[发明专利]一种用于单行载流子光电二极管的吸收区结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种单行载流子光电二极管的设计方法，特别是涉及一种用于单行载流子光电二极管的吸收区结构。

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，很多关于PD的研究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(Unitravelingcarrierphotodiode,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In0.53Ga0.47As，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，对入射激光透明。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，但该效应由是电子引起的，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。

在UTC-PD的电子输运中，其吸收区中的电子主要通过扩散的方式进入收集区，为了能使电子更快的漂移进入收集区，研究人员对吸收区进行了梯度掺杂，形成了内建电场以加速电子，从而缩短了电子在吸收区的渡越时间，提升了器件的高频响应能力。在此基础之上，本发明将提出一种新型的吸收区结构，旨在进一步提升器件的响应带宽，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用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，用于提升单行载流子光电二极管的响应带宽。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，所述吸收区结构采用In_1-xGa_xAs_yP_1-y材料生长，其中，x、y分别为Ga元素和As元素的材料组分，0<x<1，0<y≤1，且组分参数x、y呈线性渐变或阶跃式梯度变化，使得吸收区内的禁带宽度实现梯度变化。

作为本发明的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构的一种优选方案，组分参数x、y的选取使得In_1-xGa_xAs_yP_1-y材料的禁带宽度不大于波长为1.5μm的激光的光子能量

作为本发明的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构的一种优选方案，所述In_1-xGa_xAs_yP_1-y材料的组分参数x、y的取值范围为0.38≤x≤0.47，0.82≤y≤1。

优选地，所述吸收区In_1-xGa_xAs_yP_1-y材料的组分从靠近p型接触层的一端朝靠近n型接触层的一端呈线性渐变，且Ga组分x为逐渐增大，使得吸收区内的禁带宽度实现线性变化。