[发明专利]单行载流子光电二极管的收集区结构

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电器件技术领域，特别是涉及一种单行载流子光电二极管的收集区结构。

背景技术

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心器件。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。一般情况下，关于PD的研究主要是围绕提升这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，这一点对于高速通信系统尤为重要。

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，这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(100GHz～10THz)领域则略显不足。

1997年，单行载流子光电二极管(Unitraveling carrier photodiode,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一般采用InGaAs/InP材料体系，能带结构如图2所示，其中吸收区为p型掺杂In_0.53Ga_0.47As，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，并进行均匀掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁶。在此结构中，吸收区与漂移区分离。UTC-PD之所以被称之为“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型掺杂的吸收区内，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，“慢速”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-PD收集区的注入端也会存在空间电荷效应，但该效应是由电子引起的，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囤积，所以，UTC-PD的饱和特性也远高于PIN-PD。

本发明将针对UTC-PD，提出一种新型的收集区结构，旨在进一步提升器件的饱和电流，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

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种单行载流子光电二极管的收集区结构，用于提升单行载流子光电二极管的饱和电流。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单行载流子光电二极管的收集区结构，所述收集区结构包括掺杂区和非掺杂区，其中，所述掺杂区靠近吸收区一侧。

优选地，所述掺杂区的掺杂浓度其中，d为掺杂区的掺杂浓度，最小掺杂浓度D＝1×10¹⁶/cm³，L_C为收集区的长度，L_D为掺杂区的长度。

优选地，所述掺杂区的长度其中，最大掺杂浓度d_o＝1×10¹⁷/cm³。

优选地，所述收集区的长度100nm≤L_C≤1μm。

优选地，所述掺杂区为n型硅掺杂。

优选地，所述收集区的材料为InP。

优选地，所述单行载流子光电二极管包括依次相连的p型接触层、扩散阻挡层、吸收区、收集区、以及n型接触层。

优选地，所述单行载流子光电二极管还包括过渡层以及亚接触层，所述过渡层连接于所述吸收区和所述收集区之间，所述亚接触层连接于所述收集区和所述n型接触层之间。

如上所述，本发明的单行载流子光电二极管的收集区结构，具有以下有益效果：本发明所述单行载流子光电二极管通过将收集区结构设置为掺杂区和非掺杂区，并通过将掺杂区的掺杂浓度设置为掺杂区的长度设置为在保证了响应带宽的前提下，有效缓解收集区内因电子聚集产生的空间电荷效应，进一步提高了所述单行载流子光电二极管的饱和电流。

附图说明

图1显示为现有技术中的PIN-PD的能带结构图示意图。

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。