[發明專利]雪崩光電二極管器件及其結構參數的調整方法

在審

• 申請號: 201710315129.5
• 申請日: 2017-05-05
• 公開（公告）號: CN107092760A
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: 曹思宇;李傳波;余凱;張均營;成步文;王啟明
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;H01L31/107
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司11021
• 代理人: 任巖

技術領域

本發明涉及二極管領域，尤其涉及一種雪崩光電二極管器件結構參數的調整方法，還涉及一種雪崩光電二極管器件。

背景技術

近紅外雪崩光電二極管在微弱光探測、紅外成像以及光纖通信等傳統領域中有著極為重要的應用。而近些年來，隨著量子通信，三維成像以及時間分辨光譜等新興的光子計數領域的快速發展，近紅外雪崩光電二極管由于其成本低、技術成熟、工作溫度高、可探測通信波段以及單光子探測能力等眾多的優點，使其成為單光子探測領域備受關注的主角。

近紅外雪崩光電二極管的性能主要取決于器件使用的材料以及結構參數。現在通用的雪崩光電二極管器件一般采用分離吸收-漸變-電荷-倍增(SAGCM)異質結結構，在InGaAs(銦鎵砷)/InAlAs(銦鋁砷)/InP(磷化銦)近紅外雪崩光電二極管中：InGaAs材料作為雪崩光電二極管的吸收層材料，可以吸收通信波段的光(1100-1700nm)，并生成光生載流子，與InAlAs以及InP材料晶格匹配(減少材料生長缺陷)；InAlGaAs(銦鋁鎵砷)材料作為漸變層材料，減少由于能帶變化帶來的載流子堆積問題；InAlAs材料作為電荷層材料，可以控制器件的電場分布；InAlAs材料作為倍增層材料，在高電場下，電子會進行雪崩倍增。雪崩光電二極管器件的結構參數指的是，各層材料的厚度以及摻雜濃度，通常來說吸收層以及倍增層為本征摻雜，厚度取值根據實際器件應用而定，電荷層一般具有相對固定的厚度，其摻雜濃度是調節器件電場分布的重要手段。

由于雪崩光電二極管器件的制備周期較長，包括參數設計、材料生長、工藝制備、器件封裝等一系列必不可少的流程(約3到6個月)，而且成本高，需要使用價格不菲的材料、半導體工藝設備以及人力資源，所以制備半導體器件的周期長、成本高。因此結構參數設計不當時，將會浪費大量的時間、人力以及物力。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明的目的在于提供一種雪崩光電二極管器件及其結構參數的調整方法，以解決上述的至少一項技術問題。

(二)技術方案

本發明的一方面，提供了一種雪崩光電二極管器件結構參數的調整方法，包括步驟：

S1、確定雪崩光電二極管器件的結構參數，所述結構參數包括所述雪崩光電二極管器件的吸收層和電荷層二者的初始厚度及初始摻雜濃度；

S2、將所述結構參數進行仿真，得到所述器件在雪崩擊穿時吸收層的內部電場；

S3、比較所述吸收層的內部電場與預設吸收層電場區間，若吸收層的內部電場在所述預設吸收層電場區間內，則完成結構參數的調整；若吸收層的內部電場分布不在所述預設吸收層電場區間內，則進行步驟S4；

S4、若吸收層的內部電場大于所述預設吸收層電場區間的最大值，則減小電荷層的摻雜濃度，返回并依次進行步驟S2和S3；若吸收層的內部電場小于所述預設吸收層電場區間的最小值，則增加電荷層的摻雜濃度，返回并依次進行步驟S2和S3。

優選地，所述預設吸收層電場區間的最小值大于等于最低漂移速度電場，且預設吸收層電場區間的最大值小于等于隧穿電場。優選地，所述吸收層隧穿電場為180KV/cm，所述吸收層最低漂移速度電場為50KV/cm。

優選地，所述吸收層為In_0.53Ga_0.47As材料，電荷層為InAlAs材料，倍增層為InP或者InAlAs材料。

優選地，步驟S4中，所述吸收層的內部電場與電荷層的摻雜濃度之間的公式為：

其中E(x，V_bias)為在偏置電壓V_bias下，所述器件內部某一點x處的電場強度；E_max(V_bias)在偏置電壓V_bias下，器件內部的最大電場強度；N_m、N_c、N_a分別代表器件的倍增層摻雜濃度、電荷層摻雜濃度以及吸收層摻雜濃度；w_m′、w_c′分別代表倍增層厚度、電荷層厚度；X_c代表電荷層與吸收層交界處；x代表器件內部某一點。

優選地，所述電荷層厚度為10nm-200nm。

優選地，步驟S2通過二維器件仿真器ATLAS進行所述仿真。

本發明實施例的另一方面，還提供了一種根據上述調整方法獲得的雪崩光電二極管器件。

(三)有益效果