9)巧
[00创为了使吸收区能够有效吸收入射光，InixGaxASyPiy的带隙不能超过入 射激光的光子能量。对于波长为1.5 ym的激光器，其光子能量为0.82eV，因此， Eg(InixGaxASyPiy)《0.82eV。
[0043] 根据上述两点限制条件，可W确定X的取值范围是0.38~0.47,对应的y的取值 范围是 0. 82 ~1，同时，0. 74eV《EgQni xGaxASyPi y)《0. 82eV。 W44]如吸收区靠近P型接触层的一端应设计为宽带隙材料，最宽可选取为I%e2Ga(j.3sAS(j.s2P。. 18,靠近n型接触层的一端应设计为窄带隙材料，最窄可选取为 I%53Gae.47As，中间区域材料的带隙通过线性梯度或者阶跃式梯度逐步变化X即可得到。
[0045] 基于W上设计方案，如图3a~3c所示，本实施例提供一种用于单行载流子光电 二极管的吸收区结构，所述单行载流子光电二极管包括依次相连的P型接触层101、阻挡层 102、吸收区103、连接层、收集区104、电荷区、W及n型接触层105。所述吸收区结构采用 Ini xGaxASyPi 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<l，0<y《1， 更进一步，所述Irii xGa^ASyPi 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，且组分参数X、y的选取使得Ini xGaxASyPi y材料的禁带宽度不大于波长为 1. 5 ym的激光的光子能量。其中，所述吸收区Ini xGaxASyPi 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，如图3b所示；或者所述吸收区Ini yGa^ASyPi y材料的组分从靠近P型 接触层的一端朝靠近n型接触层的一端呈阶跃式梯度变化，且Ga组分X为逐梯度增大，使 得吸收区内的禁带宽度实现梯度变化，如图3c所示。
[0046] 在一个具体实施例中，所述吸收区InixGaxASyPiy材料中，靠近P型接触层一端的 组分选用为1%(；26曰。.3/3。.82口。.18，靠近11型接触层的一端的组分选用为111。.536曰。.4743，中间组 分呈线性渐变或呈阶跃式梯度变化。
[0047] W-个实际的UTC-TO为例，进一步说明本发明的【具体实施方式】。
[0048] 首先，选择一个普通的UTC-ro器件，其外延材料结构如表1所示。在此基础上，对 其吸收区结构进行修改。
[0049] 根据本发明所列的实施方案，将普通的UTC-PD器件吸收区材料由In。.53Gae.47As 改为In。. ezGa。. 3sAs。. szP。. 18 - In D. ssGa。. 47AS的能带线性渐变材料。靠近P型接触层的 一端为1? ezGa。. 3sAs。. 82?。. 18，靠近n型接触层的一端为1? ssGa。. 47AS，而在中间区域为 Ini xGaxASyPi y，其中X从靠近P型接触层一侧的0. 38随材料的厚度线性变化至靠近n型接 触层一侧的0.47,而y根据公式
取值。运样，器件吸收区的带隙从靠近 P型接触层一侧的0. 82eV逐渐变化至靠近n型接触层一侧的0. 74eV，该能带梯度引入的内 建电场将有效加速电子的运动。改进的UTC-PD(采用本发明的吸收区结构的单行载流子光 电二极管）与普通的UTC-PD的器件结构对比列表如下： 阳化0]
[0052] 采用商用软件Atlas对原有普通UTC-ro和改进后的UTC-ro分别进行编程和模 拟，结果如图4和图5所示。图4给出了两者吸收区内的电场分布情况，其中深度是指与器 件上表面（即P型接触层表面）的距离，可见梯度能带结构引入的内建电场显著增强了吸 收区内的电场强度。该增强的电场将有效加速电子的漂移，缩短其在吸收区的渡越时间。对 器件的响应带宽进行模拟，结果如图5所示，可见器件的-3地响应带宽提升幅度大于35%。
[0053] 需要进一步说明的是，上述实施例中的具有线性能带梯度吸收区的UTC-PD，其器 件材料可由M邸或MOCVD等外延技术生长得到，若为了简化生长过程，可用阶跃式梯度替代 线性梯度，同样可W达到提升器件响应带宽的目的。
[0054] 如上所述，本发明的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，具有W下有益效 果：本发明采用的梯度能带结构引入的内建电场显著增强了吸收区内的电场强度。该增强 的电场将有效加速电子的漂移，缩短其在吸收区的渡越时间。本发明可有效降低单行载流 子光电二极管吸收区内电子的渡越时间，对提升器件的带宽及实现基于该器件的超高速无 线通信系统具有重要意义。所W，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业 利用价值。
[0055] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟 悉此技术的人±皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因 此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所掲示的精神与技术思想下所完 成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【主权项】
1. 一种用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，其特征在于，所述吸收区结构采用 In1 ^iGaxAsyP1y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〈l，0〈y彡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。2. 根据权利要求1所述的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，其特征在于：组 分参数x、y的选取使得In1AaxAsyP1 ￥材料的禁带宽度不大于波长为1. 5μm的激光的光子 能量。3. 根据权利要求1所述的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，其特征在于：所 述In1AaxAsyP1 ,材料的组分参数X、y的取值范围为0. 38彡X彡0. 47,0. 82彡y彡1。4. 根据权利要求1所述的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，其特征在于：所 述吸收区In1 ^axAsyP1y材料的组分从靠近p型接触层的一端朝靠近η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。5. 根据权利要求1所述的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，其特征在于：所 述吸收区In1 ^axAsyP1y材料的组分从靠近p型接触层的一端朝靠近η型接触层的一端呈 阶跃式梯度变化，且Ga组分X为逐梯度增大，使得吸收区内的禁带宽度实现梯度变化。6. 根据权利要求4或5所述的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，其特征在于： 所述吸收区In1 ^iGaxAsyP1y材料中，靠近p型接触层一端的组分为InI62Gaa38Asas2Pais，靠近 η型接触层的一端的组分为Ina53Gaa47As,中间组分呈线性渐变或呈阶跃式梯度变化。7. 根据权利要求1所述的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，其特征在于：所 述吸收区In1 ,GaxAsyP1淋料的晶格常数应与InP相匹配，X、y满足：8. 根据权利要求1所述的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，其特征在于：所 述吸收区In1 ^iGaxAsyP1y材料的带隙为： Eg(In1 ,GaxAsyP1 y) =I. 35+(0. 642+0. 758x)x+(0.IOly-L101)y -(0. 28x-0. 109y+0. 159)xy 其中，0· 74eV彡Egdn1 ,GaxAsyP1 y)彡 0· 82eV。9. 根据权利要求I所述的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，其特征在于：所 述单行载流子光电二极管包括依次相连的P型接触层、阻挡层、吸收区、收集区、以及η型接 触层。10. 根据权利要求9所述的用于单行载流子光电二极管的吸收区结构，其特征在于：所 述单行载流子光电二极管还包括连接层以及电荷区，所述连接层连接于所述吸收区及收集 区之间，所述电荷区连接于所述收集区及η型接触层之间。
【专利摘要】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In1-xGaxAsyP1-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，且组分参数x、y的选取使得In1-xGaxAsyP1-y材料的晶格常数与InP匹配，同时，其禁带宽度不大于波长为1.5μm的激光的光子能量。本发明采用的梯度能带结构引入的内建电场显著增强了吸收区内的电场强度，增强的电场将有效加速电子的漂移，缩短其在吸收区的渡越时间。本发明可有效降低单行载流子光电二极管吸收区内电子的渡越时间，对提升器件的带宽及实现基于该器件的超高速无线通信系统具有重要意义。
【IPC分类】H01L31/0352, H01L31/10, H01L31/0304
【公开号】CN105390556
【申请号】CN201510755818
【发明人】张戎, 曹俊诚, 邵棣祥
【申请人】中国科学院上海微系统与信息技术研究所
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年11月9日