基于量子阱帶間躍遷的光電探測器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及光電探測器，更特別地，涉及一種基于量子阱帶間躍迀的光電探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]800nm-1500nm波段的紅外光探測器，在局域網(wǎng)通信、長距離光纖通信、微光夜視和紅外熱成像等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。該類探測器一般由諸如PIN光電二極管或雪崩光電二極管之類的光電二極管制成。光電二極管只能對波長與光子吸收層材料的禁帶寬度Eg對應(yīng)的光，或波長比上述波長稍短的光敏感。因此，需要根據(jù)光的波段來選擇適當(dāng)?shù)墓庾游諏硬牧?。一般使用的光電二極管包括S1、Ge、以及InP襯底上具有InGaAs層的光電二極管。Si的禁帶寬度為1.leV，其對可視光到近紅外波段范圍具有靈敏度。Ge的禁帶寬度為
0.67eV，其對紅外波段具有靈敏度。InP襯底上具有InGaAs層的光電二極管常用于1.3 μ m至1.55 μ m的光通信應(yīng)用中。
[0003]在這些常用的光電探測器中，為了保證足夠的光吸收效率，通常采用較厚的本征吸收層。例如，對于91nm附近的紅外光而言，本征Si (i_Si)吸收層的厚度需要達(dá)到12 μ m，才可以保證大部分光都被吸收。然而，厚的本征吸收層增大了載流子的渡越時間，從而降低了光電二極管的響應(yīng)速度。而且，較厚的本征吸收層導(dǎo)致外延成本增加。對于InP基的InGaAs光電二極管而言，InP襯底價格昂貴，且機(jī)械強(qiáng)度較低，使得市場對于低成本的探測器長期保有期待。
[0004]因此，期望能夠提供一種光電探測器，其具有高效率、低噪聲，并且能夠以較低的成本來制造。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]—般認(rèn)為，盡管應(yīng)變量子阱的帶隙可以在較大的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是受應(yīng)變積累的影響，量子阱結(jié)構(gòu)的厚度一般較薄，所以當(dāng)利用其帶間躍迀機(jī)制形成光電探測器時，量子效率會比較低。因此，當(dāng)有適當(dāng)?shù)捏w材料與目標(biāo)波長相對應(yīng)時，一般不會考慮量子阱材料。
[0006]本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體PN結(jié)對量子阱結(jié)構(gòu)吸收層的光子吸收過程具有重要的影響。PN結(jié)的出現(xiàn)導(dǎo)致光子經(jīng)量子阱帶間躍迀過程被吸收之后，所形成的光生載流子可以高效率地進(jìn)入連續(xù)態(tài)，形成光電流。該現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)使得利用量子阱帶間躍迀實(shí)現(xiàn)光電探測成為可能。應(yīng)理解的是，在本發(fā)明中，“量子阱”一般也涵蓋量子點(diǎn)，只是為了說明的便利而統(tǒng)稱為“量子講”。
[0007]因此，本發(fā)明的一個方面在于提供一種基于量子阱帶間躍迀的光電探測器。該光電探測器包括:第一半導(dǎo)體層，其具有第一導(dǎo)電類型；第二半導(dǎo)體層，其具有第二導(dǎo)電類型，所述第二導(dǎo)電類型不同于所述第一導(dǎo)電類型；以及設(shè)置在所述第一半導(dǎo)體層和所述第二半導(dǎo)體層之間的光子吸收層，所述光子吸收層包括至少一個量子阱層以及設(shè)置在每個所述量子阱層兩側(cè)的勢皇層。
[0008]在本發(fā)明一示范性實(shí)施例中，所述第一半導(dǎo)體層、所述第二半導(dǎo)體層和所述勢皇層包括GaAs或AlGaAs，所述量子講層包括選自如下組的材料:應(yīng)變InGaAs量子講、InAs量子點(diǎn)、以及InAs/InGaAs量子講中量子點(diǎn)。
[0009]在本發(fā)明一示范性實(shí)施例中，所述第一半導(dǎo)體層、所述第二半導(dǎo)體層和所述勢皇層包括InP或InAlAs，所述量子講層包括選自如下組的材料:應(yīng)變InGaAs量子講、InAs量子點(diǎn)、InAs/InGaAs量子講中量子點(diǎn)、InSb量子講、InAsSb量子講。
[0010]在本發(fā)明一示范性實(shí)施例中，所述第一半導(dǎo)體層、所述第二半導(dǎo)體層和所述勢皇層包括GaSb，其中所述量子阱層包括選自如下組的材料:應(yīng)變InSb量子阱、InAs量子阱、InAsSb量子阱。
[0011]在本發(fā)明一示范性實(shí)施例中，所述第一半導(dǎo)體層、所述第二半導(dǎo)體層和所述勢皇層包括Si，其中所述量子阱層包括選自如下組的材料:Ge量子阱和GeSi量子阱。
[0012]在本發(fā)明一示范性實(shí)施例中，所述光子吸收層包括η個量子阱層，η是I至200之間的正整數(shù)。
[0013]在本發(fā)明一示范性實(shí)施例中，所述量子阱層的厚度為l-60nm，所述勢皇層的厚度為 l-100nm。
[0014]在本發(fā)明一示范性實(shí)施例中，所述光子吸收層的厚度為50nm至20 μ m之間。
[0015]在本發(fā)明一示范性實(shí)施例中，所述光電探測器還包括設(shè)置在所述光子吸收層與所述第一半導(dǎo)體層或所述第二半導(dǎo)體層之間的倍增層。
[0016]在本發(fā)明一示范性實(shí)施例中，所述光電探測器還包括設(shè)置在所述倍增層與所述光子吸收層之間的電荷層。
[0017]在本發(fā)明一示范性實(shí)施例中，所述光電探測器還包括設(shè)置在所述吸收層與所述電荷層之間的漸變層。
[0018]所述第一導(dǎo)電類型可以是P型和N型中的一種，所述第二導(dǎo)電類型可以是P型和N型中的另一種，所述量子阱層和所述勢皇層可以是本征半導(dǎo)體層。所述光電探測器可以是紅外光電探測器。所述量子阱層在吸收紅外光時可以發(fā)生價帶和導(dǎo)帶之間的帶間躍迀，產(chǎn)生光生載流子。
[0019]本發(fā)明的示范性實(shí)施例利用了半導(dǎo)體PN結(jié)對量子阱參與的光吸收和電提取過程的調(diào)制作用，大幅度提升了基于量子阱材料的光電探測器的量子效率。入射光經(jīng)量子阱帶間躍迀吸收后，在PN結(jié)調(diào)制下，光生載流子迅速進(jìn)入連續(xù)態(tài)，迅速形成光電流。這樣，從傳統(tǒng)的光子-束縛電子-自由電子轉(zhuǎn)換的二級過程變?yōu)楣庾?自由電子轉(zhuǎn)換的一級過程，直接提升了光電轉(zhuǎn)換能力。
[0020]本發(fā)明的另一方面還提供一種光纖通信系統(tǒng)，包括:光發(fā)射機(jī)，用于發(fā)射光通信信號，所發(fā)射的光通信信號經(jīng)光纖傳輸；以及光接收機(jī)，用于接收所述光通信信號，并且將所接收的光通信信號轉(zhuǎn)化為電信號，其中所述光接收機(jī)包括光電探測器，所述光電探測器包括:第一半導(dǎo)體層，其具有第一導(dǎo)電類型；第二半導(dǎo)體層，其具有第二導(dǎo)電類型，所述第二導(dǎo)電類型不同于所述第一導(dǎo)電類型；以及設(shè)置在所述第一半導(dǎo)體層和所述第二半導(dǎo)體層之間的光子吸收層，所述光子吸收層包括至少一個量子阱層以及設(shè)置在每個所述量子阱層兩側(cè)的勢皇層。
[0021]在本發(fā)明一示范性實(shí)施例中，所述第一半導(dǎo)體層、所述第二半導(dǎo)體層和所述勢皇層包括GaAs或AlGaAs，所述量子講層包括選自如下組的材料:應(yīng)變InGaAs量子講、InAs量子點(diǎn)、以及InAs/InGaAs量子講中量子點(diǎn)。
[0022]在本發(fā)明一示范性實(shí)施例中，所述第一半導(dǎo)體層、所述第二半導(dǎo)體層和所述勢皇層包括InP或InAlAs，所述量子講層包括選自如下組的材料:應(yīng)變InGaAs量子講、InAs量子點(diǎn)、InAs/InGaAs量子講中量子點(diǎn)。
[0023]在本發(fā)明一示范性實(shí)施例中，所述第一半導(dǎo)體層、所述第二半導(dǎo)體層和所述勢皇層包括Si，其中所述量子阱層包括選自如下組的材料:Ge量子阱、GeSi量子阱。
[0024]在本發(fā)明一示范性實(shí)施例中，所述光子吸收層包括η個量子阱層，η是I至200之間的正整數(shù)。
[0025]在本發(fā)明一示范性實(shí)施例中，所述量子阱層的厚度為l_50nm，所述勢皇層的厚度為 l-100nm。
[0026]在本發(fā)明一示范性實(shí)施例中，所述光子吸收層的厚度為50nm至20 μ m之間。
[0027]在本發(fā)明一示范性實(shí)施例中，所述光電探測器還包括:設(shè)置在所述光子吸收層與所述第一半導(dǎo)體層或所述第二半導(dǎo)體層之間的倍增層；設(shè)置在所述倍增層與所述光子吸收層之間的電荷層；以及設(shè)置在所述吸收層與所述電荷層之間的漸變層。。
[0028]在本發(fā)明的光纖通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)采用了基于量子阱帶間躍迀的光電探測器，其實(shí)現(xiàn)了比常規(guī)的光電探測器更大的光電流，因此能提升整個光纖通信系統(tǒng)的性能，并且該光電探測器能以更低的成本制造，從而降低了光纖通信系統(tǒng)的成本。
【附圖說明】
[0029]圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖2是圖1所示的光電探測