CN219106174U - 一种apd光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种APD光电探测器，包括自下而上设置的衬底、P‑InP接触层、第一过渡层、第一i‑InGaAs吸收层、P‑InAlAs电荷调节层、i‑InAlAs倍增层、N型InAlAs层、第三过渡层、N‑InP接触层、第二i‑InGaAs吸收层、第二过渡层、N‑InP电荷调节层、InP倍增层、P型InP层和P‑InGaAs接触层；还包括N电极和P电极，N‑InP接触层与N电极电连接，P‑InGaAs接触层、P‑InP接触层分别与P电极电连接。本实用新型形成P‑i‑N‑i‑P双异质结双增益结构，可以提高APD光电探测器的增益带宽积。
Description
技术领域
本实用新型属于化合物半导体光电子器件技术领域，具体涉及一种APD光电探测器。
背景技术
近年来，为了满足人们对信息传递的要求，光通信网络逐步向高速、全光网方向发展。半导体光电探测器作为光通信网络中重要的接收器件，其性能影响整个光通信网络的运转。其中，光电探测器可以分为光电二极管（PIN）以及雪崩光电二极管（AvalanchePhotodiode，APD）。
APD光电探测器由于其具有内部增益，比传统的PIN型有更高的灵敏度、响应度及频率特性，其最突出的优势在于对弱光信号的探测，可以提供高约5-10dB的探测灵敏度，因而APD光电探测器被广泛用于各种商业、国防和研究领域，但由于数据传输量的激增，特别是在光通信领域，因此对APD光电探测器的响应度和频率特性也有了更高的要求。
APD光电探测器通常采用SAGCM结构，即分离吸收-过渡-电荷-倍增的结构，其中倍增层在工作电压下会发生雪崩效应，提供器件内部增益放大。按照引发雪崩效应的载流子类型不同，倍增层材料分为空穴倍增和电子倍增两类，空穴倍增材料中的空穴的碰撞电离系数大于电子，电子倍增材料中的空穴的碰撞电离系数小于电子。
目前主要是以空穴倍增的InP材料和以电子倍增的InAlAs材料为核心材料制作的APD光电探测器，随着光通信的需求激增，APD光电探测器面临着响应度不足，增益带宽积低。因此，本发明人对此做进一步研究，研发出一种APD光电探测器，本案由此产生。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种APD光电探测器，形成P-i-N-i-P双异质结双增益结构，可以提高增益带宽积。
为解决上述技术问题，本实用新型的技术解决方案是：
一种APD光电探测器，包括自下而上设置的衬底、P-InP接触层、第一过渡层、第一i-InGaAs吸收层、P-InAlAs电荷调节层、i-InAlAs倍增层、N型InAlAs层、第三过渡层、N-InP接触层、第二i-InGaAs吸收层、第二过渡层、N-InP电荷调节层、InP倍增层、P型InP层和P-InGaAs接触层；
通过刻蚀分别在P-InP接触层和N-InP接触层上形成供电连接的台面；
还包括N电极和P电极，N-InP接触层与N电极电连接，P-InGaAs接触层、P-InP接触层分别与P电极电连接。
进一步，第一i-InGaAs吸收层和第二i-InGaAs吸收层的厚度范围为0.5-3μm。
进一步，P-InAlAs电荷调节层的厚度范围为20-150nm，i-InAlAs倍增层的厚度范围为60-200nm，N-InP电荷调节层的厚度范围为60-200nm，InP倍增层的厚度范围为80-250nm。
进一步，第一i-InGaAs吸收层的厚度为1μm，P-InAlAs电荷调节层的厚度范围为100nm，i-InAlAs倍增层的厚度范围为120nm，第二i-InGaAs吸收层的厚度为1μm，N-InP电荷调节层的厚度范围为200nm，InP倍增层的厚度范围为200nm。
进一步，还包括SiN膜，SiN膜依次覆盖衬底、P-InP接触层、第一过渡层、第一i-InGaAs吸收层、P-InAlAs电荷调节层、i-InAlAs倍增层、N型InAlAs层、第三过渡层、N-InP接触层、第二i-InGaAs吸收层、第二过渡层、N-InP电荷调节层、InP倍增层、P型InP层和P-InGaAs接触层，并且分别在N-InP接触层、P-InP接触层、P-InGaAs接触层上形成供电连接的开口。
进一步，衬底的材料为Fe-InP。
进一步，还包括InP缓冲层，InP缓冲层位于衬底和P-InP接触层之间。
进一步，第一过渡层和第二过渡层的材料相同。
进一步，第一过渡层、第二过渡层和第三过渡层的材料分别为InGaAsP、InGaAsP及InAlGaAs。
进一步，第一过渡层为单层或者为多层；第二过渡层为单层或者为多层；第三过渡层为单层或者为多层。
采用上述方案后，由于本实用新型通过MOCVD生长控制，在一个外延结构上集成两种增益结构的APD，可以达到1+1>2效果。既在相同的击穿电压下，可以对应不同的工作电压及增益选择，可以对带宽有很大的提升，因为双增益条件下，可以有效减少吸收层的厚度，减少载流子的渡越时间，从而提升带宽。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型的俯视示意图；
图3是图2中沿A-A方向剖切的剖面示意图。
标号说明
衬底1 P-InP接触层2 第一过渡层3 第一i-InGaAs吸收层4
P-InAlAs电荷调节层5 i-InAlAs倍增层6 N型InAlAs层7
第三过渡层8 N-InP接触层9 第二i-InGaAs吸收层10
第二过渡层11 N-InP电荷调节层12 InP倍增层13
P型InP层14 P-InGaAs接触层15 InP缓冲层16
N电极17 P电极18 SiN膜19。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详述。在此需要说明的是，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，不能理解为对本实用新型的限制。下面所描述的本实用新型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。
本实用新型所揭示的是一种APD光电探测器，如图1所示，为本实用新型的较佳实施例，包括自下而上层叠设置的衬底1、P-InP接触层2、第一过渡层3、第一i-InGaAs吸收层4、P-InAlAs电荷调节层5、i-InAlAs倍增层6、N型InAlAs层7、第三过渡层8、N-InP接触层9、第二i-InGaAs吸收层10、第二过渡层11、N-InP电荷调节层12、InP倍增层13、P型InP层14和P-InGaAs接触层15。
通过刻蚀分别在P-InP接触层2、第一i-InGaAs吸收层4、第三过渡层8和N-InP接触层9上形成台面；
还包括N电极17和P电极18，N电极17与N-InP接触层9的台面电连接，P-InGaAs接触层15与P电极18电连接。P电极18与P-InP接触层2的台面电连接。
吸收层决定着整个器件的性能，如果吸收层设置过厚，则会对高频特性产生影响；但设置太薄的话，又会对整个器件的响应度产生影响。在本实施例中，第一i-InGaAs吸收层4和第二i-InGaAs吸收层10的厚度范围为0.5-3μm。
电荷调节层决定着整个器件的电场分布，因此需要根据掺杂浓度进行合理的厚度设置；同时倍增层对器件的增益、带宽等性能均会产生明显的影响，太薄则不会形成有效的倍增影响到增益，太厚载流子的渡越时间加长，影响带宽等高频性能。在本实施例中，P-InAlAs电荷调节层5的厚度范围为20-150nm，i-InAlAs倍增层6的厚度范围为60-200nm，N-InP电荷调节层12的厚度范围为60-200nm，InP倍增层13的厚度范围为80-250nm。
进一步，第一i-InGaAs吸收层4的厚度为1μm，P-InAlAs电荷调节层5的厚度范围为100nm，i-InAlAs倍增层6的厚度范围为120nm，第二i-InGaAs吸收层10的厚度为1μm，N-InP电荷调节层12的厚度范围为200nm，InP倍增层13的厚度范围为200nm。采用本实施例的结构，可以做出增益在10条件下，带宽为24的器件，在实际验证中器件增益带宽积最高可以做到300的水平。
进一步，还包括SiN膜19，SiN膜19依次覆盖衬底1、P-InP接触层2、第一过渡层3、第一i-InGaAs吸收层4、P-InAlAs电荷调节层5、i-InAlAs倍增层6、N型InAlAs层7、第三过渡层8、N-InP接触层9、第二i-InGaAs吸收层10、第二过渡层11、N-InP电荷调节层12、InP倍增层13、P型InP层14和P-InGaAs接触层15，并且分别在N-InP接触层9、P-InP接触层2、P-InGaAs接触层15的台面上形成供电连接的开口。此器件结构通过电子和空穴的双重倍增，可以提升整体器件的增益，同时可以减小载流子的渡越时间，进一步提升带宽，因此通过此器件结构可以获得较高的增益带宽积。
进一步，衬底1的材料为Fe-InP。选择掺Fe的InP衬底，主要是为了做芯片端TT结构，因为有InAlAs材料的存在，因此暗电流控制会非常重要，此时通过TT结构可以有效限制暗电流，相较于TB结构，暗电流可以降低一个等级，同时也可以提高光的耦合效率。
进一步，还包括InP缓冲层16，InP缓冲层16位于衬底1和P-InP接触层2之间。增加InP缓冲层16，是为了通过InP缓冲层16减小衬底1带来的缺陷，阻止衬底1缺陷进一步延伸到器件结构中影响器件性能。
设置过渡层的作用有两个，首先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；同时，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。在本实施例中，过渡层为单层材料，分别是第一过渡层3采用InGaAsP材料，第二过渡层11采用InGaAsP材料，第三过渡层8采用InAlGaAs材料。当然，过渡层也可为多层材料，多层材料的过渡层设置更能缓解两层之间的能带不连续性。
按照如图1所示的外延结构通过MOCVD进行外延生长；第一i-InGaAs吸收层4的厚度为1μm，P-InAlAs电荷调节层5的厚度范围为100nm，掺杂浓度为8E17，i-InAlAs倍增层6的厚度范围为120nm，第二i-InGaAs吸收层的厚度10为1μm，N-InP电荷调节层12的厚度范围为200nm，掺杂浓度为1.5E17，InP倍增层13的厚度范围为200nm。
如图2和图3所示，进行芯片制作，其它部分用SiN膜19进行包覆，通过台面刻蚀，并且分别在N-InP接触层9、P-InP接触层2、P-InGaAs接触层15上形成供电连接的开口。即在N-InP接触层9上形成共用的N电极17， P-InP接触层2、P-InGaAs接触层15与P电极18连接进行共用，台面其它部分用SiN膜19进行包覆，即形成P-i-N-i-P双异质结双增益结构。
在实际测试VBR-3(38V)条件下，可以得到增益在18，带宽12GHz的样品，增益带宽积为200以上，比单独采用InP和InAlAs倍增所获得的样品效果都较好。
在本实施例中通过调节吸收层厚度、电荷调节层厚度及倍增层厚度，可以对VBR及增益产生明显的影响，能对增益起到叠加的效果；由于两组APD调节，可以有效降低每个PIN结构中InGaAs吸收层的厚度，相比单独APD结构来说，此实施例中InGaAs吸收层的厚度可以降低30%，目前这样对带宽的贡献作用就比较突出。此实施例中，APD的反偏工作电压范围会比较大，因为在较低的反偏工作电压下即可开始产生雪崩倍增。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故但凡依本实用新型的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本实用新型专利涵盖的范围之内。
Claims (10)
1.一种APD光电探测器，其特征在于：包括自下而上设置的衬底、P-InP接触层、第一过渡层、第一i-InGaAs吸收层、P-InAlAs电荷调节层、i-InAlAs倍增层、N型InAlAs层、第三过渡层、N-InP接触层、第二i-InGaAs吸收层、第二过渡层、N-InP电荷调节层、InP倍增层、P型InP层和P-InGaAs接触层；通过刻蚀分别在P-InP接触层和N-InP接触层上形成供电连接的台面；还包括N电极和P电极，N-InP接触层与N电极电连接，P-InGaAs接触层、P-InP接触层分别与P电极电连接。
2.根据权利要求1所述的一种APD光电探测器，其特征在于：第一i-InGaAs吸收层和第二i-InGaAs吸收层的厚度范围为0.5-3μm。
3.根据权利要求1所述的一种APD光电探测器，其特征在于：P-InAlAs电荷调节层的厚度范围为20-150nm，i-InAlAs倍增层的厚度范围为60-200nm，N-InP电荷调节层的厚度范围为60-200nm，InP倍增层的厚度范围为80-250nm。
4.根据权利要求1所述的一种APD光电探测器，其特征在于：第一i-InGaAs吸收层的厚度为1μm，P-InAlAs电荷调节层的厚度范围为100nm，i-InAlAs倍增层的厚度范围为120nm，第二i-InGaAs吸收层的厚度为1μm，N-InP电荷调节层的厚度范围为200nm，InP倍增层的厚度范围为200nm。
5.根据权利要求1所述的一种APD光电探测器，其特征在于：还包括SiN膜，SiN膜依次覆盖衬底、P-InP接触层、第一过渡层、第一i-InGaAs吸收层、P-InAlAs电荷调节层、i-InAlAs倍增层、N型InAlAs层、第三过渡层、N-InP接触层、第二i-InGaAs吸收层、第二过渡层、N-InP电荷调节层、InP倍增层、P型InP层和P-InGaAs接触层，并且分别在N-InP接触层、P-InP接触层、P-InGaAs接触层上形成供电连接的开口。
6.根据权利要求1所述的一种APD光电探测器，其特征在于：衬底的材料为Fe-InP。
7.根据权利要求1所述的一种APD光电探测器，其特征在于：还包括InP缓冲层，InP缓冲层位于衬底和P-InP接触层之间。
8.根据权利要求1所述的一种APD光电探测器，其特征在于：第一过渡层和第二过渡层的材料相同。
9.根据权利要求1所述的一种APD光电探测器，其特征在于：第一过渡层、第二过渡层和第三过渡层的材料分别为InGaAsP、InGaAsP及InAlGaAs。
10.根据权利要求1所述的一种APD光电探测器，其特征在于：第一过渡层为单层或者为多层；第二过渡层为单层或者为多层；第三过渡层为单层或者为多层。
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