一種用于單行載流子光電二極管的吸收區結構的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種單行載流子光電二極管的設計方法，特別是設及一種用于單行載 流子光電二極管的吸收區結構。
【背景技術】
[0002] 光電二極管（Photodiode, PD)是一種重要的光電轉換器件，在國民經濟及軍事應 用領域有著廣泛的應用，是光纖通信、超寬帶無線通信、導彈制導、紅外成像及遙感等應用 系統的核屯、器件。PD有兩個重要指標：飽和電流和響應帶寬。前者決定了輸出功率，后者則 反應了器件的高頻響應能力，很多關于PD的研究是圍繞提升運兩個性能指標而展開的。飽 和電流大、響應速度快的PD可滿足更多的應用需求，運一點對于高速通信系統尤為重要。
[0003] 傳統的PD基于PIN結構，其能帶結構圖如圖1所示。光吸收發生在I區耗盡層， 在電場作用下，光激發產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 穴的輸運共同決定了器件的性能。然而，空穴的漂移速度遠低于電子，運就限制了器件的帶 寬；同時，當入射光功率變大時，產生的大量空穴將不能及時離開耗盡區，而空穴的聚集引 發空間電荷效應，使器件進入飽和狀態。由于上述限制，一般的高速PIN-PD的響應帶寬為 數十GHz,若要應用于太赫茲（IOOGHz~IOTHz)領域則略顯不足。
[0004]1997 年，單行載流子光電二極管（Unitraveling carrier 地otodiode, UTC-PD) 的發明徹底解決了 "慢速"空穴的問題，給PD的性能帶來了質的突破。UTC-PD -般采用 InGaAs/InP材料體系，能帶結構如圖2所示，其中吸收區為P型滲雜InO. 53GaO. 47As，入射 光在此激發電子空穴對；收集區（即漂移區、耗盡層）為禁帶較寬的InP，對入射激光透明。 在此結構中，吸收區與漂移區分離。UTC-ro之所W被稱之為"單行"，是因為器件性能主要 由電子輸運所決定的：光吸收發生在P型滲雜的吸收區內，空穴為多數載流子，光激發產生 的空穴通過多數載流子的集體運動很快弛豫到電極，只有電子是有效載流子進入漂移區， 因此嚴區速"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-TO收集區的注入端也會存在空間電荷效應，但該效 應由是電子引起的，由于電子漂移速度遠高于空穴，因此需要更強的入射激光激發產生更 大量的電子才能引起電子的圍積，所W，UTC-TO的飽和特性也遠高于PIN-PD。 陽0化]在UTC-PD的電子輸運中，其吸收區中的電子主要通過擴散的方式進入收集區，為 了能使電子更快的漂移進入收集區，研究人員對吸收區進行了梯度滲雜，形成了內建電場 W加速電子，從而縮短了電子在吸收區的渡越時間，提升了器件的高頻響應能力。在此基礎 之上，本發明將提出一種新型的吸收區結構，旨在進一步提升器件的響應帶寬，對發展超寬 帶光纖通信及太赫茲無線通信系統具有重大意義。

【發明內容】

[0006] 鑒于W上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種用于單行載流子光電 二極管的吸收區結構，用于提升單行載流子光電二極管的響應帶寬。
[0007] 為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種用于單行載流子光電二極管的 吸收區結構，所述吸收區結構采用Ini yGa^ASyPi y材料生長，其中，X、y分別為Ga元素和As 元素的材料組分，〇<x<l，0<y《1，且組分參數x、y呈線性漸變或階躍式梯度變化，使得吸收 區內的禁帶寬度實現梯度變化。
[0008] 作為本發明的用于單行載流子光電二極管的吸收區結構的一種優選方案，組分參 數X、y的選取使得Ini xGaxASyPi y材料的禁帶寬度不大于波長為1. 5 ym的激光的光子能量
[0009] 作為本發明的用于單行載流子光電二極管的吸收區結構的一種優選方案，所述 Ini xGaxASyPi y材料的組分參數X、y的取值范圍為0. 38《X《0. 47,0. 82《y《1。
[0010] 優選地，所述吸收區Ini xGaxASyPi y材料的組分從靠近P型接觸層的一端朝靠近n 型接觸層的一端呈線性漸變，且Ga組分X為逐漸增大，使得吸收區內的禁帶寬度實現線性 變化。 W11] 優選地，所述吸收區Ini xGaxASyPi y材料的組分從靠近P型接觸層的一端朝靠近n 型接觸層的一端呈階躍式梯度變化，且Ga組分X為逐梯度增大，使得吸收區內的禁帶寬度 實現梯度變化。
[0012] 進一步地，所述吸收區Ini xGaxASyPi y材料中，靠近P型接觸層一端的組分為 In〇.62G曰n.ssAsn.szPa 18,罪近n型接觸層的一端的組分為In〇.53Ga。.47AS,中間組分呈線性漸變或 呈階躍式梯度變化。
[0013] 作為本發明的用于單行載流子光電二極管的吸收區結構的一種優選方案，所述吸 收區Ini xGaxASyPi y材料的晶格常數應與InP相匹配，X、y滿足：
[0015] 作為本發明的用于單行載流子光電二極管的吸收區結構的一種優選方案，所述吸 收區Irii xGa^ASyPi y材料的帶隙為：
[0016] EgQni xGaxASyPi y) = 1. 35+(0. 64化0. 758x) X+(0.1 Oly-I. 101) y
[0017] - (0. 28x-0. 109y+0. 159)巧 陽0化]其中，0. 74eV《EgQni xGaxASyPi y)《0. 82eV。
[0019] 作為本發明的用于單行載流子光電二極管的吸收區結構的一種優選方案，所述單 行載流子光電二極管包括依次相連的P型接觸層、阻擋層、吸收區、連接層、收集區、電荷 區、W及n型接觸層。
[0020] 如上所述，本發明的用于單行載流子光電二極管的吸收區結構，具有W下有益效 果：本發明采用的梯度能帶結構引入的內建電場顯著增強了吸收區內的電場強度。該增強 的電場將有效加速電子的漂移，縮短其在吸收區的渡越時間。本發明可有效降低單行載流 子光電二極管吸收區內電子的渡越時間，對提升器件的帶寬及實現基于該器件的超高速無 線通信系統具有重要意義。
【附圖說明】
[0021] 圖1顯示為現有技術中的PIN-PD的能帶結構圖示意圖。
[0022] 圖2顯示為現有技術中的單行載流子光電二極管UTC-PD的能帶結構示意圖。
[0023] 圖3a~圖3b顯示為本發明的單行載流子光電二極管UTC-PD的能帶結構。其中， 圖3a中虛線圈內為UTC-PD的吸收區結構，圖3b為線性梯度能帶結構的吸收區，禁帶寬度 線性連續變化，圖3c為階躍式梯度能帶結構的吸收區，禁帶寬度階躍式變化。
[0024]圖4顯示為模擬得到本發明的器件吸收區內的電場分布情況，虛線為普通UTC-PD 器件，實線為具有線性梯度能帶結構吸收區的UTC-PD。
[00巧]圖5顯示為模擬得到本發明的器件響應特性，虛線為普通UTC-TO器件，實線為具 有線性梯度能帶結構吸收區的UTC-PD。 陽0%] 元件標號說明[0027] 101 P型接觸層 陽02引102 阻擋層
[0029] 103 吸收區
[0030] 104 收集區
[0031] 105 n型接觸層
【具體實施方式】
[0032] W下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書 所掲露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可W通過另外不同的具體實 施方式加W實施或應用，本說明書中的各項細節也可W基于不同觀點與應用，在沒有背離 本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0033] 請參閱圖3a~圖5。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅W示意方式說明 本發明的基本構想，遂圖示中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數 目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其 組件布局型態也可能更為復雜。
[0034] 如圖3a~圖3c所示，本發明提出用于單行載流子光電二極管的吸收區結構采用 梯度能帶結構，其設計方案如下：
[00對 1)根據器件材料體系選取四元材料作為吸收區的材料，對于InP/InGaAs材料體 系的單行載流子光電二極管扣TC-PD)，吸收區選取四元材料IniyGa^ASyPiy，其中X、y分別 為Ga元素和As元素的材料組分，0<x<l，0<y《1。不同的x、y取值，Irii xGaxASyPi y材料的 帶隙不同。因此，梯度能帶結構可W通過按照一定的規則變化X、y的取值來實現。
[0036] 。在變化X、y構建能帶梯度時，Irii xGa^ASyPi y材料需滿足如下兩個條件：
[0037] 第一，InixGaxASyPi y的晶格常數應與InP相匹配，因此X、y需滿足：
[0039]第二Ini xGaxASyPi y的帶隙可表示為：
[0040]EgQnixGaxASyPiy) =1. 35+(0.64化0. 758x)X+(0.1 Oly-I. 101)y
[0041 ] - (0. 28x-〇. 109y+0. 15