[发明专利]一种低功耗、零偏压单行载流子光电探测器

说明书

技术领域

本发明涉及光通信及传感技术领域，特别涉及一种低功耗、无需偏压的单行载流子光探测器结构。

背景技术

光纤通信系统及微波光子应用的快速发展提高了对于光电探测器高速、大功率性能的需求。

为了应对这些需求，只利用高速电子作为载流子的单行载流子光电探测器被提出并在近年内得到了大量的关注，目前高速单行载流子光电探测器已经具有了同时处理高速、大功率光信号的能力。但是普通单行载流子光电探测器的正常工作需要高反向偏压的支持，而光电探测器在大功率的光注入及高反向偏压的工作环境下会产生大量的焦耳热，随之而来的是较高的热噪声及热失效概率。

目前解决单行载流子光电探测器发热问题的方案是将其键合至高热导率的衬底上，然而这种方法大大增加了光电探测器制备工艺的复杂度。在单片外延的基础上优化单行载流子光电探测器在大功率光注入下的性能，实现工作在低功耗、零偏压下的高性能单行载流子光电探测器是本发明的一个重要目标。

发明内容

本发明旨在解决光电探测器在处理大功率光信号时性能下降的技术问题，在InP基衬底上提供一种工作在低功耗的零偏压下具有较好的性能的新型单行载流子光电探测器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提出了一种低功耗、零偏压单行载流子光电探测器，其包括如下结构：半导体衬底，其由InP材料构成，并具有半绝缘特性；外延层，其由InAlAs、InGaAs、InGaAsP及InP材料构成；所述光电探测器以p型掺杂的InAlAs材料作为电子阻挡层；所述光电探测器入光面位于衬底一侧。

本发明中所述的单行载流子光电探测器的结构从下至上依次为：InP半绝缘衬底、第一InGaAs腐蚀阻止层、InP次收集层(其上镀有n型接触电极)、第二InGaAs腐蚀阻止层、InP收集层、InGaAsP过渡层、InGaAs吸收层、InAlAs电子阻挡层和InGaAs接触层(其上镀有p型接触电极)。其中InAlAs材料中In的组分是0.52，Al的组分是0.48，采用p型掺杂，杂质材料是Zn，掺杂浓度在1×1018原子/cm3到3×1019原子/cm3的范围内，1×1018原子/cm3和3×1019原子/cm3也包括在内。传统单行载流子光电探测器的电子阻挡层材料为InP，由于InAlAs材料相较于InP材料拥有更大的禁带宽度和较高的费米能级，因此可以提供更高的电子势垒和更低的空穴势垒，有利于光生载流子在光电探测器中的运动。

本发明中所述的单行载流子光电探测器的外延层的厚度在2μm到4μm的范围内，2μm和4μm也包括在内。外延层厚度主要取决于其InGaAs吸收层的厚度，较厚的外延层厚度会增加光电探测器的相应度，但会降低光电探测器的高速响应。光电探测器的厚度可以根据具体应用场合的要求进行优选。

本发明中所述的InP收集层为n型掺杂，杂质材料是Si，掺杂浓度在1×1016原子/cm3到5×1016原子/cm3的范围内，1×1016原子/cm3和5×1016原子/cm3也包括在内。少量的掺杂可以利用电荷补偿效应提高光电探测器的大功率性能。

本发明中所述的InGaAs材料中In的组分是0.53，Ga的组分是0.47。InGaAs吸收层底部采用p型掺杂，掺杂材料是Si，掺杂浓度范围在2×1017原子/cm3到5×1017原子/cm3的范围内，2×1017原子/cm3和5×1017原子/cm3也包括在内，顶部掺杂浓度范围在1×1018原子/cm3到5×1018原子/cm3的范围内，1×1018原子/cm3和5×1018原子/cm3也包括在内。其掺杂浓度自底向上线性增加，从而在吸收层引入一个准电场以加速光生载流子在吸收层中的迁移速度。

本发明中所述的InP半绝缘衬底经过减薄抛光处理，从而降低了光纤-光电探测器之间的耦合损耗，提高了光耦合效率。

本发明的有益效果是：通过对材料的优化与结构的调整，本发明提出的单行载流子光电探测器在零偏压下具有更好的响应度与相应带宽，同时减少了探测器的功耗。

附图说明

图1是本发明所述的光电探测器的外延层结构示意图。

图2是InGaAs、InAlAs、InP三种材料的禁带能量示意图。

图3是本发明所述的单行载流子光电探测器与普通单行载流子光电探测器在零偏压下的频率响应。

具体实施方式