CN117558802A - 一种雪崩光电器件及其应用 - Google Patents

一种雪崩光电器件及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN117558802A
CN117558802A CN202311497868.2A CN202311497868A CN117558802A CN 117558802 A CN117558802 A CN 117558802A CN 202311497868 A CN202311497868 A CN 202311497868A CN 117558802 A CN117558802 A CN 117558802A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
intrinsic
inp
thickness
inalas
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
CN202311497868.2A
Other languages
English (en)
Inventor
阮鑫栋
刘超
毛亦琛
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.)
Quanzhou San'an Optical Communication Technology Co ltd
Original Assignee
Quanzhou San'an Optical Communication Technology Co ltd
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 Quanzhou San'an Optical Communication Technology Co ltd filed Critical Quanzhou San'an Optical Communication Technology Co ltd
Priority to CN202311497868.2A priority Critical patent/CN117558802A/zh
Publication of CN117558802A publication Critical patent/CN117558802A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor 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
    • H01L31/08—Semiconductor 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
    • H01L31/10—Semiconductor 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
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • H01L31/1075—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor 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
    • H01L31/0248—Semiconductor 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
    • H01L31/0256—Semiconductor 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
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L31/03042—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds characterised by the doping material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor 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
    • H01L31/0248—Semiconductor 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
    • H01L31/0256—Semiconductor 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
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L31/03046—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor 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
    • H01L31/0248—Semiconductor 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
    • H01L31/0352—Semiconductor 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 their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272—Semiconductor 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 their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier

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

本发明公开了一种雪崩光电器件及其应用，包括从下至上依次层叠的p‑InAlAs电荷调节层、本征InGaAs吸收层和n‑InP电荷调节层，其中，n‑InP电荷调节层的掺杂浓度范围是2E17～5E17，厚度范围是150～300nm，体掺杂密度的范围为300～1250E17·nm；p‑InAlAs电荷调节层的掺杂浓度范围是6E17～1E18，厚度范围是100～200nm，体掺杂密度的范围为600～2000E17·nm；n‑InP电荷调节层与p‑InAlAs电荷调节层的体掺杂密度比例范围为0.01～3。本发明可以双载流子同时倍增，在特定的条件下，达到有效倍增，提高器件的性能。

Description

一种雪崩光电器件及其应用
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种雪崩光电器件及其应用。
背景技术
雪崩光电探测器(APD)已经广泛的应用于商业、军事和科学研究中，如量子信息、生物分子探测、激光雷达成像、天文探测等。近些年，APD研究的动力主要来源于光通信。APD由于其内在增益，APD可以比传统的PIN型探测器的灵敏度高5-10分贝，其具有更高的灵敏度、响应度及频率特性，因而在过去的十几年中，由于材料和器件结构的进步，APD的性能明显提高，被广泛使用并应用于多个领域，但由于电子通讯技术的发展，对数据传输量及速率的要求激增，特别是在光通信领域，因此对APD的响应度，频率特性也有了更高的要求，特别是对数据传输速率起着决定性作用的通信带宽有着更高的要求。
目前主流APD主要是以空穴倍增的InP材料和以电子倍增的InAlAs材料为核心制作单载流子倍增APD。如图1和图7所示，以InP单独倍增结构，只有单一空穴发生倍增为例；一种以空穴倍增的APD，包括从下至上依次层叠的InP衬底11、n-InP缓冲层12、本征InGaAs吸收层13、本征InGaAsP过渡层14、n-InP电荷调节层15、本征InP倍增层16、p-InP层17和p-InGaAs接触层18。
或者，又如图2和图8所示，以InAlAs单独倍增结构，只有单一电子发生倍增为例；一种以电子倍增的APD，包括从下至上依次层叠的InP衬底21、n-InP缓冲层22、n-InAlAs层24、本征InAlAs倍增层25、p-InAlAs电荷调节层26、InAlGaAs过渡层27、本征InGaAs吸收层28、本征InGaAsP过渡层29、p-InP层30和p-InGaAs接触层31。
但是，无论是以空穴倍增的APD还是以电子倍增的APD，器件的高速特性就会受到另一种流子的限制，同时载流子的渡越时间也会影响到器件的宽带特性，存在着速率低，增益带宽积低的难点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种雪崩光电器件，可以双载流子同时倍增，在特定的条件下，达到有效倍增，提高器件的性能。
为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：
一种雪崩光电器件，包括从下至上依次层叠的p-InAlAs电荷调节层、本征InGaAs吸收层和n-InP电荷调节层，其中，n-InP电荷调节层的掺杂浓度范围是2E17～5E17，厚度范围是150～300nm，体掺杂密度的范围为300～1250E17·nm；p-InAlAs电荷调节层的掺杂浓度范围是6E17～1E18，厚度范围是100～200nm，体掺杂密度的范围为600～2000E17·nm；n-InP电荷调节层与p-InAlAs电荷调节层的体掺杂密度比例范围为0.01～3。
进一步，n-InP电荷调节层与p-InAlAs电荷调节层的体掺杂密度比例为0.6。
进一步，本征InGaAs吸收层的厚度范围是1μm～2μm。
进一步，还包括本征InAlGaAs过渡层和本征InGaAsP过渡层，本征InAlGaAs过渡层位于p-InAlAs电荷调节层和本征InGaAs吸收层之间，本征InGaAsP过渡层位于本征InGaAs吸收层和n-InP电荷调节层之间。
进一步，本征InGaAsP过渡层的厚度范围为100nm～150nm，本征InAlGaAs过渡层的厚度范围为100nm～150nm。
进一步，还包括本征InP倍增层，本征InP倍增层层叠于n-InP电荷调节层之上。
进一步，本征InP倍增层的厚度范围为0.3μm～0.5μm。
进一步，还包括本征InAlAs倍增层，p-InAlAs电荷调节层层叠于本征InAlAs倍增层之上。
进一步，本征InAlAs倍增层的厚度范围为0.15μm～0.25μm。
进一步，还包括InP衬底、n-InP缓冲层、n-InAlAs层、p-InP层和p-InGaAs接触层，InP衬底、n-InP缓冲层、n-InAlAs层从下至上依次层叠，本征InAlAs倍增层层叠于n-InAlAs层之上，p-InP层层叠于本征InP倍增层之上，p-InGaAs接触层层叠于p-InP层之上。
进一步，还包括n-InAlGaAs过渡层，n-InAlGaAs过渡层位于n-InP缓冲层和n-InAlAs层之间。
进一步，n-InAlGaAs过渡层的厚度为100nm，n-InAlAs层的厚度为100nm，掺杂浓度为5E17，本征InAlAs倍增层的厚度为200nm，p-InAlAs电荷调节层的厚度为100nm，掺杂浓度为1E18，本征InAlGaAs过渡层的厚度为100nm，本征InGaAs吸收层的厚度为1.3μm，本征InGaAsP过渡层的厚度为100nm，n-InP电荷调节层的厚度为200nm，掺杂浓度为2E17，本征InP倍增层的厚度为0.4μm，p-InP层的厚度为3μm，掺杂浓度为1E18。
进一步，p-InP层的厚度范围为1.5μm～3μm，掺杂浓度范围为1E18～2E19。
进一步，n-InAlAs层的厚度范围为80nm～150nm，掺杂浓度范围为5E17～8E17。
进一步，雪崩光电器件可应用于光调制解调器上或者在数据中心和数据中心之间远距离传输上。
本发明在一个外延结构上集成两种增益结构的APD，通过调节电荷控制层的掺杂浓度及I层厚度，设置特殊的电荷控制层体掺杂密度，可以有效调节单个PIN结构中的电场，使得电子和空穴两种载流子都可以得到倍增，提升载流子的渡越时间，同时增加有效倍增增益，这样可以提升器件的整体速率，提升带宽，与单倍增的APD相比在同增益的条件下，获得较高的增益带宽积，达到1+1＞2效果，同时对比单一倍增结构来说，可以在很宽的工作电压范围内进行工作电压的选择，提升器件的适配性或者根据系统的工作电压和要求的增益带宽积进行合理的调整，保证在此工作电压下达到最高的增益带宽积，满足系统的应用需求。
同时，本发明采用了与InP衬底匹配的InGaAs系和InAlAs系材料，这样可以保证外延材料与衬底达到完美的晶格匹配，而不会因为晶格失配引起晶体缺陷增加，使得器件暗电流增加；同时因为选择的倍增材料本身电子和空穴离化率差异大的原因，探测器可以获得较低的噪声因子，从而提升器件性能，提升增益宽积。
附图说明
图1是现有空穴倍增的APD外延结构的示意图；
图2是现有电子倍增的APD外延结构的示意图；
图3是本发明的结构示意图；
图4是InP APD的增益曲线；
图5是InAlAs APD的增益曲线；
图6是InP+InAlAs APD的增益曲线；
图7是现有技术中空穴倍增型APD的示意图；
图8是现有技术中电子倍增型APD的示意图；
图9是本申请InP+InAlAs空穴+电子双倍增型APD的示意图；
图10是过渡层加入对暗电流的影响对比图。
标号说明
InP衬底41 n-InP缓冲层42 n-InAlGaAs过渡层43
n-InAlAs层44 本征InAlAs倍增层45 p-InAlAs电荷调节层46
本征InAlGaAs过渡层47 本征InGaAs吸收层48 本征InGaAsP过渡层49
n-InP电荷调节层50 本征InP倍增层51 p-InP层52
p-InGaAs接触层53 P电极91 N电极92。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述，不能理解为对本发明的限制。在此需要说明的是，下面所描述的本发明各个实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明所揭示的是一种雪崩光电器件，包括从下至上依次层叠的p-InAlAs电荷调节层46、本征InGaAs吸收层48和n-InP电荷调节层50，其中，n-InP电荷调节层50的掺杂浓度范围是2E17～5E17，厚度范围是150～300nm，体掺杂密度的范围为300～1250E17·nm；p-InAlAs电荷调节层46的掺杂浓度范围是6E17～1E18，厚度范围是100～200nm，体掺杂密度的范围为600～2000E17·nm；n-InP电荷调节层50与p-InAlAs电荷调节层46的体掺杂密度比例范围为0.01～3。
如果两个电荷调节层的体掺杂密度(掺杂浓度与浓度的乘积)的低于预设范围，则落在倍增区的电场强度会不足，此时基本不会产生增益，对器件性能产生严重影响；而如果高于体掺杂密度(掺杂浓度与浓度的乘积)的预设范围，则会造成雪崩区提前击穿而不会发生雪崩倍增，此时器件也不会产生增益，对器件性能造成严重影响。
同时，也要进一步控制n-InP电荷调节层50与p-InAlAs电荷调节层46两者的体掺杂密度的比例范围为0.01～3，优选的，n-InP电荷调节层50与p-InAlAs电荷调节层46的体掺杂密度比例为0.6。如果n-InP电荷调节层50与p-InAlAs电荷调节层46的比例如果未设置在有效范围内，会很容易产生一种载流子无法达到倍增效果的问题，影响双载流子同时倍增，从而影响到器件的性能。
进一步，本征InGaAs吸收层13的厚度范围是1μm～2μm。本征InGaAs吸收层13在设置时，厚度通常希望越高越好，因为厚度增加有利于光的吸收，提升响应度，提升量子效率，但如果设置太厚，虽然有利于光的吸收，但由于载流子在其中输运的时间会变长，影响器件的带宽等性能；但设置太薄，又会影响到响应度和量子效率，在本实施例中，本征InGaAs吸收层13的厚度优选为1.3μm。
进一步，还包括本征InAlGaAs过渡层47和本征InGaAsP过渡层49，本征InAlGaAs过渡层47位于p-InAlAs电荷调节层46和本征InGaAs吸收层48之间，本征InGaAsP过渡层49位于本征InGaAs吸收层48和n-InP电荷调节层50之间。
过渡层的作用有两个，一方面，要保证其晶格常数与InP晶格常数一致，避免因为晶体之间存在缺陷引起暗电流增大；另一方面，也为了缓解过渡层上下两层之间的能带不连续性，通过设置过渡层，可以有效避免因能带的不连续引起的暗电流增大和响应度降低。同时，在本实施例中，过渡层的设置均采用本征方式进行，严格控制过渡层中的掺杂。因为采用带掺杂的过渡层，会使器件的暗电流增加，从而影响到器件的性能。过渡层中加入掺杂后，由于掺杂元素的进入，其整体晶体质量会相比本征材料的晶体质量略差，这样，因为引入晶体缺陷而引起暗电流增加。如图10所示，通过对比图很明显的得知，过渡层中加入掺杂后，暗电流明显上升。进一步，本征InGaAsP过渡层49的厚度范围为100nm～150nm，本征InAlGaAs过渡层47的厚度范围为100nm～150nm。
进一步，还包括本征InP倍增层51，本征InP倍增层51层叠于n-InP电荷调节层之上，本征InP倍增层51的厚度范围为0.3μm～0.5μm。空穴载流子在本征InP倍增层51中，与晶格发生碰撞，在电场的作用下碰撞后的载流子继续与晶格碰撞，发生类似雪崩效应。
如果本征InP倍增层51厚度偏薄，空穴无法达到倍增最优，会造成增益偏低，对器件整体性能影响明显；而本征InP倍增层51厚度偏厚，虽然增益可以很高，但是，此时在高温工作条件下器件的增益性能会降低。另外，本征InP倍增层51厚度选择在0.3～0.5μm之间，其温度漂移系数可以达到0.11V/℃以上，而不在此区间内，其温度漂移系数只有0.08V/℃左右。因此要选择在0.3～0.5μm之间，既可以保证增益性能，同时可以保证器件在高温条件下的性能。
进一步，还包括本征InAlAs倍增层45，p-InAlAs电荷调节层46层叠于本征InAlAs倍增层45之上，本征InAlAs倍增层的厚度范围为0.15μm～0.25μm。电子载流子在本征InAlAs倍增层45中，与晶格发生碰撞，在电场的作用下碰撞后的载流子继续与晶格碰撞，发生类似雪崩效应。
如果本征InAlAs倍增层45厚度偏薄，空穴无法达到倍增最优，会造成增益偏低，对器件整体性能影响明显；而本征InAlAs倍增层45偏厚，同样面临高温条件下器件性能变差的问题，因此选择在0.15μm～0.25μm之间，既可以保证增益，同时器件高温条件下性能影响最小。
进一步，还包括n-InAlGaAs过渡层43，n-InAlGaAs过渡层43位于n-InP缓冲层42和n-InAlAs层44之间。设置过渡层，一方面可以平衡半导体的能带，使能带之间更为连续，更有利于电子的输运；同时通过设置过渡层，可以更好的改善后续外延层的晶体质量。由于InP缓冲层42与n-InAlAs层44的生长温度不同，如果生长完InP缓冲层42后，直接进行n-InAlAs层44的生长，会造成n-InAlAs层44的晶体质量变差，从而影响器件性能，插入n-InAlGaAs过渡层43，可以在保证晶体质量的前提下更好的进行外延层之间的生长过渡。
进一步，p-InP层52的厚度范围为1.5μm～3μm，其掺杂浓度范围为1E18～2E19。p-InP层52形成基础的PiN探测器结构，保证载流子可以通过p-InP层52到达电极形成电流，同时，可以通过p-InP层52的厚度对VBR击穿电压及工作电压做调整。
进一步，n-InAlAs层44的厚度范围为80nm～150nm，掺杂浓度范围为5E17～8E17。为了形成有效的PiN探测器结构，同时对整个器件的电场做微调，保证倍增层的倍增效应。
如图3所示，为本发明的实施例一，一种雪崩光电探测器，还包括InP衬底41、n-InP缓冲层42、n-InAlAs层44、p-InP层52和p-InGaAs接触层53。InP衬底41、n-InP缓冲层42、n-InAlAs层从下至上依次层叠，本征InAlAs倍增层45层叠于n-InAlAs层44之上，p-InP层52层叠于本征InP倍增层51之上，p-InGaAs接触层53层叠于p-InP层52之上。即从下至上依次层叠的InP衬底41、n-InP缓冲层42、n-InAlAs层44、本征InAlAs倍增层45、p-InAlAs电荷调节层46、本征InAlGaAs过渡层47、本征InGaAs吸收层48、本征InGaAsP过渡层49、n-InP电荷调节层50、本征InP倍增层51、p-InP层52和p-InGaAs接触层53。P电极91位于p-InGaAs接触层53上，N电极92位于InP衬底41上。
其中，n-InP缓冲层42的厚度为300nm，n-InAlGaAs过渡层43的厚度为100nm，n-InAlAs层44的厚度为100nm，n-InAlAs层44的掺杂浓度为5E17，本征InAlAs倍增层45的厚度为200nm，p-InAlAs电荷调节层46的厚度为100nm，p-InAlAs电荷调节层46的掺杂浓度为1E18，p-InAlAs电荷调节层46的体掺杂密度为1000E17·nm，本征InAlGaAs过渡层47的厚度为100nm，本征InGaAs吸收层的厚度为1.3μm，本征InGaAsP过渡层49的厚度为100nm，n-InP电荷调节层50的厚度为200nm，n-InP电荷调节层50的掺杂浓度为2E17，n-InP电荷调节层50的体掺杂密度为400E17·nm，本征InP倍增层51的厚度为0.4μm，p-InP层52的厚度为3μm，p-InP层52的掺杂浓度为1E18，p-InGaAs接触层53的厚度为100nm，p-InGaAs接触层53掺杂浓度为2E19。n-InP电荷调节层50与p-InAlAs电荷调节层46的体掺杂密度比例为0.4。
在本实施例中，采用Zn作为P掺杂，应用广泛，工艺成熟简单。N型掺杂基本都为Si，P型InAlAs为C的掺杂，因为C的扩散系数会较小，比较容易控制，也可以采用Zn，但采用Zn的话浓度范围会作调整，或者Mg也是可以的；P型InP采用的是Zn掺杂的方式，采用的是扩散的方式，这样工艺制程比较简单，同时对器件的气密性有非常大的帮助，同时采用扩散的方式可以把APD的电场集中控制在特定的区域，对电场的控制会相对好一些，当然也可采用原位掺杂的方式。
图9为InP+InAlAs倍增机理示意图，可以反映出产生电子和空穴双倍增的结果。当光照射后，由于禁带宽度的影响，顶层的InP层相对波长1310及1570等常用的激光为透明层，因此光直接可以被InGaAs吸收层吸收，InGaAs吸收层吸收后产生光生载流子，在反向偏压及内部电场的影响下，空穴向InP方向运动，而运动到InP部分时，由于结构的影响，会有较强的电场加速空穴的运动，在倍增区产生雪崩倍增，最后被电极收集；同理电子向InAlAs方向运动，运动到InAlAs部分时，由于结构的影响，会有较强的电场加速电子的运动，在倍增区产生雪崩倍增，最后被电极收集；从而形成电流，可以被监测并转换成电信号，从而进行数据传输。本发明使得电子和空穴两种载流子都可以得到倍增，提升载流子的渡越时间，同时增加有效倍增增益。
实施例二，与实施例一不同的地方在于：n-InP电荷调节层50的厚度为250nm，掺杂浓度为2.4E17，体掺杂密度为600E17·nm，p-InAlAs电荷调节层46的厚度为150nm，掺杂浓度为6.7E17，其体掺杂密度为1000E17·nm，n-InP电荷调节层50与p-InAlAs电荷调节层46的体掺杂密度比例为0.6。
实施例三，与实施例一的不同点在于：n-InP电荷调节层的厚度为250nm，掺杂浓度为3E17，体掺杂密度为750E17·nm，p-InAlAs电荷调节层的厚度为150nm，掺杂浓度为8E17，其体掺杂密度为1200E17·nm，n-InP电荷调节层与p-InAlAs电荷调节层的体掺杂密度比例为1.6。
对比例：与实施例一的不同点在于：n-InP电荷调节层的厚度为100nmm，掺杂浓度为1.5E17，体掺杂密度为150E17·nm，p-InAlAs电荷调节层的厚度为90nm，掺杂浓度为5E17，其体掺杂密度为450E17·nm，n-InP电荷调节层与p-InAlAs电荷调节层的体掺杂密度比例为3。
从表中可以明显看出，实施例二无论是增益、带宽还是增益带宽积都是最优，实施例三和实施例一次之，在对比例中，即便是增益带宽积为3，处于本申请的体掺杂密度的范围内，但因其n-InP电荷调节层与p-InAlAs电荷调节层的厚度和密度不在本申请的范围内，其性能也未有显著提高。
图4为InPAPD的增益曲线，其增益在VBR-3的条件下为13左右，测试其带宽为3.5GHz，其增益带宽积为45；图5为InAlAsAPD的增益曲线，其增益在VBR-3的条件下为11左右，测试其带宽为8GHZ，其增益带宽积为80以上；图6为本发明实施例二InP+InAlAs APD的增益曲线，在VBR-3的条件下，增益可以达到15+，测试其带宽可以达到10GH以上，因此采用双倍增的结构其增益带宽积可以达到150以上。
本发明可实际应用在接入网上，例如：光调制解调器(光猫)，或者应用在数据中心和数据中心之间远距离传输。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种雪崩光电器件，其特征在于：包括从下至上依次层叠的p-InAlAs电荷调节层、本征InGaAs吸收层和n-InP电荷调节层，其中，n-InP电荷调节层的掺杂浓度范围是2E17～5E17，厚度范围是150～300nm，体掺杂密度的范围为300～1250E17·nm；p-InAlAs电荷调节层的掺杂浓度范围是6E17～1E18，厚度范围是100～200nm，体掺杂密度的范围为600～2000E17·nm；n-InP电荷调节层与p-InAlAs电荷调节层的体掺杂密度比例范围为0.01～3。
2.根据权利要求1所述的一种雪崩光电器件，其特征在于：n-InP电荷调节层与p-InAlAs电荷调节层的体掺杂密度比例为0.6。
3.根据权利要求1所述的一种雪崩光电器件，其特征在于：本征InGaAs吸收层的厚度范围是1μm～2μm。
4.根据权利要求1所述的一种雪崩光电器件，其特征在于：还包括本征InAlGaAs过渡层和本征InGaAsP过渡层，本征InAlGaAs过渡层位于p-InAlAs电荷调节层和本征InGaAs吸收层之间，本征InGaAsP过渡层位于本征InGaAs吸收层和n-InP电荷调节层之间。
5.根据权利要求4所述的一种雪崩光电器件，其特征在于：本征InGaAsP过渡层的厚度范围为100nm～150nm，本征InAlGaAs过渡层的厚度范围为100nm～150nm。
6.根据权利要求1所述的一种雪崩光电器件，其特征在于：还包括本征InP倍增层，本征InP倍增层层叠于n-InP电荷调节层之上。
7.根据权利要求6所述的一种雪崩光电器件，其特征在于：本征InP倍增层的厚度范围为0.3μm～0.5μm。
8.根据权利要求1所述的一种雪崩光电器件，其特征在于：还包括本征InAlAs倍增层，p-InAlAs电荷调节层层叠于本征InAlAs倍增层之上。
9.根据权利要求8所述的一种雪崩光电器件，其特征在于：本征InAlAs倍增层的厚度范围为0.15μm～0.25μm。
10.根据权利要求1所述的一种雪崩光电器件，其特征在于：还包括InP衬底、n-InP缓冲层、n-InAlAs层、p-InP层和p-InGaAs接触层，InP衬底、n-InP缓冲层、n-InAlAs层从下至上依次层叠，本征InAlAs倍增层层叠于n-InAlAs层之上，p-InP层层叠于本征InP倍增层之上，p-InGaAs接触层层叠于p-InP层之上。
11.根据权利要求10所述的一种雪崩光电器件，其特征在于：还包括n-InAlGaAs过渡层，n-InAlGaAs过渡层位于n-InP缓冲层和n-InAlAs层之间。
12.根据权利要求11所述的一种雪崩光电器件，其特征在于：n-InAlGaAs过渡层的厚度为100nm，n-InAlAs层的厚度为100nm，掺杂浓度为5E17，本征InAlAs倍增层的厚度为200nm，p-InAlAs电荷调节层的厚度为100nm，掺杂浓度为1E18，本征InAlGaAs过渡层的厚度为100nmm，本征InGaAs吸收层的厚度为1.3μm，本征InGaAsP过渡层的厚度为100nm，n-InP电荷调节层的厚度为200nm，掺杂浓度为2E17，本征InP倍增层的厚度为0.4μm，p-InP层的厚度为3μm，掺杂浓度为1E18。
13.根据权利要求10所述的一种雪崩光电器件，其特征在于：p-InP层的厚度范围为1.5μm～3μm，掺杂浓度范围为1E18～2E19。
14.根据权利要求10所述的一种雪崩光电器件，其特征在于：n-InAlAs层的厚度范围为80nm～150nm，掺杂浓度范围为5E17～8E17。
15.一种基于权利要求1-14中任一项所述雪崩光电器件在光调制解调器上的应用或者在数据中心和数据中心之间远距离传输上的应用。
CN202311497868.2A 2023-11-10 2023-11-10 一种雪崩光电器件及其应用 Pending CN117558802A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311497868.2A CN117558802A (zh) 2023-11-10 2023-11-10 一种雪崩光电器件及其应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311497868.2A CN117558802A (zh) 2023-11-10 2023-11-10 一种雪崩光电器件及其应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117558802A true CN117558802A (zh) 2024-02-13

Family

ID=89810308

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311497868.2A Pending CN117558802A (zh) 2023-11-10 2023-11-10 一种雪崩光电器件及其应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117558802A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7829915B2 (en) Avalanche photodiode
US7148463B2 (en) Increased responsivity photodetector
US6614086B2 (en) Avalanche photodetector
US7202102B2 (en) Doped absorption for enhanced responsivity for high speed photodiodes
CN108305911B (zh) 吸收、倍增层分离结构的ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器
US7994601B2 (en) Semiconductor light receiving device
US20100133637A1 (en) Avalanche photodiode
JP2708409B2 (ja) 半導体受光素子およびその製造方法
JPH022691A (ja) 半導体受光素子
CN110311000B (zh) 二类超晶格雪崩光电探测器及其制作方法
JP3285981B2 (ja) 半導体受光素子
CN219106174U (zh) 一种apd光电探测器
CN116565040A (zh) 高速光电探测器的外延结构
CN114361285A (zh) 1.55微米波段雪崩光电探测器及其制备方法
US11978812B2 (en) Waveguide photodetector
JP2000323746A (ja) アバランシェフォトダイオードとその製造方法
CA2341110C (en) Avalanche photodiode
JPH0661521A (ja) アバランシェホトダイオード
US20040056250A1 (en) Semiconductor light-receiving device
CN117558802A (zh) 一种雪崩光电器件及其应用
US20230299223A1 (en) Photodiode structures
CN111403540B (zh) 一种雪崩光电二极管
WO2022133655A1 (zh) 一种雪崩光电二极管
US20230253516A1 (en) Photodetector
Tzeng et al. Low dark current, planar In0. 4Ga0. 6As p‐i‐n photodiode prepared by molecular beam epitaxy growth on GaAs

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