本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種單行載流子光電二極管的收集區(qū)結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

光電二極管(Photodiode，PD)是一種重要的光電轉(zhuǎn)換器件，在國民經(jīng)濟(jì)及軍事應(yīng)用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是光纖通信、超寬帶無線通信、導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外成像及遙感等應(yīng)用系統(tǒng)的核心器件。PD有兩個重要指標(biāo)：飽和電流和響應(yīng)帶寬。前者決定了輸出功率，后者則反應(yīng)了器件的高頻響應(yīng)能力。一般情況下，關(guān)于PD的研究主要是圍繞提升這兩個性能指標(biāo)而展開的。飽和電流大、響應(yīng)速度快的PD可滿足更多的應(yīng)用需求，這一點(diǎn)對于高速通信系統(tǒng)尤為重要。

傳統(tǒng)的PD基于PIN結(jié)構(gòu)，其能帶結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。光吸收發(fā)生在I區(qū)耗盡層，在電場作用下，光激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對分別向器件的兩極移動。在PIN-PD中，電子和空穴的輸運(yùn)共同決定了器件的性能。然而，空穴的漂移速度遠(yuǎn)低于電子，這就限制了器件的帶寬；同時，當(dāng)入射光功率變大時，產(chǎn)生的大量空穴將不能及時離開耗盡區(qū)，而空穴的聚集引發(fā)空間電荷效應(yīng)，使器件進(jìn)入飽和狀態(tài)。由于上述限制，一般的高速PIN-PD的響應(yīng)帶寬為數(shù)十GHz，若要應(yīng)用于太赫茲(100GHz～10THz)領(lǐng)域則略顯不足。

1997年，單行載流子光電二極管(Unitraveling carrier photodiode,UTC-PD)的發(fā)明徹底解決了“慢速”空穴的問題，給PD的性能帶來了質(zhì)的突破。UTC-PD一般采用InGaAs/InP材料體系，能帶結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中吸收區(qū)為p型摻雜In_0.53Ga_0.47As，入射光在此激發(fā)電子空穴對；收集區(qū)(即漂移區(qū)、耗盡層)為禁帶較寬的InP，并進(jìn)行均勻摻雜，摻雜濃度為1×10¹⁶。在此結(jié)構(gòu)中，吸收區(qū)與漂移區(qū)分離。UTC-PD之所以被稱之為“單行”，是因?yàn)槠骷阅苤饕呻娮虞斶\(yùn)所決定的：光吸收發(fā)生在p型摻雜的吸收區(qū)內(nèi)，空穴為多數(shù)載流子，光激發(fā)產(chǎn)生的空穴通過多數(shù)載流子的集體運(yùn)動很快弛豫到電極，只有電子是有效載流子進(jìn)入漂移區(qū)，因此，“慢速”空穴帶來的影響被完全排除。僅有“高速”的電子為有效載流子帶來了更大的帶寬；而在飽和電流方面，盡管在UTC-PD收集區(qū)的注入端也會存在空間電荷效應(yīng)，但該效應(yīng)是由電子引起的，由于電子漂移速度遠(yuǎn)高于空穴，因此需要更強(qiáng)的入射激光激發(fā)產(chǎn)生更大量的電子才能引起電子的囤積，所以，UTC-PD的飽和特性也遠(yuǎn)高于PIN-PD。

本發(fā)明將針對UTC-PD，提出一種新型的收集區(qū)結(jié)構(gòu)，旨在進(jìn)一步提升器件的飽和電流，對發(fā)展超寬帶光纖通信及太赫茲無線通信系統(tǒng)具有重大意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種單行載流子光電二極管的收集區(qū)結(jié)構(gòu)，用于提升單行載流子光電二極管的飽和電流。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種單行載流子光電二極管的收集區(qū)結(jié)構(gòu)，所述收集區(qū)結(jié)構(gòu)包括摻雜區(qū)和非摻雜區(qū)，其中，所述摻雜區(qū)靠近吸收區(qū)一側(cè)。

優(yōu)選地，所述摻雜區(qū)的摻雜濃度其中，d為摻雜區(qū)的摻雜濃度，最小摻雜濃度D＝1×10¹⁶/cm³，L_C為收集區(qū)的長度，L_D為摻雜區(qū)的長度。

優(yōu)選地，所述摻雜區(qū)的長度其中，最大摻雜濃度d_o＝1×10¹⁷/cm³。

優(yōu)選地，所述收集區(qū)的長度100nm≤L_C≤1μm。

優(yōu)選地，所述摻雜區(qū)為n型硅摻雜。

優(yōu)選地，所述收集區(qū)的材料為InP。

優(yōu)選地，所述單行載流子光電二極管包括依次相連的p型接觸層、擴(kuò)散阻擋層、吸收區(qū)、收集區(qū)、以及n型接觸層。

優(yōu)選地，所述單行載流子光電二極管還包括過渡層以及亞接觸層，所述過渡層連接于所述吸收區(qū)和所述收集區(qū)之間，所述亞接觸層連接于所述收集區(qū)和所述n型接觸層之間。

如上所述，本發(fā)明的單行載流子光電二極管的收集區(qū)結(jié)構(gòu)，具有以下有益效果：本發(fā)明所述單行載流子光電二極管通過將收集區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)置為摻雜區(qū)和非摻雜區(qū)，并通過將摻雜區(qū)的摻雜濃度設(shè)置為摻雜區(qū)的長度設(shè)置為在保證了響應(yīng)帶寬的前提下，有效緩解收集區(qū)內(nèi)因電子聚集產(chǎn)生的空間電荷效應(yīng)，進(jìn)一步提高了所述單行載流子光電二極管的飽和電流。

附圖說明

圖1顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的PIN-PD的能帶結(jié)構(gòu)圖示意圖。

圖2顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的單行載流子光電二極管UTC-PD的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3顯示為本發(fā)明所述單行載流子光電二極管的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4顯示為本發(fā)明所述收集區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5顯示為使用商用軟件ATLAS模擬得到的UTC-PD飽和電流和L_D的關(guān)系圖。

圖6顯示為使用商用軟件ATLAS模擬得到的UTC-PD光電流和帶寬的關(guān)系圖。

元件標(biāo)號說明

1 p型接觸層

2 擴(kuò)散阻擋層

3 吸收區(qū)

4 收集區(qū)

41 摻雜區(qū)

42 非摻雜區(qū)

5 n型接觸層

具體實(shí)施方式

以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

請參閱圖3至圖6。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。

如圖3和圖4所示，所述收集區(qū)結(jié)構(gòu)4包括摻雜區(qū)41和非摻雜區(qū)42，其中，所述摻雜區(qū)41靠近吸收區(qū)3一側(cè)。

具體的，所述收集區(qū)4的材料為InP，其中，所述摻雜區(qū)41為n型硅摻雜。

需要說明的是，通過將靠近吸收區(qū)3一側(cè)的收集區(qū)4設(shè)置為摻雜區(qū)41，其它區(qū)域?yàn)榉菗诫s區(qū)42，其中，所述摻雜區(qū)41為n型硅摻雜；使得光生電子從吸收區(qū)3進(jìn)入所述收集區(qū)4時，摻雜離子能夠與從所述吸收區(qū)3輸運(yùn)過來的光生電子進(jìn)行中和，有效補(bǔ)償由吸收區(qū)3注入收集區(qū)4的大量光生電子，從而減輕收集區(qū)4的空間電荷效應(yīng)，提升器件的飽和電流。

具體的，所述摻雜區(qū)41的摻雜濃度其中，d為摻雜區(qū)的摻雜濃度，最小摻雜濃度D＝1×10¹⁶/cm³，L_C為收集區(qū)的長度，L_D為摻雜區(qū)的長度。

需要說明的是，通過將所述摻雜區(qū)的摻雜濃度d限定為使得摻雜濃度d與摻雜區(qū)的長度L_D及收集區(qū)的長度L_C相關(guān)；根據(jù)摻雜區(qū)的長度L_D和收集區(qū)的長度L_C確定摻雜區(qū)的摻雜濃度，能夠使更多的光生電子與摻雜離子進(jìn)行中和，進(jìn)而更大程度地減輕收集區(qū)的空間電荷效應(yīng)，進(jìn)一步提升飽和電流。

具體的，所述摻雜區(qū)的長度為其中，最大摻雜濃度d_o＝1×10¹⁷/cm³。

需要說明的是，通過進(jìn)一步設(shè)定所述摻雜區(qū)4的長度L_D的取值范圍，使得所述單行載流子光電二極管在獲得較大飽和電流的同時，保證了所述單行載流子光電二極管的響應(yīng)帶寬。

具體的，所述單行載流子光電二極管的結(jié)構(gòu)不同，其收集區(qū)4的長度L_C的值是不同的。優(yōu)選地，所述收集區(qū)4的長度100nm≤L_C≤1μm。進(jìn)一步優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，所述收集區(qū)4的長度L_C為263nm。

具體的，所述單行載流子光電二極管包括依次相連的p型接觸層1、擴(kuò)散阻擋層2、吸收區(qū)3、收集區(qū)4、以及n型接觸層5。優(yōu)選地，所述單行載流子光電二極管還包括過渡層以及亞接觸層，所述過渡層連接于所述吸收區(qū)和所述收集區(qū)之間，所述亞接觸層連接于所述收集區(qū)和所述n型接觸層之間。

下面請結(jié)合具體的UTC-PD說明本發(fā)明所述摻雜區(qū)長度及濃度的確定方法，其中，現(xiàn)有UTC-PD外延結(jié)構(gòu)與本發(fā)明改進(jìn)后的UTC-PD外延結(jié)構(gòu)的比對結(jié)果如下表所示：

具體的，先設(shè)定收集區(qū)長度L_C的值，得到摻雜區(qū)長度L_D的取值范圍；然后通過軟件模擬，得到摻雜區(qū)長度L_D和飽和電流的變化曲線，從而確定摻雜區(qū)長度L_D的值，進(jìn)而得到摻雜區(qū)的摻雜濃度d。

當(dāng)所述UTC-PD的收集區(qū)長度L_C＝263nm時，所述摻雜區(qū)的長度83.1nm≤L_D<263nm，采用商用軟件Atlas對所述UTC-PD進(jìn)行編程和模擬，得到所述UTC-PD的摻雜區(qū)長度L_D和飽和電流的變化曲線，如圖5所示，可見，當(dāng)83.1nm≤L_D<263nm時，隨著摻雜區(qū)長度L_D的縮短，飽和電流單調(diào)上升，所以，摻雜區(qū)長度L_D的最佳取值為83.1nm，進(jìn)而根據(jù)公式計(jì)算得到在摻雜區(qū)長度L_D為83.1nm時的摻雜濃度d＝d_o＝1×10¹⁷/cm³。

需要說明的是，從圖5中可以看出，當(dāng)摻雜區(qū)長度L_D<83.1nm時，所述UTC-PD的飽和電流會進(jìn)一步增大，但當(dāng)摻雜區(qū)長度L_D<83.1nm時，會對所述UTC-PD的響應(yīng)帶寬造成不利影響，因此，在保證不影響所述UTC-PD的響應(yīng)帶寬的情況下，為了獲得最大的飽和電流，故使所述摻雜區(qū)長度L_D＝83.1nm。

進(jìn)一步需要說明的是，采用商用軟件Atlas模擬了四種不同摻雜區(qū)長度L_D下所述UTC-PD的響應(yīng)帶寬隨飽和電流變化的關(guān)系圖，如圖6所示。從圖6中可以看出，相較于現(xiàn)有的UTC-PD結(jié)構(gòu)(當(dāng)L_D＝L_C，d＝1×10¹⁶/cm³時)，當(dāng)本發(fā)明所述摻雜區(qū)長度L_D＝83.1nm時，所述UTC-PD達(dá)到最佳帶寬和飽和電流的組合。

綜上所述，本發(fā)明的單行載流子光電二極管的收集區(qū)結(jié)構(gòu)，具有以下有益效果：本發(fā)明所述單行載流子光電二極管通過將收集區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)置為摻雜區(qū)和非摻雜區(qū)，并通過將摻雜區(qū)的摻雜濃度設(shè)置為摻雜區(qū)的長度設(shè)置為在保證了響應(yīng)帶寬的前提下，有效緩解收集區(qū)內(nèi)因電子聚集產(chǎn)生的空間電荷效應(yīng)，進(jìn)一步提高了所述單行載流子光電二極管的飽和電流。

所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。