一种用于单行载流子光电二极管的吸收区结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种单行载流子光电二极管的设计方法，特别是设及一种用于单行载 流子光电二极管的吸收区结构。
【背景技术】
[0002] 光电二极管（Photodiode, PD)是一种重要的光电转换器件，在国民经济及军事应 用领域有着广泛的应用，是光纤通信、超宽带无线通信、导弹制导、红外成像及遥感等应用 系统的核屯、器件。PD有两个重要指标：饱和电流和响应带宽。前者决定了输出功率，后者则 反应了器件的高频响应能力，很多关于PD的研究是围绕提升运两个性能指标而展开的。饱 和电流大、响应速度快的PD可满足更多的应用需求，运一点对于高速通信系统尤为重要。
[0003] 传统的PD基于PIN结构，其能带结构图如图1所示。光吸收发生在I区耗尽层， 在电场作用下，光激发产生的电子空穴对分别向器件的两极移动。在PIN-PD中，电子和空 穴的输运共同决定了器件的性能。然而，空穴的漂移速度远低于电子，运就限制了器件的带 宽；同时，当入射光功率变大时，产生的大量空穴将不能及时离开耗尽区，而空穴的聚集引 发空间电荷效应，使器件进入饱和状态。由于上述限制，一般的高速PIN-PD的响应带宽为 数十GHz,若要应用于太赫兹（IOOGHz~IOTHz)领域则略显不足。
[0004]1997 年，单行载流子光电二极管（Unitraveling carrier 地otodiode, UTC-PD) 的发明彻底解决了 "慢速"空穴的问题，给PD的性能带来了质的突破。UTC-PD -般采用 InGaAs/InP材料体系，能带结构如图2所示，其中吸收区为P型渗杂InO. 53GaO. 47As，入射 光在此激发电子空穴对；收集区（即漂移区、耗尽层）为禁带较宽的InP，对入射激光透明。 在此结构中，吸收区与漂移区分离。UTC-ro之所W被称之为"单行"，是因为器件性能主要 由电子输运所决定的：光吸收发生在P型渗杂的吸收区内，空穴为多数载流子，光激发产生 的空穴通过多数载流子的集体运动很快弛豫到电极，只有电子是有效载流子进入漂移区， 因此严區速"空穴带来的影响被完全排除。仅有"高速"的电子为有效载流子带来了更大的 带宽；而在饱和电流方面，尽管在UTC-TO收集区的注入端也会存在空间电荷效应，但该效 应由是电子引起的，由于电子漂移速度远高于空穴，因此需要更强的入射激光激发产生更 大量的电子才能引起电子的围积，所W，UTC-TO的饱和特性也远高于PIN-PD。 阳0化]在UTC-PD的电子输运中，其吸收区中的电子主要通过扩散的方式进入收集区，为 了能使电子更快的漂移进入收集区，研究人员对吸收区进行了梯度渗杂，形成了内建电场 W加速电子，从而缩短了电子在吸收区的渡越时间，提升了器件的高频响应能力。在此基础 之上，本发明将提出一种新型的吸收区结构，旨在进一步提升器件的响应带宽，对发展超宽 带光纤通信及太赫兹无线通信系统具有重大意义。
【发明内容】
[0006] 鉴于W上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于单行载流子光电 二极管的吸收区结构，用于提升单行载流子光电二极管的响应带宽。
[0007] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于单行载流子光电二极管的 吸收区结构，所述吸收区结构采用Ini yGa^ASyPi y材料生长，其中，X、y分别为Ga元素和As 元素的材料组分，〇<x<l，0<y《1，且组分参数x、y呈线性渐变或阶跃式梯度变化，使得吸收 区内的禁带宽度实现梯度变化。
[0008] 作为本发明的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构的一种优选方案，组分参 数X、y的选取使得Ini xGaxASyPi y材料的禁带宽度不大于波长为1. 5 ym的激光的光子能量
[0009] 作为本发明的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构的一种优选方案，所述 Ini xGaxASyPi y材料的组分参数X、y的取值范围为0. 38《X《0. 47,0. 82《y《1。
[0010] 优选地，所述吸收区Ini xGaxASyPi y材料的组分从靠近P型接触层的一端朝靠近n 型接触层的一端呈线性渐变，且Ga组分X为逐渐增大，使得吸收区内的禁带宽度实现线性 变化。 W11] 优选地，所述吸收区Ini xGaxASyPi y材料的组分从靠近P型接触层的一端朝靠近n 型接触层的一端呈阶跃式梯度变化，且Ga组分X为逐梯度增大，使得吸收区内的禁带宽度 实现梯度变化。
[0012] 进一步地，所述吸收区Ini xGaxASyPi y材料中，靠近P型接触层一端的组分为 In〇.62G曰n.ssAsn.szPa 18,罪近n型接触层的一端的组分为In〇.53Ga。.47AS,中间组分呈线性渐变或 呈阶跃式梯度变化。
[0013] 作为本发明的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构的一种优选方案，所述吸 收区Ini xGaxASyPi y材料的晶格常数应与InP相匹配，X、y满足：
[0015] 作为本发明的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构的一种优选方案，所述吸 收区Irii xGa^ASyPi y材料的带隙为：
[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 阳0化]其中，0. 74eV《EgQni xGaxASyPi y)《0. 82eV。
[0019] 作为本发明的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构的一种优选方案，所述单 行载流子光电二极管包括依次相连的P型接触层、阻挡层、吸收区、连接层、收集区、电荷 区、W及n型接触层。
[0020] 如上所述，本发明的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，具有W下有益效 果：本发明采用的梯度能带结构引入的内建电场显著增强了吸收区内的电场强度。该增强 的电场将有效加速电子的漂移，缩短其在吸收区的渡越时间。本发明可有效降低单行载流 子光电二极管吸收区内电子的渡越时间，对提升器件的带宽及实现基于该器件的超高速无 线通信系统具有重要意义。
【附图说明】
[0021] 图1显示为现有技术中的PIN-PD的能带结构图示意图。
[0022] 图2显示为现有技术中的单行载流子光电二极管UTC-PD的能带结构示意图。
[0023] 图3a~图3b显示为本发明的单行载流子光电二极管UTC-PD的能带结构。其中， 图3a中虚线圈内为UTC-PD的吸收区结构，图3b为线性梯度能带结构的吸收区，禁带宽度 线性连续变化，图3c为阶跃式梯度能带结构的吸收区，禁带宽度阶跃式变化。
[0024]图4显示为模拟得到本发明的器件吸收区内的电场分布情况，虚线为普通UTC-PD 器件，实线为具有线性梯度能带结构吸收区的UTC-PD。
[00巧]图5显示为模拟得到本发明的器件响应特性，虚线为普通UTC-TO器件，实线为具 有线性梯度能带结构吸收区的UTC-PD。 阳0%] 元件标号说明[0027] 101 P型接触层 阳02引102 阻挡层
[0029] 103 吸收区
[0030] 104 收集区
[0031] 105 n型接触层
【具体实施方式】
[0032] W下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书 所掲露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可W通过另外不同的具体实 施方式加W实施或应用，本说明书中的各项细节也可W基于不同观点与应用，在没有背离 本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0033] 请参阅图3a~图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅W示意方式说明 本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数 目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其 组件布局型态也可能更为复杂。
[0034] 如图3a~图3c所示，本发明提出用于单行载流子光电二极管的吸收区结构采用 梯度能带结构，其设计方案如下：
[00对 1)根据器件材料体系选取四元材料作为吸收区的材料，对于InP/InGaAs材料体 系的单行载流子光电二极管扣TC-PD)，吸收区选取四元材料IniyGa^ASyPiy，其中X、y分别 为Ga元素和As元素的材料组分，0<x<l，0<y《1。不同的x、y取值，Irii xGaxASyPi y材料的 带隙不同。因此，梯度能带结构可W通过按照一定的规则变化X、y的取值来实现。
[0036] 。在变化X、y构建能带梯度时，Irii xGa^ASyPi y材料需满足如下两个条件：
[0037] 第一，InixGaxASyPi y的晶格常数应与InP相匹配，因此X、y需满足：
[0039]第二Ini xGaxASyPi y的带隙可表示为：
[0040]EgQnixGaxASyPiy) =1. 35+(0.64化0. 758x)X+(0.1 Oly-I. 101)y
[0041 ] - (0. 28x-〇. 109y+0. 15