[發明專利]一種雪崩光電探測器和提高雪崩光電探測器高頻特性的方法

無效

• 申請號: 201310049958.5
• 申請日: 2013-02-08
• 公開（公告）號: CN103077996A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 李彬;韓勤;楊曉紅
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L31/107
• 分類號: H01L31/107
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明屬于半導體器件領域，具體是指一種雪崩光電探測器(APD)和提高雪崩光電探測器高頻特性的方法。

背景技術

在過去的五十年中，雪崩光電探測器(APD)已經廣泛的應用于商業、軍事和科學研究中，如量子信息、生物分子探測、激光雷達成像、天文探測等。近些年，APD研究的動力主要來源于光通信。工作波長在1.55μm的高速、高靈敏度的APD是高比特率長距離光纖通信的關鍵器件。由于其內在增益，APD可以比PIN型探測器的靈敏度高5-10分貝。在過去的十幾年中，由于材料和器件結構的進步，APD的性能明顯提高。目前APD已經成功應用于10GB/s的光接收器中，并且隨著器件結構和材料質量的改進，更加高的速度將成為可能。

限制雪崩光電探測器高頻性能的因素主要有三個，即載流子渡越時間、電容-電阻時間常數和倍增建立時間。其中載流子渡越時間和電容-電阻時間常數是一對矛盾體，減小其中一個往往意味著增大另一個。如果能引入新的設計自由度，減小兩者中對限制器件高頻特性起主要作用的一個的同時保持另一個不變，或在兩者作用相當時同時降低兩者將有利于提高器件的高頻性能。

圖1顯示了現有的APD的基本結構示意圖。如圖所示，APD至少包括有吸收層8、電荷層6和倍增層5。所述吸收層8用于吸收目標探測光，將目標探測光的光子轉化為自由載流子對(電子空穴對)，也稱光生自由載流子對；所述電荷層6用于調控器件內部電場分布；所述倍增層5用于使進入其中的自由載流子引發雪崩倍增效應，產生更多的自由載流子對，或稱雪崩載流子對，放大信號。通常，電荷層6設置于吸收層8與倍增層5之間，并且與倍增層緊鄰，如圖1所示。

對于實際的APD器件，除了圖1所示的層之外，還可包括襯底和其他功能層。襯底作為材料生長的基底，功能層包括用于提高材料生長質量的緩沖層、用于與電極接觸的接觸層、用于將未被吸收的入射光反射再次進入吸收層或形成諧振腔的分布布拉格反射層(DBR)以及用于減小器件電容的空間層等。

圖2是現有技術的一種諧振腔增強型InGaAs/InAlAs/InP?APD的結構圖示意圖。如圖2所示，該APD器件在其縱向包括依次疊置的半絕緣InP襯底1，N+InP緩沖層2、N+In_0.53Ga_0.47As(InGaAs)/In_0.52Al_0.48As(InAlAs)分布布拉格反射層(DBR層)3、N+InAlAs第一接觸層41、200nm的InAlAs倍增層5、150nm的P型電荷層6、50nm的InAlAs第一空間層71、60nm的InGaAs吸收層8、50nm的InAlAs第二空間層72、200nm的P+InAlAs第二接觸層42和30nm的P+InGaAs第三接觸層43。其中P型電荷層的摻雜濃度可以是2.7×10¹⁷/cm³，第一、第二InAlAs空間層、InGaAs吸收層和InAlAs倍增層均不摻雜。

如圖2所示，光進入InGaAs吸收層8后被吸收層材料吸收，轉化為光生載流子對。其中的電子在電場的作用下經過第一空間層71和P型電荷層6進入InAlAs倍增層5，在InAlAs倍增層5內高電場的作用下發生雪崩倍增，產生更多的自由載流子對。新產生的自由載流子對中，空穴在電場的作用下，需要經過P型電荷層6、第一空間層71、吸收層8和第二空間層72進入上面的P型第二、第三接觸層42、43被收集，而電子漂移出倍增層5后即被下面的N型第一接觸層41收集。可見，空穴需要比電子更長的時間才能被收集，既不利于載流子渡越時間的縮短，又不利于器件電容的減小，從而限制了器件的高頻性能。

需要注意的是，圖1和圖2僅為結構示意圖，其中示意性地顯示了各層的位置關系，而不反映器件各層的厚度。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明所要解決的技術問題是使雪崩光電探測器的載流子渡越時間和電容-電阻時間常數中的一個降低時，另一個保持不變或基本不變，或者使二者同時降低，以提高雪崩光電探測器的高頻特性。

(二)技術方案