InP。
25.根据权利要求24所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述上过渡层包括第三过渡层和第四过渡层,所述第三过渡层接触于所述重掺梯度非耗尽吸收层,所述第四过渡层接触于所述扩散阻挡层。
26.根据权利要求25所述的高速光电探测器的外延结构,其特征在于,所述第三过渡层采用的材料为In0.65Ga0.35As0.755P0.245,所述第四过渡层采用的材料为In0.77Ga0.23As0.499P0.501
CN202210111115.2A 2022-01-29 2022-01-29 高速光电探测器的外延结构 Pending CN116565040A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210111115.2A CN116565040A (zh) 2022-01-29 2022-01-29 高速光电探测器的外延结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210111115.2A CN116565040A (zh) 2022-01-29 2022-01-29 高速光电探测器的外延结构

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116565040A true CN116565040A (zh) 2023-08-08

Family

ID=87502369

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210111115.2A Pending CN116565040A (zh) 2022-01-29 2022-01-29 高速光电探测器的外延结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116565040A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117913161A (zh) * 2024-03-20 2024-04-19 度亘核芯光电技术(苏州)有限公司 多崖层调控高速单行载流子光电探测器
CN117913160A (zh) * 2024-03-20 2024-04-19 度亘核芯光电技术(苏州)有限公司 双崖层调控高速单行载流子光电探测器
CN118073458A (zh) * 2024-02-07 2024-05-24 北京邮电大学 一种基于感性峰化实现的高速单行载流子光电探测器

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118073458A (zh) * 2024-02-07 2024-05-24 北京邮电大学 一种基于感性峰化实现的高速单行载流子光电探测器
CN117913161A (zh) * 2024-03-20 2024-04-19 度亘核芯光电技术(苏州)有限公司 多崖层调控高速单行载流子光电探测器
CN117913160A (zh) * 2024-03-20 2024-04-19 度亘核芯光电技术(苏州)有限公司 双崖层调控高速单行载流子光电探测器
CN117913161B (zh) * 2024-03-20 2024-05-31 度亘核芯光电技术(苏州)有限公司 多崖层调控高速单行载流子光电探测器
CN117913160B (zh) * 2024-03-20 2024-05-31 度亘核芯光电技术(苏州)有限公司 双崖层调控高速单行载流子光电探测器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Duan et al. 310 GHz gain-bandwidth product Ge/Si avalanche photodetector for 1550 nm light detection
CN116565040A (zh) 高速光电探测器的外延结构
CN105576072B (zh) 低噪声雪崩光电探测器及其制备方法
JP5109981B2 (ja) 半導体受光素子
CN104465853B (zh) 一种雪崩光电二极管及其制作方法
US7582920B2 (en) Apparatus comprising an avalanche photodiode
US10340407B2 (en) Avalanche photodetector
CN107170847A (zh) 基于AlInAsSb体材料作倍增区的雪崩光电二极管及其制备方法
US20050029541A1 (en) Charge controlled avalanche photodiode and method of making the same
CN107004734A (zh) 雪崩光电二极管
CN106449855A (zh) 单行载流子光电探测器及其制作方法
US20100133637A1 (en) Avalanche photodiode
CN219106174U (zh) 一种apd光电探测器
CN204067379U (zh) 新型零伏响应雪崩光电探测器芯片
CN111312835B (zh) 单电子传输雪崩光电二极管结构及制作方法
JP2002231992A (ja) 半導体受光素子
US20040051165A1 (en) Recessed p-type region cap layer avalance photodiode
GB2157491A (en) Double mesa avalanche photodetector
JPH11330536A (ja) 半導体受光素子
US6787818B2 (en) Diffused junction photodetector and fabrication technique
GB2157490A (en) Avalanche photodetector
CN111755553B (zh) 铅掺杂型锗红外光电探测器及其形成方法
JPH05102517A (ja) アバランシエフオトダイオードとその製造方法
US7553734B2 (en) Method for forming an avalanche photodiode
CN117936623A (zh) 一种单行载流子光电探测器及其制备方法和使用方法

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