由于只依靠電子作為有源載流子，單行載流子光電探測器(Uni-Traveling-Carrier Photodiode, UTC-PD)具有快速響應(yīng)，高飽和輸出的特點，因此作為不可缺少的關(guān)鍵性元器件，UTC-PD被廣泛應(yīng)用在超高速時分復(fù)用光通信、RTD/UTC-PD光電子集成電路和毫米波發(fā)生器等系統(tǒng)。

眾所周知，傳統(tǒng)的PIN型PD由于光生空穴在本征耗盡區(qū)的移速較慢，導(dǎo)致空穴積累效應(yīng)嚴重，從而形成內(nèi)建電場，降低了載流子漂移速度；尤其在高光強輻照下，PD處于大注入狀態(tài)，PIN型PD的響應(yīng)度顯著降低，3dB帶寬明顯變窄。而相較于PIN型PD，因為前文所述的特殊工作原理，UTC-PD在高光強輻照、大注入狀態(tài)下則表現(xiàn)出卓越的性能。圖1展示了UTC-PD的能帶示意圖，它是由P型光吸收層和N型寬帶隙集結(jié)層構(gòu)成，并且只有電子作為有源載流子。由于電子遷移率遠大于空穴遷移率，所以電子的漂移速度具備明顯優(yōu)勢；相比于空穴在PD中的積累效應(yīng)而言，需要更高的入射光強才能導(dǎo)致電子在PD中產(chǎn)生的積累效應(yīng)（即閾值光強），所以UTC-PD能夠有效抑制空間電荷效應(yīng)[2]，這也使得UTC-PD在大入射光強和大電流的狀態(tài)下依然保持高速的信號輸出。

圖1. UTC-PD能帶示意圖 [1]。

當(dāng)然如果入射光強超過閾值，UTC-PD中的電子依然會在吸收層和集結(jié)層界面堆積，從而產(chǎn)生內(nèi)建電場，該內(nèi)建電場會使集結(jié)層的有效電場強度降低，并大幅減小集結(jié)層對電子的收集效率，從而造成光電流的飽和效應(yīng)[如圖2（a）所示]。同樣的，如圖2（b）所示，內(nèi)建電場所引起的空間電荷效應(yīng)也會造成UTC-PD在高入射光強下-3dB帶寬的陡降。因此，如何制備響應(yīng)度高、截止頻率寬UTC-PD已然成為了發(fā)展高速光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

圖2. (a）UTC-PD中光電流飽和現(xiàn)象（b）不同入射光強下的小信號RF相應(yīng) [3]。

為此，我們需要對UTC-PD器件內(nèi)部能帶、電場、載流子分布等核心參數(shù)進行精準(zhǔn)探測和分析，從而對UTC-PD器件結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，才能制備響應(yīng)度高、截止頻率寬的UTC-PD。近日，基于Crosslight公司先進的半導(dǎo)體器件設(shè)計平臺，我司技術(shù)團隊不斷突破技術(shù)瓶頸，創(chuàng)新性地開發(fā)出了UTC-PD模型，可精準(zhǔn)呈現(xiàn)UTC-PD器件內(nèi)部能帶分布，詮釋單向載流子輸運機制，復(fù)現(xiàn)光電流飽和趨勢，完美展示頻率隨輻照光強變化關(guān)系等重要的物理現(xiàn)象；此外，我司技術(shù)團隊對影響UTC-PD器件飽和光電流、工作帶寬的物理因素進行了深入探究，研究成果有助于科研人員理清相關(guān)敏感參數(shù)，對研發(fā)面向高速通信系統(tǒng)的UTC-PD具有重要的指導(dǎo)意義，同時對我國光互聯(lián)通信技術(shù)的發(fā)展起到了十分積極的作用。

參考文獻：

[1] J.-W. Shi et al., “High-Speed, High-Responsivity, and High-Power Performance of Near-Ballistic Uni-Traveling-Carrier Photodiode at 1.55-μm Wavelength”,IEEE Photonic Tech. L.,2005, 17(9):1929-1931.

[2] T. Ishibashi et al., “Photoresponse characteristics of uni-traveling-carrier photodiodes”,Proceedings of SPIE, 2001, 4283:469-479.

[3] Z. Li et al., “High-Saturation-Current Modified Uni-Traveling-Carrier Photodiode with Cliff Layer”,IEEE J. Quantum Elect., 2010, 46(5):626-632.