CN102144298B - 纳米结构的光电二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光电二极管，其包括：至少部分由第一和第二区域（2）形成的p-i-n或pn结，所述第一和第二区域（2）由具有相反导电类型的半导体材料制成，其中p-i-n或pn结包括光吸收区域(11)，用于从所吸收的光产生电荷载子。p-i-n或者pn结的一段包括一个或多个纳米线(7)，其被间隔开并且被布置为收集在光吸收区域(11)中产生的电荷载子。在纳米线(7)与所述第一区域(1)和所述第二区域(2)中的一个之间提供的由低掺杂或本征半导体材料制成的至少一个低掺杂区域（10），实现了有源区域（9）的定制的光吸收区域和/或雪崩倍增区域。

Description

纳米结构的光电二极管
技术领域
本发明涉及包含纳米线作为pn或pin结一部分的光电二极管和雪崩光电二极管。
背景技术
光电二极管（PD）是这样类型的光检测器，其能在暴露于光或其它电磁能时产生电荷载子（charge carrier）。雪崩光电二极管（APD）是另一种类型的光检测器器件，其进一步产生电荷载子，包括倍增电荷载子，即内部电流增益效应，其能够获得高灵敏度。下文中，当讨论两种类型光检测器的共同特征时，PD和APD将共同简称为光电二极管。
使用传统平面技术制造的半导体光电二极管在两个电触头（contact）之间包括垂直pn结，即p型半导体层在n型半导体层上，或者垂直p-i-n结，即在p型和n型层之间存在一个或多个中间本征或低掺杂半导体层。通过向雪崩光电二极管的p-i-n结施加反偏压以引起高电场下的雪崩倍增，雪崩光电二极管对从所吸收的光所产生的光电流执行放大。公知的是，半导体光电二极管的性能受限于高暗电流和噪声。典型地，APD的p-i-n或p-n结的不同部分由不同材料形成，以便提升例如光吸收区域和雪崩倍增区域的性能。例如，Si提供了低噪声特性，但限制了可检测的波长。然而，对器件泄露电流（即，暗电流）的一个重大贡献源自于器件层中相当高的缺陷密度。当通过外延生长或晶片接合来组合相对于例如晶格应变不兼容的器件层时，这是显著的。此外，APD还经受由于高电场所造成的边缘击穿。通过使用所谓保护环，可部分避免边缘击穿。然而，这限制了器件的有源区。
目前，灵敏的光检测器结构尺寸由于与表面积的增加不成比例的增长的暗电流而受限。另外，暗电流有随时间增加的趋势，这是因为半导体材料的降级导致的。最后，器件由于短路而出现失效。在诸如APD之类的高内部电场器件中这种效果特别显著，这是由于高电流水平将使降级加速。
发明内容
现有技术的大面积光电检测器具有关于高暗电流的缺陷，有限的灵敏度、可伸缩性、及由短路带来的有限可靠性。本发明的目的在于提供一种光电二极管，其可至少部分地克服现有技术的缺陷。
根据本发明的光电二极管包括由布置在两个触头之间的至少部分地由第一区域和第二区域所形成的p-i-n或pn结，第一区域由具有第一导电类型的半导体材料制成，第二区域由具有与第一导电类型相反的第二导电类型的半导体材料制成。p-i-n或pn结包括用于从所吸收的光产生电荷载子的光吸收区域。p-i-n或者pn结的一段包括一个或多个纳米线，它们被间隔开并布置为收集来自光吸收区域的电荷载子。优选地，纳米线从半导体衬底或从布置在半导体衬底上的表面层伸出，并且半导体衬底或表面层包括所述第一区域。
被提供在纳米线与所述第一区域和所述第二区域中的一个之间的由低掺杂或本征半导体材料制成的至少一个低掺杂区域实现光电二极管和雪崩光电二极管的改进设计和性能。
在本发明的一个方面中，提供了轴向光电二极管设计，其中第一导电类型的所述第一区域是半导体衬底或表面层中的掺杂区域，并且低掺杂区域被提供在所述第一区域和纳米线之间。
在本发明的另一个方面中，提供了径向光电二极管设计，其中低掺杂区域以及可选地掺杂区域被布置在核心壳配置中的每个纳米线上。
光电二极管并不限于这些轴向和径向设计。一个或多个低掺杂区域可被提供在纳米线的两侧上，并且纳米线一侧上的平面层可与纳米线另一侧上的径向层结合。
在根据本发明一个实施例的雪崩光电二极管中，p-i-n结部分地由低掺杂区域形成，该低掺杂区域由布置在半导体衬底或在半导体衬底上布置的表面层之中的第一导电类型掺杂区域上的低掺杂或本征半导体材料制成。低掺杂区域包括雪崩倍增区域和可选地光吸收区域。p-i-n结的另一个部分由一个或多个从低掺杂区域伸出的纳米线形成。纳米线可被掺杂以提供与第一导电类型相反的第二导电类型的第二区域，或者纳米线可被连接到邻近掺杂层，所述邻近掺杂层与纳米线在一起或独自地提供所述第二区域。
在根据本发明的雪崩光电二极管的另一个实施例中，通过第一低掺杂层、纳米线、以及布置在第二低掺杂层上的第二导电类型的第二掺杂层形成了p-i-n结，其中第一低掺杂层由布置在位于半导体衬底或表面层中的、第一导电类型的第一掺杂层上的第二导电类型的低掺杂或本征半导体材料制成，所述纳米线穿过电介质层中的开口伸出到与第一导电类型相反的第二导电类型的低掺杂或本征半导体材料的第二低掺杂层。通过第二低掺杂层提供光吸收区域，并且通过第一低掺杂层来提供雪崩倍增区域。从在第二低掺杂层中吸收的光所产生的电荷载子由纳米线来收集并且由于反偏压而被传输给第一低掺杂层。
常用在平面技术中的很多限制可能源于材料组合中的受限灵活性的挑战，主要是由于晶格匹配限制。在硅上（根据本发明，其用于光电二极管的生产）的例如III-V纳米线的直接生长的可能性，与通常使用的晶片接合技术相比，意味着很强的优势。
由于本发明，可以提供具有改进的暗电流特性的光电二极管。本发明的进一步的优势在于提供了这样的光电二极管，其具有基本随时间恒定的暗电流，从而极大降低了由于短路造成的故障的风险。替代地，根据本发明的光电二极管的纳米线可以被设计为提供断路器行为。
通过基于在纳米线的至少一部分中建立的空间电荷将该部分用作电流限制结构，可进一步提高根据本发明的光电二极管的性能和可靠性。该空间电荷效应产生了很高且可被区分出的串联电阻，其可能阻止过大的电流泄漏及器件失效。光电二极管的反向电阻还可被增加，以使得光电二极管具有较高的击穿电压和改进的雪崩功能性。
在从属利要求中定义了本发明的实施例。当结合附图和权利要求考虑时，后文对本发明的详细描述将使本发明其它目的、优点和新颖特征变得明显。
附图说明
现将参考附图描述本发明的优选实施例，其中：
图1a-b示意性图解说明了光电二极管，其中有源区域位于根据本发明的掺杂纳米线和掺杂衬底之间的共同本征层中；
图2a-b示意性地图解说明了包含从掺杂衬底伸出的纳米线的光电二极管，该掺杂衬底形成了p-i-n结的一个区域，其中有源区域位于包围每个纳米线的本征层中，在图2a中，p-i-n结的其它掺杂区域通过从纳米线再生长的共同结合（coalesced）半导体层而形成，并且在图2b中每个纳米线被包围在根据本发明的分离的掺杂半导体层中；
图3示意性图解说明了：在（a）中是轴向光电二极管设计的一个实施例，并且在（b）中是根据本发明基于在硅上生长的InGaAs纳米线的径向光电二极管设计；
图4示意性图解说明了光电二极管，其包括两个低掺杂层，由根据本发明的纳米线分离；
图5示意性图解说明了根据本发明的InGaAs/Si SAM APD；
图6示意性图解说明了：在（a）中是图5的InGaAs/Si SAM APD的电场图和带图，在（b）中是没有偏压的，且在（c）中是具有反偏压的；以及
图7示意性图解说明了在根据本发明的纳米线之下的结轮廓（junction profile）。
具体实施方式
在本发明中，半导体光电二极管的一段（section）通过使用纳米线阵列被划分，纳米线阵列典型地包含1到多于10exp8)的、彼此间隔开的纳米线。基本来说，纳米线阵列的纳米线使光电二极管的p和n区域彼此连接，由此电荷载子由于偏压而被纳米线收集并被高效地导走，所述电荷载子从光吸收区域中吸收的光所产生。这可被用于不同光检测器，并在下文针对光电二极管（PD）、雪崩光电二极管（APD）、以及分离的吸收倍增雪崩光电二极管（SAM APD）进行具体描述。
出于本申请的目的，术语纳米线被解释为在其宽度或直径上基本具有纳米尺寸的结构。这些结构一般也被称为纳米晶须、纳米棒等。在衬底上通过颗粒辅助生长或所谓VLS（蒸汽-液体-固体）机制形成纳米线的基本过程被描述于美国专利第7,335,908号中，还有不同类型的化学束外延和汽相外延方法，它们都是公知的。然而，本发明并不限于此类纳米线或VLS工艺。其它合适的用于生长纳米线的方法在本领域中也是已知的，例如示于国际申请第WO 2007/ 104781号中。从上述内容可知纳米线可在不使用颗粒作为催化剂的情况下生长。因此选择性生长的纳米线和纳米结构、蚀刻的结构、其它纳米线、以及从纳米线制造的结构都被包括在内。
尽管在使用平面技术制造的半导体器件中有特定的限制，例如连续层之间的晶格失配，但是纳米线技术提供了在连续层中选择半导体材料的更好的灵活性，并由此提供了适应带结构的更大可能性。一个示例是III-V半导体纳米线在硅衬底上的生长，其被用于将在下文中描述的本发明实施例。纳米线也潜在地具有比平面层更低的缺陷密度，并且通过以纳米线替换半导体器件中的平面层的至少部分，与缺陷相关的限制可以被减少。此外，纳米线提供了具有低缺陷密度的表面作为进一步外延生长的模板。
参考图1-4，详细地，根据本发明的光电二极管包括至少部分由第一区域1和第二区域2所形成的p-i-n或pn结。第一区域1由具有第一导电类型的半导体材料制成，第二区域2由具有与第一导电类型相反的第二导电类型的半导体材料制成，即，第一区域是p型并且第二区域是n型或者第一区域是n型并且第二区域是p型。所述p-i-n或pn结还包括用于从所吸收的光产生电荷载子的光吸收区域11。p-i-n或者pn结的一段包括纳米线7的阵列，其被间隔开并被布置为收集来自光吸收区域11的电荷载子。纳米线之间的间隙可用电介质材料、本征半导体材料、或低掺杂半导体材料来填充。该材料可能是透明的。
纳米线典型地在半导体衬底或布置在半导体衬底上的表面层上生长。半导体衬底和/或表面层优选地是根据本发明的光电二极管的一部分。光电二极管的纳米线7然后从半导体衬底3或布置在半导体衬底3上的表面层4伸出，并且半导体衬底3或表面层4包括所述第一区域1。
如上所述，光电二极管可包括pn结，其在结的每侧上带有相反导电类型的半导体材料。由于吸收进入光而产生的电荷载子通过结被分离并有助于光电流。吸收发生在耗尽区或紧邻耗尽区的区域中。可通过在p型和n型区域之间（优选邻近纳米线）引入由低掺杂或本征半导体材料制成的低掺杂区域来改变耗尽区的特性（例如宽度），从而形成p-i-n结。本质上，p-i-n结的低掺杂区域实现了比pn结更宽的耗尽区。耗尽区以及由此的光吸收区域可完全位于低掺杂区域中，或者其可延伸到任何邻近区域内，例如纳米线和/或p或n区域。本发明中纳米线的主要作用并不是光吸收器，尽管其至少部分地被这样使用。因此，光吸收区域可与纳米线7重叠。
在本发明的一个实施例中，由低掺杂或本征半导体材料制成的至少第一低掺杂区域10被提供在纳米线7和相反导电类型的所述第一区域1和所述第二区域2中的一个之间，以至少部分地形成p-i-n结的光吸收区域11。低掺杂区域10可被提供在纳米线7的任何一侧或两侧上。出于本申请的目的，布置在半导体衬底或在半导体衬底上布置的表面层之中的低掺杂区域10被称为轴向设计，并且布置作为至少部分包围每个纳米线7的壳层的低掺杂区域10被称为径向设计。然而，本发明并不限于纯轴向或径向设计。例如，不同的壳层可与半导体衬底中的低掺杂区域组合。低掺杂区域有助于光吸收区域的形成，其基本上位于邻近半导体衬底的位置，或者在半导体衬底中，在包围纳米线的壳层中或者在从纳米线生长出的层中，尽管光吸收区域9可延伸到纳米线7和/或所述第一和第二区域1、2中。
这种低掺杂区域也可用在光电二极管中，其用于p-i-n结中雪崩倍增区域的形成。雪崩倍增和光吸收可至少部分地通过相同或不同的低掺杂区域来形成。此外，雪崩倍增区域可至少部分地由纳米线来形成。
图1a示意性图解说明了根据本发明的光电二极管的一个实施例，其包括了低掺杂区域。光电二极管包括纳米线7的阵列，其从布置在半导体衬底3上的表面层4伸出。如图1a所示，每个纳米线7的端部可被连接到共同的第一接触装置5。通过由p掺杂半导体材料制成的半导体衬底3中的第一区域1和由n掺杂半导体材料制成的每个纳米线7中的第二区域2、及由低掺杂或本征材料制成的表面层4中的低掺杂区域10来形成p-i-n结。用于从吸收的光产生电荷载子的光吸收区域11基本由低掺杂区域10来提供。所产生的电荷载子由纳米线7收集，这是由于反偏压的p-i-n结。光吸收区域11可通过低掺杂区域10自身形成，或者光吸收区域11可延伸到纳米线7和/或第一区域1之中。图1b示意性图解说明了光电二极管，其中第一和第二区域1、2具有与图1a中的光电二极管相比相反的极性，即，半导体衬底3是n型的并且纳米线7是p型的。图1a-b的纳米线结构可被设计成作为光电二极管或雪崩光电二极管来工作。雪崩光电二极管在反偏压下工作，并且除了光吸收区域外，低掺杂区域10提供了雪崩倍增区域。第二接触装置（未示出）可电连接到半导体衬底的背侧或其它位置。
图1中图解说明的实施例中的纳米线7的使用实现了对导电路径的分割，而不会损失有源体积（active volume）。该分割的光电二极管显示了与相应的平面器件相比相当大下降的暗电流，而不损失量子效率。在被简单制造的同时，分割的光电二极管提供了解决平面器件的高暗电流基本问题的简单解决方案。
图2a-b示意性地图解说明了根据本发明的光电二极管的径向设计的实施例。光电二极管包含从半导体衬底3伸出的纳米线7的阵列。至少部分地由第一区域1和第二区域2形成p-i-n结，第一区域由半导体衬底中的具有第一导电类型的半导体材料制成，第二区域由包围每个纳米线的、具有与第一导电类型相反的第二导电类型的半导体材料制成。在纳米线7的阵列和所述第二区域2之间提供了低掺杂或本征区域10，以便提供用于产生电荷载子的光吸收区域。应该意识到的是有源区域的光吸收区域也可是p类型或n类型，只要其掺杂的程度足够低以在工作偏压下被耗尽。第一和第二区域具有相反的掺杂极性，这在这些实施例中被示例为n掺杂的第一区域和p类型第二区域，然而并不限于此。径向本征区域的形成是平面本征区域的替换性选择，并且径向方法简化了良好定义的本征区域的形成。此外，径向配置将实现大耗尽效应，形成以纳米线为中心的圆柱形耗尽区域并向外延伸到环绕的壳层中。
在图2a中，第一区域1包括了半导体衬底3中的第一n掺杂层，并且至少每个纳米线7的端部由壳层包围，壳层包括通过第二p掺杂层过度生长的低掺杂区域10，第二p掺杂层至少部分形成了所述第二区域2。优选地，纳米线7由低掺杂或本征半导体材料制成。第二掺杂层包括大于纳米线带隙的单个带隙或多个带隙。电介质层15或替代地低掺杂或本征半导体层覆盖了半导体衬底3的表面并围绕着纳米线7。p和n掺杂层及中间本征区域和本征纳米线形成了p-i-n结。在基本对应于壳层的低掺杂区域10的光吸收区域11中光生了电荷载子。如图2a所示，掺杂层可能从纳米线7再生长以形成共同结合的半导体层，其从纳米线再生长并且填充了纳米线7之间的间隙。这促进了在掺杂层上形成共同第一触头5。该光电二极管结构结合宽范围可检测波长给出了高光密度，同时仍然保持着由纳米线方法带来的低暗电流。
在图2b中，当第二掺杂层从纳米线7再生长时，纳米线7之间留下间隙。间隙可用电介质材料、本征或低掺杂半导体材料来填充。间隙中的材料可能是透明的。由于这种分离，每个纳米线7定义了分离的光电二极管，其通过半导体衬底以及可选地通过在第二掺杂层上布置的共同第一触头连接到邻近纳米线光电二极管。
具体地，图2a-b的光电二极管可包括硅上的III-V半导体材料，举例来说，由硅制成的半导体衬底中的n+-Si层、本征InGaAs纳米线、p-InGaAs低掺杂区域、以及包围低掺杂区域的p+ InGaAs层。如果n+-Si层对于入射光子是透明的，则这些光电二极管可穿过n+-Si层而暴露于光，或者如果被选择带有高于底层的带隙，则这些光电二极管可穿过p+层从顶侧暴露于光。由于图2示出的光电二极管的光吸收区域11位于光电二极管的纳米线侧，可使用大量的其它III-V材料，并且因此带宽范围从长波长IR(InSb, 0,17 eV)到高UV(AlN, 6,2 eV)。材料选择的高灵活性是由于纳米线已经展现出来的对晶格失配的基本上高的容忍性。此外，直接在硅上外延生长III-V纳米线中的最新发展实现了在大批量生产友好的硅衬底上制造高质量III-V材料，其明显地降低了潜在的制造成本，同时避免了目前晶片接合解决方案的缺陷。
本发明的光电二极管可包括第一接触装置5，其包括电连接到第二区域的顶部触头。当光电二极管适于接收来自纳米线侧的光时，优选的是透明的顶部触头。合适的透明触头材料的示例是ITO和ZnO，然而并不限于此。顶部触头的另一个示例是重掺杂半导体，其具有较宽的带隙并对于入射辐射是透明的，以欧姆触头终结。
在工作中，上述光电二极管由于在光吸收区域11中的电荷载子的产生而产生了光电流。有源区域典型地在低掺杂区域之内，但可能延伸到周围的p和/或n型区域和/或纳米线之中。光产生的电荷载子不可避免地导向纳米线7并被导走，这是由于反偏压极性。
当在p-i-n结的衬底部分中产生电荷载子时，最大纳米线间隔应该增加，以降低暗电流。然而，纳米线间隔受限于增加的俘获（trapping）和复合（recombination），并且从而在间隔增加时，受限于降低的收集效率。从硅衬底伸出的纳米线7优选地以小于2μm（优选在0.1和1μm之间）的最大间隔被间隔开。一般地，最大间隔可依据少数电荷载子的最大扩散长度来表达。在一个实施例中，当光吸收区域部分地未耗尽时，纳米线7以小于少数载子扩散长度的相邻纳米线7之间的最大间隔被间隔开。纳米线7可以有序阵列布置，其中相邻纳米线之间等间隔，但纳米线7也可更随机地分布，尽管仍具有不超过优选间隔的平均间隔。
根据本发明的光电二极管不同于传统的平面器件，在其中一个横向层（lateral layer）被分裂为大量的列。这种分裂的优势如上所述，纳米线分割实现了材料、带隙、掺杂轮廓和/或程度及低缺陷密度的选择的灵活性，其实现了改进的泄漏电流、工作电压和服务寿命。
本发明的纳米线光电二极管的基本优势在于电流通路被分割而不损失有源体积，导致了较低的暗电流而不损失量子效率。器件物理特性对于径向设计和轴向设计是类似的，同时对于径向p-i-n结构增加的益处在于界面沿纳米线的长度延伸并且决定性载子分离发生在径向方向上。收集距离预期会小于少数载子扩散长度，并且因此光产生载子可高效地达到p-i-n结并且没有大量的体复合。光电二极管的分割也可降低光电二极管的电容并因此增加工作速度。
纳米线和纳米结构这二者都可被用在光电二极管中以利用分割效应。换句话说，纳米线可具有不同的长度，即它是银纳米线（nanowie）或纳米桩（nanostub）。
参考图3a，光电二极管的有源区域可基本在纳米线之内。在本发明的一个实施例中，光电二极管包括n-掺杂半导体衬底3上的基本本征或低掺杂纳米线。与衬底3相对的纳米线7的端部包围在连接到第一接触装置5的p型半导体材料中。因此，基本上在纳米线中形成了耗尽区。耗尽区可包括光吸收区域，并且可选地还包括雪崩倍增区域。可使用不同组成和/或掺杂程度的异质结构来设计纳米线的带隙。
图4示意性图解说明了基于纳米线的光电二极管的一个实施例，其包括至少部分地由第一区域1和第二区域2形成的p-i-n结，第一区域1由具有第一导电类型的半导体材料制成，第二区域2由具有与第一导电类型相反的第二导电类型的半导体材料制成，即，第一区域是p型且第二区域是n型或者第一区域是n型并且第二区域是p型。p-i-n结还包括位于第一和第二区域1、2之间的低掺杂区域10，以便形成光吸收区域11。低掺杂区域10通过纳米线7的阵列被分为第一低掺杂层和第二低掺杂层，所述纳米线7被布置为收集光吸收区域11中产生的电荷载子。所述第一区域1由半导体衬底3中第一导电类型的第一掺杂层形成。由第一导电类型的低掺杂或本征半导体材料制成的第一低掺杂层被提供在纳米线阵列和所述第一区域1之间，典型地作为布置在半导体衬底3上的表面层。每个纳米线7穿过电介质层15的开口伸出，或者穿过低掺杂或本征半导体层，直到第二导电类型的第二低掺杂层。所述第二区域2至少部分地由布置在第二低掺杂层上的第二导电类型的第二掺杂层形成。在工作中，从第二低掺杂层中的吸收光所产生的电荷载子通过纳米线7被收集，并传输给第一低掺杂层。
举例而言，在图4的光电二极管结构中，第一掺杂层包括n+ Si，第一低掺杂层包括n- Si，第二低掺杂层包括p- InGaAs，并且第二掺杂层包括p+ InGaAs。
图5示意性图解说明了基于纳米线的APD的一个实施例，其包括至少部分地由第一区域1和第二区域2形成的p-i-n结，第一区域1由具有第一导电类型的半导体材料制成，第二区域2由具有与第一导电类型相反的第二导电类型的半导体材料制成，即，第一区域是p型且第二区域是n型或者第一区域是n型并且第二区域是p型。p-i-n结或pn结还包括有源区域，用于从所吸收光产生电荷载子。所述p-i-n结还包括位于第一和第二区域1、2之间的低掺杂区域10，以便形成有源区域。低掺杂区域10通过一个或多个纳米线7被分为第一低掺杂层和第二低掺杂层，纳米线7被布置为收集有源区域的光吸收区域11中产生的电荷载子。所述第一区域1由半导体衬底3中第一导电类型的第一掺杂层形成。由第一导电类型的低掺杂或本征半导体材料制成的第一低掺杂层被提供在每个纳米线7和所述第一区域1之间，其典型地作为布置在半导体衬底3上的表面层，以便形成雪崩倍增区域12。每个纳米线7穿过电介质层15中的开口伸出，或者穿过低掺杂或本征半导体层，到达第二导电类型的第二低掺杂层，其中第二低掺杂层形成了光吸收区域11。所述第二区域2至少部分地由布置在第二低掺杂层上的第二导电类型的第二掺杂层形成。在工作中，从第二低掺杂层中吸收光所产生的电荷载子由于反偏压而被纳米线7收集，并被传输给第一低掺杂层。
举例而言，在图5的APD结构中，第一掺杂层包括n+ Si，第一低掺杂层包括p- Si，第二低掺杂层包括p- InGaAs，并且第二掺杂层包括p+ InGaAs。这种APD利用了具有高效吸收InGaAs材料的硅的低噪声倍增能力。在工作中，典型地从衬底侧入射的红外区（硅对于所述红外区是透明的）中的光子在p-InGaAs层中被吸收。在反偏压下，光生的电子向硅部分漂移，并注入到高场p-Si倍增区域之中。这一概念的重要优点在于高场倍增区域与较弱场光吸收区域物理分离。没有这种分离，暗电流可能由于InGaAs区域中的齐纳隧道效应而变得非常高，齐纳隧道效应是由于小带隙和低电子有效质量所造成的。这个设计的额外优点是暴露于高场的纳米线更倾向于断路行为，而不是短路。
对于通信装置，硅纳米线APD是令人感到兴趣的，这是因为低噪声（雪崩噪声）特性。在标准平面外延生长技术中，由于较大的晶格失配，不可能形成InGaAs-Si APD。晶片接合是目前的唯一的替代方式，但由于巨大的泄露电流而使其结果令人失望。
图6示意性图解说明了：在a）中是用于图5实施例的反偏压下的电场图及该APD的带隙图，在b）中是没有偏压的，并且在c）中是具有偏压的。注意到p-Si的掺杂可以是均匀或非均匀的，在低掺杂p区域中有高掺杂p+尖峰（spike）（厚度不超过几百纳米）。这种所谓的Hi_LO APD配置具有这样的优势：其在倍增区域中在较低电场下获得高增益，这是由于在该区域中场接近均匀。雪崩多余噪声也会更小，这是因为电离系数比在较低场处更高。如果本征或低掺杂硅层被用来替代p-Si层，掺杂尖峰应从刚刚离开界面处引入到p-InGaAs层。
这种雪崩光电二极管可被设计成使得：
-峰值电场足够高，以实现雪崩；
-在可能是包围纳米线的径向结合层的p- InGaAs区域中发生光生，并且电子被注入到p- Si区域中；
-p- InGaAs区域完全耗尽；并且
-图6中A处的p-Si区域中的电场足够低，以阻止隧道效应（对于具有约50% GaAs和50% InAs的InGaAs组合，Ei< 1.5x10exp5V/ cm）。
后者是很关键的，这是因为如果场太高，暗电流随偏压而快速增加。此外，在图5的C处隧道效应不太可能具有低梯度。
根据本发明的光电二极管并不限于所示出的极性。pn配置可与np配置交换。带有相反极性的器件具有n型线对于制造角度来说可能更加方便。在纳米线APD中，可在纳米线中使用两种或更多材料来降低异质结障碍，其将导致会减慢器件速度的载子堆积效应。例如，GaInAsP纳米线可被使用，其中Ga和P含量沿着纳米线而改变。对于高速通信（大于~1 Gb/s）这是特别重要的。
如上所述，本发明使得提供这样的光电二极管成为可能：该光电二极管具有改进的暗电流特性，从而使得制造改进的大面积器件成为可能。本发明的另外的优点在于提供了具有基本随时间恒定的暗电流的光电二极管，从而极大降低了由于短路造成失效的风险。具体地，改进的暗电流特性对于在高反偏压水平下工作的光电二极管（例如APD）是有用的，这是因为半导体材料的退化由于局部高电场点（也被称为微等离子体）的形成而被加速。这可能将导致电流丝化（current filamentation），局部加热和最终过早的器件击穿。替代地，根据本发明的光电二极管的纳米线可被设计为提供断路器行为。该失效机制表现为纳米线电阻的大增，通常会增加几个数量级，跟随的是纳米线上的高电场施加。断路器行为相对于短路行为是有优势的，这是因为在大阵列中一个或较少数目的纳米线的失效将不会很大地影响性能，而短路可能是有害的。此外，这种行为可被用来进一步提升根据本发明的光电二极管的性能和可靠性，这是通过基于在纳米线的至少一部分中建立的空间电荷而将所述纳米线部分用作电流限制结构来实现的。该空间电荷效应产生了很高且可被区分出的串联电阻，其使得阻止过大的电流泄漏及器件失效成为可能。光电二极管的反向电阻也可增加，以使得光电二极管具有较高的击穿电压和改进的雪崩功能性。
根据本发明的基本纳米线光电二极管已经提供了改进的电流泄漏和暗电流特性。根据本发明的纳米线光电二极管的性能，特别是电流泄漏和暗电流特性可通过光电二极管的合适设计而被进一步改进，以便在纳米线之中形成耗尽区的理想传播（spreading）。光电二极管的临界段在下文中被称之为电流限制结构，并且下文的说明和估计显示了多个参数，例如纳米线的尺寸、掺杂程度、以及半导体材料，可被改变以获得期望特性。
在本发明的一个实施例中，根据本发明的光电二极管包括电流限制结构。所述电流限制结构包括包围在电介质材料或低掺杂或本征材料中的每个纳米线7的至少一部分，由此在工作中所述部分适于至少部分地被耗尽，以便提供预定的空间电荷效应。
电流限制效果可通过改变多个参数来设计，所述多个参数例如：纳米线的间隔；掺杂程度；纳米线部分的直径和长度；或者通过在纳米线中引入异质结构或通过改变材料组合。
可以在不对光电二极管有源区域造成很大影响的情况下设计电流限制结构。因此可获得与电流限制结构结合的大的有源区域。在反偏压模式中，根据本发明，光电二极管的有源区域基本上形成在邻近每个纳米线的低掺杂区域中。光电二极管包括电荷限制结构，其由从界面延伸到低掺杂区域的纳米线的一部分形成。由于高电场，纳米线至少部分地耗尽并且建立了空间电荷。通过控制p-i-n结的特性和操作可获得预定的电流限制效果。基本上，该效果依赖于耗尽区延伸到纳米线之中的程度。这可例如通过掺杂纳米线及邻近区域来控制。电流限制结构可能很小，同时具有大的光吸收区域。
纳米线中空间电荷电阻的粗略估计如下给出：
Figure 133160DEST_PATH_IMAGE001
V是跨过线长度l（假定为约1微米）的电压；J和I是纳米线电流密度和电流。A是纳米线横截面积（假定相应于约100 nm的直径），vD是载子漂移速度，取约107 cm/s。半导体的介电常数NW假定为约10。
该估计显示空间电荷电阻非常高并且这可用来：
-最小化内部泄露电流，即，暗电流；
-将电阻增加到平面技术所不能容易达到的水平；
-在正向偏压的p-i-n器件中建立巨大的空间电荷效应；
-防止局部严重的器件失效，因为空间电荷不会影响反偏压器件，除非存在浪涌（在击穿电压附近的快速电流上升）；
-设计I-V特征；等等
根据本发明的纳米线光电二极管的不同实现可被设想在：
-通信
-硅上的大面积、低ID器件；特别是长波长器件
-中红外器件，特别是照相机；以及
-辐射硬化器件，特别地，使用包含诸如GaN之类的氮化物半导体的纳米线。
参考图7，在平面技术中公知的问题是产生了掺杂轮廓，其引起器件周界处的局部较高电场，导致了过早击穿。为了避免这些，在平面雪崩光电二极管中使用了保护环。纳米线方法消除了对保护环的需要，这是因为衬底中与每个纳米线连接的半球形掺杂轮廓在距纳米线相同距离处产生了均匀的电场。图7示意性图解说明了从衬底伸出并在每个纳米线下具有半球形掺杂轮廓的纳米线阵列。该半球形掺杂轮廓可以多种方式来实现，例如通过在纳米线生长期间的掺杂剂扩散，或在纳米线生长之前的掺杂剂植入或扩散。替换性配置是具有在纳米线底部之间延伸的掺杂轮廓，以在纳米线下给出同质平面掺杂，从而避免保护环。这在生长前或在纳米线生长前在原地增加了一个制造步骤。可使用纳米线和纳米桩这二者来消除保护环，但为了获得断路器行为，应使用纳米线。
本发明实现了异质结PD，其中实际上“任何”半导体材料可被结合。这是可能的，因为纳米线可在半导体衬底或层上生长，而与晶格失配无关。可被使用的材料的范围从至少InSb (0,17 eV)到AlN (6,2 eV)，允许从远红外到紫外的光电流响应。一般地，吸收区域的材料与纳米线或纳米桩的材料相同，不过如果吸收材料具有小的带隙，将有益的是具有更高带隙的纳米线以进一步降低暗电流，其利用与吸收层的梯度界面以允许经由纳米线的良好载子收集。
尽管实施例已经以InGaAs/Si结构作为示例进行了描述，但其它III-V材料也可使用，例如InAsP以及In、Ga、As、及P的任何不同组合，以及其它半导体衬底可被使用。如本领域技术人员所意识到的，化合物的化学计量性成分（stochiometric composition）可以改变。用于掺杂的合适材料在本领域是公知的。
没有大量掺杂剂种类存在的半导体材料通常被称为本征半导体材料，其被指定为p-i-n结中的i。出于本申请的目的将意识得到的是，本征区域或材料也可以是其载子浓度与本征值基本相当或相等的区域，其被无意掺杂或低掺杂p型或n型。
光探测器中的不同区域可包括多个不同成分的层，或者甚至带有成分梯度或具有梯度掺杂轮廓的层。尽管在本申请实施例中的描述不带有这种异质结，但它意在落入本申请范围内。仅举例而言，可通过具有上文描述的核心壳结构并使用纳米线中的异质结构段代替掺杂半导体衬底而获得pn或p-i-n结。此外，器件可一般被设计为在雪崩模式下工作，尽管这没有在说明书中明确公开。
贯穿本申请中使用了表面层，以表示布置在半导体衬底上的半导体层。此类层通常被称为缓冲层，由于层的有限的厚度，其经常提供一维特性。根据本发明的表面层在厚度上不受限，在一维特性上也不受限。相反，表面层可具有类体（bulk-like）的特性。
尽管已经用“顶部”、“垂直”、“背部”等术语描述了本发明，但光检测器器件在空间中的物理取向并不重要。这些术语仅用来描述光检测器的不同特征之间的相互关系。
尽管已经结合目前所知最实际及优选实施例对本发明进行了描述，但应该理解的是本发明并不限于所公开的实施例。相反，意在覆盖所附权利要求之内的各种变形和等同布置。

Claims (19)

1.一种光电二极管，包括至少部分由第一区域（1）和第二区域（2）所形成的p-i-n或pn结，所述第一区域（1）由具有第一导电类型的半导体材料制成，并且所述第二区域（2）由具有与所述第一导电类型相反的第二导电类型的半导体材料制成，其中，所述p-i-n或pn结包括用于从所吸收的光产生电荷载子的光吸收区域(11)，其特征在于，所述p-i-n或者pn结的一段包括纳米线(7)的阵列，其被间隔开并被布置为传送来自所述光吸收区域(11)的所述电荷载子，
其中所述p-i-n或pn结至少包括由低掺杂或本征半导体材料制成的第一低掺杂区域（10），其被提供在所述纳米线(7)与所述第一区域(1)和所述第二区域(2)中的一个之间，并且所述光吸收区域(11)基本上在所述第一低掺杂区域（10）内并且其中第二导电类型的所述第二区域（2）至少部分地由纳米线（7）的阵列形成；
所述第一区域（1）至少部分地由半导体衬底（3）中的第一导电类型的第一掺杂层形成；并且
由第一导电类型的低掺杂或本征半导体材料制成的第一低掺杂层被提供在纳米线（7）的阵列与所述第一区域（1）之间，以便至少部分地形成所述第一低掺杂区域（10）。
2.根据权利要求1所述的光电二极管，其中所述p-i-n或pn结进一步包括雪崩倍增区域(12)，用于倍增在所述光吸收区域(11)中产生的电荷载子。
3.根据权利要求2所述的光电二极管，其中所述雪崩倍增区域(12)和所述光吸收区域(11)基本上在所述第一低掺杂区域（10）内。
4.根据权利要求1所述的光电二极管，包括由低掺杂或本征半导体材料制成的、被提供在所述纳米线(7)与所述第一区域(1)之间的第一低掺杂区域和由低掺杂或本征半导体材料制成的、被提供在所述纳米线(7)和所述第二区域(2)之间的第二低掺杂区域，其中所述第二低掺杂区域被布置为促进用于产生电荷载子的光吸收区域（11）的形成，并且所述第一低掺杂区域被布置为促进雪崩倍增区域（12）的形成。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的光电二极管，其中所述纳米线（7）从半导体衬底（3）或布置在所述半导体衬底（3）上的表面层（4）伸出，并且所述半导体衬底（3）或所述表面层（4）包括所述第一区域（1）。
6.根据权利要求5所述的光电二极管，其中第一导电类型的所述第一区域（1）是所述半导体衬底（3）或所述表面层（4）中的掺杂区域，并且所述第一低掺杂区域（10）被提供在所述第一区域（1）和所述纳米线（7）之间。
7.根据权利要求1所述的光电二极管，其中：
所述第一区域（1）由所述半导体衬底（3）中的第一导电类型的第一掺杂层形成；
由低掺杂或本征半导体材料制成的第一低掺杂层被提供在纳米线（7）和所述第一区域（1）之间；
所述纳米线（7）穿过电介质层（15）或低掺杂或本征半导体层中的开口伸出到所述第二导电类型的第二低掺杂层，其中所述第二低掺杂层形成所述光吸收区域（11）；以及
所述第二区域（2）至少部分地由布置在第二低掺杂层上的第二导电类型的第二掺杂层形成；由此从所述第二低掺杂层中吸收的光所产生的电荷载子被所述纳米线（7）收集并被传输到第一低掺杂层。
8.根据权利要求7所述的光电二极管，其中所述第一掺杂层包括n+ Si，所述第一低掺杂层包括n- Si，所述第二低掺杂层包括p- InGaAs，并且所述第二掺杂层包括p+ InGaAs。
9.根据权利要求7所述的光电二极管，其中所述第一掺杂层包括n+ Si，所述第一低掺杂层包括p- Si，所述第二低掺杂层包括p- InGaAs，并且所述第二掺杂层包括p+ InGaAs，并且所述第一掺杂层适于形成雪崩倍增区域（12）。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的光电二极管，其中每个纳米线（7）的至少一部分被壳层所包围，所述壳层包括通过第二掺杂层过度生长的低掺杂区域，所述第二掺杂层至少部分地形成所述p-i-n结的所述第二区域。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的光电二极管，进一步包括电流限制结构，其中所述电流限制结构包括包围在电介质材料、绝缘材料、或者低掺杂或本征材料中的每个纳米线（7）的至少一部分，由此在工作中所述部分适于至少部分地被耗尽以便提供预定的空间电荷效应。
12.根据权利要求11所述的光电二极管，其中所述电流限制结构的所述纳米线部分被掺杂。
13.根据权利要求1所述的光电二极管，其中所述纳米线（7）由低掺杂或本征半导体材料制成。
14.根据权利要求1所述的光电二极管，其中所述纳米线（7）由III-V半导体材料制成。
15.根据权利要求1所述的光电二极管，其中所述光吸收区域（11）包括选自以下组的半导体材料中的一个或多个：InGaAs、InAsP、以及InGaAsP。
16.根据权利要求1所述的光电二极管，其中所述半导体衬底包括硅。
17.根据权利要求1所述的光电二极管，进一步包括电连接到所述第一区域（1）和所述第二区域（2）之一的透明触头。
18.根据权利要求1所述的光电二极管，其中所述纳米线（7）被布置为提供雪崩倍增区域（12）。
19.根据权利要求5所述的光电二极管，其中所述半导体衬底（3）或所述表面层（4）包括与每个纳米线（7）连接的半球形掺杂轮廓。
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