一种高带宽的单行载流子光电二极管

1.本发明属于太赫兹通信领域，涉及光电转换器件，具体是一种高带宽的单行载流子光电二极管。


背景技术：

2.太赫兹(thz)波是指频率在0.1～10thz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波，在频谱资源逐渐紧张的时代，太赫兹频段的开发十分关键。
3.太赫兹波通信具有带宽大、波束更窄、穿透能力强以及能量物联互通等优点。未来6g技术的关键正是“无所不在的覆盖”和“无缝连接”问题，因此使用太赫兹波作为下一代宽带无线通信的信息载体已成为目前的研究热点，其中，太赫兹信号源的产生则是太赫兹通信领域的研究难点。
4.量子级联激光器频率可拓展至太赫兹(thz)，是重要的thz辐射源，但是对温度有严格的要求，且结构复杂成本高昂；光电导开关技术中超短激光脉冲也是重要的thz辐射源，但量子效率与输出功率都比较低；光电探测器基于光生伏特效应，具有光电转换功能，可以在室温下工作，频率调节范围很大，且成本较低、稳定性较好；因此光电探测器被用作产生太赫兹波的关键器件。但是，作为太赫兹通信系统中实现光电转换功能的光探测器，必须具备能够迅速响应髙比特率的调制光信号(即高带宽)、充分的将入射光功率转变为光电流(即高量子效率)以及在高光强注入下不会导致输出电信号失真(即髙饱和输出功率)的能力，才能满足系统的要求。因此，提升带宽、量子效率和饱和输出功率是研究太赫兹通信中高性能光电探测器的重点。
5.日本ntt实验室t.ishibashi等人在1997年首次提出了一种采用分布式设计结构的光电二极管——utc-pd(uni-traveling-carrier photodiode)即单行载流子光电二极管，只依靠电子作为有源载流子，具有快速响应，高饱和输出的特点。utc-pd可适用于高性能光纤通信系统、雷达及卫星和太赫兹通信系统等应用场景。
6.众所周知，传统的pin型pd由于光生空穴在本征耗尽区的移速较慢，导致空穴积累效应严重，从而形成内建电场，降低了载流子漂移速度。尤其在高光强辐照下，pd处于大注入状态，pin型pd的响应度显著降低，3db带宽明显变窄。而相较于pin型pd，utc-pd在高光强辐照、大注入状态下则表现出卓越的性能。
7.因此utc-pd的出现突破了传统光电探测器的局限，具有更宽的带宽、更高的量子效率和输出功率及饱和电流，是当今高速光电子器件领域的研究热点，具有非常重要的研究意义及广阔的应用前景。
8.在utc-pd中，响应度与带宽一直是相互制约的两个性能参数，近年来，许多学者都在研究如何实现同时满足高响应度高带宽的高性能utc-pd。


技术实现要素：

9.针对现有技术的缺点，本发明提供了一种高带宽的单行载流子光电二极管，以现
有光电二极管utc-pd为基础，通过在吸收层引入线性掺杂，在其引入内建电场；以及改变缓冲层材料in
1-x
ga
x
asyp
1-y
中的组分x与组分y，使传统utc-pd的结构得到优化，减少电子从吸收层渡越到收集层的时间，同时提高了器件的3db带宽。
10.所述高带宽的单行载流子光电二极管，通过mocvd或者mbe工艺生长外延层，具体包括在inp衬底上，从下到上依次生长n型接触层，收集层，缓冲层，吸收层，阻挡层和p型接触层；
11.首先，对吸收层采用线性掺杂，从靠近阻挡层的一端到靠近缓冲层的另一端，掺杂浓度从2e18/cm^3到2e17/cm^3的范围内呈线性变化。
12.然后，在吸收层材料与收集层材料之间通过外延生长，加入缓冲层in
1-x
ga
x
asyp
1-y
，并通过缓冲层的禁带宽度eg范围，计算缓冲层中ga与as的不同组分；
13.具体为：由于缓冲层ingaasp禁带宽度小的一端靠近吸收层，禁带宽度大的一端靠近收集层；且缓冲层in
1-x
ga
x
asyp
1-y
的范围为0.734≤eg≤1.35，结合禁带宽度eg的计算公式为：
14.eg＝1.35+x(0.642+0.758x)+(0.101y-1.101)y-(0.28x-0.109y+0.159)xy
15.其中x是ga的组分，y是as的组分；
16.同时，为了和收集层材料inp晶格匹配，缓冲层中的组分x与y还需要满足公式：
[0017][0018]
由此确定组分x的最终数值范围为0.009≤x≤0.4651，y的数值范围为0.02≤y≤0.994。
[0019]
接着，光在吸收层中被吸收，产生电子空穴对，电子、空穴在浓度差的作用下会同时向吸收层两端扩散。
[0020]
电子是吸收层中的少数载流子，由于阻挡层的阻挡无法向阳极运动，在外部反向偏压下电子向收集层漂移，同时由于线性掺杂，使得靠近缓冲层端的电场强度和电势差变大，加速了电子通过吸收层；
[0021]
通过改变in
1-x
ga
x
asyp
1-y
中的ga与as的组分，增加了异质结界面的导带连续性，从而让电子能迅速、无阻碍地到达收集层，最终到达n型接触层；
[0022]
空穴是吸收层中的多数载流子，向p型接触层电极扩散，由此器件被导通形成电流。
[0023]
本发明的优点在于：
[0024]
本发明通过在吸收层中采用了线性掺杂的方式引入内建电场，加速电子通过吸收层；同时，通过在吸收层与收集层中引入缓冲层in
1-x
ga
x
asyp
1-y
，加速电子通过缓冲层。
附图说明
[0025]
图1为本发明一种高带宽的单行载流子光电二极管的原理图；
[0026]
图2为本发明一种高带宽的单行载流子光电二极管的生长图；
[0027]
图3为吸收层采用线性掺杂与均匀掺杂相对应的电场强度分布对比图；
[0028]
图4为吸收层均匀掺杂、吸收层线性掺杂、吸收层线性掺杂且缓冲层为梯度带隙结构分别对应的频率响应曲线。
[0029]
1-utc-pd结构；101-p型接触层；102-阻挡层；103-线性掺杂的吸收层；104-梯度带隙的缓冲层；105-收集层；
具体实施方式
[0030]
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0031]
本发明公开了一种高带宽的单行载流子光电二极管，在不降低响应度的前提下提升器件的带宽；该二极管首先通过在吸收层引入线性掺杂实现了在现有utc-pd中引入内建电场，达到减少电子渡越时间的效果；其次通过改变缓冲层材料in
1-x
ga
x
asyp
1-y
中的组分x与组分y，达到了平滑导带的作用。将上述两点应用在仿真结构中，使用atlas进行仿真，结果表明本发明二极管的3db带宽从230ghz增加到288ghz。
[0032]
utc-pd结构由一个窄带隙吸收层ingaas和一个宽带隙收集层inp组成；因为inp是宽带隙材料，300k时禁带宽度为1.35ev，波长为1.55μm入射光的光子能量为0.8ev，大于波长为1.55μm入射光的光子能量，所以光通过inp时是透明传输，而ingaas的禁带宽度是0.734ev，光在该吸收层中被吸收，产生电子空穴对；电子、空穴在浓度差的作用下会同时向吸收层两端扩散。p型光吸收层采用浓度高达十的十九次方的重掺杂，因为空穴是吸收层中的多数载流子，光生空穴的产生不会使多数载流子的浓度产生明显的变化且它会在很短的时间内被多数载流子驱散；吸收层中的少数载流子电子因为靠近阳极的p型ingaasp扩散阻挡层的阻挡作用无法向阳极运动，在反向偏压的影响下电子只能向收集层扩散，空穴向p电极扩散，器件被导通形成电流，这就是utc-pd的工作原理。
[0033]
其中，扩散阻挡层是通过阻挡层ingaasp与吸收层ingaas之间异质结界面的导带不连续性阻挡电子，同理，本结构在吸收层ingaas和收集层inp之间加入与这两种材料晶格匹配的ingaasp缓冲层增加异质结界面的导带连续性，从而让电子能迅速、无阻碍地扩散至收集层。
[0034]
所述高带宽的单行载流子光电二极管，如图1和图2所示，通过mocvd或者mbe工艺生长外延层，具体包括在inp衬底上，从下到上依次生长n型接触层，收集层，缓冲层，吸收层，阻挡层和p型接触层；
[0035]
首先，在传统的utc-pd吸收层材料ingaas中采用线性掺杂，从靠近阻挡层的一端到靠近缓冲层的另一端，掺杂浓度从2e18/cm^3到2e17/cm^3的范围内呈线性变化。
[0036]
通过与现有技术中相对应的均匀掺杂浓度为1.1e18/cm^3作对比；如图3所示，仿真实验表明，越靠近缓冲层一端电场强度越大，在吸收层位置一样的情况下，线性掺杂方式的电场强度相比均匀掺杂大，由此可知同样位置线性掺杂的电势差大于均匀掺杂的电势差，即等同于线性掺杂会在吸收层引入内建电场加速电子通过吸收层。
[0037]
然后，在吸收层材料ingaas与收集层材料inp之间通过外延生长，加入缓冲层in
1-x
ga
x
asyp
1-y
，并通过缓冲层的禁带宽度eg范围，计算缓冲层中ga与as的不同组分；
[0038]
具体为：由于缓冲层ingaasp禁带宽度小的一端靠近吸收层，禁带宽度大的一端靠近收集层；且缓冲层in
1-x
ga
x
asyp
1-y
的范围为0.734≤eg≤1.35，结合禁带宽度eg的计算公式为：
[0039]eg
＝1.35+x(0.642+0.758x)+(0.101y-1.101)y-(0.28x-0.109y+0.159)xy
[0040]
其中x是ga的组分，y是as的组分；0＜x＜1,0＜y≤1；
[0041]
同时，为了和收集层材料inp晶格匹配，缓冲层中的组分x与y还需要满足公式：
[0042][0043]
由此确定组分x的最终数值范围为0.009≤x≤0.4651，y的数值范围为0.02≤y≤0.994。
[0044]
接着，光在吸收层中被吸收，产生电子空穴对，电子、空穴在浓度差的作用下会同时向吸收层两端扩散。
[0045]
电子是吸收层中的少数载流子，由于阻挡层的阻挡无法向阳极运动，在外部反向偏压下电子向收集层漂移，同时由于线性掺杂，使得靠近缓冲层端的电场强度和电势差变大，加速了电子通过吸收层；
[0046]
通过改变in
1-x
ga
x
asyp
1-y
中的ga与as的组分，增加了异质结界面的导带连续性，从而让电子能迅速、无阻碍地到达收集层，最终到达n型接触层；
[0047]
空穴是吸收层中的多数载流子，向p型接触层电极扩散，由此器件被导通形成电流。
[0048]
实施例：
[0049]
首先，传统的utc-pd吸收层采用均匀掺杂，本发明中采用了线性掺杂的方式引入内建电场，加速电子通过吸收层。
[0050]
utc-pd的吸收层禁带宽度为0.734ev，可以吸收波长为1.55μm的光子从而产生电子空穴对。收集层材料inp的禁带宽度为1.35ev。传统的utc-pd吸收层采用p型均匀掺杂，本发明中采用了p型线性掺杂的方式引入内建电场，加速电子通过吸收层。图3是吸收层采用均匀掺杂或线性掺杂相对应电场的对比图，可以看出采用线性掺杂会引入更强的内建电场。
[0051]
然后，传统的utc-pd吸收层材料为ingaas，收集层材料为inp，这两种材料禁带宽度不同，为了平滑导带，本发明在吸收层与收集层中引入缓冲层in
1-x
ga
x
asyp
1-y
；
[0052]
x是ga的组分，y是as的组分，0＜x＜1,0＜y≤1。
[0053]
为了在吸收层与收集层中起到缓冲的作用，in
1-x
ga
x
asyp
1-y
的禁带宽度范围应该是：0.734≤eg≤1.35；禁带宽度计算公式为：
[0054]eg
＝1.35+x(0.642+0.758x)+(0.101y-1.101)y-(0.28x-0.109y+0.159)xy
[0055]
同时，为了和inp材料晶格匹配，in
1-x
ga
x
asyp
1-y
中的组分x与y还需要满足公式：
[0056][0057]
由此确定组分x的数值范围为0.009≤x≤0.4651，y的数值范围为0.02≤y≤0.994。根据组分x与y计算出的ingaasp禁带宽度范围为0.734≤eg≤1.33。且in
1-x
ga
x
asyp
1-y
中组分x数值最小的一端即禁带宽度小的一端靠近吸收层，组分x最大的一端即禁带宽度大的一端靠近收集层。
[0058]
通过在吸收层和收集层中引入与inp晶格匹配的ingaasp作缓冲层，提高电子在两种材料交界处的输运效率。
[0059]
本实施例所述单行载流子光电二极管包括依次相连的p型接触层101、阻挡层102、
吸收层103、缓冲层104以及收集层105。
[0060]
所述吸收层结构采用in
0.53
ga
0.47
as材料生长，该层的掺杂方式为线性p型重掺杂，相比均匀掺杂引入更高的内置电场。
[0061]
缓冲层104材料为in
1-x
ga
x
asyp
1-y
，0.009≤x≤0.4651，0.02≤y≤0.994，组分x数值最小的一端靠近吸收层，组分x最大的一端靠近收集层。
[0062]
in
1-x
ga
x
asyp
1-y
的禁带宽度变化范围为0.734≤eg≤1.33，在吸收层与收集层中间起到了缓冲的作用。
[0063]
结果表示：
[0064]
本发明中的结构由仿真软件atlas进行模拟，为了更直观体现出本发明的优势，将吸收层仅采用均匀掺杂与吸收层采用线性掺杂的结构的性能进行对比。显而易见，吸收层采用线性掺杂引入了更强的内置电场，显著增强了吸收区的电场强度，加速电子穿过吸收层的过程。如图4所示，是对器件带宽的模拟，图中三条曲线分别对应吸收层均匀掺杂且缓冲层材料组分单一的结构、吸收层线性掺杂且缓冲层材料组分单一的结构、吸收层线性掺杂且缓冲层是梯度带隙的结构。从图中可以看出，上述三种结构的带宽分别为230ghz、267ghz、288ghz，本发明的结构表现出更优越的性能。