[发明专利]一种雪崩光电探测器和提高雪崩光电探测器高频特性的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件领域，具体是指一种雪崩光电探测器(APD)和提高雪崩光电探测器高频特性的方法。

背景技术

在过去的五十年中，雪崩光电探测器(APD)已经广泛的应用于商业、军事和科学研究中，如量子信息、生物分子探测、激光雷达成像、天文探测等。近些年，APD研究的动力主要来源于光通信。工作波长在1.55μm的高速、高灵敏度的APD是高比特率长距离光纤通信的关键器件。由于其内在增益，APD可以比PIN型探测器的灵敏度高5-10分贝。在过去的十几年中，由于材料和器件结构的进步，APD的性能明显提高。目前APD已经成功应用于10GB/s的光接收器中，并且随着器件结构和材料质量的改进，更加高的速度将成为可能。

限制雪崩光电探测器高频性能的因素主要有三个，即载流子渡越时间、电容-电阻时间常数和倍增建立时间。其中载流子渡越时间和电容-电阻时间常数是一对矛盾体，减小其中一个往往意味着增大另一个。如果能引入新的设计自由度，减小两者中对限制器件高频特性起主要作用的一个的同时保持另一个不变，或在两者作用相当时同时降低两者将有利于提高器件的高频性能。

图1显示了现有的APD的基本结构示意图。如图所示，APD至少包括有吸收层8、电荷层6和倍增层5。所述吸收层8用于吸收目标探测光，将目标探测光的光子转化为自由载流子对(电子空穴对)，也称光生自由载流子对；所述电荷层6用于调控器件内部电场分布；所述倍增层5用于使进入其中的自由载流子引发雪崩倍增效应，产生更多的自由载流子对，或称雪崩载流子对，放大信号。通常，电荷层6设置于吸收层8与倍增层5之间，并且与倍增层紧邻，如图1所示。

对于实际的APD器件，除了图1所示的层之外，还可包括衬底和其他功能层。衬底作为材料生长的基底，功能层包括用于提高材料生长质量的缓冲层、用于与电极接触的接触层、用于将未被吸收的入射光反射再次进入吸收层或形成谐振腔的分布布拉格反射层(DBR)以及用于减小器件电容的空间层等。

图2是现有技术的一种谐振腔增强型InGaAs/InAlAs/InP APD的结构图示意图。如图2所示，该APD器件在其纵向包括依次叠置的半绝缘InP衬底1，N+InP缓冲层2、N+In_0.53Ga_0.47As(InGaAs)/In_0.52Al_0.48As(InAlAs)分布布拉格反射层(DBR层)3、N+InAlAs第一接触层41、200nm的InAlAs倍增层5、150nm的P型电荷层6、50nm的InAlAs第一空间层71、60nm的InGaAs吸收层8、50nm的InAlAs第二空间层72、200nm的P+InAlAs第二接触层42和30nm的P+InGaAs第三接触层43。其中P型电荷层的掺杂浓度可以是2.7×10¹⁷/cm³，第一、第二InAlAs空间层、InGaAs吸收层和InAlAs倍增层均不掺杂。

如图2所示，光进入InGaAs吸收层8后被吸收层材料吸收，转化为光生载流子对。其中的电子在电场的作用下经过第一空间层71和P型电荷层6进入InAlAs倍增层5，在InAlAs倍增层5内高电场的作用下发生雪崩倍增，产生更多的自由载流子对。新产生的自由载流子对中，空穴在电场的作用下，需要经过P型电荷层6、第一空间层71、吸收层8和第二空间层72进入上面的P型第二、第三接触层42、43被收集，而电子漂移出倍增层5后即被下面的N型第一接触层41收集。可见，空穴需要比电子更长的时间才能被收集，既不利于载流子渡越时间的缩短，又不利于器件电容的减小，从而限制了器件的高频性能。

需要注意的是，图1和图2仅为结构示意图，其中示意性地显示了各层的位置关系，而不反映器件各层的厚度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是使雪崩光电探测器的载流子渡越时间和电容-电阻时间常数中的一个降低时，另一个保持不变或基本不变，或者使二者同时降低，以提高雪崩光电探测器的高频特性。

(二)技术方案