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，高飽和輸出的特點，因此作為不可缺少的關鍵性元器件，UTC-PD被廣泛應用在超高速時分復用光通信、RTD/UTC-PD光電子集成電路和毫米波發生器等系統。

眾所周知，傳統的PIN型PD由于光生空穴在本征耗盡區的移速較慢，導致空穴積累效應嚴重，從而形成內建電場，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，PIN型PD的響應度顯著降低，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、大注入狀態下則表現出卓越的性能。圖1展示了UTC-PD的能帶示意圖，它是由P型光吸收層和N型寬帶隙集結層構成，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勢；相比于空穴在PD中的積累效應而言，需要更高的入射光強才能導致電子在PD中產生的積累效應（即閾值光強），所以UTC-PD能夠有效抑制空間電荷效應[2]，這也使得UTC-PD在大入射光強和大電流的狀態下依然保持高速的信號輸出。

圖1. UTC-PD能帶示意圖 [1]。

當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層界面堆積，從而產生內建電場，該內建電場會使集結層的有效電場強度降低，并大幅減小集結層對電子的收集效率，從而造成光電流的飽和效應[如圖2（a）所示]。同樣的，如圖2（b）所示，內建電場所引起的空間電荷效應也會造成UTC-PD在高入射光強下-3dB帶寬的陡降。因此，如何制備響應度高、截止頻率寬UTC-PD已然成為了發展高速光通信系統的關鍵所在。

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

為此，我們需要對UTC-PD器件內部能帶、電場、載流子分布等核心參數進行精準探測和分析，從而對UTC-PD器件結構及材料參數進行優化設計，才能制備響應度高、截止頻率寬的UTC-PD。近日，基于Crosslight公司先進的半導體器件設計平臺，我司技術團隊不斷突破技術瓶頸，創新性地開發出了UTC-PD模型，可精準呈現UTC-PD器件內部能帶分布，詮釋單向載流子輸運機制，復現光電流飽和趨勢，完美展示頻率隨輻照光強變化關系等重要的物理現象；此外，我司技術團隊對影響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敏感參數，對研發面向高速通信系統的UTC-PD具有重要的指導意義，同時對我國光互聯通信技術的發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.