單行載流子光電二極管的收集區結構的制作方法
本發明屬于半導體光電器件技術領域，特別是涉及一種單行載流子光電二極管的收集區結構。
背景技術：
光電二極管(Photodiode，PD)是一種重要的光電轉換器件，在國民經濟及軍事應用領域有著廣泛的應用，是光纖通信、超寬帶無線通信、導彈制導、紅外成像及遙感等應用系統的核心器件。PD有兩個重要指標：飽和電流和響應帶寬。前者決定了輸出功率，后者則反應了器件的高頻響應能力。一般情況下，關于PD的研究主要是圍繞提升這兩個性能指標而展開的。飽和電流大、響應速度快的PD可滿足更多的應用需求，這一點對于高速通信系統尤為重要。
傳統的PD基于PIN結構，其能帶結構圖如圖1所示。光吸收發生在I區耗盡層，在電場作用下，光激發產生的電子空穴對分別向器件的兩極移動。在PIN-PD中，電子和空穴的輸運共同決定了器件的性能。然而，空穴的漂移速度遠低于電子，這就限制了器件的帶寬；同時，當入射光功率變大時，產生的大量空穴將不能及時離開耗盡區，而空穴的聚集引發空間電荷效應，使器件進入飽和狀態。由于上述限制，一般的高速PIN-PD的響應帶寬為數十GHz，若要應用于太赫茲(100GHz～10THz)領域則略顯不足。
1997年，單行載流子光電二極管(Unitraveling carrier photodiode,UTC-PD)的發明徹底解決了“慢速”空穴的問題，給PD的性能帶來了質的突破。UTC-PD一般采用InGaAs/InP材料體系，能帶結構如圖2所示，其中吸收區為p型摻雜In0.53Ga0.47As，入射光在此激發電子空穴對；收集區(即漂移區、耗盡層)為禁帶較寬的InP，并進行均勻摻雜，摻雜濃度為1×1016。在此結構中，吸收區與漂移區分離。UTC-PD之所以被稱之為“單行”，是因為器件性能主要由電子輸運所決定的：光吸收發生在p型摻雜的吸收區內，空穴為多數載流子，光激發產生的空穴通過多數載流子的集體運動很快弛豫到電極，只有電子是有效載流子進入漂移區，因此，“慢速”空穴帶來的影響被完全排除。僅有“高速”的電子為有效載流子帶來了更大的帶寬；而在飽和電流方面，盡管在UTC-PD收集區的注入端也會存在空間電荷效應，但該效應是由電子引起的，由于電子漂移速度遠高于空穴，因此需要更強的入射激光激發產生更大量的電子才能引起電子的囤積，所以，UTC-PD的飽和特性也遠高于PIN-PD。
本發明將針對UTC-PD，提出一種新型的收集區結構，旨在進一步提升器件的飽和電流，對發展超寬帶光纖通信及太赫茲無線通信系統具有重大意義。
技術實現要素：
鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種單行載流子光電二極管的收集區結構，用于提升單行載流子光電二極管的飽和電流。
為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種單行載流子光電二極管的收集區結構，所述收集區結構包括摻雜區和非摻雜區，其中，所述摻雜區靠近吸收區一側。
優選地，所述摻雜區的摻雜濃度其中，d為摻雜區的摻雜濃度，最小摻雜濃度D＝1×1016/cm3，LC為收集區的長度，LD為摻雜區的長度。
優選地，所述摻雜區的長度其中，最大摻雜濃度do＝1×1017/cm3。
優選地，所述收集區的長度100nm≤LC≤1μm。
優選地，所述摻雜區為n型硅摻雜。
優選地，所述收集區的材料為InP。
優選地，所述單行載流子光電二極管包括依次相連的p型接觸層、擴散阻擋層、吸收區、收集區、以及n型接觸層。
優選地，所述單行載流子光電二極管還包括過渡層以及亞接觸層，所述過渡層連接于所述吸收區和所述收集區之間，所述亞接觸層連接于所述收集區和所述n型接觸層之間。
如上所述，本發明的單行載流子光電二極管的收集區結構，具有以下有益效果：本發明所述單行載流子光電二極管通過將收集區結構設置為摻雜區和非摻雜區，并通過將摻雜區的摻雜濃度設置為摻雜區的長度設置為在保證了響應帶寬的前提下，有效緩解收集區內因電子聚集產生的空間電荷效應，進一步提高了所述單行載流子光電二極管的飽和電流。
附圖說明
圖1顯示為現有技術中的PIN-PD的能帶結構圖示意圖。
圖2顯示為現有技術中的單行載流子光電二極管UTC-PD的能帶結構示意圖。
圖3顯示為本發明所述單行載流子光電二極管的能帶結構示意圖。
圖4顯示為本發明所述收集區的結構示意圖。
圖5顯示為使用商用軟件ATLAS模擬得到的UTC-PD飽和電流和LD的關系圖。
圖6顯示為使用商用軟件ATLAS模擬得到的UTC-PD光電流和帶寬的關系圖。
元件標號說明
1 p型接觸層
2 擴散阻擋層
3 吸收區
4 收集區
41 摻雜區
42 非摻雜區
5 n型接觸層
具體實施方式
以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
請參閱圖3至圖6。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。
如圖3和圖4所示，所述收集區結構4包括摻雜區41和非摻雜區42，其中，所述摻雜區41靠近吸收區3一側。
具體的，所述收集區4的材料為InP，其中，所述摻雜區41為n型硅摻雜。
需要說明的是，通過將靠近吸收區3一側的收集區4設置為摻雜區41，其它區域為非摻雜區42，其中，所述摻雜區41為n型硅摻雜；使得光生電子從吸收區3進入所述收集區4時，摻雜離子能夠與從所述吸收區3輸運過來的光生電子進行中和，有效補償由吸收區3注入收集區4的大量光生電子，從而減輕收集區4的空間電荷效應，提升器件的飽和電流。
具體的，所述摻雜區41的摻雜濃度其中，d為摻雜區的摻雜濃度，最小摻雜濃度D＝1×1016/cm3，LC為收集區的長度，LD為摻雜區的長度。
需要說明的是，通過將所述摻雜區的摻雜濃度d限定為使得摻雜濃度d與摻雜區的長度LD及收集區的長度LC相關；根據摻雜區的長度LD和收集區的長度LC確定摻雜區的摻雜濃度，能夠使更多的光生電子與摻雜離子進行中和，進而更大程度地減輕收集區的空間電荷效應，進一步提升飽和電流。
具體的，所述摻雜區的長度為其中，最大摻雜濃度do＝1×1017/cm3。
需要說明的是，通過進一步設定所述摻雜區4的長度LD的取值范圍，使得所述單行載流子光電二極管在獲得較大飽和電流的同時，保證了所述單行載流子光電二極管的響應帶寬。
具體的，所述單行載流子光電二極管的結構不同，其收集區4的長度LC的值是不同的。優選地，所述收集區4的長度100nm≤LC≤1μm。進一步優選地，在本實施例中，所述收集區4的長度LC為263nm。
具體的，所述單行載流子光電二極管包括依次相連的p型接觸層1、擴散阻擋層2、吸收區3、收集區4、以及n型接觸層5。優選地，所述單行載流子光電二極管還包括過渡層以及亞接觸層，所述過渡層連接于所述吸收區和所述收集區之間，所述亞接觸層連接于所述收集區和所述n型接觸層之間。
下面請結合具體的UTC-PD說明本發明所述摻雜區長度及濃度的確定方法，其中，現有UTC-PD外延結構與本發明改進后的UTC-PD外延結構的比對結果如下表所示：
具體的，先設定收集區長度LC的值，得到摻雜區長度LD的取值范圍；然后通過軟件模擬，得到摻雜區長度LD和飽和電流的變化曲線，從而確定摻雜區長度LD的值，進而得到摻雜區的摻雜濃度d。
當所述UTC-PD的收集區長度LC＝263nm時，所述摻雜區的長度83.1nm≤LD<263nm，采用商用軟件Atlas對所述UTC-PD進行編程和模擬，得到所述UTC-PD的摻雜區長度LD和飽和電流的變化曲線，如圖5所示，可見，當83.1nm≤LD<263nm時，隨著摻雜區長度LD的縮短，飽和電流單調上升，所以，摻雜區長度LD的最佳取值為83.1nm，進而根據公式計算得到在摻雜區長度LD為83.1nm時的摻雜濃度d＝do＝1×1017/cm3。
需要說明的是，從圖5中可以看出，當摻雜區長度LD<83.1nm時，所述UTC-PD的飽和電流會進一步增大，但當摻雜區長度LD<83.1nm時，會對所述UTC-PD的響應帶寬造成不利影響，因此，在保證不影響所述UTC-PD的響應帶寬的情況下，為了獲得最大的飽和電流，故使所述摻雜區長度LD＝83.1nm。
進一步需要說明的是，采用商用軟件Atlas模擬了四種不同摻雜區長度LD下所述UTC-PD的響應帶寬隨飽和電流變化的關系圖，如圖6所示。從圖6中可以看出，相較于現有的UTC-PD結構(當LD＝LC，d＝1×1016/cm3時)，當本發明所述摻雜區長度LD＝83.1nm時，所述UTC-PD達到最佳帶寬和飽和電流的組合。
綜上所述，本發明的單行載流子光電二極管的收集區結構，具有以下有益效果：本發明所述單行載流子光電二極管通過將收集區結構設置為摻雜區和非摻雜區，并通過將摻雜區的摻雜濃度設置為摻雜區的長度設置為在保證了響應帶寬的前提下，有效緩解收集區內因電子聚集產生的空間電荷效應，進一步提高了所述單行載流子光電二極管的飽和電流。
所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
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