光電探測器是將光信號�(zhuǎn)�?yōu)殡娦盘柕钠骷?,雪崩光電探測器采用的即是雪�光電二極�(APD),能夠具有更大的響應(yīng)�。APD將主要應(yīng)用于長距離或接收光功率受到其它限制而較小的光纖通信系統(tǒng)。目前很多光器件專家對APD的前景十分看�,認為APD的研究對于增強相�(guān)�(lǐng)域的國際競爭�,是十分必要的�
1)Si
Si材料技�(shù)是一種成熟技�(shù),廣泛應(yīng)用于微電子領(lǐng)�,但并不適合制備目前光通信�(lǐng)域普遍接受的1.31mm,1.55mm波長范圍的器件�
2)Ge
Ge APD雖然光譜響應(yīng)適合光纖傳輸?shù)蛽p�、低色散的要�,但在制備工藝中存在很大的困�。而且,Ge的電子和空穴的離化率比率� )接�1,因此很難制備出高性能的APD器件�
3)In0.53Ga0.47As/InP
選擇In0.53Ga0.47As作為APD的光吸收�,InP作為倍增�,是一種比較有效的方法[2]。In0.53Ga0.47As材料的吸收峰值在1.65mm, �1.31mm,1.55mm 波長有約�104cm-1高吸收系�(shù),是目前光探測器吸收層材料。In0.53Ga0.47As光電二極管比起Ge光電二極�,有如下�(yōu)點:�1)In0.53Ga0.47As是直接帶隙半�(dǎo)�,吸收系�(shù)高;�2)In0.53Ga0.47As介電常數(shù)比Ge�,要得到與Ge光電二極管相同的量子效率和電�,可以減少In0.53Ga0.47As耗盡層的厚度,因此可以預(yù)期In0.53Ga0.47As/InP光二極管具有高的效應(yīng)和響�(yīng);(3)電子和空穴的離化率比率� )不�1,也就是說In0.53Ga0.47As/InP APD噪聲較低;(4)In0.53Ga0.47As與InP晶格完全匹配,用MOCVD方法在InP襯底上可以生長出高質(zhì)量的In0.53Ga0.47As外延層,可以顯著的降低通過p-n�(jié)的暗電流。(5)In0.53Ga0.47As/InP異質(zhì)�(jié)�(gòu)外延技�(shù),很容易在吸收區(qū)生長較高帶隙的窗口層,由此可以消除表面復(fù)合對量子效率的影��
4)InGaAsP/InP
選擇InGaAsP作為光吸收層,InP作為倍增�,可以制備響應(yīng)波長�1-1.4mm,高量子效率,低暗電�,高雪崩增益得的APD。通過選擇不同的合金組分,滿足對特定波長的性能�
)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As材料帶隙寬(1.47 eV�,在1.55 mm 波長范圍不吸收,有證�(jù)顯示,薄In0.52Al0.48As外延層在純電子注入的條件�,作為倍增層材�,可以獲得比InP更好的增益特性�
6)InGaAs/InGaAs(P�/InAlAs和InGaAs/In(Al)GaAs/InAlAs
材料的碰撞離化率是影響APD性能的重要因�。研究表明[6],可以通過引入InGaAs(P�/InAlAs� In(Al)GaAs/InAlAs超晶格結(jié)�(gòu)提高倍增層的碰撞離化率。應(yīng)用超晶格�(jié)�(gòu)這一能帶工程可以人為控制�(dǎo)帶和價帶值間的非對稱性帶邊不連續(xù)�,并保證�(dǎo)帶不連續(xù)性遠遠大于價帶不連續(xù)性(ΔEc>>ΔEv�。與InGaAs體材料相�,InGaAs/InAlAs量子阱電子離化率(a)明顯增加,電子和空穴獲得了額外能�,由于ΔEc>>ΔEv,可以預(yù)期電子所獲得的能量使電子離化率的增加量遠遠大于空穴能量對空穴離化�(b)的貢�,電子離化率與空穴離化率的比率(k)增�。因�,應(yīng)用超晶格�(jié)�(gòu)可以獲得大的增益-帶寬積(GBW)和低噪聲性能。然而,這種可以使k值增加的InGaAs/InAlAs量子阱結(jié)�(gòu)APD很難�(yīng)用在光接收機�。這是因為影響響應(yīng)度的倍增因子受限于暗電流,而不是倍增噪聲。在此結(jié)�(gòu)中,暗電流主要是由窄帶隙的InGaAs阱層的隧道效�(yīng)引起,因此,引入寬帶隙的四元合金,比如InGaAsP或InAlGaAs,代替InGaAs作為量子阱結(jié)�(gòu)的阱層可以抑制暗電流�
在相同的電場下,超晶格結(jié)�(gòu)可以大大提高k,表明超晶格結(jié)�(gòu) 的器件具有更大的信噪�。研究表明,InAlGaAs/InAlAs量子阱結(jié)�(gòu)的平均能隙為1.32 eV, InAlGaAs和InAlAs的帶隙值分別為1.13 eV�1.47 eV,量子阱結(jié)�(gòu)的能隙值介于InAlGaAs和InAlAs的帶隙值之�。量子阱�(jié)�(gòu)的空穴離化率近似等于InAlGaAs和InAlAs空穴離化率的平均值,因此InAlGaAs/InAlAs�(jié)�(gòu)的空穴離化率可以用帶隙差來很好的解釋。然而對于電子離化率來說,量子阱�(jié)�(gòu)比InAlGaAs和InAlAs的值都�。這種差異表明電子碰撞離化率的增加是由于大的導(dǎo)帶差(ΔEc)引起的。在InGaAsP/InAlAs 異質(zhì)�(jié)中,這種大的�(dǎo)帶差更為明顯,而價帶的差異通過P的引入幾乎消�,預(yù)期InGaAsP/InAlAs APD具有更大的電子碰撞離化率�
合理的芯片結(jié)�(gòu)是高性能器件的基本保證。APD�(jié)�(gòu)�(shè)計主要考慮RC時間常數(shù),在異�(zhì)�(jié)界面的空穴俘�,載流子通過耗盡區(qū)的渡越時間等因素。下面對其結(jié)�(gòu)的發(fā)展作一綜述�
1)基本結(jié)�(gòu)
最簡單的APD�(jié)�(gòu)是在PIN光電二極管的基礎(chǔ)�,對P區(qū)和N區(qū)都進行了重摻雜,在鄰近P區(qū)或N區(qū)引進n型或p型倍憎區(qū),以�(chǎn)生二次電子和空穴對,從而實�(xiàn)對一次光電流的放大作�。對于InP 系列材料來說,由于空穴碰撞電離系�(shù)大于電子碰撞電離系數(shù),通常將N型摻雜的增益區(qū)置于P區(qū)的位�。在理想情況�,只有空穴注入到增益區(qū),所以稱這種�(jié)�(gòu)為空穴注入型�(jié)�(gòu)�
2)吸收和增益區(qū)分開
由于InP寬帶隙特性(InP�1.35eV, InGaAs�0.75eV�,通常以InP為增益區(qū)材料,InGaAs為吸收區(qū)材料�
3)分別吸�、漸變、增益(SAGM)結(jié)�(gòu)的提�
目前商品化的APD器件大都采用InP/InGaAs材料,InGaAs作為吸收�,InP在較高電場下(>5x105V/cm)下而不被擊�,可以作為增益區(qū)材料。對于該材料� 所以這種APD的設(shè)計是雪崩過程由空穴碰撞而在n型InP中形�。考慮到InP和InGaAs的帶隙差別較�,價帶上大�0.4eV的能級差使得在InGaAs吸收層中�(chǎn)生的空穴,在達到InP倍增層之前在異質(zhì)�(jié)邊緣受到阻礙而速度大大減少,從而這種 APD的響�(yīng)時間長,帶寬很窄。這個問題可以在兩種材料之間加InGaAsP過渡層而得到解決�
4)分別吸�、漸變、電荷和增益(SAGCM)結(jié)�(gòu)的提�
為了進一步調(diào)節(jié)吸收層和增益層的電場分布,在器件�(shè)計中引入了電荷層,這種改進大大的提高了器件速率和響�(yīng)度�
5)諧振腔增強� (RCE) SAGCM�(jié)�(gòu)
在以上傳�(tǒng)探測器的�(yōu)化設(shè)計中,必須面臨這樣一個事實:即吸收層的厚度對器件速率和量子效率是一個矛盾的因素。薄的吸收層厚度可以減少載流子渡越時�,因此可以獲得大的帶寬;然�,同時為了得到更高的量子效率,需要吸收層具有足夠的厚度。解決這個問題可以采用諧振腔(RCE)結(jié)�(gòu),即在器件的底部和頂部設(shè)計DBR (distributed Bragg Reflector)。這種DBR反射鏡在�(jié)�(gòu)上包括低折射率和高折射率的兩種材�,二者交替生�,各層厚度滿足在半導(dǎo)體中入射光波長的1/4。這種諧振腔結(jié)�(gòu)的探測器在滿足速率要求的前提下,吸收層厚度可以做得很薄,而且電子在經(jīng)過多次反射后,量子效率增��
由于GaAs/AlAs諧振腔工藝的成熟,目前這種�(jié)�(gòu)的器件以GaAs/AlGaAs材料為最�,增�-帶寬�300GHz以上。InP/InGaAs諧振腔由于InP和InGaAs兩種材料折射率差較小,使得工藝變得復(fù)�,因此以InP為基材料的諧振腔增強型探測器實用化的很少。當(dāng)然可以利用鍵合技�(shù),應(yīng)用GaAs/AlAs的成熟工�,制備以InP為基材料的諧振腔增強型探測器。近年來又出�(xiàn)了以InAlGaAs/InAlAs或者InGaAs(P)/InAlAs材料的DBR,其波長位于我們感興趣的波長范�,受到研究和開發(fā)人員的廣泛關(guān)�。用MBE(分子束外�)生長的器件結(jié)�(gòu)包括半絕緣的InP襯底,DBR反射鏡(30對各層厚度為λ/4的InGaAs/InAlAs),未摻雜的InAlAs倍增層,P型摻雜的InAlAs電荷�,電荷層的作用是確保60 nm厚的InAlAs吸收層的電場不高�105 V/cm,保證器件高速率特性。生長的是未摻雜的InAlAs空間層和P+-InAlAs頂層,其厚度都進行了優(yōu)化設(shè)計以確保器件在特定波長都具有的響�(yīng)��
這種�(jié)�(gòu)的器件可以獲得小�10 nA的低暗電�,在單位增益的條件下,可以獲�70%的峰值量子效�。噪聲測量表明該器件具有非常低的噪聲特性(k~0.18�,這個值比以InP為基材料的APD高很�,顯示了InAlAs系列材料在低噪聲器件方面的巨大潛��
6)邊耦合的波�(dǎo)�(jié)�(gòu) (WG-APD)
另一種解決吸收層厚度對器件速率和量子效率不同影響的矛盾的方案是引入邊耦合波導(dǎo)�(jié)�(gòu)。這種�(jié)�(gòu)從側(cè)面進光,因為吸收層很長,容易獲得高量子效率,同�,吸收層可以做得很薄,降低載流子得渡越時�。因此,這種�(jié)�(gòu)解決了帶寬和效率對吸收層厚度的不同依賴關(guān)�,有望實�(xiàn)高速率,高量子效率的APD。WG-APD在工藝上較RCE APD簡單,省去了DBR反射鏡的�(fù)雜制備工藝。因�,在實用化領(lǐng)域更具有可行�,適用于共平面光連接�
�5給出了InGaAs/InAlAs SACM WG-APD�(jié)�(gòu)示意圖[12]。該器件是用MOCVD方法,在S-摻雜的(100)InP襯底�,生�100 nm N型InP過渡�,再生長一層N-型InAlAs��150nm的倍增層是采用非故意摻雜的InAlAs材料。Zn摻雜濃度�2.1×1017 cm-3 �180 nm電荷層的作用是調(diào)整電場在吸收層和倍增層的分配,吸收層上下兩側(cè)各生�100 nm非故意摻雜的InAlGaAs波導(dǎo)�。這種�(jié)�(gòu)的器件可以實�(xiàn)320 GHz的增�-帶寬積和極低的噪聲特性(k=0.15�,充分表現(xiàn)了其在高速率和長距離光通信�(lǐng)域的潛在�(yīng)��
WG-APD的主要問題是薄的吸收層厚度減少了光耦合效率,而且,由于切片工藝和在進光面抗反膜的影�,使這種�(jié)�(gòu)的器件可能性變差。這些問題可以通過�(jié)�(gòu)改進而逐步解決�
在波長為1.55 gm的長波長區(qū)�,由于鍺光電探測器遇到暗電流較大等問題,人們便�(zhuǎn)向使用InP基材�。在InP襯底上生長InGaAsP,通過�(diào)整化合物組分含量使它能在1.2�1.6 gm波長范圍�(nèi)工作。圖1所示是最早出�(xiàn)的InGaAsP/InP雪崩光電探測器結(jié)�(gòu)和能帶示意圖LZII。在p� -InP上生長n-InGaAsP,再通過襯底注入鋅形成InGaAsP的pn�(jié),覆蓋一層n-InP。這種襯底和表面層都是寬禁帶低阻層�(jié)�(gòu)減小了串�(lián)電阻,阻止了光生載流子向表面擴散引起的復(fù)��