[發明專利]單行載流子光電二極管的收集區結構

有效

• 申請號: 201611152276.7
• 申請日: 2016-12-14
• 公開（公告）號: CN106409940B
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發明（設計）人: 張戎;姚辰;符張龍;曹俊誠
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L31/0352
• 分類號: H01L31/0352;H01L31/109
• 代理公司: 上海光華專利事務所31219
• 代理人: 余明偉

技術領域

本發明屬于半導體光電器件技術領域，特別是涉及一種單行載流子光電二極管的收集區結構。

背景技術

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心器件。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。一般情況下，關于PD的研究主要是圍繞提升這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，這一點對于高速通信系統尤為重要。

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，這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(100GHz～10THz)領域則略顯不足。

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一般采用InGaAs/InP材料體系，能帶結構如圖2所示，其中吸收區為p型摻雜In_0.53Ga_0.47As，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，并進行均勻摻雜，摻雜濃度為1×10¹⁶。在此結構中，吸收區與漂移區分離。UTC-PD之所以被稱之為“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型摻雜的吸收區內，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，“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收集區的注入端也會存在空間電荷效應，但該效應是由電子引起的，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囤積，所以，UTC-PD的飽和特性也遠高于PIN-PD。

本發明將針對UTC-PD，提出一種新型的收集區結構，旨在進一步提升器件的飽和電流，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

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種單行載流子光電二極管的收集區結構，用于提升單行載流子光電二極管的飽和電流。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種單行載流子光電二極管的收集區結構，所述收集區結構包括摻雜區和非摻雜區，其中，所述摻雜區靠近吸收區一側。

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

優選地，所述摻雜區的長度其中，最大摻雜濃度d_o＝1×10¹⁷/cm³。

優選地，所述收集區的長度100nm≤L_C≤1μm。

優選地，所述摻雜區為n型硅摻雜。

優選地，所述收集區的材料為InP。

優選地，所述單行載流子光電二極管包括依次相連的p型接觸層、擴散阻擋層、吸收區、收集區、以及n型接觸層。

優選地，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和所述收集區之間，所述亞接觸層連接于所述收集區和所述n型接觸層之間。

如上所述，本發明的單行載流子光電二極管的收集區結構，具有以下有益效果：本發明所述單行載流子光電二極管通過將收集區結構設置為摻雜區和非摻雜區，并通過將摻雜區的摻雜濃度設置為摻雜區的長度設置為在保證了響應帶寬的前提下，有效緩解收集區內因電子聚集產生的空間電荷效應，進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顯示為現有技術中的PIN-PD的能帶結構圖示意圖。

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。