雪崩光电二极管 技术领域 本发明涉及电子器件领域， 特别涉及一种雪崩光电二极管。 背景技术

随着通信技术的发展， 光纤通信技术以其传输频点宽、 抗干扰性高和信号 衰减小的优势成为信息传输的主要方式。 而雪崩光电二极管是光纤通信技术中 重要的光电信号转换器件， 雪崩光电二极管的噪声性能对于信号的灵敏度 至关 重要。 因此， 如何降低雪崩光电二极管的噪声性成为一个重 要问题。

现有技术中， 更换雪崩光电二极管的倍增区材料来降低过剩 噪声因子， 更 换后的倍增区材料的空穴离化率与电子离化率 比值 K更低。如对于 SiGe(硅锗 ) 雪崩光电二极管， 倍增层材料采用 Si材料代替 Ge材料时， 可以减小空穴离化 率与电子离化率的比值 K, 从而降低过剩噪声因子， 达到降低噪声的目的。

在实现本发明的过程中， 发明人发现现有技术至少存在以下问题： 现有技术中， 通过更换倍增区材料的方法降低雪崩光电二极 管的噪声性， 由于 K值为材料固有的属性， 因此， 更换材料后的倍增区的 K值受到材料的制 约， 不能进一步减小过剩噪声因子和噪声。 技术问题 为了解决进一步降低过程噪声因子和噪声的问 题， 本发明实施例提供了一 种雪崩光电二极管，旨在解决如何降低固有材 料的噪声因子和噪声的技术问题。

技术解决方案 第一方面， 所述雪崩光电二极管包括： P 型接触层、 光吸收层、 组分渐变 对称倍增层和 N型接触层， 其中， 所述 P型接触层与所述光吸收层相连， 所述光吸收层与所述组分渐 变对称倍增层相连， 所述组分渐变对称倍增层与所述 N型接触层相连；

所述组分渐变对称倍增层， 用于放大所述电信号， 所述组分渐变对称倍增 层呈中心对称结构， 由多个渐变层组成。

在第一方面的第一种可能的实现方式中， 所述雪崩光电二极管的材料为 SiGe材料。

结合第一方面的第一种可能的实现方式， 在第一种可能的实现方式中， 所 述雪崩光电二极管还包括： 电荷层，

所述电荷层， 用于调节各层的电场分布， 所述电荷层的掺杂浓度大于等于 10 ¹⁷ /cm ³ , 所述电荷层的厚度范围为 50 nm -200nm, 所述电荷层位于所述光吸 收层和所述对称渐变倍增层之间。

结合第一方面的第一种可能的实现方式， 在第二种可能的实现方式中， 所 述 P型接触层的掺杂浓度大于等于 10 ¹⁹ /cm ³ ,所述 P型接触层的厚度范围为 100 nm -200nm;

结合第一方面的第一种可能的实现方式， 在第三种可能的实现方式中， 所 述光吸收层的厚度范围为 200nm-2000nm。

结合第一方面的第一种可能的实现方式， 在第四种可能的实现方式中， 所 述光吸收层为 P掺杂光吸收层， 所述 P掺杂光吸收层的掺杂浓度大于等于 10 ¹⁷ /cm ³ ;

或，

所述光吸收层为非掺杂光吸收层， 所述非掺杂光吸收层的掺杂浓度小于等 于 10 ¹⁶ /cm ³ 。

在第一方面的第二种可能的实现方式， 所述 N型接触层的掺杂浓度大于等 于 10 ¹⁹ /cm ³ , 所述 N型接触层与所述组分渐变对称倍增层相连。

在第一方面的第三种可能的实现方式， 所述组分渐变对称倍增层的组分为 晶格失配材料对称分布， 所述对称分布是指随着所述渐变层在所述组分 渐变对 称倍增层的位置的变化， 所述渐变层中第一晶体材料的含量从 0递增到 100% , 再从 100%递减到 0。

在第一方面的第四种可能的实现方式， 所述组分渐变对称倍增层中两端材 料的禁带宽度小于所述渐变层的禁带宽度。

在第一方面的第五种可能的实现方式， 所述组分渐变对称倍增层中各个渐 变层的厚度小于等于所述各个渐变层的倍增载 流子的离化率的倒数。

有益效果 本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果 是：

本发明实施例提供的雪崩光电二极管包括： P型接触层、 光吸收层、 组分 渐变对称倍增层和 N型接触层， 所述组分渐变对称倍增层， 用于放大所述电信 号， 所述组分渐变对称倍增层呈中心对称结构， 由多个渐变层组成。 采用本发 明实施例提供的技术方案， 通过组分渐变对称倍增层抑制材料中某一载流 子的 离化， 通过降低 K值， 从而进一步降低过剩噪声因子和噪声。 附图说明 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案 ， 下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作筒单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲 ，在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图 1是本发明第一实施例提供的一种雪崩光电二� �管结构示意图； 图 2是本发明第二实施例提供的一种雪崩光电二� �管结构示意图； 图 3是本发明第三实施例提供的一种组分渐变对� �倍增层结构示意图。

本发明的实施方式 为使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合附图对本发明 实施方式作进一步地详细描述。

图 1是本发明第一实施例提供的一种雪崩光电二� �管结构示意图， 参见图 1 , 该雪崩光电二级管包括： P型接触层 11、 光吸收层 12、 组分渐变对称倍增 层 13和 N型接触层 14,

其中，所述 P型接触层 11与所述光吸收层 12相连，所述光吸收层 12与所 述组分渐变对称倍增层 13相连， 所述组分渐变对称倍增层 13与所述 N型接触 层 14相连； 所述组分渐变对称倍增层 13, 用于放大所述电信号， 所述组分渐变对称倍 增层 13呈中心对称结构， 由多个渐变层组成。

其中， 所述 P型接触层 11 , 用于形成 PN结中 P侧的欧姆接触，

其中， 所述 P型接触层 11的掺杂浓度大于等于 10 ¹⁹ /cm ³ , 所述 P型接触层 11的厚度范围为 100 nm -200nm;

具体地， P型接触层 11通过在单晶硅中掺杂第三族元素取代晶格中� ��原子 的位置形成， 如硼、 铝、 镓、 铟等， 硅与第三族元素通过共价键结合而产生多 余的空穴， 第三族元素掺杂越多， 该 P型接触层 11中产生的空穴也越多。

当在该雪崩光电二极管两端外加电压时，其中 一端与该 P型接触层 11相连， 通过该 P型接触层 11进行导电。

所述光吸收层 12, 用于吸收光信号并将所述光信号转换成电信号 ， 所述光 吸收层 12与所述 P型接触层 11相连；

其中， 所述光吸收层 12的厚度范围为 200nm-2000nm;

所述光吸收层 12在接收到光信号后， 吸收该光信号， 产生光生电子 -空穴 对， 该电子-空穴对在电场作用下进行移动形成电� �号， 完成光信号到电信号的 转换。

其中，所述组分渐变对称倍增层 13中晶体材料的含量为对称分布，所述对 称分布是指随着所述渐变层在所述组分渐变对 称倍增层 13中的位置的不同，所 述渐变层中晶体材料的含量从 0递增到 100%, 再从 100%递减到 0。

该组分渐变对称倍增层 13通过雪崩倍增效应， 产生大量的电子-空穴对， 放大该吸收层 12产生的电信号。

其中， 雪崩倍增效应是指在该雪崩光电二极管两端加 反向偏压后， 电子或 空穴在电场作用下获得能量而加速运动， 能量越高， 速度越快， 该载流子运动 过程中与共价键上的电子相碰撞， 发生本征激发， 产生出电子-空穴对， 该过程 重复进行， 瞬间即可产生出大量的电子-空穴对。

该组分渐变对称倍增层 13包含了多层渐变层，各渐变层含硅量不同，� ��各 渐变层的禁带宽度不同， 产生的异质结构降低过剩噪声因子。

其中， 禁带宽度是指材料的导电能力， 禁带宽度越小， 导电能力越强， 禁 带宽度越大， 导电能力越弱， 如禁带宽度较小的半导体材料， 当温度升高， 电 子可以被激发， 从而使半导体材料具有导电性， 对于禁带宽度很大的绝缘体材 料， 即使在较高的温度下， 该绝缘体材料仍是不良导体。 禁带在能带结构中能 态密度为零的能量区域， 常用来表示价带和导带之间的能态密度为零的 能量区 间。

过剩噪声因子决定了雪崩光电二极管的噪声性 能， 过剩噪声因子的计算公 式: ¾口下所示：

F _A = KM + {\ - K){2 - M ¹ )

其中， M为倍增因子， K为空穴离化率 β与电子离化率 a之比， 即 β / α。 当 Κ值趋近于 0时， F _A 趋近于 2-Μ— ¹ , 达到最小值。 当载流子从宽禁带材料向 窄禁带材料运动时，电子离化阈值 A E _th 减少量 Δ Ε。大于空穴离化阈值 Δ Ε _Λ 减少 量 Δ Ε _ν , 而离化速率与离化阈值呈指数关系。 因此， 相应 Κ值减小， 则拥有多 层渐变层的雪崩光电二极管的过剩噪声因子较 小。

所述 Ν型接触层 14, 用于形成 ΡΝ结中 Ν侧的欧姆接触， 所述 Ν型接触 层 14的掺杂浓度大于等于 10 ¹⁹ /cm ³ , 所述 N型接触层 14与所述组分渐变对称 倍增层 13相连。

其中， N型接触层 14通过在单晶硅中掺杂第五族元素取代晶格中� ��原子的 位置形成， 如磷、 砷、 锑等， 硅与第五族元素通过共价键结合而产生多余的 电 子， 第五族元素掺杂越多， 该 N型接触层 14中产生的电子也越多。

当在该雪崩光电二极管两端外加电压时， 其中一端与该 N型接触层 14相 连， 通过该 N型接触层 14进行导电。

本发明实施例提供的雪崩光电二极管包括： P 型接触层、 光吸收层、 组分 渐变对称倍增层和 N型接触层， 所述组分渐变对称倍增层， 用于放大所述电信 号， 所述组分渐变对称倍增层呈中心对称结构， 由多个渐变层组成。 采用本发 明实施例提供的技术方案， 通过组分渐变对称倍增层抑制材料中某一载流 子的 离化， 通过降低 K值， 从而进一步降低过剩噪声因子和噪声。

可选地， 所述雪崩光电二极管的材料为 SiGe材料。

其中， 硅的晶格常数是 0.543nm, 锗的晶格常数 0.565nm, 因此， 硅和错之 间存在的晶格失配达 4%, 在锗材料上生长硅时， 硅薄膜会受到张应力， 硅薄 膜会存在一个临界厚度， 超过该临界厚度， 硅薄膜就会产生诸如开裂的缺陷， 影响薄膜的质量。 为了緩解晶格失配导致的薄膜质量低的问题， 采用对称组分 倍增层， 晶格常数随着渐变层中硅的含量的变化从锗的 0.543到硅的 0.565, 即 4%的突变量由于渐变层的引入而变成了緩变量� �� 渐变层有效緩解张应力。 晶格 失配的緩变仍存在一个临界厚度， 为了抵消该张应力， 采用镜象的渐变层， 使 得整个緩变结构中心对称， 緩变的张应力互相 "抵消"。 该组分渐变对称倍增层 的上下硅含量为 0, 则错含量为 100% , 该对称緩变结构有效緩解晶格失配引入 的应力， 获得高质量的外延薄膜， 从而获得较好的噪声性能。

可选地， 所述雪崩光电二极管还包括： 电荷层 15 ,

所述电荷层 15 , 用于调节各层的电场分布， 所述电荷层 15的掺杂浓度大 于等于 10 ¹⁷ /cm ³ , 所述电荷层的厚度范围为 50nm -200nm, 所述电荷层位于所 述光吸收层 12和所述对称渐变倍增层 13之间。

图 2是本发明第二实施例提供的一种雪崩光电二� �管结构示意图， 参见图 2, 该电荷层 15在反向偏压时， 合理调节各层的电场分布， 使得该雪崩光电二 极管工作在最优状态。

需要说明的是， 该电荷层 15可以作为该吸收层 12—部分， 也可以作为该 对称渐变倍增层 13的一部分， 也可以单独作为一层存在。

本本发明实施例提供的雪崩光电二极管包括： P 型接触层、 光吸收层、 组 分渐变对称倍增层和 N型接触层， 所述组分渐变对称倍增层， 用于放大所述电 信号， 所述组分渐变对称倍增层呈中心对称结构， 由多个渐变层组成。 采用本 发明实施例提供的技术方案， 通过组分渐变对称倍增层抑制材料中某一载流 子 的离化， 通过降低 K值， 从而进一步降低过剩噪声因子和噪声， 进一步地， 通 过电荷层优化了该雪崩光电二极管的电场分布 ， 降低了噪声性。

可选地， 所述光吸收层 12为 P掺杂光吸收层， 所述 P掺杂光吸收层的掺 杂浓度大于等于 10 ¹⁷ /cm ³ ;

或，

所述光吸收层 12为非掺杂光吸收层，所述非掺杂光吸收层的� ��杂浓度小于 等于 10 ¹⁶ /cm ³ 。

当光吸收层 12为 P掺杂光吸收层时，在硅中掺杂的第三族元素� �掺杂浓度 为 10 ¹⁶ /cm ³ , 在该浓度下， 当有光信号时， 实现对电子-空穴对的激发， 形成电 信号。

当光吸收层 12为非掺杂光吸收层时， 即该光吸收层不掺杂其他材料，掺杂 浓度小于等于 10 ¹⁶ /cm ³ , 该掺杂浓度由光吸收层自身的载流子形成， 即可实现 光信号到电信号的转换。

所述组分渐变对称倍增层的组分为晶格失配材 料对称分布， 所述对称分布 是指随着所述渐变层在所述组分渐变对称倍增 层的位置的变化， 所述渐变层中 第一晶体材料的含量从 0递增到 100%, 再从 100%递减到 0。

其中，第一晶体材料是指组分渐变对称倍增层 中具有较大禁带宽度的材料， 如在 SiGe材料中， Ge的禁带宽度大于 Si的禁带宽度， 则第一晶体材料为 Si。

第一晶体材料随着所述渐变层在所述组分渐变 对称倍增层的位置的变化， 在组分渐变对称倍增层中的含量 0递增到 100%, 再从 100%递减到 0。 整个緩 变结构中心对称， 緩变的张应力互相 "抵消"， 该对称緩变结构有效緩解晶格失 配引入的应力， 获得高质量的外延薄膜， 从而降低该雪崩光电二极管的噪声。

可选地， 所述组分渐变对称倍增层中两端材料的禁带宽 度小于所述渐变层 的禁带宽度。

由上述可知， 材料的禁带宽度越大， 导电性越差， 材料的禁带宽度越小， 导电性越好。 通过在组分渐变对称倍增层中选择禁带宽度小 于个渐变层的禁带 宽度的材料， 实现了各渐变层禁带宽度的从小到大， 再从大到小的变换。 在硅 锗系材料中， 该组分渐变对称倍增层中两端的材料为锗， 在 III-V系材料中， 该 组分渐变对称倍增层中两端的材料为禁带宽度 较小的材料。

图 3是本发明第三实施例提供的一种组分渐变对� �倍增层结构示意图， 参 见图 3, 该组分渐变对称倍增层的材料包括硅和锗， 硅和锗的含量在该组分渐 变对称倍增层中对称分布。 该组分渐变对称倍增层两端的材料为锗， 中间一层 的材料为硅。 各渐变层中硅的含量从上至下为： 从 0到 100%, 再从 100%到 0。 各渐变层中锗的含量从上至下为： 从 100%到 0, 再从 0到 100%。 用化学式可 以表示为 X的取值范围为 0-1。

可选地， 所述组分渐变对称倍增层中各个渐变层的厚度 小于等于所述各个 渐变层的倍增载流子的离化率的倒数。

其中， 离化率是一个载流子在强电场作用下， 走过单位距离时产生的电子- 空穴对的数目。 离化率与电场、 禁带宽度相关， 离化率随着电场的增强而指数 式增大， 随着禁带宽度的增大而指数式减小。 如当渐变层的倍增载流子的离化 率为 a , 则该渐变层的厚度小于等于 1/ α。

将该组分渐变对称倍增层中各个渐变层的厚度 限制在一定的范围之内， 有 利于抑制某一种载流子的离化， 进而降低噪声因子的影响。

本发明实施例提供的雪崩光电二极管包括： Ρ型接触层、 光吸收层、 组分 渐变对称倍增层和 Ν型接触层， 所述组分渐变对称倍增层， 用于放大所述电信 号， 所述组分渐变对称倍增层呈中心对称结构， 由多个渐变层组成。 采用本发 明实施例提供的技术方案， 通过组分渐变对称倍增层抑制材料中某一载流 子的 离化， 通过降低 K值， 从而进一步降低过剩噪声因子和噪声， 进一步地， 通过 电荷层优化了该雪崩光电二极管的电场分布， 降低了噪声性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的 精神和原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的 保护范围之内。