CN117317053A - 一种五级倍增的雪崩光电二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种五级倍增的雪崩光电二极管，包括：衬底层；生长在衬底层上的N型阻挡层，材料为n型掺杂的InAlAs；生长在N型阻挡层上的倍增区；生长在倍增区上的空间电荷层，材料为InAlAs；生长在空间电荷层上的过渡层，材料的结构通式为In(1‑x‑y)AlxGayAs；生长在过渡层上的光吸收层；生长在光吸收层上的P型阻挡层；生长在P型阻挡层上接触层，材料为P型掺杂的InGaAs。本发明能够解决无法在保持低噪声的同时获得高增益的问题；提升雪崩光电二极管的工作性能；同时，在保持低噪声的同时可获得高增益。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种五级倍增的雪崩光电二极管。
背景技术
短波红外雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，APD)在光纤通信、侦察应用和遥感等传统领域具有重要意义。为了适应不断发展的光纤通信系统，关于雪崩光电二极管的研究主要集中在实现更低的噪声和更高的增益带宽积上。较低的噪声通常与较高的速度有关，因为在增益分布中，高增益会导致较高的噪声和较长的传输时间。因此，如何有效降低噪声是雪崩光电二极管研究中的重大课题。
目前，传统的雪崩光电二极管为了实现雪崩光电二极管的更高性能，通常是利用碰撞电离工程(Impact-ionization-engineering,I2E)，I2E器件的载流子从宽带隙的材料过渡到窄带隙的材料时，通过碰撞电离阈值能量的突变以降低碰撞电离来实现低噪声。
然而，窄带隙的吸收层和宽带隙的电荷层通常是用不同的材料制成的，会造成两层界面上存在晶格失配和能带不连续，从而导致雪崩光电二极管器件的量子效率和响应速度较低，存在无法在保持低噪声的同时获得高增益的问题。
发明内容
鉴于此，本发明实施例提供了一种五级倍增的雪崩光电二极管，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。能够解决无法在保持低噪声的同时获得高增益的问题。
本发明的一个方面提供了一种五级倍增的雪崩光电二级管，包括：
衬底层；
N型阻挡层，N型阻挡层生长在衬底层上，N型阻挡层的材料为n型掺杂的InAlAs；
倍增区，倍增区生长在N型阻挡层上，倍增区包括八层级结构的雪崩倍增层；
空间电荷层，空间电荷层生长在倍增区上，空间电荷层的材料为InAlAs；
过渡层，过渡层生长在空间电荷层上；过渡层的材料的结构通式为In(1-x-y)AlxGayAs；其中，x大于0％且小于85％；过渡层用于平滑光吸收层和空间电荷层之间的带隙差；
光吸收层，光吸收层生长在过渡层上，光吸收层的材料为InGaAs；空间电荷层用于调节光吸收层和倍增区的电场分布；
P型阻挡层，P型阻挡层生长在光吸收层上，包括第一阻挡子层，第二阻挡子层和第一过渡子层，第一阻挡子层的材料和第一过渡子层的材料为InAlGaAs、第二阻挡子层的材料为P-InAlAs；
接触层，接触层生长在P型阻挡层区上，接触层的材料为P型掺杂的InGaAs。
可选地，过渡层的厚度为40±10nm，掺杂浓度为1×1014cm-3至1×1015cm-3。
可选地，P型阻挡层的厚度大于或等于300nm，且小于或等于400nm。
可选地，空间电荷层包括第一电荷子层和第二电荷子层，第一电荷子层的掺杂浓度和第二电荷子层的掺杂浓度不同；第一电荷子层的厚度为30nm，第二电荷子层的厚度为35nm。
可选地，光吸收层包括第一吸收子层和第二吸收子层；第一吸收子层的厚度为50±10nm，掺杂浓度为1×1018cm-3；第二吸收子层的厚度为1300±200nm，掺杂浓度为1×1014cm-3-1×1015cm-3。
可选地，倍增区包括：
第一缓冲层，第一缓冲层的材料为InAlAs，生长在N型阻挡层上；
倍增层，倍增层的材料为InAlGaAs，生长在第一缓冲层上；
第一电子预热层，第一电子预热层生长在倍增层上，包括第一缓冲子层、第一预热子层、第二缓冲子层和第二预热子层；第一缓冲子层、第一预热子层、第二缓冲子层和第二预热子层的材料为InAlAs；
空穴弛豫层，空穴弛豫层生长在第一电子预热层上，包括弛豫子层、第二过渡子层和第三缓冲子层；弛豫子层、第二过渡子层和第三缓冲子层的材料为InAlAs；
碰撞离化层，碰撞离化层生长在空穴弛豫层上，材料为InAlGaAs；
第二电子预热层，第二电子预热层生长在碰撞离化层上，包括第四缓冲子层和第三预热子层；第四缓冲子层和第三预热子层的材料为InAlAs；
雪崩倍增层包括第二缓冲子层、第二预热子层、空穴弛豫层、碰撞离化层和第二电子预热层。
可选地，碰撞离化层的厚度大于或等于15nm，且小于或等于25nm。
可选地，接触层的厚度大于或等于15nm，且小于或等于30nm；接触层的掺杂浓度为4×1019cm-3。
可选地，N型阻挡层的掺杂浓度为1×1018cm-3。
可选地，衬底层的材料为InP，厚度为1000nm。
本发明的有益效果至少是：
本发明的五级倍增的雪崩光电二级管，能够解决无法在保持低噪声的同时获得高增益的问题；通过在光吸收层与空间电荷层中间增加材料为InAlGaAs的过渡层，可以有效平滑空间电荷层与光吸收层的带隙，电子更容易越过势垒，注入倍增层，提高输运效率，降低晶格失配和能带不连续，提升雪崩光电二极管的工作性能；同时，通过设计合理的过渡层中的材料组分、厚度和掺杂浓度来获得特殊的电场分布，抑制由空穴引起的碰撞电离，局部地增加由电子引起的碰撞电离，达到类单极载流子倍增，在保持低噪声的同时可获得高增益。
进一步的，由于过渡层可以平滑光吸收层和空间电荷层之间的带隙差，降低空穴积累效应，避免电子和空穴在空间电荷层积累，减少被中和的空间电荷层少子，以此保持空间电荷层对雪崩光电二级管的电场的控制作用，通过空间电荷层调节光吸收层和倍增层的电场分布，使得光吸收层的电场强度足够高以分离光生电子空穴对又不至于太高而产生大的隧穿暗电流，以及使得倍增层的电场足够高来让载流子碰撞离化。
进一步的，随着电子朝着更高的电场前进并进入到倍增层中，电子引发的电离事件越来越多，基于此，通过设置五级倍增，电子的碰撞离化集中在高场倍增层，另一方面，从阴极方向漂移而来的空穴，在刚经过较窄的高电场倍增层预热后，紧接着又经低电场弛豫层骤冷降能，这就可使空穴的碰撞离化发生几率大幅降低，进而保持单电子倍增，降低过剩噪声；同时，在4级倍增区中的各级倍增区之间添加有弛豫层，以此降低电子在倍增区以外发生碰撞离化的几率并通过降低空穴能量来抑制空穴的碰撞离化，以保证过剩噪声降低的可行性。
本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：
图1为本发明一实施例提供的五级倍增的雪崩光电二极管的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的雪崩光电二极管的光电流、暗电流图；
图3为本发明一实施例提供的增益和噪声的关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
首先，对本申请实施例涉及的若干名词进行介绍。
雪崩二极管：是一种特殊类型的二极管，也称为击穿二极管或Zener二极管。它在电压达到特定值时会发生击穿，使得电流迅速增大，起到稳压和保护电路的作用。当外加的反向电压超过雪崩电压时，电子会通过击穿区域，形成电子的雪崩效应，使得二极管处于击穿状态。在这种状态下，二极管具有较低的电阻，可以将电压稳定在一个相对固定的值上，从而实现稳压的功能。
雪崩倍增层(Avalanche multiplication layer):是一种用于半导体器件中的关键结构层。它通常用于高电压、高功率和高速应用中，旨在实现电子或空穴的雪崩增强效应，从而增加载流子的数量。雪崩倍增层一般由高电场下容易产生雪崩效应的材料构成，常见的材料有硅(Si)、砷化镓(GaAs)等。当电子或空穴穿越雪崩区域时，由于高电场的作用，它们会与晶格中的离子发生碰撞，引起离子化过程并释放更多的载流子。这种雪崩效应可以有效地将一个载流子转变为多个载流子，从而增强电流的驱动能力。
具体的，本发明的实施例提供了一种五级倍增的雪崩光电二极管，包括依次设置的多层结构，具体包括：衬底层、N型阻挡层、倍增区、空间电荷层、过渡层、光吸收层、P型阻挡层和接触层。
本实施例中，衬底层的材料为InP，厚度为1000nm。其中，InP是指磷化铟(IndiumPhosphide)，是一种由铟(Indium)和磷(Phosphorus)元素构成的III-V族半导体材料。
在实际实现时，可以根据实际情况调整衬底层的厚度，例如900nm或者1050nm等，本实施例不对衬底层的厚度的实现方式作限定。
N型阻挡层生长在衬底层上，N型阻挡层的材料为n型掺杂的InAlAs。其中，InAlAs为铟(In)、铝(Al)和砷(As)组成的半导体合金材料。
倍增区生长在N型阻挡层上，包括八层级结构的雪崩倍增层。其中，八层级结构的雪崩倍增层是指在雪崩倍增层中包含了八个不同的层级。
具体的，本实施例中，倍增区中包括第一缓冲层、倍增层、第一电子预热层、空穴弛豫层、碰撞离化层、第二电子预热层。第一缓冲层的材料为InAlAs，生长在N型阻挡层上；倍增层的材料为InAlGaAs，生长在第一缓冲层上。其中，InAlGaAs为铟(Indium)、铝(Aluminum)、镓(Gallium)和砷(As)组成的半导体合金材料。
倍增区中的第一电子预热层生长在倍增层上，包括第一缓冲子层、第一预热子层、第二缓冲子层和第二预热子层；其中，第一缓冲子层、第一预热子层、第二缓冲子层和第二预热子层的材料为InAlAs。空穴弛豫层生长在第一电子预热层上，包括弛豫子层、第二过渡子层和第三缓冲子层；弛豫子层、第二过渡子层和第三缓冲子层的材料为InAlAs。碰撞离化层生长在空穴弛豫层上，材料为InAlGaAs；碰撞离化层的厚度大于或等于15nm，且小于或等于25nm。第二电子预热层生长在碰撞离化层上，包括第四缓冲子层和第三预热子层；其中，第四缓冲子层和第三预热子层的材料为InAlAs。
本实施例中，八层级结构的雪崩倍增层包括第二缓冲子层、第二预热子层、空穴弛豫层、碰撞离化层和第二电子预热层，换言之，雪崩倍增层的八层级结构包括：第二缓冲子层、第二预热子层、弛豫子层、第二过渡子层、第三缓冲子层、碰撞离化层、第四缓冲子层和第三预热子层。
在实际实现时，五级倍增的雪崩光电二极管中包括4级倍增区，每级倍增区的层级结构均相同，且每级倍增区之间添加有弛豫层，以实现雪崩光电二极管的五级倍增。
空间电荷层生长在倍增区上，空间电荷层的材料为InAlAs。
本实施例中，空间电荷层包括第一电荷子层和第二电荷子层，第一电荷子层的掺杂浓度和第二电荷子层的掺杂浓度不同。
可选地，第一电荷子层的厚度为30nm，第二电荷子层的厚度为35nm。
过渡层生长在空间电荷层上，厚度为40±10nm，掺杂浓度为1×1014至1×1015cm-3；过渡层的材料的结构通式为In(1-x-y)AlxGayAs。通过调节过渡层的材料厚度与掺杂浓度，使高场区集中在倍增区，从而实现近似单电子倍增。
其中，x是指Al的成分比例，y是指Ga的成分比例；x大于0％且小于85％，Ga的组分可以根据实际需求进行调整。
可选地，y的取值为14.1％。
本实施例中，过渡层采用外延生长工具制备，所述外延生长设备包括分子束外延生长设备或者金属有机物化学沉积外延生长设备。用于平滑光吸收层和空间电荷层之间的带隙差；对于In(1-x-y)AlxGayAs材料，可通过控制x与y组分有效调控过渡层的禁带宽度，使其波长范围可覆盖为1.0至1.5μm。
通过调节x和y的值，以调控Al和Ga的组分比例，从而调节InAlGaAs材料的禁带宽度及碰撞离化率，实现对1.0至1.5μm短波范围内的光吸收，同时优化碰撞离化率实现对电子的雪崩倍增效应。
在实际实现时，可以根据实际情况调整x和y组分，调控过渡层的禁带宽度，以便过渡层能够更好的平滑带隙，本实施例不对x和y的取值作限定。
由于随着过渡层掺杂浓度上升，空间电荷层附近的导带势垒降低，光生电子更容易注入到倍增层中，更容易实现近似单电子倍增。但是随掺杂浓度上升，吸收层中的电场强度下降，会引起空穴漂移速度降低，导致电荷层周围的空穴堆积增多，线性度下降，因此，要平衡掺杂浓度。
另外，随着过渡层厚度增加，导带下落转折点逐渐延后，过渡层会分担集中于光吸收层的电场，并保持一段更长区域的低电压水平，光吸收层的电场下降。但是较厚的过渡区会延长电子漂移时间，光生电子会提前复合而降低光电流和整体增益，过渡区过薄会导致平滑带隙效果降低，进而影响光暗电流和增益。
在一个示例中，过渡层的厚度包括30nm、40nm或者100nm，掺杂浓度为1×1015cm-3。
在另一个示例中，过渡层的厚度为40nm，掺杂浓度包括1×1013cm-3、1×1014cm-3或者1×1015cm-3。
光吸收层生长在过渡层上。光吸收层的材料为InGaAs。其中，InGaAs是由铟(Indium)、镓(Gallium)和砷(Arsenic)组成的三元半导体合金材料。
其中，光吸收层包括第一吸收子层和第二吸收子层。其中，第一吸收子层为耗尽层，第二吸收子层为非耗尽层。
可选地，第一吸收子层的厚度为50±10nm，掺杂浓度为1×1018cm-3；第二吸收子层的厚度为1300±200nm，掺杂浓度为1×1014cm-3至1×1015cm-3。
本实施例中，空间电荷层用于调节光吸收层和倍增区的电场分布。
P型阻挡层生长在光吸收层上。P型阻挡层的厚度大于或等于300nm，且小于或等于400nm。
本实施例中，P型阻挡层包括第一阻挡子层，第二阻挡子层和第一过渡子层。其中，第一阻挡子层的材料和第一过渡子层的材料为InAlGaAs、第二阻挡子层的材料为P-InAlAs；P-InAlAs是指磷掺杂的铟(Indium)铝(Aluminum)砷(Arsenic)化物。
接触层生长在P型阻挡层区上，接触层的材料为P型掺杂的InGaAs。本实施例中，接触层的厚度大于或等于15nm，且小于或等于30nm，接触层的掺杂浓度为4×1019cm-3。
本实施例中的五级倍增的雪崩光电二级管，在入射光照射到雪崩光电二级管的顶部时，光吸收层中的光子被吸收，产生电子空穴对。在电场的作用下，光生空穴向雪崩光电二级管的P极移动，被接触层抽取，光生电子向雪崩光电二级管的N极移动，电子从光吸收层经过过渡层，由于过渡层可以平滑光吸收层和空间电荷层之间的带隙差，降低空穴积累效应，既避免电子和空穴在空间电荷层积累，减少被中和的空间电荷层少子，以此保持空间电荷层对雪崩光电二级管的电场的控制作用。之后，电子开始进入空间电荷层，空间电荷层的作用是调节光吸收层和倍增层的电场分布，使得光吸收层的电场强度足够高以分离光生电子空穴对又不至于太高而产生大的隧穿暗电流，以及使得倍增层的电场足够高来让载流子碰撞离化。随着电子朝着更高的电场前进并进入到倍增层中,电子引发的电离事件越来越多，此处设置了五级倍增，电子的碰撞离化集中在高场倍增层。同时，从阴极方向漂移而来的空穴，在刚经过较窄的高电场倍增层预热后，紧接着又经低电场弛豫层骤冷降能，这就可使空穴的碰撞离化发生几率大幅降低，进而保持单电子倍增，降低过剩噪声。
在高场区域，由于初次倍增后，电子的能量仍然较高，如果4级倍增区中的各级倍增区之间的电场强度仍然在较高的水平，存在电子继续在各级倍增区之间的区域内发生碰撞离化，进而导致碰撞离化区域增大，弱化降低过剩噪声的可能。另外，空穴于4级倍增区中的后级倍增区内加速后，如果遇到各级倍增区之间的高电场，则将会直接在前一级倍增区中发生碰撞离化，导致发生碰撞离化的载流子数目增多，从而也会影响过剩噪声降低的效果。
基于此，在4级倍增区中的各级倍增区之间添加有弛豫层，以此降低电子在倍增区以外发生碰撞离化的几率并通过降低空穴能量来抑制空穴的碰撞离化，以保证过剩噪声降低的可行性。
图1是本发明的实施例提供一种五级倍增的雪崩光电二极管的层级示意图，包括依次设置的多层结构，具体如下：
第1层，衬底层，材料为InP，厚度为1000nm。其中，InP是指磷化铟(IndiumPhosphide)，是一种由铟(Indium)和磷(Phosphorus)元素构成的III-V族半导体材料。
第2层，N型阻挡层，材料为n型掺杂的InAlAs。其中，InAlAs为铟(In)、铝(Al)和砷(As)组成的半导体合金材料。
第3层，第一缓冲层，材料为InAlAs。
第4层，倍增层，材料为InAlGaAs；其中，InAlGaAs为铟(Indium)、铝(Aluminum)、镓(Gallium)和砷(As)组成的半导体合金材料。
第5层，第一电子预热层，包括第一缓冲子层、第一预热子层、第二缓冲子层和第二预热子层；其中，第一缓冲子层、第一预热子层、第二缓冲子层和第二预热子层的材料为InAlAs。
第6层，空穴弛豫层，包括弛豫子层、第二过渡子层和第三缓冲子层；弛豫子层、第二过渡子层和第三缓冲子层的材料为InAlAs。
第7层，碰撞离化层，材料为InAlGaAs；碰撞离化层的厚度大于或等于15nm，且小于或等于25nm。
第8层，第二电子预热层，包括第四缓冲子层和第三预热子层；其中，第四缓冲子层和第三预热子层的材料为InAlAs。
第9层，空间电荷层，材料为InAlAs，包括第一电荷子层和第二电荷子层，第一电荷子层的掺杂浓度和第二电荷子层的掺杂浓度不同。
第10层，过渡层，厚度为40±10nm，掺杂浓度为1×1014至1×1015cm-3；过渡层的材料的结构通式为In(1-x-y)AlxGayAs。
第11层，光吸收层，材料为InGaAs。其中，InGaAs是由铟(Indium)、镓(Gallium)和砷(Arsenic)组成的三元半导体合金材料。
第12层，P型阻挡层，厚度大于或等于300nm，且小于或等于400nm，包括第一阻挡子层，第二阻挡子层和第一过渡子层。其中，第一阻挡子层的材料和第一过渡子层的材料为InAlGaAs、第二阻挡子层的材料为P-InAlAs；P-InAlAs是指磷掺杂的铟(Indium)铝(Aluminum)砷(Arsenic)化物。
第13层，接触层，材料为P型掺杂的InGaAs，接触层的厚度大于或等于15nm，且小于或等于30nm，接触层的掺杂浓度为4×1019cm-3。
在上述13层中，第一缓冲层、倍增层、第一电子预热层、空穴弛豫层、碰撞离化层、第二电子预热层为五级倍增的雪崩光电二极管的倍增区。需要注意的是，本实施例中的五级倍增的雪崩光电二极管中包括4级倍增区，每级倍增区的层级结构均相同，且每级倍增区之间添加有弛豫层，在图1中并未示出。
在图1所示的五级倍增的雪崩光电二级管的层级这结构中，光在吸收层被吸收，产生电子空穴对。在电场的作用下，光生空穴向雪崩光电二级管的P极移动，被接触层抽取，光生电子向雪崩光电二级管的N极移动，越过空间电荷层势垒注入到倍增层中，在倍增层中碰撞离化。
其中，空间电荷层的作用是调节光吸收层和倍增层的电场分布，使得光吸收层的电场强度足够高以分离光生电子空穴对又不至于太高而产生大的隧穿暗电流，以及使得倍增层的电场足够高来让载流子碰撞离化。过渡层的作用是平滑光吸收层和空间电荷层之间的带隙差，降低空穴累积效应，即避免电子和空穴在电荷区内积累，减少被中和的电荷区少子，以此保持空间电荷区对器件电场的控制作用。
图2至图3本发明的实施例提供雪崩光电二极管的光电流、暗电流图与增益和噪声的关系图。如图2和图3所示，本发明可有效控制暗电流处于较低数量级，且光电流倍增明显，倍增因子超过400，低噪声有效k值在0.01左右，工艺简单，易于控制。
在偏压为35V左右时，雪崩光电二极管进入工作区，光吸收层产生的电子空穴对经过倍增层的放大作用，能够较稳定的产生光电流，光电流密度大小比暗电流密度大小高3至4个数量级，性质较好。
在偏压达到65V左右时，雪崩光电二极管开始击穿，暗电流与光电流迅速上升。通过理论计算，在该外延结构下，增益(M)至少可以达到430，噪声因子较小且随着M的变化F的变化保持平稳，在M＝100时，F约为3.17。
本发明的又一实施例提供了一种五级倍增的雪崩光电二极管，该雪崩光电二极管基于InAlGaAs材料制备，其中，InAlGaAs是由铟(Indium)、铝(Aluminum)和镓(Gallium)元素组成的四元半导体合金材料，其禁带宽度为0.99eV，位于短红外波段，用于短波波段红外探测。具体结构如下：
衬底层，材料为InP，厚度为1000nm。
衬底层上方有N型阻挡层，材料为n型掺杂的InAlAs，掺杂浓度为1×1018cm-3。
N型阻挡区域上方有倍增区，包括倍增层及其缓冲层和八层级结构的雪崩倍增层。
雪崩倍增层上方有空间电荷层，由两层掺杂浓度不同的InAlAs组成，厚度分别为30nm和35nm。
空间电荷层上方形成有厚度为40nm的过渡层，材料为InAlGaAs。
过渡层上方形有光吸收层，由两层厚度分别为40nm和1460nm InGaAs材料组成，掺杂浓度分别为1×1018cm-3、1×1015cm-3。
光吸收层上方有P型阻挡层，分别由三层材料InAlGaAs、P-InAlAs、InAlGaAs组成。
P型阻挡层上方形成有接触层，P型掺杂，掺杂浓度为4×1019cm-3。
综上所述，本实施例中的五级倍增的雪崩光电二级管，能够解决无法在保持低噪声的同时获得高增益的问题；通过在光吸收层与空间电荷层中间增加材料为InAlGaAs的过渡层，可以有效平滑空间电荷层与光吸收层的带隙，电子更容易越过势垒，注入倍增层，提高输运效率，降低晶格失配和能带不连续，提升雪崩光电二极管的工作性能；同时，通过设计合理的过渡区中的材料组分、厚度和掺杂浓度来获得特殊的电场分布，抑制由空穴引起的碰撞电离，局部地增加由电子引起的碰撞电离，达到类单极载流子倍增，在保持低噪声的同时可获得高增益。
进一步的，由于过渡层可以平滑光吸收层和空间电荷层之间的带隙差，降低空穴积累效应，避免电子和空穴在空间电荷层积累，减少被中和的空间电荷层少子，以此保持空间电荷层对雪崩光电二级管的电场的控制作用，通过空间电荷层调节光吸收层和倍增层的电场分布，使得光吸收层的电场强度足够高以分离光生电子空穴对又不至于太高而产生大的隧穿暗电流，以及使得倍增层的电场足够高来让载流子碰撞离化。
进一步的，随着电子朝着更高的电场前进并进入到倍增层中,电子引发的电离事件越来越多，基于此，通过设置五级倍增，电子的碰撞离化集中在高场倍增层，另一方面，从阴极方向漂移而来的空穴，在刚经过较窄的高电场倍增层预热后，紧接着又经低电场弛豫层骤冷降能，这就可使空穴的碰撞离化发生几率大幅降低，进而保持单电子倍增，降低过剩噪声；同时，在4级倍增区中的各级倍增区之间添加有弛豫层，以此降低电子在倍增区以外发生碰撞离化的几率并通过降低空穴能量来抑制空穴的碰撞离化，以保证过剩噪声降低的可行性。
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种五级倍增的雪崩光电二极管，其特征在于，所述五级倍增的雪崩光电二极管包括：
衬底层；
N型阻挡层，所述N型阻挡层生长在所述衬底层上，所述N型阻挡层的材料为n型掺杂的InAlAs；
倍增区，所述倍增区生长在所述N型阻挡层上，所述倍增区包括八层级结构的雪崩倍增层；
空间电荷层，所述空间电荷层生长在所述倍增区上，所述空间电荷层的材料为InAlAs；
过渡层，所述过渡层生长在所述空间电荷层上；所述过渡层的材料的结构通式为In(1-x-y)AlxGayAs；其中，所述x大于0％且小于85％；所述过渡层用于平滑所述光吸收层和所述空间电荷层之间的带隙差；
光吸收层，所述光吸收层生长在所述过渡层上，所述光吸收层的材料为InGaAs；所述空间电荷层用于调节所述光吸收层和所述倍增区的电场分布；
P型阻挡层，所述P型阻挡层生长在所述光吸收层上，包括第一阻挡子层，第二阻挡子层和第一过渡子层，所述第一阻挡子层的材料和所述第一过渡子层的材料为InAlGaAs、所述第二阻挡子层的材料为P-InAlAs；
接触层，所述接触层生长在所述P型阻挡层区上，所述接触层的材料为P型掺杂的InGaAs。
2.根据权利要求1所述的五级倍增的雪崩光电二极管，其特征在于，所述过渡层的厚度为40±10nm，掺杂浓度为1×1014cm-3至1×1015cm-3。
3.根据权利要求1所述的五级倍增的雪崩光电二极管，其特征在于，所述P型阻挡层的厚度大于或等于300nm，且小于或等于400nm。
4.根据权利要求1所述的五级倍增的雪崩光电二极管，其特征在于，所述空间电荷层包括第一电荷子层和第二电荷子层，所述第一电荷子层的掺杂浓度和所述第二电荷子层的掺杂浓度不同；所述第一电荷子层的厚度为30nm，所述第二电荷子层的厚度为35nm。
5.根据权利要求1所述的五级倍增的雪崩光电二极管，其特征在于，所述光吸收层包括第一吸收子层和第二吸收子层；所述第一吸收子层的厚度为50±10nm，掺杂浓度为1×1018cm-3；所述第二吸收子层的厚度为1300±200nm，掺杂浓度为1×1014cm-3至1×1015cm-3。
6.根据权利要求1所述的五级倍增的雪崩光电二极管，其特征在于，所述倍增区包括：
第一缓冲层，所述第一缓冲层的材料为InAlAs，生长在所述N型阻挡层上；
倍增层，所述倍增层的材料为InAlGaAs，生长在所述第一缓冲层上；
第一电子预热层，所述第一电子预热层生长在所述倍增层上，包括第一缓冲子层、第一预热子层、第二缓冲子层和第二预热子层；所述第一缓冲子层、所述第一预热子层、所述第二缓冲子层和所述第二预热子层的材料为InAlAs；
空穴弛豫层，所述空穴弛豫层生长在所述第一电子预热层上，包括弛豫子层、第二过渡子层和第三缓冲子层；所述弛豫子层、所述第二过渡子层和所述第三缓冲子层的材料为InAlAs；
碰撞离化层，所述碰撞离化层生长在所述空穴弛豫层上，材料为InAlGaAs；
第二电子预热层，所述第二电子预热层生长在所述碰撞离化层上，包括第四缓冲子层和第三预热子层；所述第四缓冲子层和所述第三预热子层的材料为InAlAs；
所述雪崩倍增层包括所述第二缓冲子层、所述第二预热子层、所述空穴弛豫层、所述碰撞离化层和所述第二电子预热层。
7.根据权利要求6所述的五级倍增的雪崩光电二极管，其特征在于，所述碰撞离化层的厚度大于或等于15nm，且小于或等于25nm。
8.根据权利要求1所述的五级倍增的雪崩光电二极管，其特征在于，所述接触层的厚度大于或等于15nm，且小于或等于30nm；所述接触层的掺杂浓度为4×1019cm-3。
9.根据权利要求1所述的五级倍增的雪崩光电二极管，其特征在于，所述N型阻挡层的掺杂浓度为1×1018cm-3。
10.根据权利要求1所述的五级倍增的雪崩光电二极管，其特征在于，所述衬底层的材料为InP，厚度为1000nm。
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