CN117913160A - 双崖层调控高速单行载流子光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双崖层调控高速单行载流子光电探测器，涉及光电探测器的技术领域，本发明提供的双崖层调控高速单行载流子光电探测器，包括：层叠设置的吸收层、过渡层、漂移层和N型接触层；自所述N型接触层朝向所述吸收层方向，所述漂移层包括依次设置的第一漂移单元层、第一反型崖层、第二漂移单元层、第二反型崖层和第三漂移单元层，所述第一漂移单元层的一侧与N型接触层连接，另一侧与第一反型崖层连接；所述第三漂移单元层的一侧与过渡层连接，另一侧与第二反型崖层连接。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，尤其是涉及一种双崖层调控高速单行载流子光电探测器。
背景技术
高速单行载流子光电探测器（Uni-Traveling Carrier Photodiodes，UTC-PD）在1997年由日本NTT实验室团队提出，该结构采用P型重掺的吸收层与轻掺的漂移层配合。
现有技术中，漂移层内插入单层崖层，吸收层与崖层之间的漂移层区域称为过冲漂移层（实现电子的过冲速度），崖层和N型接触层之间的漂移层区域称为饱和漂移层（实现电子的饱和速度）。该方案在N型轻掺的漂移层中插入了一层薄层的P层材料作为崖层，利用该局部反型层调控漂移层电场，避免了在较厚的漂移层中电场过早降低的问题。同时合理的位置设计可以使得其中部分区域处于速度过冲的电场强度下，从而获得更小的载流子渡越时间。
现有技术方案的缺点如下：1、单层内插的崖层在较厚的漂移层条件下会分隔漂移层的电场分布，电场分布呈现出明显不连续性；2、同时过冲漂移层与饱和漂移层厚度平衡难度大。过冲漂移层偏厚，电场会过早下降为0，丧失过冲效果；饱和漂移层过厚，同样会在该区域出现明显电场下降；两者均会造成漂移速度降低，进而造成输运时间增大，带宽降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双崖层调控高速单行载流子光电探测器，以缓解现有技术中无法调控漂移层内的内部电场，进而获得超过饱和速度的瞬态输运速度的技术问题。
第一方面，本发明提供的双崖层调控高速单行载流子光电探测器，包括：层叠设置的吸收层、过渡层、漂移层和N型接触层；
自所述N型接触层朝向所述吸收层方向，所述漂移层包括依次设置的第一漂移单元层、第一反型崖层、第二漂移单元层、第二反型崖层和第三漂移单元层，所述第一漂移单元层的一侧与N型接触层连接，另一侧与第一反型崖层连接；所述第三漂移单元层的一侧与过渡层连接，另一侧与第二反型崖层连接。
进一步的，所述第一漂移单元层、第二漂移单元层和第三漂移单元层均为N型掺杂；
所述第一反型崖层和第二反型崖层均为P型掺杂。
进一步的，所述第一漂移单元层、第一反型崖层、第二漂移单元层、第二反型崖层和第三漂移单元层的材料相同；
所述第一反型崖层和第二反型崖层之间的间距、所述第二反型崖层与过渡层之间的间距、所述第一反型崖层与N型接触层之间的间距均小于材料载流子过冲速度对应过冲距离。
进一步的，所述第一漂移单元层、第一反型崖层、第二漂移单元层、第二反型崖层和第三漂移单元层的材料均为磷化铟；
所述第一漂移单元层的厚度的取值范围为120 nm ~200nm；
所述第二漂移单元层的厚度的取值范围为120 nm ~200nm；
所述第三漂移单元层的厚度的取值范围为80 nm ~120nm。
进一步的，所述第一反型崖层和第二反型崖层的厚度均小于30nm。
进一步的，所述第一反型崖层和第二反型崖层的厚度的取值范围均为10nm~20nm。
进一步的，所述第一漂移单元层、第二漂移单元层和第三漂移单元层的掺杂浓度的取值范围均为1.6E16 cm^-3~2.4E16 cm^-3。
进一步的，所述第一反型崖层和第二反型崖层的掺杂浓度的取值范围均为1.6E17cm^~3~2.4E17 cm^-3。
进一步的，所述吸收层包括P型重掺的第一层和N型轻掺的第二层;所述第二层的一侧与过渡层连接，另一侧与第一层连接。
进一步的，所述第二层的掺杂浓度为N: 小于1E16 cm^-3；
所述第一层的掺杂浓度的取值范围为P:1E19 cm^-3~2E17 cm^-3。
本发明的至少具备以下优点或有益效果：
本方案中，载流子在经过反型崖层前会发生减速，然后再加速通过反型崖层，可以使漂移单元层内可以有更多的电场区域实现在20kV/cm-40kV/cm条件下加速，避免电场下降为0，而通过设置两层反型崖层，可以拉平电场，进一步的使更多的电场区域实现在20kV/cm-40kV/cm条件下加速，在漂移层内部实现电场分布的调控。避免了漂移区电场过早衰减，从而提升了载流子在该层的输运速度，减小了电子从吸收层输运到N电极的时间，显著提高了器件的3dB带宽。并且，相对于设置单层反型崖层的方案而言，本方案中通过设置第一反型崖层和第二反型崖层从而增加更多的电场调空间，例如第一反型崖层的厚度、第二反型崖层的厚度，以及第一反型崖层和第二反型崖层之间的间距可提供充分的自由度调控漂移层电场。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的双崖层调控高速单行载流子光电探测器的示意图；
图2为本发明实施例提供的双崖层调控高速单行载流子光电探测器在-1V偏压下的仿真结果；
图3为本发明实施例提供的双崖层调控高速单行载流子光电探测器在-1V偏压下的电场分布图；
图4为本发明实施例提供的双崖层调控高速单行载流子光电探测器在-2V偏压下的仿真结果；
图5为本发明实施例提供的双崖层调控高速单行载流子光电探测器在-2V偏压下的电场分布图；
图6为本发明实施例提供的双崖层调控高速单行载流子光电探测器在-3V偏压下的仿真结果；
图7为本发明实施例提供的双崖层调控高速单行载流子光电探测器在-3V偏压下的电场分布图。
图标：1-P型接触层；2-电子阻挡层；3-吸收层；4-过渡层；5-漂移层；51-第一漂移单元层；52-第一反型崖层；53-第二漂移单元层；54-第二反型崖层；55-第三漂移单元层；6-N型接触层；7-半绝缘衬底。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明提供的双崖层调控高速单行载流子光电探测器，包括：自上而下层叠设置的P型接触层1、电子阻挡层2、吸收层3、过渡层4、漂移层5、N型接触层6和半绝缘衬底7。
自所述N型接触层6朝向所述吸收层3方向，所述漂移层5包括依次设置的第一漂移单元层51、第一反型崖层52、第二漂移单元层53、第二反型崖层54和第三漂移单元层55，所述第一漂移单元层51的一侧与N型接触层6连接，另一侧与第一反型崖层52连接；所述第三漂移单元层55的一侧与过渡层4连接，另一侧与第二反型崖层54连接。本方案中，通过在漂移层5中插入第一反型崖层52和第二反型崖层54，在其内部实现电场分布的调控。避免了漂移区电场过早衰减，从而提升了载流子在该层的输运速度，减小了电子从吸收层3输运到N电极的时间，显著提高了器件的3dB带宽。
由于漂移层5中包含了第一反型崖层52和第二反型崖层54，从而将漂移层5分隔成多个部分。第一反型崖层52和第二反型崖层54的存在可以使得较厚的漂移层5中的电场分布更加均匀，避免N极一侧漂移层5电场过早衰减；同时相同外加偏压的情况下，存在更多的调控自由度：包括第一反型崖层52和第二反型崖层54之间的间距、第一反型崖层52和第二反型崖层54的掺杂浓度，第一反型崖层52和第二反型崖层54的厚度。多参数调控可在不影响整体外延结构（包括吸收层3、阻挡层、过渡层4等设计）前提下，更容易优化漂移层5整体电场，使电场强度维持在过冲速度的电场强度范围内，获得更小的载流子输运时间，提升探测器带宽。
目前存在的单层内插的崖层在较厚的漂移层5条件下会分隔漂移层5的电场分布，电场分布呈现出明显不连续性。同时过冲漂移层5与饱和漂移层5厚度平衡难度大。过冲漂移层5偏厚，该层电场会过早下降为0，丧失过冲效果；饱和漂移层5过厚，则会在饱和漂移区域出现明显电场下降；两者均会造成漂移速度降低，进而造成输运时间增大，带宽降低。
针对上述缺点，本实施例提出了一种双崖层调控的单行载流子光电探测器设计，在常见的UTC-PD的基础上，通过在漂移层5中插入两个反型崖层，即第一反型崖层和第二反型崖层，在其内部实现电场分布的调控。避免了漂移区电场过早衰减，从而提升了载流子在该层的输运速度，减小了电子从吸收层3输运到N电极的时间，显著提高了器件的3dB带宽。所述的双崖层调控的UTC-PD外延结构，可采用分子束外延或金属有机化学气相沉积设备完成外延生长，具体包括在半绝缘的衬底上，从衬底向上依次生长N型接触层6、漂移层5（此处所述漂移层5包括内插于其中的第一反型崖层52和第二反型崖层54）、过渡层4、吸收层3、电子阻挡层2和P型接触层1。
其中，吸收层3包括P型重掺吸收层3和轻掺吸收层3的组合，或仅存在P型重掺吸收层3。重掺吸收层3部分采用梯度渐变掺杂或线性渐变掺杂，从而获取内建电场，加速电子和空穴的漂移。具体的，所述吸收层3包括P型重掺的第一层和N型轻掺的第二层;所述第二层的一侧与过渡层4连接，另一侧与第一层连接。所述第二层的掺杂浓度为N:小于1E16 cm^-3；所述第一层的掺杂浓度的取值范围为P:1E19 cm^-3~2E17 cm^-3。
漂移层5整体采用N型轻掺，配合重掺吸收层3的设计，使得内建电场更多地分布于漂移层5中。在漂移层5中若干特定位置插入第一反型崖层52和第二反型崖层54，其中崖层材料选择和漂移层5保持一致，避免形成异质界面。第一反型崖层52和第二反型崖层54采用P型掺杂，从而在局部形成反型PN结。为方便叙述，定义在外加偏压下，N电极向P电极移动过程电势降低的电场方向为正向电场方向，则在插入第一反型崖层52和第二反型崖层54后，第一反型崖层52靠近P电极一侧会形成局部反向电场，第二反型崖层54靠近N电极（衬底）一侧则会形成正向电场。外加偏压增大过程中，反向电场区域会进一步压缩，第一反型崖层52和第二反型崖层54诱导的正向电场区域则会拉大。第一反型崖层52和第二反型崖层54的存在避免了漂移层5电场在P电极一侧过大，而在N电极一侧过早衰减，从而在较厚的漂移层5区域中，维持了较为均匀的电场分布。
所述第一漂移单元层51、第二漂移单元层53和第三漂移单元层55均为N型掺杂。所述第一反型崖层52和第二反型崖层54均为P型掺杂。所述第一漂移单元层51、第一反型崖层52、第二漂移单元层53、第二反型崖层54和第三漂移单元层55的材料相同，本实施例中，均采用磷化铟（InP）。
为获得更好的载流子输运加速，所述第一反型崖层52和第二反型崖层54之间的间距（即所述第一漂移单元层51的厚度）、所述第二反型崖层54与过渡层4之间的间距（即所述第二漂移单元层53的厚度）、所述第一反型崖层52与N型接触层6之间的间距（即所述第三漂移单元层55的厚度）小于材料载流子过冲速度对应过冲距离。
以实施例中InP材料为例，考虑到外加电场在20kV/cm~40kV/cm条件下，速度过冲区域小于200 nm，在实施例的第一反型崖层52和第二反型崖层54中，第一反型崖层52和第二反型崖层54的间距不超过200nm，具体的，所述第一漂移单元层51的厚度的取值范围为120 nm ~200nm，例如为200nm；所述第二漂移单元层53的厚度的取值范围为120 nm ~200nm，例如为200nm；所述第三漂移单元层55的厚度的取值范围为80 nm ~120nm，例如为100nm。
第一反型崖层52和第二反型崖层54的厚度与掺杂浓度需耦合调节，第一反型崖层52和第二反型崖层54的厚度减小需对应掺杂浓度的提升。通常第一反型崖层52和第二反型崖层54厚度不超过30 nm，具体的，所述第一反型崖层52和第二反型崖层54的厚度的取值范围均为10nm~20nm，例如为20nm。
反型掺杂浓度不超过背景漂移层5掺杂浓度的5倍，避免由于生长过程中的缺陷造成材料本征迁移率的下降。所述第一漂移单元层51、第二漂移单元层53和第三漂移单元层55的掺杂浓度的取值范围均为1.6E16 cm^-3~2.4E16 cm^-3。所述第一反型崖层52和第二反型崖层54的掺杂浓度的取值范围均为1.6E17 cm^-3~2.4E17 cm^-3。
为了便于本领域技术人员理解与实施本方案，如下提供了实施例对本发明的益处进行详细说明：如附表1所示外延结构，如附图1所示的面入射器件结构，采用商业TCAD仿真软件Atlas对不同外延结构的器件性能进行仿真，结果如附图2-图7，展现了无内插崖层、单层内插崖层与双层内插崖层的小信号带宽响应（已进行归一化处理）与电场分布。附图2-图7分别对应-1V，-2V，-3V偏压下的情况。结果显示，双层内插崖层器件的3dB带宽相较于前两者均有提升，其中在较大偏压-3V下，提升幅度最为明显。
表1
如图2和图3所示，-1V偏压下，圆台面直径16 μm条件，三种不同外延结构的小信号频率响应仿真结果（左）；与电场分布图（右），灰色背景区域标示了速度过冲条件（20 kV/cm~40 kV/cm）。
如图4和图5所示，-2V偏压下，圆台面直径16 μm条件，三种不同外延结构的小信号频率响应仿真结果（左）；与电场分布图（右），灰色背景区域标示了速度过冲条件（20 kV/cm~40 kV/cm）。
如图6和图7所示，-3V偏压下，圆台面直径16 μm条件，三种不同外延结构的小信号频率响应仿真结果（左）；与电场分布图（右），灰色背景区域标示了速度过冲条件（20 kV/cm~40 kV/cm）。
综上，利用双崖层调控技术方案，优选地，采用附表1所示的外延结构，器件圆台面直径为16 um。在不改变探测器吸收层3外延结构，与漂移层5整体厚度的前提下。通过在N型轻掺的漂移层5（2E16 cm^-3: N）中插入两层分离的P掺崖层（ 优选地，掺杂浓度为2E17 cm^-3: P，崖层厚度为20nm ），计算仿真结果如表2所示，-3V偏压下𝑓3d𝐵相比较于未内插崖层的26 GHz，与单层内插崖层的28 GHz，提升至110 GHz。
表2
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种双崖层调控高速单行载流子光电探测器，其特征在于，包括：层叠设置的吸收层（3）、过渡层（4）、漂移层（5）和N型接触层（6）；
自所述N型接触层（6）朝向所述吸收层（3）方向，所述漂移层（5）包括依次设置的第一漂移单元层（51）、第一反型崖层（52）、第二漂移单元层（53）、第二反型崖层（54）和第三漂移单元层（55），所述第一漂移单元层（51）的一侧与N型接触层（6）连接，另一侧与第一反型崖层（52）连接；所述第三漂移单元层（55）的一侧与所述过渡层（4）连接，另一侧与所述第二反型崖层（54）连接。
2.根据权利要求1所述的双崖层调控高速单行载流子光电探测器，其特征在于，所述第一漂移单元层（51）、第二漂移单元层（53）和第三漂移单元层（55）均为N型掺杂；
所述第一反型崖层（52）和第二反型崖层（54）均为P型掺杂。
3.根据权利要求2所述的双崖层调控高速单行载流子光电探测器，其特征在于，所述第一漂移单元层（51）、第一反型崖层（52）、第二漂移单元层（53）、第二反型崖层（54）和第三漂移单元层（55）的材料相同；
所述第一反型崖层（52）和第二反型崖层（54）之间的间距、所述第二反型崖层（54）与过渡层（4）之间的间距、所述第一反型崖层（52）与N型接触层（6）之间的间距均小于材料载流子过冲速度对应过冲距离。
4.根据权利要求3所述的双崖层调控高速单行载流子光电探测器，其特征在于，所述第一漂移单元层（51）、第一反型崖层（52）、第二漂移单元层（53）、第二反型崖层（54）和第三漂移单元层（55）的材料均为磷化铟；
所述第一漂移单元层（51）的厚度的取值范围为120 nm ~200nm；
所述第二漂移单元层（53）的厚度的取值范围为120 nm ~200nm；
所述第三漂移单元层（55）的厚度的取值范围为80 nm ~120nm。
5.根据权利要求2所述的双崖层调控高速单行载流子光电探测器，其特征在于，所述第一反型崖层（52）和所述第二反型崖层（54）的厚度均小于30nm。
6.根据权利要求5所述的双崖层调控高速单行载流子光电探测器，其特征在于，所述第一反型崖层（52）和所述第二反型崖层（54）的厚度的取值范围均为10nm~20nm。
7. 根据权利要求2所述的双崖层调控高速单行载流子光电探测器，其特征在于，所述第一漂移单元层（51）、所述第二漂移单元层（53）和所述第三漂移单元层（55）的掺杂浓度的取值范围均为1.6E16 cm^-3~2.4E16 cm^-3。
8. 根据权利要求2所述的双崖层调控高速单行载流子光电探测器，其特征在于，所述第一反型崖层（52）和所述第二反型崖层（54）的掺杂浓度的取值范围均为1.6E17 cm^-3~2.4E17 cm^-3。
9.根据权利要求1所述的双崖层调控高速单行载流子光电探测器，其特征在于，所述吸收层（3）包括P型重掺的第一层和N型轻掺的第二层;所述第二层的一侧与所述过渡层（4）连接，另一侧与第一层连接。
10. 根据权利要求9所述的双崖层调控高速单行载流子光电探测器，其特征在于，所述第二层的掺杂浓度为N:小于1E16 cm^-3；
所述第一层的掺杂浓度的取值范围为P:1E19 cm^-3 ~2E17 cm^-3。
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