[发明专利]一种高速饱和单行载流子紫外光电二极管及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，更具体地，涉及一种高速饱和单行载流子紫外光电二极管及制备方法。

背景技术

自第一根光纤问世以来，以光子为传输载体的光纤通信以其容量大、重量轻、价格便宜、抗电磁干扰、抗腐蚀能力强等多种优点，得到越来越多人的青睐，使其在众多的应用中开始逐步取代以电子为传输载体的通信方式。随着10Gbit/s的光纤通信系统商业化，40Gbit/s的光纤通信系统得以实现，100Gbit/s的光纤通信系统也成为下一代通信系统的理想选择。

在光纤通信系统的发展中，光电探测器作为一个不可或缺的部件，其性能的优劣对整个光纤通信系统的性能起着决定性作用。先前的光探测器，因为要检测弱的光信号，所以其必须要求有很好的灵敏性，高速性能也同等重要；而现在，由于在探测器前面放置了光放大器，光探测器对灵敏度的要求已不是关键，但是高光功率限制了高速特性，因此新的挑战是设计出在高光功率下仍能有高速特性的光探测器。因此，应用于高速光纤通信系统的光探测器，其性能的优劣要从高速饱和输出特性和响应带宽两个方面来衡量。对于传统的PIN光探测器，由于受到空间电荷效应的限制，很难在高电流密度条件下保持高速响应，带宽和响应度之间相互制衡。

为了解决问题，提出了紫外单行载流子光电探测器，这种探测器只采用高速电子作为有源载载流子，并且电子在集结层的过冲速度非常高，减少了空间电荷，从而使其相比较普通的PIN光探测器具有更高的工作电流密度，最终使其同时实现高速和高速饱和输出性能。紫外探测在民用和军事领域具有广泛的应用，包括化学和生物分析、火焰探测，光通信、紫外光源的校准以及天文学研究。在上述应用中，需要解决的一个关键技术问题是对微弱紫外光信号甚至单光子的检测。这是由于空气对紫外光的吸收很强烈，紫外光在大气中衰减很快，到达探测端的强度很低。对于微弱紫外光信号，通常采用具有增益的光电倍增管PMT或者半导体雪崩光电二极管APD来进行检测。光电倍增管PMT尽管具有高增益和低噪声，但是其体积大且玻璃外壳易碎，同时还需要很高的电源功率。

目前，最常用的紫外光电探测器是基于Si材料的光电二极管，Si材料是晶体质量最高的材料。这是因为Si中的电子和空穴碰撞电离产生电子空穴对的能力差别最大，可以通过设计器件只让电子这一种载流子发生雪崩。但是，Si和其他窄禁带半导体探测器一样面临如下的一些固有的局限性：首先，对于Si或GaAs等这些窄禁带半导体而言，紫外光的能量远高于其带隙，它们在紫外光的照射下很容易老化。此外，通常是SiO2钝化层，会减少深紫外线范围的量子效率，同时也面临紫外线照射退化的问题。这些器件的另一个限制是其同时对低能量的光子也具有响应，因此必须使用昂贵和复杂的滤波器来阻挡可见光和红外线光子，导致有效面积有显著损失。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种高速饱和单行载流子紫外光电二极管及制备方法，只采用电子作为有源载流子的高速、高速饱和输出的紫外光电二极管，使得紫外光电二极管具备了高响应速率和高速饱和电流，同时获得了高量子效率，并减少了紫外光电二极管的损耗，并且制作工艺简单、成本低、易于实现。

根据本发明的一个方面，提供一种高速饱和单行载流子紫外光电二极管，包括衬底，所述衬底上依次生长有n型AlGaN外延层、p型AlGaN外延层和p型GaN接触层；所述n型AlGaN外延层上设有n型接触电极，所述p型GaN接触层上设有p型接触电极。

作为优选的，所述衬底为蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底为晶格是(0001)的氧化铝的单晶。

作为优选的，所述衬底和n型AlGaN外延层间生长有AlN缓冲层，所述AlN缓冲层厚度为4000nm。

作为优选的，所述n型AlGaN外延层包括第一n型AlGaN收集层和第二n型AlGaN收集层；所述n型AlGaN外延层中AlGaN材料的Al组分为0.45，Ga组分为0.55。

作为优选的，所述第二n型AlGaN收集层为n型掺杂，掺杂材料是Si，掺杂浓度为5x10¹⁸原子/cm³。

作为优选的，所述p型AlGaN外延层依次包括p型AlGaN过渡层、p型AlGaN吸收层和p型AlGaN电子阻挡层，所述p型AlGaN过渡层连接n型AlGaN外延层，所述p型AlGaN电子阻挡层连接p型GaN接触层；所述p型AlGaN外延层中AlGaN材料的Al组分为0.38，Ga组分为0.62。