CN117913161B - 多崖层调控高速单行载流子光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多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，本发明提供的多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；所述漂移层包括多个漂移单元层和至少三层反型崖层，所述漂移单元层的数量比与所述反型崖层的数量多一个，且所述漂移单元层和反型崖层交替排列；所述漂移层的总厚度的取值范围为1000nm±20nm。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，尤其是涉及一种多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，进而造成载流子输运时间增大，器件的带宽降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多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，本发明提供的一种多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；
所述漂移层包括多个漂移单元层和至少三层反型崖层，所述漂移单元层的数量比与所述反型崖层的数量多一个，且所述漂移单元层和反型崖层交替排列；
所述漂移层的总厚度的取值范围为1000nm±20nm。
进一步的，最靠近所述过渡层的反型崖层的厚度小于其他反型崖层的厚度。
进一步的，所述反型崖层的数量为三层，且自所述吸收层朝向所述N型接触层，所述反型崖层的厚度依次为：t1的取值范围为8 nm -12nm，t2的取值范围为13 nm -17nm，t3的取值范围为18 nm -22nm。
进一步的，最靠近所述过渡层的漂移单元层的厚度小于其他漂移单元层的厚度。
进一步的，所述反型崖层的数量为三层，且自所述吸收层朝向所述N型接触层，所述漂移单元层的厚度依次为T1=150 nm，T2的取值范围为250nm-300nm，T3=300 nm，T4的取值范围为300nm-350nm。
进一步的，自所述吸收层朝向所述N型接触层，所述反型崖层的掺杂浓度梯度减小。
进一步的，所述反型崖层的数量为三层，自所述吸收层朝向所述N型接触层，所述反型崖层的掺杂浓度依次设置为：n1的取值范围为4E17 cm^-3 ~6E17 cm^-3，n2的取值范围为2.4E17 cm^-3~3.6E17 cm^-3，n3的取值范围为1.6E17~2.4E17 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，所述第二层的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。
进一步的，所述多崖层调控高速单行载流子光电探测器的外加偏压的取值范围为-3V~-5V。
本发明的至少具备以下优点或有益效果：
本方案中，通过在漂移层中插入至少三层反型崖层，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，而通过设置三层反型崖层，可以在较厚的漂移层的基础上进一步的拉平电场，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。现有的漂移层厚度大致在500nm左右，本方案中，漂移层的厚度的取值范围为1000nm±20nm，漂移层增厚有利于电容减小，进而减小RC常数，相应的载流子在漂移层的渡越时间会增加，而多崖层的调控方案可以加速漂移，适用于更厚漂移层的设计。同时，至少三层反型崖层对应反型崖层厚度、反型崖层掺杂浓度与反型崖层位置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多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多崖层调控高速单行载流子光电探测器的漂移层总厚度为1000nm与总厚度为500nm的频率相应情况；
图3为本发明实施例提供的多崖层调控高速单行载流子光电探测器在不同偏压下的频率相应情况；
图4为本发明实施例提供的多崖层调控高速单行载流子光电探测器不同优化方向的频率相应情况；
图5本发明实施例提供的多崖层调控高速单行载流子光电探测器在-5V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；56-第三反型崖层；57-第四漂移单元层；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，本发明提供的多崖层调控高速单行载流子光电探测器，包括：自上而下依次层叠设置的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。外加反向偏压下，光入射后在吸收层3被吸收产生电子空穴对，其中，重掺吸收层偏压下几乎无内建电场，载流子靠扩散运输；轻掺吸收层内建电场较大，载流子主要依靠漂移进行运输，受扩散（重掺吸收层）和漂移（轻掺吸收层）作用向两侧电极移动，其中电子阻挡层2避免电子扩散进入P电极。电子随后进入漂移层5在外加电场下加速输运至N电极，外部形成光电流。相比较于PIN-PD的本征层中同时承担光吸收和电子空穴对漂移功能，本申请中涉及的多崖层调控高速单行载流子光电探测器（多崖层调控UTC-PD）将其拆分为P型重掺吸收层3和N轻掺漂移层5，使得仅有有效质量更小的电子参与完整渡越。
本实施例中，以反型崖层为三层为例，三层所述反型崖层将所述漂移层5分隔出四个漂移单元层，四个所述漂移单元层和三层反型崖层交替排列。具体的，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、第三漂移单元层55、第三反型崖层56和第四漂移单元层57。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；所述第四漂移单元层57的一侧与过渡层4连接，另一侧与第三反型崖层56连接。本方案中，通过在漂移层5中插入第一反型崖层52、第二反型崖层54和第三反型崖层56，可以在较厚的漂移层的基础上进一步的拉平电场，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3输运到N电极的时间，显著提高了器件的3dB带宽。
如图2和图3所示，所述漂移层5的总厚度的取值范围可以为300nm-2000nm，优选为1000nm±20nm。漂移层5增厚有利于电容减小，进而减小RC常数，相应的载流子在漂移层5的渡越时间会增加。多崖层的调控方案可以加速漂移，适用于更厚漂移层5的设计。如图2所示，分别体现了无崖层和三崖层设计对应厚度为500 nm漂移层5与1000 nm漂移层5的频率响应情况（-3V 偏压，崖层P：2E17 cm^-3，位置均匀分布），三崖层带宽显著优于无崖层，同时三崖层中1000 nm漂移层5优于500 nm漂移层5。
每个所述反型崖层的厚度的取值范围可以为10nm-30nm；所述反型崖层的掺杂浓度的取值范围可以为2E16 cm^-3~5E18 cm^-3。
此外，漂移层5确定后，单纯加大偏压容易造成器件饱和，从而使带宽降低。因此在大偏压下多崖层的带宽提升会更加明显，适用于大偏压高速探测器应用场景。如上例（漂移层5厚度 1500 nm，崖层P：2E18 cm^-3，三崖层位置均匀分布）需要指出偏压增加需要配合崖层数量增加和掺杂浓度提升，且外加电场不应超过材料的击穿场强。
以漂移层5总厚度1060nm，偏压-3V，三崖层的设计方案为例，由P侧向N侧，总共包括各崖层掺杂浓度n1，n2，n3；各层厚度t1，t2，t3；崖层间距T1，T2，T3共9个自由度。同理N崖层设计方案具有N^3个调控自由度，可进行参数化扫描，或优化算法如粒子群算法等进行优化设计。
在一种可以实施的基础方案中，各个反型崖层可以均匀掺杂，即 n1=n2=n3，例如均等于2E17 cm^-3。反型崖层的厚度也可以均匀设置，即 t1=t2=t3，例如均等于20 nm。漂移单元层的厚度也可以均匀设置，即反型崖层间距T1=T2=T3，例如均等于250 nm。
可以对上述基础方案的崖层厚度进行优化，如表1和图4所示，最靠近所述过渡层4的反型崖层的厚度小于其他反型崖层的厚度，自所述吸收层3朝向所述N型接触层6，所述反型崖层的厚度可以依次为t1=10nm，t2=15nm，t3=20nm，优选考虑在P侧采用更薄的反型崖层，相同偏压下，P侧的反型崖层厚度减薄对应两侧耗尽区增大，电场延伸区域也增大，从而在载流子加速初始阶段获得较长的电场区域。
进一步的，可以对上述基础方案的反型崖层的间距（即漂移单元层的厚度）进行优化，如表1和图4所示，最靠近所述过渡层4的漂移单元层的厚度小于其他漂移单元层的厚度，自所述吸收层3朝向所述N型接触层6，所述漂移单元层的厚度依次为T1=150 nm，T2=300nm，T3=300 nm，T4=310 nm或者，T1=150 nm，T2=250 nm，T3=300 nm，T4=350 nm，总厚度为1050nm；T1=150 nm，T2=280 nm，T3=300 nm，T4=340 nm，总厚度为1070nm。优选地减少反型崖层和吸收层3之间的间距，增大各个反型崖层之间的间距，可以使电场分布更均匀。考虑没有添加反型崖层的情况，从P侧到N侧初始电场较大，逐渐衰减为0。反型崖层的作用可以理解为将这个衰减的电场曲线抬升，并且希望尽量均匀分布在目标场强范围内。吸收层3到第三反型崖层56之间属于电场起始段，电场足够强，我们希望电场在衰减为0之前进入下一个反型崖层的电场范围内，对应整体电场起伏也会更小。也即T1的厚度需要偏小才能达到该效果，后续反型崖层间电场理论上也可遵循同样规律优化，但由于整体电场较小，间距变化带来的波动不大，没有明显带宽提升效果。因此在漂移层整体厚度不变的情况下，缩减间距T1，增加后续间距可以使电场分布均匀。
再进一步的，可以对反型崖层掺杂进行优化：自所述吸收层3朝向所述N型接触层6，所述反型崖层的掺杂浓度梯度减小，所述反型崖层的掺杂浓度梯度变化和渐变型掺杂相对。具体的，如表1和图4所示，自所述吸收层3朝向所述N型接触层6，所述反型崖层的掺杂浓度可以依次设置为n1=5E17 cm^-3，n2=3E17 cm^-3，n3=2E17 cm^-3。对于单层崖层，反型崖层掺杂浓度的提升可以减小电阻，但同样也会延长反向电场（相对于加速电场）区域造成载流子减速。梯度减小的多崖层掺杂方案在初始的强电场区域采取高掺杂浓度，在后续低电场区降低掺杂浓度，可以在减小电阻的同时在后续漂移层5区域维持合理的电场强度，可以在减小电阻的同时在后续漂移层5区域维持合理的电场强度。
表1
如图表1和图4所示，综合上述三种因素的经验优化方案可以将三崖层的带宽从120 GHz进一步提升至185 GHz。
漂移层5的材料为可以为磷化铟，所述漂移单元层为N型掺杂，所述反型崖层为P型掺杂。实现载流子输运速度最大化的关键在于电场调控，以磷化铟（InP）材料为例，300K温度条件下，随着外加电场增大，稳态载流子漂移速度逐渐增大，10 kV/cm下输运速度接近最大值3.8E7 cm/s，进一步增大电场，由于声子参与等因素，稳态的输运速度将下降并逐渐趋于饱和，100 kV/cm 外加电场下，稳态漂移速度下降至 1.8E7 cm/s。
同时既往实验也显示，对于外加高电场，短距离内可实现超过稳态的速度过冲效果（瞬态提升）。例如InP材料为例，300K温度条件，在25 kV/cm外加电场下，在1um范围内电子速度均超过稳态速度，随后速度逐渐稳定，其中在250 nm处峰值过冲速度可达5E7 cm/s。因此合理的调控电场，可以获得载流子输运时间的显著改善。严格的过冲速度与电场关系需要借助蒙特卡洛法仿真计算，综合文献报道与实验经验，一般认为InP中维持20kV/cm-40kV/cm外加电场条件下，可以实现较好的速度过冲效果。
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5，展现了无内插崖层、单层内插崖层与多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5分别对应-5V偏压下的情况。结果显示，多层内插崖层器件的3dB带宽相较于前两者均有提升，其中在较大偏压-5V下，提升幅度最为明显。
本实施例中，吸收层3包括P型重掺吸收层3和N型轻掺吸收层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。
所述多崖层调控高速单行载流子光电探测器的更加适用于外加偏压为-3V~-5V的工作条件。常规探测器的工作偏压一般为0-5V，偏压增大可以减小电容带来带宽提升，但一般增大到-3V就达到饱和，多崖层在更大偏压下仍然能有效提升带宽。因此适用于偏压更大的工作条件，应用领域主要是光通信、无线通信领域。
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)
1.一种多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）；
所述漂移层（5）包括多个漂移单元层和至少三层反型崖层，所述漂移单元层的数量比与所述反型崖层的数量多一个，且所述漂移单元层和反型崖层交替排列；
所述漂移层（5）的总厚度的取值范围为1000nm±20nm。
2.根据权利要求1所述的多崖层调控高速单行载流子光电探测器，其特征在于，最靠近所述过渡层（4）的反型崖层的厚度小于其他反型崖层的厚度。
3. 根据权利要求2所述的多崖层调控高速单行载流子光电探测器，其特征在于，所述反型崖层的数量为三层，且自所述吸收层（3）朝向所述N型接触层（6），所述反型崖层的厚度依次为：t1的取值范围为8 nm -12nm，t2的取值范围为13 nm -17nm，t3的取值范围为18 nm-22nm。
4.根据权利要求2所述的多崖层调控高速单行载流子光电探测器，其特征在于，最靠近所述过渡层（4）的漂移单元层的厚度小于其他漂移单元层的厚度。
5. 根据权利要求4所述的多崖层调控高速单行载流子光电探测器，其特征在于，所述反型崖层的数量为三层，且自所述吸收层（3）朝向所述N型接触层（6），所述漂移单元层的厚度依次为T1=150 nm，T2的取值范围为250nm-300nm，T3=300 nm，T4的取值范围为300nm-350nm。
6.根据权利要求4所述的多崖层调控高速单行载流子光电探测器，其特征在于，自所述吸收层（3）朝向所述N型接触层（6），所述反型崖层的掺杂浓度梯度减小。
7. 根据权利要求6所述的多崖层调控高速单行载流子光电探测器，其特征在于，所述反型崖层的数量为三层，自所述吸收层（3）朝向所述N型接触层（6），所述反型崖层的掺杂浓度依次设置为：n1的取值范围为4E17 cm^-3 ~6E17 cm^-3，n2的取值范围为2.4E17 cm^-3~3.6E17 cm^-3，n3的取值范围为1.6E17~2.4E17 cm^-3。
8.根据权利要求1所述的多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，所述第二层的另一侧与所述第一层连接。
9. 根据权利要求8所述的多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。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的多崖层调控高速单行载流子光电探测器，其特征在于，所述多崖层调控高速单行载流子光电探测器的外加偏压的取值范围为-3V~-5V。
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