CN105283964A - 高速光探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于pin的高速光探测器，其包括其中所施加的电场较高的薄光吸收层(102)，该薄光吸收层(102)与暴露于低得多的电场的漂移层(104)组合。仅具有较高迁移率的电荷载流子将必须行进经过漂移层(104)，而具有较低迁移率的电荷载流子将仅行进在小于或至多等于光吸收层(102)的厚度的距离上。漂移层(104)的带隙能量(208)大于光吸收层(102)的带隙能量(206)。较高电场光吸收层到较低电场漂移层的过渡通过分级层(105)实施。漂移层(104)中的电场关于光吸收层(102)的电场的减小通过光吸收层(102)、漂移层(104)和分级层(105)中的掺杂浓度的分布实现。
Description
技术领域
本发明涉及基于半导体的光探测器，且更具体地，涉及制备具有增强速度响应的高速光探测器的结构及方法。
背景技术
能够将光信号转换成可探测电信号的基于半导体的光探测器广泛用于不同技术领域(诸如光学通信网路)中。即，基于p-i-n结的光电二极管(也称为PIN光电二极管)由于其相较于p-n结对入射光的快速回应而尤其适合作为高速光探测器。传统的p-i-n结包括p型半导体层(p层)、n型半导体层(n层)及纯质型(未掺杂或轻掺杂)半导体层(也称为i层，夹置于p层与n层之间)。当p-i-n结操作为光探测器时，p-i-n结通常处于反向偏压条件中且在不存在光的情况下本质上不传导电流。当具有足以将电子自价带能级激发至导带能级中的能量的光子由i层吸收时，产生一对“自由”电子-空穴载流子。在由分别由p层提供给空穴及由n层提供给电子的较低能级形成的强电势梯度的影响下，“自由”电子及空穴载流子在i层内沿相反方向分别朝向n层及p层快速移动，藉此产生可由外部电路探测为电信号且与入射光信号相关的光电流。按照惯例，欧姆接点设置于p层及n层的每一个上，藉此分别提供PIN光电二极管的阳极接点及阴极接点。
在传统的PIN光探测器中，光电流本质上由于纯质层(其充当光吸收层)中所产生的自由载流子而形成。由于相同的耗尽半导体层用于光吸收以及用于在p型半导体区域与n型半导体区域之间传输光产生的载流子，所以传统的PIN光探测器的带宽(即，对入射光响应的速度)通常受限于相较于电子载流子慢很多的在纯质层内的空穴载流子的渡越时间。
增大光探测器的带宽的常见方式为减小光吸收层的垂直长度(即，高度或厚度)以便减少电荷载流子的渡越时间。由于此直接引起更大比电容，所以光电二极管的面积及因此光探测面积必须减小以使电容保持低于某一指定值。同时，光电二极管的量子效率或响应度随着光吸收区域的厚度的减小而降低。
因此，基于PIN的光探测器特性的改进意味着一方面宽宽与另一方面光探测区域的响应度及大小之间的权衡，其通常取决于这些参数中的哪一个对光探测器的预期应用最关键。
用于减小比电容的方法在于引入不吸收所关注的波长范围内的光的纯质漂移层。在第一近似法中，光吸收层中所产生的载流子以与电场及各自载流子迁移率成比例的漂移速度行进至收集层及电极。一般而言，载流子速度随着电场而增大，直至其饱和。然而，电子载流子的饱和速度通常在比空穴载流子低的电场下达到。因此，由于在大多数传统系统中，所施加的外部电场受限制，所以空穴载流子通常无法达到其饱和速度。应注意，由于空穴比电子行进更慢，所以通常自p侧提供光电二极管的照明，这导致空穴行进所沿着的更短的有效距离。通过设计光探测器使得仅更快速的载流子(电子)将必须行进越过额外的漂移层，漂移层将对总渡越时间仅具有次要贡献，但将对减小光电二极管的比电容具有大的影响。
已在专利US5,818,096中提出用于改进PIN光电二极管的频率响应及饱和输出的方法。此方法在于使光吸收的功能与两个半导体层之间的载流子行进分离，以取代如在传统的PIN光电二极管中使用相同的耗尽纯质半导体层。具体地，p型半导体层用作为光吸收层，且纯质非吸收半导体层用作为载流子传输层。在此配置中，载流子注入至载流子行进层中的响应时间本质上取决于p型光吸收层中的电子扩散时间。由于光吸收层中的空穴载流子的响应时间极短，所以当光吸收层中的空穴载流子仅相对于此层内的电子移动作出响应时，载流子传输层中的空穴载流子的较慢漂移速度没有直接对光电二极管响应起作用。这导致改进的频率响应及饱和输出。然而，饱和功率的增大意味着光电二极管的较低的响应度。
公开的专利申请US2007/0096240A1提出一种用于以较低饱和功率为代价增强响应度的光电二极管结构。所提出的光电二极管结构除包括常见的纯质光吸收层之外，还包括p型掺杂层和/或n型掺杂层作为额外光吸收层。在此情况中，掺杂(非耗尽)吸收层内的少数载流子(即，具有与掺杂载流子相反极性的载流子)的移动本质上取决于其各自的扩散时间。接着，该少数载流子可自掺杂吸收层快速扩散至纯质层中，且因此与传统的PIN光电二极管相比较更不明显地影响总渡越时间。由于额外掺杂吸收层增加总光学吸收量，所以光电二极管响应度也被提供。
专利申请WO03/065416描述一种用于在基本上不减小带宽的情况下提高装置之响应度的经改造的PIN光电二极管。所提出的光电二极管具有由第二p型半导体层(其充当光吸收层)联接的p型半导体层及n型半导体层。该第二p型半导体层沿载流子的路径具有分级的p掺杂浓度，其自阳极附近的高值变动至朝向阴极的较低值。该分级的p掺杂浓度在基本上未减少吸收层内的载流子的渡越时间的情况下增加了光电二极管的净吸收。此分级掺杂相对于相同厚度的纯质半导体增大电容，但由该分级掺杂产生的伪电场可给电子提供较高的速度，这补偿增加的电容。
因此，需要能够提供增大的响应时间且维持光探测器的响应度与电容之间期望的平衡的高速光探测器。
发明内容
考虑到现有系统的上述缺陷及缺点而制造本发明，并且本发明的目的在于提供一种光探测器，其具有增强响应速度，同时将该光探测器的量子效率及比电容维持在期望水平内。
此目的通过独立技术方案的主题解决。有利的实施例由从属技术方案的主题限定。
根据本发明，提供一种光探测器，其包括：第一层，其包括第一半导体材料，该第一半导体材料具有适于吸收在预期范围内的波长的光的第一带隙能量；及第二层，其与该第一层的相邻侧接合，该第二层包括具有高于该第一带隙能量的第二带隙能量的第二半导体材料；其中该第一层、该第二层及该第一层与该第二层之间的区域中的至少一个中的掺杂浓度的分布使得在相同反向偏压条件下，建立在该第二层内的非零电场小于建立在该第一层内的电场。
在本发明的进一步发展中，该掺杂浓度使得该第一层的至少一部分在所述反向偏压条件下基本上处于耗尽状态中。
根据本发明的进一步发展，该第二层中的掺杂浓度高于该第一层中的掺杂浓度。
根据本发明的进一步发展，在该第一层的与该第二层相邻的区域中的掺杂浓度高于该第一层的在该第一层的所述区域外的大部分中的掺杂浓度。
在本发明的另一发展中，该第二层的与该第一层相邻的区域中的掺杂浓度高于该第二层的在该第二层的所述区域外的大部分中的掺杂浓度。
在本发明的进一步发展中，该第二半导体材料可为n型轻掺杂半导体材料。
在本发明的进一步发展中，沿该第一层及该第二层的厚度，该第一带隙能量及该第二带隙能量基本上是均匀的。
在本发明的进一步发展中，该光探测器进一步包括：第三层，其使该第一层与该第二层接合，该第三层包括沿该第三层的厚度具有分级带隙能量的第三半导体材料。
在本发明的进一步发展中，该分级带隙能量自在该第三层的面向该第一层侧处的基本上等于该第一带隙能量的值增大至在该第三层的面向该第二层侧处的基本上等于该第二带隙能量的值。
根据本发明的进一步发展中，该第三半导体材料可具有自在该第三层的面向该第一层侧处的基本上等于该第一半导体材料的组分逐渐变动至在该第三层的面向该第二层侧处的基本上等于该第二半导体材料的组分的分级组分。另外或替代地，该第三半导体材料可包括一区域，该区域掺杂有与该第二层的掺杂剂相同类型的掺杂剂。
在本发明的进一步发展中，所述第三层包括在该第二层和/或该第一层中，该第三层设置在该第二层和/或该第一层的端侧处。
根据本发明的进一步发展，该光探测器进一步包括：第一欧姆接点，其适于联接至外部电路；及第四层，其布置在该第一欧姆接点与该第一层的与该第二层相对的相邻层之间，该第四层包括具有第四带隙能量及第四掺杂浓度的第四半导体材料；其中该第四层适于充当用于促进自该第一层至该第一欧姆接点中的传输电流的提取的电流散布层。
该第四带隙能量可高于该第一带隙能量，使得该第四层为窗口层。
在本发明的又一发展中，该光探测器进一步包括：第二欧姆接点，其适于联接至外部电路；及第五层，其布置在该第二欧姆接点与该第二层的与该第一层相对的相邻侧之间，该第五层包括具有第五带隙能量及第五掺杂浓度的第五半导体材料；其中该第五层适于充当用于促进自该第二层至该第二欧姆接点中的传输电流的提取的电流散布层。
在进一步发展中，该第一欧姆电极及该第二欧姆电极中的至少一个具有环形形状。
根据本发明的进一步发展，该光探测器进一步包括：第七层，其布置在该第二层与该第五层之间，该第七层包括具有第七带隙能量及第七掺杂浓度的第七半导体材料，其中该第七带隙能量高于该第二带隙能量及该第五带隙能量，使得跨该第七层的少数载流子的流动受阻。
根据本发明的进一步发展，该第一半导体材料包括GaAs化合物，且该第二半导体材料至该第七半导体材料中的至少一个包括AlGaAs化合物。
将附图并入至本说明书中且附图构成本说明书的一部分，以用于解释本发明的原理。这些图不应被解译为使本发明仅限于本发明可怎样制造及使用的所示及所述的实例。该图仅用于示出本发明可怎样实施及使用的有利和/或替代实例，且不应被解释为使本发明仅限于所示出的实施例。此外，实施例的若干方面可个别地或以不同组合方式形成根据本发明的技术方案。因此，可单独地或以实施例的任意组合来考虑下述实施例。
附图说明
从本发明的下列如附图中所示的各种实施例的更具体，进一步的特征及优点将变得更明显，附图中相同附图标记指代相同的元件，且附图中：
图1示出根据本发明一个实施例的光探测器的横截面图；及
图2示出图1中所示的光探测器的能带图。
具体实施方式
现将参考附图来进一步详细描述根据本发明所构造的光探测器的有利实施例。
如下文所描述的，术语“纯质半导体”应被理解为在本领域中的其普通意义内，其为纯净的、未掺杂的，且也可包括非有意掺杂的轻掺杂的半导体。术语“掺杂”将用于指具有高于纯质半导体的掺杂浓度的掺杂浓度的n型或p型掺杂半导体，如下文所描述的。
图1示出根据本发明的实施例的光探测器的横截面图。在所示的实施例中，自顶侧垂直地照射光探测器100，该顶侧为光探测器100与基板101相对的侧。然而，可设想其中入射光照射底侧(即，光探测器基板101之侧)的其他配置。此外，术语“顶”及“底”应被解释为仅用于识别光探测器100的相对侧而使用的相对术语，且不应被解释为对使用中时的光探测器100的实体取向的限制。
光探测器100包括第一半导体层102，其充当光吸收层；及第二半导体层104，其布置在光吸收层102的与入射光106侧相对的相邻侧处，且与光吸收层102接合。第二半导体层104充当载流子行进层(也称为漂移层)，如后面将描述的。光探测器100进一步包括布置在光吸收层102与漂移层104之间且与光吸收层102及漂移层104的相邻侧接合的第三半导体层105。第三半导体层105为分级带隙能量层或仅为分级层，如稍后将解释的。
在光吸收层102的与漂移层104相邻侧相对的相邻侧上，光探测器100进一步包括由掺杂半导体材料制成且充当电流散布层的第四半导体层110。包括与第四半导体层110具有相同类型的掺杂半导体材料(在所示的实施例中为p型半导体)的第一接触层112设置在电流散布层110的顶部上以改进电流散布层110与沉积在光探测器结构的顶部上的第一欧姆接点114的电接触。第一接触层112也可充当覆盖层。形成于接触层112上方的第一欧姆接点114优选地具有环形形状，以便不完全覆盖下面的半导体层且允许垂直入射光116直接照射p接触层112。利用第一欧姆接点114的该设计，入射光106被直接透射至下面的半导体层且不穿过欧姆接点114。在一替代实施例中，第一欧姆接点114可提供有其他设计，诸如封闭的圆形形状。
光探测器110进一步包括布置在漂移层104的与光吸收层102相邻侧的相对侧上的第五半导体层116。第五半导体层116包括掺杂有杂质的半导体材料，该杂质提供具有与第四半导体层110相反极性的载流子，因为第五半导体层116也用作为光探测器100的在此侧处的电流散布层。包括与第五半导体层116相同掺杂类型的半导体材料的第二接触层118设置在第五半导体层116和基板101之间。如图1中所示，第二接触层118在基板101上方延伸超出上文所形成的垂直堆迭半导体层。第二接触层118改进了电流散布层116与沉积在第二层118上方的第二欧姆接点120之间的电联接。类似于第一欧姆接点114，第二欧姆接点120优选地提供有沉积在第二接触层118上方且围绕半导体层的垂直堆迭结构同心配置的平坦环形设计。在其他实施例中，第二欧姆接点120可采用其他设计且设置为例如在垂直堆迭结构的每一侧处沉积在第二接触层118上的两个平行条电极。
第一欧姆接点114及第二欧姆接点120优选地由导电材料(诸如铝、银、金或铜)制成。在本实施例中，第一欧姆接点及第二欧姆接点分别充当用于将光电二极管100电连接至外部电路(图中未示出)的阳极接点及阴极接点。
如参考图1所描述，光探测器100形成为垂直堆迭在基板101上方的层的异质结构。在本实施例中，基板由GaAs化合物制成。然而，可使用其他类型的基板。即，基板可为适合于提供分布式布拉格反射镜(DBR)的材料，诸如AlGaAs化合物。在其他实施例中，第二接触层118本身可充当光探测器结构的基板。
现将参考图2来描述形成光探测器100的层的进一步细节，图2显示了图1中所示的用于光探测器100的能带图200。能带图200示意性地示出沿图1中所示的垂直方向124的光探测器层的厚度的导带边缘202及价带边缘204的变动。用于各层的带隙能量被描绘为能带图200的垂直方向上的各层的导带边缘202与价带边缘204之间的间隔。能带图200中的水平方向表示图1中所显示的光探测器100的阳极114与阴极120之间的载流子的传导路径。
光探测器100的结构基于的原理在于使用薄光吸收层(其中所施加之电场较高)，其与指定具有在显著更低的电场下的高迁移率及经调整的掺杂属性的漂移层组合。
有利地设计光探测器100，使得仅具有较高迁移率的电荷载流子将必须行进横跨漂移层104。该原理通过尤其有利于其中电子具有比空穴高的迁移率的半导体材料(诸如GaAs及AlxGa1-xAs(x＝0、1)化合物)的实施例而示出。在本实施例中，仅电子(具有较高迁移率的载流子)将必须行进横跨漂移层104，而空穴(具有较低迁移率的载流子)在到达电流散布层110之前将仅必须行进通过小于或至多等于光吸收层102的厚度的距离。
在光探测器100中，光吸收层102包括纯质类型且具有带隙能量206的半导体材料，带隙能量206容许通过吸收具有在所关注范围内的波长的光子而在光吸收层102内产生电子-空穴对。在所关注的范围接近850纳纳米的波长的特定情况中，光吸收层102优选地由纯质GaAs(i-GaAs)半导体材料制成。相对于其他纯质半导体材料较低的未掺杂GaAs的带隙能量适合于光学通信中的在所关注波长下的光吸收。可根据光探测器100所期望的特定特性而定制光吸收层102的垂直长度(厚度)。用于光吸收层102的厚度适当范围在约0.1微米至约2微米范围内。由于光吸收层102的未掺杂状态，光吸收层102在光探测器100的操作期间实质上处于耗尽条件中，这有助于根据需要在光吸收层102内建立高电场分布(电势梯度)。高电场容许减少光吸收层102内的“自由”载流子的渡越时间。
漂移层104包括具有一带隙能量208的半导体材料，使得漂移层104实质上用作载流子传输层。如图2中所示，漂移层104的带隙能量208大于光吸收层102的带隙能量206。具体来说，带隙能量208足够大以便防止或至少基本上减少漂移层104在所关注之范围内的光学波长下的光吸收。在所示的实施例中，漂移层104包括纯质或n型轻掺杂的AlGaAs(AlxGa1-xAs，x＝0、1)化合物半导体合金。优选地，高达5微米的垂直厚度可用于漂移层104。待使用的特定厚度取决于其他层(具体地，光吸收层102)的相对厚度，且可根据光探测器100的期望特性而定制。
漂移层104中的电场低于光吸收层102中的电场，如后面将解释的。漂移层104中的电场相对于光吸收层102中的电场的减少在图2中被描绘为自光吸收层102的价带边缘204及导带边缘202中的更高的斜率至用于漂移层104的更低的斜率的变换。此特定斜率属性与跨已知PIN光电二极管结构(诸如上文所讨论的背景技术)中的吸收层及收集层的整体结构所表现出的传统的恒定斜率形成对比。无论光吸收层102与漂移层104之间的价带边缘及导带边缘的斜率差如何(如图2中所描绘的)，光吸收层102及漂移层104的带隙能量沿各自层的厚度保持实质上均匀。
在本实施例中，通过分级层105实施的自较高电场光吸收层102至较低电场漂移层104的过渡。分级层105包括沿其垂直厚度逐渐变化组分的半导体材料。半导体组分的该逐渐变化伴随着带隙能量的对应逐渐变化。优选地，以使得在分级层105的直接相邻于光吸收层102侧处的带隙能量基本上等于光吸收层102的带隙能量206且沿分级层105的垂直厚度朝向分级层105的直接相邻于漂移层104侧处的第二带隙能量(其基本上等于漂移层104的带隙能量208)逐渐改变的方式变化分级层105内的半导体组分。在本实施例中，该半导体材料的组分变化以便实现带隙能量沿分级层105朝向漂移层104的逐渐增大，如图2中所示。
由光吸收层102、漂移层104及这两层之间的区域(在所示实施例中，其包括分级层105)中的掺杂剂浓度分布实现漂移层104中的电场相对于光吸收层102中的电场的减小。在一有利实施例中，通过对分级层105的与光吸收层102相邻的区域进行n型掺杂而减小漂移层104中的电场。该掺杂区域可基本上薄于分级层105，但也可与分级层105一样厚。更薄的掺杂区域将需要更高的掺杂水平，而更厚的区域将需要更低的掺杂水平来实现漂移层104中的电场的期望减小。应意识到，由于直接相邻于光吸收层102的掺杂区域中引入的n型掺杂剂，用于实现漂移层104中的电场的特定减小的主要因数为总固定比电荷。在本发明的替代实施例中，通过对漂移层104本身的大部分进行n型掺杂而实现漂移层104中的电场的减小。还应意识到，在此实施例中，由于每单位面积的n型掺杂剂，漂移层104中的电场的减小受控于总固定电荷。其他实施例可组合分级层105的一部分的掺杂与漂移层104的一部分或整个漂移层104的掺杂。无论何种情况，产生漂移层104内的电场的期望减小的n型掺杂剂的浓度分布于参与载流子传输但实质上不吸收所关注范围内的光的层(即，分级层105及漂移层104)上。其他实施例可使用沿漂移层104或一或若干个极窄区域(其具有非常高掺杂水平，置于包括层105及104的区域中和/或层102的与层104相邻的区域中的特定位置处)分布的可变掺杂水平。可通过使用本领域中所熟知的掺杂技术而实现上文所描述的掺杂剂浓度分布，因此，此处将不再进行描述。
还应意识到，一般而言，电荷载流子在纯质半导体材料中具有较高迁移率，且迁移率随着材料中的掺杂浓度的增大而减小。因此，可能有利的是，采用纯质或略微掺杂的漂移层104，同时主要通过仅对分级层105的小部分进行掺杂使得减小的迁移率(由掺杂引起)不会对载流子的渡越时间造成显著影响而实现漂移层104中的电场的减小。
在所示的实施例中，在光吸收层102包括纯质GaAs半导体材料且漂移层104包括纯质或n型轻掺杂AlGaAs化合物的情况下，分级层105包括具有铝的分级浓度x的n型轻掺杂的AlxGa1-xAs化合物。接着，参数x可在直接相邻于光吸收层102侧处采用基本上为零的值(GaAs)，且跨分级层105逐渐增大，直至在直接相邻于漂移层104侧处达到近似于用于漂移层104的AlxGa1-xAs化合物的x浓度的值。分级带隙能量在分级层105内产生一伪电场，其实质上使少数载流子致动，即，就n型掺杂半导体层而言，使空穴载流子致动。在本实施例中，分级层105为略微掺杂的n型半导体。因此，所产生的伪电场通过增大自漂移层104注入的空穴载流子的传输速度而实质上致动该空穴载流子。此效应在图2中被描绘为分级层105的价带边缘的增大斜率。分级层105还补偿光吸收层102及漂移层104的价带边缘之间的失配，该失配起因于光吸收层102与漂移层104之间的带隙能量差。此外，由于分级层105的接近光吸收层102的区域内的带隙能量与光吸收层102的带隙能量相当，所以入射光子也可在分级层105的一部分上被吸收。在其他实施例中，除了和/或替代分级的半导体组分，分级层105可表现出分级的掺杂浓度。该分级的掺杂浓度产生致动两种类型的载流子(空穴及电子)的额外的电场，且因此促成减少该载流子的各自的传输时间。因此，可通过仔细调节跨p-i-n结的不同电场，可实现两种类型的载流子的更短的传输时间。
在另一实施例中，分级层105可实施为具有两层或两层以上AlxGa1-xAs化合物的多层结构，各层具有相对于之前的层中的浓度x逐渐增大的浓度x。在另一实施例中，可由整合于光吸收层102及漂移层104中的任一者或两者中的具有分级组分的区域替换分级层105所提供的带隙分级效应。在该配置中，分级层105实体上不存在，但确切言之，包括于光吸收层102和/或漂移层104中，光吸收层102及漂移层104接着由它们的对应相邻侧直接接合。接着，类似于上文所描述的分级层105的材料组分中的梯度可实施于与漂移层104接合的光吸收层102(或反之亦然)的端部区域内，使得可实现自光吸收层102(或漂移层104)的大部分区域的材料组分和/或掺杂朝向漂移层104(或光吸收层102)的大部分区域的材料组分和/或掺杂的逐渐过渡。
如上文所提及的，p侧电流散布层110布置在光吸收层102与p接触层112之间。p侧电流散布层110具有有助于将光探测器100之电流提取至阳极114的功能。即，在其中阳极114为环状接点的情况中，p侧电流散布层110有助于减小光探测器100的电阻。优选地，p侧电流散布层110包括半导体材料，其具有比光吸收层102的带隙能量206充分高的带隙能量，以便使光吸收限于直接相邻的光吸收层102。就此而言，p侧电流散布层110充当窗口层，因为其容许入射在光探测器100的顶侧(即在所示的实施例中为p侧)上的光无衰减地穿过。此外，p侧电流散布层110的带隙能量显著高于光吸收层102的带隙能量还防止光吸收层102中所产生的电子载流子朝向阳极114流动。p侧电流散布层110还促成阻止电子自阳极114流动至光吸收层102中，这将添加噪声分量至光探测器100的光学响应。优选地，用于p侧电流散布层110的半导体材料为p掺杂AlGaAs化合物。p侧电流散布层110的掺杂浓度优选地高于光吸收层102的掺杂浓度，且显著低于p接触层112的掺杂浓度。优选地，p接触层112为重掺杂p型半导体，诸如p掺杂GaAs化合物。
如上文所提及，光探测器100还包括光探测器100的n侧处的电流散布层116。n侧电流散布层116提供类似于p侧电流散布层110的功能，但适应于光探测器100的n掺杂侧的特性。具体地，n侧电流散布层116优选地包括具有高于漂移层104、分级层105及光吸收层102的带隙能量208的一带隙能量的n掺杂半导体材料，使得其不促成在所关注的波长内的入射光的吸收，且促进光产生的空穴载流子朝向阳极114的移动。此外，n侧电流散布层116的带隙能量比n接触层118的带隙能量高得多。因而，还阻止空穴载流子自n接触层118至漂移层104中的流动，由此减小光探测器100的响应中的噪声分量。优选地，n侧电流散布层116提供为n掺杂AlGaAs化合物层。用于n接触层118的适合材料为n掺杂GaAs材料。
根据光探测器100的特性(诸如光探测器结构的其他层的厚度)来定制电流散布层的厚度，且电流散布层的特定掺杂浓度可为本领域中常用于提供期望电流散布功能的任何掺杂浓度。优选地，p侧电流散布层110和/或n侧电流散布层116的厚度基本上在1微米至2微米范围内。在其他实施例中，在光探测器的p侧和/或n侧处存在的电流散布层可被省略。例如，在其中光探测器具有还充当基板的n接触层的实施例中，光探测器的n侧处的电流散布层的功能不是非常重要的，因为光探测器的整个底部是导电的。在该配置中，可省略n侧电流散布层。
可由布置在漂移层104与n侧电流散布层116之间的薄半导体势垒层122提供用于阻止空穴载流子自阴极侧流动至漂移层104及光吸收层102中的额外作用。若来自阴极侧的空穴载流子成功进入至漂移层104中，则空穴载流子将被朝向阳极114清除到漂移区域及吸收区域中，引起光探测器响应中的额外的噪声分量。若该噪声分量并不关键，则可在光探测器100的结构中省略势垒层122。势垒层122的掺杂浓度及带隙能量经选择以便提供抵抗少数载流子(即，具有与势垒层122本身中的掺杂剂的极性相反的极性的载流子)的流动的期望载流子势垒效应。优选地，势垒层122的带隙能量大于相邻漂移层104以及n侧电流散布层116的带隙能量。在所示的实施例中，势垒层122由具有基本上20纳纳米的垂直厚度的n掺杂AlGaAs化合物制成。然而，本领域技术人员可基于光探测器的特定参数容易地确定其他半导体材料和/或掺杂浓度，以实现势垒层的期望阻止效应。在其他实施例中，势垒层122也可充当蚀刻停止层。
在其他实施例中，光探测器100可进一步包括布置在光吸收层102与p侧电流散布层110之间以便阻止电子载流子自阳极114流动到光吸收层102中的p掺杂半导体的势垒层。接着，p掺杂势垒层及n掺杂势垒层可根据特定应用而设置于光探测器的p侧及n侧的两者或仅一者处。
表1中总结了可用于形成上文所描述的光探测器100的基于GaAs/AlGaAs的结构的掺杂水平及厚度的例示性值。如本领域中一般所使用的，符号p++指重p掺杂材料，而符号p+及n+分别指p掺杂及n掺杂的中等水平。
表1光探测器100的GaAs/AlGaAs分层结构的掺杂水平及厚度
尽管图1及图2中未显示，但光探测器100可包括用于改进性能的额外功能层。例如，可引入紧邻纯质半导体层的较低掺杂“阻碍”(set-back)层。此外，尽管已参考具有基于GaAs及AlGaAs材料层的异质结构的光探测器而描述了上述实施例，但也可分别使用其他化合物或元素半导体材料代替GaAs及AlGaAs来实施本发明，只要该等选的半导体材料具有遵循上文所描述的带隙能量和/或掺杂浓度的相对关系的带隙能量和/或掺杂浓度。此外，尽管已参考垂直照射结构而描述了本发明，但本发明的原理也可应用于具有波导结构的光探测器。如本领域技术人员还将容易意识到的，术语“垂直照射”及“垂直堆迭结构”并不意图将光探测器的使用或建构限于垂直取向，而是可采用其他取向，诸如沿水平方向探测光信号和/或具有水平堆迭结构的光探测器。此外，上文所描述的光探测器结构的原理可有利地嵌入于的谐振腔增强(RCE)型光探测器中。
附图标记说明
100光探测器
101基板
102光吸收层
104漂移层
105分级带隙层(分级层)
106入射光
110窗口层/p侧电流散布层
112覆盖及p接触层
114阳极
116n侧电流散布层
118n接触层/第二接触层
120阴极
122用于少数载流子(空穴)的势垒(并且可用作蚀刻停止部)
124垂直方向
200带隙图
202导带边缘
204价带边缘
206光吸收层的带隙能量
208漂移层的带隙能量
Claims (15)
1.一种光探测器，其包括：
第一层(102)，其包括具有适于吸收在预期范围内的波长的光的第一带隙能量(206)的第一半导体材料；及
第二层(104)，其与该第一层(102)的相邻侧接合，该第二层(104)包括具有高于该第一带隙能量(206)的第二带隙能量(208)的第二半导体材料；
其中该第一层(102)、该第二层(104)及该第一层与该第二层之间的区域中的至少一个中的掺杂浓度分布使得在相同反向偏压条件下建立在该第二层(104)内的非零电场小于建立在该第一层(102)内的电场。
2.如权利要求1所述的光探测器，其中：
该掺杂浓度使得该第一层(102)的至少一部分在所述反向偏压条件下基本上处于耗尽状态中；和/或
该第二层(104)中的该掺杂浓度高于该第一层(102)中的该掺杂浓度。
3.如权利要求1或2所述的光探测器，其中：
该第一层(102)的与该第二层(104)相邻的区域中的掺杂浓度高于该第一层(102)的在该第一层(102)的所述区域外的大部分中的掺杂浓度；或
该第二层(104)的与该第一层(102)相邻的区域中的掺杂浓度高于该第二层(104)的在该第二层(104)的所述区域外的大部分中的掺杂浓度。
4.如权利要求1至3中任一项所述的光探测器，其中该第二半导体材料为n型轻掺杂半导体材料。
5.如权利要求1至4中任一项所述的光探测器，其中沿该第一层(102)及该第二层(104)的厚度，该第一带隙能量(206)及该第二带隙能量(208)基本上是均匀的。
6.如权利要求1至5中任一项所述的光探测器，其进一步包括：
第三层(105)，其使该第一层(102)与该第二层(104)接合，该第三层(105)包括沿该第三层(105)的厚度具有分级带隙能量的第三半导体材料。
7.如权利要求6所述的光探测器，其中该分级带隙能量自在该第三层(105)的面向该第一层(102)侧处的基本上等于该第一带隙能量(206)的值增大至在该第三层(105)的面向该第二层(104)侧处的基本上等于该第二带隙能量(208)的值。
8.如权利要求6或7所述的光探测器，其中：
该第三半导体材料具有自在该第三层(105)的面向该第一层(102)侧处的基本上等于该第一半导体材料的组分逐渐变化到该第三层(105)的面向该第二层(104)侧处的基本上等于该第二半导体材料的组分的分级组分；和/或
该第三半导体材料包括一区域，该区域掺杂有与该第二层(104)的掺杂剂相同类型的掺杂剂。
9.如权利要求5至8中任一项所述的光探测器，其中所述第三层(105)包括在该第二层(104)和/或该第一层(102)中，该第三层(105)设置在该第二层(104)和/或该第一层(102)的端侧处。
10.如权利要求1至9中任一项所述的光探测器，其进一步包括：
第一欧姆接点(114)，其适于联接至外部电路；及
第四层(110)，其布置在该第一欧姆接点(114)和该第一层(102)的与该第二层(104)相对的相邻侧之间，该第四层(110)包括具有第四带隙能量及第四掺杂浓度的第四半导体材料；
其中该第四层(110)适于充当用于促进自该第一层(102)至该第一欧姆接点(114)中的传输电流的提取的电流散布层。
11.如权利要求10所述的光探测器，其中该第四带隙能量高于该第一带隙能量(206)，使得该第四层(110)为窗口层。
12.如权利要求1至11中任一项所述的光探测器，其进一步包括：
第二欧姆接点(120)，其适于联接至外部电路；及
第五层(116)，其布置在该第二欧姆接点(120)和该第二层(104)的与该第一层(102)相对的相邻侧之间，该第五层(116)包括具有第五带隙能量及第五掺杂浓度的第五半导体材料；
其中该第五层(116)适于充当用于促进自该第二层(104)至该第二欧姆接点(120)中的传输电流的提取的电流散布层。
13.如权利要求10至12中任一项所述的光探测器，其中该第一欧姆电极及该第二欧姆电极的至少一个具有环形形状。
14.如权利要求1至13中任一项所述的光探测器，其进一步包括：
第七层(122)，其布置在该第二层(104)与该第五层(116)之间，该第七层(122)包括具有第七带隙能量及第七掺杂浓度的第七半导体材料，
其中该第七带隙能量高于该第二带隙能量(208)及该第五带隙能量，使得跨该第七层(122)的少数载流子的流动被阻止。
15.如权利要求1至14中任一项所述的光探测器，其中该第一半导体材料包括GaAs化合物，且该第二半导体材料至该第七半导体材料中的至少一个包括AlGaAs化合物。
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