CN117276376A - 薄层高频雪崩光电二极管及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电传感器的技术领域，公开了一种薄层高频雪崩光电二极管及其应用。本发明提供的雪崩光电二极管包括有基板、设置于基板正面的雪崩光电结构和设置于基板背面的透光层；其中，雪崩光电结构中同时采用倒置结构（p‑side down）和三平台结构，且通过在雪崩光电结构的吸收层内设置N层p‑掺杂层和至少1层低掺杂层，在吸收层内部形成N+1层有效渐变掺杂的复合层结构，使得光子能够在吸收层内实现反射。该雪崩光电二极管有效克服了现有技术中存在的响应速度和量子效率在吸收区厚度上的矛盾，同时实现提高响应速度、光吸收效率以及灵敏度的效果。
Description
技术领域
本发明属于光电传感器的技术领域，尤其涉及一种薄层高频雪崩光电二极管及其应用。
背景技术
雪崩光电二极管（APD）具有较高频率响应特性和较高内增益的器件，器件在高的反偏压下，吸收层吸收入射光产生光生载流子，使得内部光生载流子在强电场的作用下与晶格碰撞离化会产生雪崩效应，单个载流子产生的光电流被放大至宏观上可以被探测的程度，从而实现单光电子探测，被广泛地应用于光纤通信、激光测距、量子密钥分配、量子成像、生物检测以及光纤传感等系统中。根据所具有的结构可将APD分为PN型、PIN型、吸收倍增分离型（SAM）、吸收电荷倍增分离型（SACM）、吸收渐变电荷倍增分离型（SAGCM）等以及以这些结构为基础演变的APD。
其中，SACM型APD的特点是在结构中引入了电荷层，通过电荷层精准地调控吸收区和倍增区的电场，从而提高APD的响应速度和量子效率，有效克服了其他结构中存在的倍增区掺杂浓度和厚度对APD性能较大限制的局限，具有良好的应用前景。但是，SACM型APD中仍然存在着响应速度和量子效率在吸收区厚度上的矛盾——增大吸收区的厚度可使APD具有高的光吸收效率和高频宽，但是同时会降低响应速度且增大暗电流；而如若减小吸收区厚度可增大响应速度，但是吸收区厚度较小不利于长波的吸收，同样会降低APD的光吸收效率、频宽、检测灵敏度以及击穿电流，以及使得APD的暗电流增大，无法通过对SACM型APD结构的简单调整获得一种兼具高响应速度、高光吸收效率以及高灵敏度的APD，具有一定的局限性。
发明内容
为了同时提高APD的高响应速度、高光吸收效率以及高灵敏度，本发明提供了一种薄层高频雪崩光电二极管及其应用。
第一方面，本发明提供的雪崩光电二极管采用以下的技术方案：
一种雪崩光电二极管，包括有：
基板，包括有一正面和一背面；
设置于所述基板正面的雪崩光电结构，所述雪崩光电结构包括沿着远离基板方向依次设置的p-欧姆接触层、吸收层、p-电荷层、倍增层、n-电荷层以及n-欧姆接触层；所述p-接触层和吸收层之间形成第一平台结构，所述倍增层和n-电荷层之间形成第二平台结构，所述n-电荷层和n-欧姆接触层形成第三平台结构；所述吸收层包括N层p-掺杂层和至少1层低掺杂层，所述低掺杂层设置于吸收层背离基板的一侧，N=4~6；所述p-掺杂层的厚度为(0.05~0.15)um，沿着远离基板的方向所述p-掺杂层的掺杂浓度逐层递减，最靠近基板的所述p-掺杂层的掺杂浓度为(3E+18~4E+18)cm-3，最远离基板的所述p-掺杂层的掺杂浓度为(5E+16~1E+18)cm-3；所述低掺杂层的厚度为(0.2~0.25)um，所述低掺杂层的掺杂浓度为(1E+15~2E+15)cm-3；
光从所述基板的背面照入。
第二方面，本发明提供了以上雪崩光电二极管在光纤通信系统、激光测距系统、量子密钥分配系统、量子成像系统、生物检测系统和和光纤传感系统中的应用。
有益效果：
本发明中提供的雪崩光电二极管与现有技术存在着较大的区别：首先，创造性地将吸收层设置为包括N层厚度极薄的p-掺杂层和至少1层低掺杂层或未掺杂层的N+1层有效分级掺杂的复合层结构，以在吸收层内部形成多个光滑界面，同时调控吸收层中的掺杂轮廓，使吸收层的掺杂浓度在特定的区间内且沿着远离基板的方向掺杂浓度呈逐层递减的趋势，使得吸收层相较于现有的APD可具有更小的厚度；其次，将雪崩光电结构和入光方向分别设置于基板的相对两侧，且倍增层以及n-欧姆接触层接近雪崩光电二极管的表面，以形成倒置结构（p-side down）；再者，p-接触层和吸收层之间形成第一平台结构、倍增层和n-电荷层之间形成第二平台结构以及n-电荷层和n-欧姆接触层之间形成第三平台结构，使得雪崩光电结构具有三平台的mesa结构，通过吸收层特殊结构的设置，配合以雪崩光电结构内部层相对位置的调整以及整体结构的改变，通过各改进以及调整的协同配合，使得该雪崩光电二极管能够兼具高响应速度、高光吸收效率以及高灵敏度，很好地满足高频信号传输的需要。
推测原因可能是：在本发明提供的雪崩光电二极管中，可利用吸收层内部的光滑界面使得光子在吸收层内部发生多次反射，以延长光子在吸收层的通过时间进而提高吸收光子效率，且极薄的吸收层厚度可最大限度地缩短光生载流子的通过时间，很好地提高响应速度；同时，吸收层沿着光入射的方向具有掺杂浓度逐层递减的趋势，即吸收层靠近光入射的一侧具有更高的空穴浓度，并配合以雪崩光电结构所具有的倒置结构以及三平台mesa结构，能够更好地控制电流密度以及APD边缘电场扩增，减小边缘击穿的产生，同时也降低了所产生的暗电流；本发明提供的技术方案中通过各技术特征的巧妙设置，有效克服了现有技术中雪崩光电二极管所存在的响应速度和量子效率在吸收区厚度上的矛盾，从而实现同时提高雪崩光电二极管响应速度、光吸收效率以及灵敏度的效果。
附图说明
图1为本发明中实施例1提供的雪崩光电二极管的剖面结构示意图。
图2为图1中局部A的放大结构示意图。
图3为本发明中实施例1提供的雪崩光电二极管的频率响应曲线图。
附图标记：1、基板；2、雪崩光电结构；21、p-欧姆接触层；22、吸收层；23、过渡层；24、p-电荷层；25、倍增层；26、n-电荷层；27、n-欧姆接触层；3、第一平台结构；4、第二平台结构；5、第三平台结构；6、p-掺杂层；7、低掺杂层；8、减反射层；9、钝化层；10、电极接触区。
具体实施方式
本发明中提供了一种薄层高响应速度、高光吸收效率以及高灵敏度雪崩光电二极管，具体结构包括基板、雪崩光电结构和透光层，雪崩光电结构和入光方向分别设置在基板的正面和背面；此处所定义的正面和背面仅用以帮助描述雪崩光电结构和入光方向相较于基板的相对位置，并不是对雪崩光电二极管结构的限定。
本发明中，基板为雪崩光电二极管中通常使用的材料，并不加以特别的限定，实例性的可以是但不限制于硅半导体基板；而在一些优选的方式中基板选择为3n S.I. InP（625μm）。
其中，雪崩光电结构定义为能够将光信号转化成电信号，且通过施加反向电压产生内部增益进而实现信号放大效果的结构。
本发明中，雪崩光电结构包括远离基板方向依次设置的p-欧姆接触层、吸收层、p-电荷层、倍增层、n-电荷层以及n-欧姆接触层。p-欧姆接触层的面积大于吸收层的面积，使得部分p-欧姆接触层裸露以形成第一平台结构；吸收层、p-电荷层和倍增层的面积大小相同；倍增层的面积大于n-电荷层的面积，使得部分倍增层裸露以形成第二平台结构；n-电荷层的面积大于n-欧姆接触层的面积，使得部分n-电荷层裸露以形成第三平台结构。通过将雪崩光电结构设置为三平台结构，从而电流路径限制在n-欧姆接触层的覆盖面积内，且电场作用范围覆盖电流路径，有利于雪崩光电流的产生，并且减小边缘击穿的发生和降低暗电流。
本发明中，p-欧姆接触层为p型掺杂，具体可以是但不限制于碳掺杂和/或铍掺杂。在一些优选的实施方式中，p-欧姆接触层选择为碳掺杂的InxGa1p-xAs，x=0.53，且掺杂浓度为(1.0E+19~1.2E+19)cm-3，具体可以是1E+19cm-3、1.05E+19cm-3、1.1E+19cm-3、4E+18cm-3或它们之间的任意值。在另一些具体的实施方式中，p-欧姆接触层的厚度优选为0.1~0.8um，具体可以是0.1um、0.2um、0.3um、0.5um、0.7um、0.8um或它们之间的任意值。
本发明中，实现提高响应速度、光吸收效率以及灵敏度的关键在于对吸收层的巧妙设置——吸收层具有掺杂渐变的复合层结构，且吸收层的厚度极薄。吸收层具体包括N层p-掺杂层和至少1层低掺杂层，且低掺杂层位于吸收层背离基板的一侧，N=4~6，吸收层中包括的p-掺杂层的层数具体可以是4层、5层或6层（即N=4、5或6）。
本发明中，吸收层的p-掺杂层具体设置方式为：p-掺杂层的厚度仅有(0.05~0.15)um，具体的可以是0.05um、0.055um、0.065um、0.07um、0.075um、0.08um、0.09um、0.10um、0.13um、0.15um或它们之间的任意值，且各p-掺杂层具有相同或几近相等的厚度；沿着远离基板的方向，p-掺杂层的掺杂浓度逐层递减；且最靠近基板的所述p-掺杂层的掺杂浓度为(3E+18~4E+18)cm-3，具体可以是3E+18cm-3、3.1E+18cm-3、3.3E+18cm-3、3.7E+18cm-3、4E+18cm-3或它们之间的任意值；最远离基板的所述p-掺杂层的掺杂浓度为(5E+16~1E+18)cm-3，具体可以5E+16、8E+16、1E+17、2E+17、5E+17、9E+17、1E+18或它们之间的任意值。
本发明中，吸收层的p-掺杂层具有良好的光子捕获能力且具有一定的反射能力，优选的可以是碳掺杂的InxGa1-xAs，x=0.53。
本发明中，调控p-掺杂层的层数可同时对吸收层的厚度以及其内部所含有的光滑界面进行调整，可对光子在吸收层内的反射情况和吸收效率产生影响。在一些优选的实施方式中，吸收层中设置4层厚度相等的p-掺杂层，p-掺杂层的厚度优选为(0.06~0.08)um，具体可以是且沿着远离基板的方向，各p-掺杂层的掺杂浓度依次为(3.2E+18~4.0E+18)cm-3、(2.5E+18~3.0E+18)cm-3、(1.5E+18~2E+18)cm-3和(0.8E+18~1E+18)cm-3；此时的雪崩光电二极管具有优秀的响应速度、光吸收效率以及灵敏度。
本发明中，吸收层的低掺杂层的厚度设置为(0.1~0.25)um，具体可以是0.1um、0.2um、0.21um、0.23um、0.24um、0.25um或它们之间的任意值；掺杂浓度为(1E+15~2E+15)cm-3；具体可以是1E+15cm-3、1.3E+15cm-3、1.5E+15cm-3、1.7E+15cm-3、2E+15cm-3或它们之间的任意值。
本发明中，吸收层的低掺杂层与p-掺杂层晶格适配，可选择为与p-掺杂层相同的碳掺杂的InxGa1-xAs（x=0.53）或无意掺杂。
本发明中，p-电荷层选择为碳掺杂的InxAl1-xAs，x=0.52，且掺杂浓度为(2.5E+17~2.7E+17)cm-3，具体可以是2.5E+17cm-3、2.6E+17cm-3、2.7E+17cm-3或它们之间的任意值。且为了使电场控制效果和光生载流子通过时间达到一个很好地平衡，p-电荷层的厚度优选的为(0.10~0.15)um，具体可以是0.1um、0.12um、0.13um、0.14um、0.15um或它们之间的任意值。
本发明中，为了降低吸收层与p-电荷层之间的晶格适配，减小因价带差异所带俩的空穴垒势，吸收层和p-电荷层之间优选的还设置有过渡层，过渡层材料的带隙介于吸收层材料和p-电荷层材料之间，具体可以是InAlGaAs。且为了使过渡效果和光生载流子通过时间达到一个很好地平衡，过渡层的厚度优选的为(0.04~0.5)um，具体可以是0.04um、0.08um、0.1um、0.2um、0.4um、0.5um或它们之间的任意值。
本发明中，倍增层选择为InxAl1-xAs，x=0.52，且为了缩短雪崩倍增过程所需的时间，提高雪崩光电二极管的响应速度，倍增层中杂质的掺杂浓度优选的不高于1E+15cm-3。
本发明中，n-电荷层选择为硅掺杂的InxGa1-xAs，x=0.53，且掺杂浓度为(3E+18~1E+19)cm-3，具体可以是3E+18cm-3、4E+18cm-3、5E+18cm-3、8E+18cm-3、1E+19cm-3或它们之间的任意值。且为了使电场控制效果和光生载流子通过时间达到一个很好地平衡，n-电荷层的厚度优选的为(0.1~0.3)um，具体可以是0.1um、0.15um、0.2um、0.25um、0.3um或它们之间的任意值。
本发明中，n-欧姆接触层为n型掺杂，具体可以是但不限制于Si在一些优选的实施方式中，n-欧姆接触层选择为硅掺杂的InxGa1-xAs，x=0.53，且掺杂浓度为(5E+18~5.2E+18)cm-3，具体可以是5E+18cm-3、5.05E+18cm-3、5.1E+18cm-3、5.18E+18cm-3、5.2E+18cm-3或它们之间的任意值。在另一些具体的实施方式中，n-欧姆接触层的厚度优选为0.1~0.8um，具体可以是0.1um、0.2um、0.3um、0.5um、0.7um、0.8um或它们之间的任意值。
本发明中，为了减小光的反射以提高雪崩光电二极管的灵敏度，基板的背面上设置有减反射层，该减反射层为同时具有高透光率和低反射率的材料，实例性的可以是但不限制于SixNy。
本发明中，为了减小边缘击穿的发生，第一平台结构、第二平台结构、第三平台结构和雪崩光电结构的侧面包覆有钝化层，且钝化层并未遮盖p-欧姆接触层和n-欧姆接触层表面的电极接触区；钝化层具体可以是但不限制于SiO2。
本发明提供的雪崩光电二极管由于其所具有的特殊结构，因而具有优秀的高响应速度、高光吸收效率以及高灵敏度，能够满足10G甚至25G高频检测或信号传输的需求，因而可以被很好地应用于光纤通信系统、激光测距系统、量子密钥分配系统、量子成像系统、生物检测系统和和光纤传感系统等领域中。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或按照产品说明书进行。
实施例1
本实施例用以说明一种雪崩光电二极管的结构。参照图1和2，该雪崩光电二极管包括基板1、设置在基板正面的雪崩光电结构2和设置在基板背面的减反射层8。
雪崩光电结构2包括沿着远离基板方向依次层叠设置的p-欧姆接触层21、吸收层22、过渡层23、p-电荷层24、倍增层25、n-电荷层26以及n-欧姆接触层27；且p-欧姆接触层21的面积大于吸收层22的面积，使得部分p-欧姆接触层21裸露以形成第一平台结构3；吸收层22、过渡层23、p-电荷层24和倍增层25的面积大小相同；倍增层25的面积大于n-电荷层26的面积，使得部分倍增层裸露以形成第二平台结构4；n-电荷层26的面积大于n-欧姆接触层27的面积，使得部分n-电荷层26裸露以形成第三平台结构5；其中，吸收层22包括四层p-掺杂层6和一层低掺杂层7，低掺杂层7位于吸收层22背离基板1的一侧。本实施例中，基板1的一侧上还铺设有减反射层8，在第一平台结构3、第二平台结构4、第三平台结构5和雪崩光电结构2的侧面设置有钝化层9，且钝化层9并未覆盖p-欧姆接触层21背离基板1一面上的电极接触区10。
本实施例提供的雪崩光电二极管各层材料如表1所示。
表1.
图3为采用示波器对本实施例提供的雪崩光电二极管进行测试的实验结果图（测试条件：光电流@1uW、25oC；电容@ f=1MHz，25oC），由图中可以看出，该雪崩光电二极管具有高频宽，能够很好地满足高频信号传输的需要。
实施例2
本实施例与实施例1提供的雪崩光电二极管具有基本相同的结构，不同之处在于吸收层材料不同，具体如表2所示。
表2.
实施例3
本实施例与实施例1提供的雪崩光电二极管具有基本相同的结构，不同之处在于吸收层具有6层p-掺杂层，具体如表3所示。
表3.
实施例4
本实施例与实施例1提供的雪崩光电二极管具有基本相同的结构，不同之处在于吸收层材料及厚度都不同，具体如表4所示。
表4.
实施例5
本实施例与实施例1提供的雪崩光电二极管具有基本相同的结构，不同之处在于，p-掺杂层的掺杂元素为Be，具体如表5所示。
表5.
测试例
本测试例用以说明实施例1~5提供的雪崩光电二极管的相关性能，具体如下：
（1）采用半导体成分分析仪(HP 4145B)于1310nm、1uW的LD光源照射下对雪崩光电二极管进行测试，获得雪崩光电二极管于室温下的雪崩电压（Vbr）以及于0.9Vbr下的暗电流（Id）和光电流（IFL）；
（2）采用HP 4280A对雪崩光电二极管进行测试，获得雪崩光电二极管于0.9Vbr下的电容(C)；
（3）采用光学元件分析仪（Keysight N4375E）对雪崩光电二极管进行测试，获得雪崩光电二极管于3dB下的截止频率。
测试结果如表6所示。
表6. 暗电流和光电流特性
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种雪崩光电二极管，其特征在于，包括有：
基板，包括有一正面和一背面；
设置于所述基板正面的雪崩光电结构，所述雪崩光电结构包括沿着远离基板方向依次设置的p-欧姆接触层、吸收层、p-电荷层、倍增层、n-电荷层以及n-欧姆接触层；所述p-接触层和吸收层之间形成第一平台结构，所述倍增层和n-电荷层之间形成第二平台结构，所述n-电荷层和n-欧姆接触层形成第三平台结构；所述吸收层包括N层p-掺杂层和至少1层低掺杂层，所述低掺杂层设置于吸收层背离基板的一侧，N=4~6；所述p-掺杂层的厚度为(0.05~0.15)um，沿着远离基板的方向所述p-掺杂层的掺杂浓度逐层递减，最靠近基板的所述p-掺杂层的掺杂浓度为(3E+18~4E+18)cm-3，最远离基板的所述p-掺杂层的掺杂浓度为(5E+16~1E+18)cm-3；所述低掺杂层的厚度为(0.2~0.25)um，所述低掺杂层的掺杂浓度为(1E+15~2E+15)cm-3；
光从所述基板的背面照入。
2.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述吸收层包括4层厚度相等的p-掺杂层，所述p-掺杂层的厚度为(0.07~0.075)um，沿着远离基板的方向，所述p-掺杂层的掺杂浓度依次为(3.2E+18~4.0E+18)cm-3、(2.5E+18~3.0E+18)cm-3、(1.5E+18~2E+18)cm-3和(0.8E+18~1E+18)cm-3。
3.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述p-掺杂层为碳掺杂的InxGa1-xAs，x=0.53；
任选地，所述低掺杂层为碳掺杂的InxGa1-xAs，x=0.53。
4.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述p-电荷层为碳掺杂的InxAl1-xAs，x=0.52，所述p-电荷层的掺杂浓度为(2.5E+17~2.7E+17)cm-3；
任选地，所述n-电荷层为硅掺杂的InxGa1-xAs，x=0.52，所述n-电荷层的掺杂浓度为(3E+18~1E+19)cm-3。
5.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述吸收层和p-电荷层之间还设置有过渡层，所述过渡层为InAlGaAs；
任选地，所述过渡层的厚度为(0.04~0.5)um。
6.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述p-欧姆接触层为碳掺杂的InxGa1-xAs，x=0.52，所述p-欧姆接触层的掺杂浓度为(1.0E+19~1.2E+19)cm-3；
任选地，所述n-欧姆接触层为硅掺杂的InxGa1-xAs，x=0.53，所述n-欧姆接触层的掺杂浓度为(3E+18~5.2E+18)cm-3。
7.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述倍增层为InxAl1-xAs，x=0.52。
8.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述基板背面上设置有减反射层。
9.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于，所述第一平台结构、第二平台结构、第三平台结构和雪崩光电结构的侧面设置有钝化层。
10.权利要求1~9任一所述的雪崩光电二极管在光纤通信系统、激光测距系统、量子密钥分配系统、量子成像系统、生物检测系统和和光纤传感系统中的应用。
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