CN105612621A - 具有嵌入式反射器的双通光电二极管 - Google Patents

具有嵌入式反射器的双通光电二极管 Download PDF

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Abstract

一种光电二极管(具体而言是用于数据传输应用的光电二极管)可以包括：半导体衬底，所述半导体衬底也可以被称为衬底层；以及第一半导体层，所述第一半导体层由所述半导体衬底支撑(例如，被布置在所述半导体衬底上)。所述光电二极管还可以包括由所述第一半导体层支撑(例如，被布置在所述第一半导体层上)的第二半导体层。所述光电二极管还可以包括被布置在所述半导体衬底与所述第一半导体层之间的光半导体镜，以使得在入射光第一次沿着第一方向穿过所述第二半导体层和所述第一半导体时，所述入射光被所述光半导体镜反射以便第二次穿过所述第一半导体层，这也可以被称为第二次通过。因此，所述光电二极管也可以被称为双通光电二极管。

Description

具有嵌入式反射器的双通光电二极管
背景技术
光电二极管的重要应用是光数据传输，其中，光电二极管用于光接收器中，以将所接收的根据要传输的数据来调制的光脉冲转换为电信号。
光电二极管可以包括进行不同地掺杂的两个接触的半导体层。在对半导体进行掺杂的工艺中，可以有意地将杂质引入半导体中，以使得其电特性发生变化。在n掺杂的半导体中，杂质是提供电子的电子供体，所述电子可以增加半导体的电子导电率。在p掺杂的半导体中，杂质是通过提供电子空穴来增加半导体的导电率的电子受体，所述电子空穴可以移动穿过半导体。
通常光电二极管的一层为n掺杂的，并且另一层为p掺杂的，由此产生p-n结。耗尽区跨p-n结自然地形成，在p-n结中所有自由电荷载流子由于电子和空穴的浓度梯度而扩散开，这产生了跨耗尽区的电场。当具有足够能量的光子碰撞二极管时，光子激发电子，由此产生自由电子和带正电的电子空穴。如果在p-n结的耗尽区中或其附近(例如，一个扩散长度距离)出现吸收，那么由耗尽区的电场将载流子从结扫除。因此，空穴向阳极移动，并且电子向阴极移动，由此产生光电流。所产生的光电流与超过大数量级的入射光的强度成正比。因此，可以通过光电二极管的装置将光脉冲转换为电脉冲。
对于高速数据传输应用，可以使用PIN光电二极管。PIN光电二极管在p型半导体层与n型半导体层之间可以具有宽的、轻度掺杂的(例如，几乎本征的)半导体区。由于本征区，与其它二极管相比，PIN光电二极管可以允许较快地切换。因此，与常规的光电二极管相比，PIN二极管可以具有较高的带宽。
当设计用于数据传输应用的光电二极管时，可以尝试满足通常相互竞争的目标，例如高带宽和高效率。光电二极管的带宽可以设定当光电二极管用作光接收器时可以实现的数据速率的上限。带宽取决于来自由入射光子产生的电子空穴对的光电流脉冲的持续时间(响应时间)。光电二极管的效率是所产生的光电流与入射光功率的比率。效率取决于光电二极管上的入射光的波长。效率也可以被表示为量子效率，所述量子效率为光生电荷载流子的数量与入射光子的数量的比率。
就改进一个往往使另一个降级而言，带宽和效率通常是竞争的设计目标。例如，增大光电二极管的有源(光子产生)区的尺寸以提高效率会导致响应时间增大，并且由此导致带宽较低。相反地，通过减小有源区的尺寸来增大带宽会导致效率较低。
为了改进带宽和效率两者，已知谐振腔增强型(RCE)光电探测器。在RCE光电探测器中，光电二极管被布置在法布里-珀罗谐振腔内。光学腔的影响在于由于谐振而增强光场，由此使得光电二极管能够被做得更薄并且因此更快，而同时增大谐振波长处的量子效率。RCE光电探测器具有缺点，该缺点在于例如由于附加的光学谐振器而导致它们通常制造复杂，所述光学谐振器包括必须精确地对准的反射表面。此外，RCE光电探测器由于谐振腔而包括高波长选择性，这在需要相对宽的波长选择性的一些数据传输应用中可能是不利的。
在美国专利No.6023485中，公开了具有集成光电探测器的垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列。所公开的光电探测器是与布置在光电二极管的顶部上的VCSEL共享分布式布拉格反射器(DBR)的PIN光电二极管。由于VCSEL和DBR被安装在光电二极管的顶部上以便阻止光电二极管，所以该光电二极管不适于作为数据传输应用中的接收器。
发明内容
提供本发明内容从而以简化的形式引入一系列概念，在以下具体实施方式中将对所述简化的形式进行进一步描述。本发明内容并非旨在确定所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也并非旨在用于限制所要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开内容的任何部分中所指出的任何或全部缺点的限制。
根据实施例，光电二极管(具体而言为用于数据传输应用的光电二极管)包括：半导体衬底，所述半导体衬底也可以被称为衬底层；以及第一半导体层，所述第一半导体层由半导体衬底支撑(例如，被布置在半导体衬底上)。光电二极管还可以包括由第一半导体层支撑(例如，被布置在第一半导体层上)的第二半导体层。光电二极管还可以包括光半导体镜，所述光半导体镜被布置在半导体衬底与第一半导体层之间，以使得在入射光第一次沿着第一方向穿过第二半导体层和第一半导体层时，入射光被光半导体镜反射以便第二次穿过第一半导体层，这也可以称为第二次通过。因此，光电二极管也可以被称为双通光电二极管。
根据另一个实施例，用于制造光电二极管(例如，可以用于数据传输应用中的光电二极管)的方法可以包括提供半导体衬底以及形成第一半导体层，以使得第一半导体层由半导体衬底支撑(例如，被布置在半导体衬底上)。该方法还可以包括布置第二半导体层，以使得第二半导体层由第一半导体层支撑(例如，被布置在第一半导体层上)。该方法还可以包括将光半导体发射镜布置在半导体衬底与第一半导体层之间，以使得在入射光沿着第一方向穿过第二半导体层和第一半导体层时，入射光被光半导体镜反射以便第二次穿过第一半导体层。例如可以通过生长AlAs和AlGaAs的交替层来在衬底上生长分布式布拉格反射器(DBR)以形成半导体镜。随后，标准光电二极管或PIN光电二极管结构可以生长在DBR上。该方法可以包括使用掺杂技术(例如，气相外延)来对半导体镜进行掺杂(例如，n掺杂)的步骤。
附图说明
当结合附图进行阅读时，将更好地理解之前的发明内容以及示例性实施例的以下具体实施方式。然而，本发明并不限于附图中所示的特定工具。在附图中：
图1是现有技术的光电二极管的示意性横截面图；
图2是根据实施例的光电二极管的示意性横截面图；
图3是涉及现有技术的光电二极管的测量设置的调制响应与调制频率相比的图表；
图4是涉及现有技术的光电二极管的另一个测量设置的调制响应与调制频率相比的具有对数频率刻度的图表；
图5是模拟光电流与现有技术的光电二极管的频率以及根据实施例的光电二极管的频率相比的图表；
图6是根据实施例的光电二极管的吸收与光子能量相比的图表；并且
图7是示出现有技术的光电二极管的特性与根据实施例的光电二极管的特性的比较的表。
具体实施方式
为了方便起见，利用相同的附图来识别附图中所示的各个实施例中的相同或等效元件。在以下描述中，某些术语仅用于方便的目的而不进行限制。词语“左”、“右”、“前”、“后”“上”以及“下”表示所参考的附图中的方向。词语“向前”、“向前地”、“向后”、“内”、“向内”、“向内地”、“外”、“向外”、“向外地”、“向上”、“向上地”、“向下”以及“向下地”分别指代朝向和远离所指代的对象以及其指定部分的几何中心的方向。旨在为非限制性的术语包括以上所列出的词语、其派生词、以及类似意义的词语。
实施例的目的在于提供一种具有高带宽和高效率的光电二极管，例如用于数据传输应用的光电二极管。该光电二极管也可以是易于制造和成本有效的。此外，该光电二极管还可以提供相对宽的波长灵敏度。例如，可以通过根据权利要求书的光电二极管以及制造根据权利要求书的光电二极管的方法来解决在阅读以下描述时将变得显而易见的这些和其它目的。
首先参考图1，示出的现有技术的PIN型光电二极管10的示意性横截面图，PIN型光电二极管10是包括介于n掺杂层12与p掺杂层14之间的本征层13的光电二极管。n掺杂层12被布置在衬底层11上。本征层13可以大体上未被掺杂。如图所示，本征层可以被布置在n掺杂层12上。此外，p掺杂层14可以被布置在本征层13上。
光电二极管10限定了有源区，所述有源区可以是光子吸收产生可测量的量的区域。该有源区限定了沿着第一方向d1的厚度t1，以使得有源区中的光吸收与1-exp(-t1α)成正比，其中，α是取决于材料和入射光的能量的参数。因此，衬底层11中的光吸收与exp(-t1α)成正比。因此，厚度t1越大，则可以在有源区中吸收越多的光，这会导致效率更高。然而，如上所提及的，较大的厚度t1可能导致光电二极管10的传播时间较低，并且从而产生低带宽。因而，在常规光电二极管(例如，光电二极管10)中，在灵敏度与传播时间之间可以存在折中方案。
现在参考图2，根据示例性实施例示出的PIN型光电二极管20的示意性横截面图。光电二极管20可以包括：半导体衬底21，半导体衬底21也可以被称为衬底层21；以及第一半导体层23，第一半导体层23由半导体衬底21支撑(例如，被布置在半导体衬底21上)。光电二极管20还可以包括由第一半导体层23支撑(例如，被布置在第一半导体层23上)的第二半导体层25。光电二极管20还可以包括光半导体镜22，光半导体镜22被布置在半导体衬底21与第一半导体层23之间，以使得在入射光第一次沿着第一方向d1穿过第二半导体层25和第一半导体层23时，入射光被光半导体镜22反射以便第二次穿过第一半导体层23，这也可以被称为第二次通过。因此，光电二极管20也可以被称为双通二极管20。与图1的光电二极管10相比，半导体镜22可以被布置在衬底层21与第一半导体层23之间。此外，光电二极管20可以包括本征层24，本征层24可以是大体上上未被掺杂的，并且可以由第一半导体层23支撑(例如，被布置在第一半导体层23上)，第一半导体层23可以是n掺杂的，并且从而也可以被称为n掺杂层23。第二半导体层25可以由本征层24支撑(例如，被布置在本征层24上)，第二半导体层25可以是p掺杂的，并且从而也可以被称为p掺杂层25。本征层24可以具有低于第一半导体层23和第二半导体层25的掺杂密度的掺杂密度。因此，本征层24可以被称为大体上未被掺杂的。例如，本征层24可以由大体上未被掺杂的半导体材料形成。所反射的光可以至少穿过本征层24的部分。因此，光可以第二次到达有源区，并且与常规光电二极管(例如，光电二极管10)相比，可以提高光电二极管20的灵敏度。
如上所述，半导体镜22可以是n掺杂的，并且从而可以被制造为具有比p掺杂的半导体镜的电阻低的电阻，这可以提高光电二极管的速度。同样地，可以在相应的镜层之间使用成分分级和/或经调制的掺杂，以减小能量带偏移并且由此减小电阻。另外，因为光电二极管通常用于反向偏置中，所以在某些应用中使用普通的镜层作为用于阵列或矩阵中的多个(例如，全部)光电二极管的n型接触部可以是有利的。
根据示例性实施例，介于半导体衬底21与第一半导体层23之间的半导体镜22是光电二极管20中的唯一的镜。因此，根据前述实施例，不存在沿着第一方向d1被布置在第二半导体层25上或上方的第二镜。
光电二极管20限定了有源区，所述有源区可以是光吸收产生可测量的量的区域。光电二极管20的有源区限定了沿着第一方向d1的厚度t2，以使得有源区中的光吸收与1-exp(-t2α)成正比，其中，α是取决于材料和入射光的能量的参数。入射在光电二极管20上的光可以被半导体镜22反射，以便限定所反射的光。所反射的光以及该反射的特征为指示所反射的光相对于入射在半导体镜22上的光的强度的反射系数。由于入射光被半导体镜22反射，所以在光第二次穿过有源区期间在有源区中对所反射的光的吸收可以与R·(1-exp(-t2α))2成正比。因此，在衬底21中的光吸收可以与(1-R)·exp(-t2α)成正比。
因此，与光电二极管10相比，在光电二极管20的衬底层21中吸收了较少的光，并且可以在光电二极管20的有源区中吸收较多的光，因为光在第一次通过(来自入射光)和第二次通过(来自所反射的光)期间被吸收。因此，可以对第一次通过的光和第二次通过的光进行合计，以限定在有源区中所吸收的总的光。通过示例的方式，当反射系数为1时，在衬底21中不吸收任何入射光，并且所有的光被反射回有源区中。但是，当该系数小于1(例如，0.9)时，第一比例的入射光被衬底21吸收，并且比第一比例大的第二比例被反射回有源区中。在一些情况下，半导体镜22大体上不吸收光，或者仅吸收少量、可忽略不计的比率的入射光，由此反射穿过第一半导体层23和第二半导体层25大部分的入射光，以允许在光电二极管20的有源区中的光的第二次吸收，并且从而只有小比例的入射光传播到衬底层21并且在衬底层21中被吸收。
如图所示，光电二极管20是基于砷化镓(GaAs)的(光电二极管20使能高切换频率和低噪声的应用)，虽然将理解光电二极管20可以由所需的其它类型的半导体材料(例如，基于硅的半导体材料)形成。此外，如图所示，光电二极管20是包括本征层24的PIN型光电二极管。本征层24可以由大体上未掺杂的半导体材料形成，以使得本征层24中的杂质的密度比第一半导体层23和第二半导体层25中的杂质的密度低得多。本征层24可以允许较快的切换，并且与没有本征层的光电二极管相比可以产生较高的带宽。然而，将理解的是，可以在没有本征层的情况下构造光电二极管20。
依然参考图2，光电二极管20可以包括一个或多个电接触部26，电接触部可以被设置在第一半导体层23上。光电二极管20还可以包括一个或多个电接触部27，电接触部27可以被设置在第二半导体层25上。电接触部26和27可以用于使所产生的光电流放电。例如，可以经由电接触部26和27将光电二极管20电连接到电路，例如一个或多个放大器。电接触部26和27可以由所需的任何导电材料(例如，铜、金、或者其合金)组成。电接触部26和27可以在光电二极管20的相应的半导体晶体的生长过程期间应用于相应的半导体层，或者可以在使用所需的任何适当的接合技术进行生长之后进行应用。
如图所示，光电二极管20的光半导体镜22是分布式布拉格反射器(DBR)，但是，将理解光电二极管20可以包括所需的替代的镜。DBR可以限定沿着第一方向d1的多个层，以使得层在具有沿着第一方向的高折射率和低折射率之间进行交替。例如，根据示例性实施例，DBR包括砷化铝(AlAs)和砷化铝镓(AlGaAs)的交替层。可以通过常规的晶体生长工艺(例如，外延)将DBR集成到光电二极管20中。在标准光电二极管或PIN光电二极管结构的生长之前，半导体镜22(例如DBR)的层可以生长在衬底21上。例如，DBR可以由砷化铝(AlAs)和砷化铝镓(AlGaAs)的交替层形成。AlAs和AlGaAs具有几乎相等的晶格常数，从而可以使一层在另一层上有效地生长。晶格常数(或晶格参数)指代晶格中的晶胞之间的恒定距离。根据一个示例性实施例，半导体镜22(具体而言为DBR)可以包括介于8对与12对之间(例如，10对)的AlAs层和AlGaAs层。
根据示例性实施例，光电二极管20(并且具体而言为光电二极管20的DBR)可以由AlAs和AlGaAs的交替层组成，以使得AlGaAs层具有足够的Al含量，从而使它们的带隙大于与波长范围(光电二极管对该波长范围敏感)相关联的光子的能量。例如，在一些情况下，AlGaAs的Al含量可以大于10％，例如至少12％。对于根据一个示例性实施例的典型的850nm的应用，至少12％的Al含量可以产生足够的带隙。
DBR可以包括介于8对与12对之间的AlAs/AlGaAs层。本公开内容的发明人发现这些数量的反射器对足以实现80％-90％的反射率，这引起了以上所述的有利效果。此外，这个数量的反射器对允许相对薄的DBR结构，从而导致晶体生长厚度仅少量增加，以及因此可忽略的制造成本。例如，DBR可以包括十对AlAs层和AlGaAs层。
光半导体发射镜22可以限定从约80％到约90％的反射率。本文已发现这个范围的反射率可以足以获得本文中所述实施例的一个或多个有利效果。将理解的是，可以构造光电二极管20(具体而言为半导体镜22)以便限定所需的其它反射率。在镜22(具体而言为DBR)包括GaAs衬底上的交替的AlAs层和AlGaAs层的示例性实施例中，约10对的交替层(交替层也可以被称为反射器对)可以实现80％到90％之间的反射率。
可以对半导体镜22进行掺杂(例如，高度掺杂)，以提高光电二极管20的导电率。在一个示例性实施例中，半导体镜22的掺杂浓度大概至少为约1018cm-3，以提供光电二极管20的必要的导电率。根据所示实施例，半导体镜22可以n掺杂的，以包括自由电子作为电荷载流子，所述自由电子可以实现比由p掺杂的半导体提供的电子空穴高的迁移率，虽然将理解根据替代的实施例可以按照所需的对半导体镜22进行p掺杂。可以使用标准半导体掺杂技术(例如，气相外延)来对半导体进行掺杂，其中，包含负掺杂剂的气体经过衬底晶片。通过示例的方式(其中，GaAs为n掺杂的)，硫化氢可以经过砷化镓，并且可以将硫并入结构中。在示例性实施例中，第一半导体层23和第二半导体层25的掺杂浓度可以在约1017cm-3到1018cm-3之间。
在一些情况下，低于10％(例如，低于5％)的入射光被半导体衬底21吸收。因此，光电二极管20(并且具体而言为光半导体镜22)可以限定低于5％的光吸收，以使得在衬底21中吸收沿着第一方向d1的低于5％(例如，5％的比例)的入射光。衬底21中的这种低光吸收可以避免衬底21中的电荷载流子的缓慢扩散。此外，半导体衬底21可以是半绝缘的(si)，这可以使具有光电二极管接触部焊盘的寄生电容效应最小化。
用于制造光电二极管(例如，可以用于数据传输应用中的光电二极管20)的示例性方法可以包括提供半导体衬底21以及形成第一半导体层23，以使得第一半导体层由半导体衬底21支撑(例如，被布置在半导体衬底21上)。该方法还可以包括布置第二半导体层25，以使得第二半导体层25由第一半导体层23支撑(例如，被布置在第一半导体层23上)。该方法还可以包括将光半导体发射镜22布置在半导体衬底21与第一半导体层23之间，以使得在入射光沿着第一方向d1穿过第二半导体层25和第一半导体层23时，入射光被光半导体镜22反射以便第二次穿过第一半导体层23。制造光电二极管20的方法可以基于外延。例如，晶体覆盖层可以沉积在晶体衬底(例如，GaAs)上，以使得在覆盖层与衬底之间存在注册体(registry)。可以例如通过生长AlAs和AlGaAs的交替层来在衬底上生长分布式布拉格反射器(DBR)以形成半导体镜22。随后，标准光电二极管或PIN光电二极管结构可以生长在DBR上。该方法可以包括使用掺杂技术(例如，气相外延)来对半导体镜22进行掺杂(例如，n掺杂)的步骤。
第一半导体层23可以在晶体生长期间直接生长在半导体镜22上。此外，第二半导体层25可以在晶体生长期间直接生长在第一半导体层23上。此外，可以在根据一个实施例的单个工艺中生长整个光电二极管20。此外，可以在单个外延工艺中生长整个光电二极管20。因此，将半导体镜22集成到光电二极管20中的任何额外的成本都可以是最小的。
制造光电二极管20的方法还可以包括将本征层24布置在第一半导体层23与第二半导体层25之间。本征层24可以由大体上未掺杂的半导体形成，以使得大体上未掺杂的半导体限定了比与第一半导体层23和第二半导体层25相关联的杂质的密度低的杂质的密度。
在一个实施例中，该方法还包括将半导体镜22形成为分布式布拉格反射器(DBR)的步骤。可以通过常规的晶体生长工艺(例如，外延)将DBR集成到光电二极管20中，DBR可以由具有高折射率和低折射率的交替层组成。在一些情况下，在标准光电二极管或PIN光电二极管结构的生长之前，DBR的层可以生长在衬底上。该方法还可以包括在晶体生长期间在半导体衬底21上生长半导体镜22。晶体生长(例如，外延)可以允许将半导体镜22并入光电二极管中。镜22可以在常规的光电二极管生长过程期间生长在衬底21上。在一个实施例中，该方法还可以包括对半导体镜22进行n掺杂。
图3和图4示出了使用包括有现有技术的光电二极管的设置所获得的测量结果，以图示可以由光电二极管20的各个实施例克服的示例性缺点。在该设置中，通过从垂直腔面发射激光器(VCSEL)发射的脉冲光来照射现有技术的光电二极管。图3基于根据Westburgh等人发表的IEEEPhotonicsTechnologyLetters，第25卷，第8号，2013所采用的数据。在图3中，绘制了光电二极管的调制响应(以dB为单位)与在激光二极管的不同操作电流(以mA为单位)下的入射光的调制频率(以GHz为单位)相比的图表。在观察到激光二极管的期望频率性能之前，调制响应示了在介于0GHz与约2GHz之间的低频率下的未预料到的“凸起”。在本文中可以认识到该低频率(“DC”)性能并非是由激光二极管的频率特性引起的，而是基于所使用的光电二极管，并且可以通过由衬底中的电荷载流子产生和扩散而产生的慢尾(slow-tail)效应来进行解释。
图4示出了与图3相比具有不同光电二极管和不同电流电平的类似的测量。由于对数频率刻度，可以将介于0GHz与约2GHz之间的低频率性能很好地看作具有较低频率(DC)的调制响应的上升。此外，本文中可以认识到该性能可以由光电二极管引起，而并非由根据示例性场景所使用的VCSEL引起。
如图3和图4所示，在DC和与现有技术的光电二极管相关联的HF调制响应之间可能存在失配。这可能会由于接收器电路的饱和(人为低的消光比)或者由于基于平均所接收到的强度的增益调节(有效的光调制衰减)，而降低接收器灵敏度。通过示例的方式，光电二极管的上述性能可能在使用长编码方案(例如，64b/66b)或者未编码的数据的数据传输应用中出现问题，并且可能会导致垂直眼闭合。
至少因为在衬底21中大体上不存在吸收和缓慢电荷载流子的缓慢扩散，当使用根据各个实施例的光电二极管(例如，光电二极管20)时，不存在上述示例性问题。此外，由于光被“回收”，所以HF灵敏度增大，这实现了在第二次穿过光电二极管20的有源区期间吸收增大。
图5示出了与现有技术的光电二极管(例如，光电二极管10)的特性相比，根据示例性实施例所构造的光电二极管(例如，光电二极管20)的上述特性。如图所示，由于光电二极管20的反射，光电二极管20也可以被称为双通光电二极管20。参考图5，绘制了模拟光电流(以dB为单位)与调制频率(以Hz为单位)相比的图表。根据所示示例，在大于约5×107Hz下，并且具体而言在往往可以被称为高频率区域的频率区域中，光电二极管20胜过现有技术的光电二极管10。
图6示出了在根据示例性实施例的光电二极管20的不同温度(以K为单位)下的吸收α(以103cm-1为单位)与入射光子能量hυ(以eV为单位)相比的示例性图表。参考图6，光电二极管20可以提供极好的波长和温度性能，具体而言处于超过正常工业规范的波长，例如865nm(对应于约1.43eV)。此外，尽管在840nm到860nm(对应于约1.476eV到1.4417eV)的示例性工业范围内吸收系数可以变化15％到20％，但是在使用根据所示示例的光电二极管20的这个范围内大体上不存在波长对灵敏度的依赖性。
通过高速数据传输应用的示例的方式，图7中的表提供了现有技术的光电二极管(例如，光电二极管(PD)10)与根据本文所描述的各个实施例的可以以不同的数据速率(例如，14Gb/s、25Gb/s和40Gb/s)运行的光电二极管(例如，光电二极管20)的对比。如图7中所示，与现有技术的光电二极管(由72列、73列和74列表示)相比，根据各个实施例的光电二极管(由75列和76列表示)在光电二极管的有源区中提供了较高的吸收。同时，衬底中的吸收可以降低到低比例，例如介于3％与4.3％之间的比例。
依然参考图7，并且具体而言参考图7的第四列74，示出了经优化的现有技术的光电二极管的特性。经优化的现有技术的光电二极管被设计为以较低灵敏度为代价提供较高的本征带宽，但是具有常规结构(与第三列中的光电二极管相同)，例如如同光电二极管10的结构。在第五列75中的参数是根据实施例的光电二极管的参数，但是也基于第四列中的光电二极管的结构。具体而言，由第五列75表示的光电二极管具有与由第四列74表示的现有技术的器件相同的吸收区域深度和本征带宽，但是由第五列75表示的光电二极管包括光半导体镜22。因此，与现有技术的光电二极管相比，根据实施例的光电二极管示出了提高的灵敏度(并未在表中示出)，这可能是由于如上所述的半导体镜22的影响。
根据本公开内容的光电二极管(例如，光电二极管20)可以提供优于现有技术的光电二极管(例如，光电二极管10)的若干优点。例如，由于半导体镜22布置在半导体衬底21与第一半导体层23之间，所以在光电二极管20的衬底21中可以大体上不存在光吸收。可以避免或者至少减少在衬底21中电荷载流子的光产生。在常规的光电二极管中，这种电荷载流子可以以其它方式在衬底中缓慢地扩散、增加背景噪声、以及降低光电二极管的响应时间和带宽。在本文所描述的光电二极管中，可以避免或者至少减小这种缓慢的衬底电流。
当在诸如光接收器之类的数据传输应用中使用光电二极管20时，该光电二极管可以通过使低频率(DC)灵敏度和高频率(HF)灵敏度彼此相等或者至少相似来提高光接收器的性能。上面详细描述了此益处。
本公开内容的另一个有利的方面在于，由于所反射的光两次通过有源(光子吸收)区而增大了本文中所描述的光电二极管(例如，光电二极管20)的灵敏度。因此，否则将在衬底中损失的光增加了光电二极管的p-n结中的快速电荷载流子的光产生，由此提高了光电二极管的效率。
光电二极管20的又一个优点在于提高了波长灵敏度。与RCE光电探测器不同，光电二极管20在相对宽的波长范围内是灵敏的。例如，与RCE光电探测器的谐振腔需要灵敏的波长选择性不同的是，介于衬底21与第一半导体层23之间的半导体镜22不需要RCE光电探测器的谐振腔所需的敏锐的波长选择性。
通过例示的方式呈现了结合所示实施例进行描述的实施例，并且因此本发明并非旨在限于所公开的实施例。此外，以上所述的每个实施例的结构和特征都可以应用于本文所描述的其它实施例，除非另有指示。因此，本发明旨在涵盖包括在本发明的精神和范围(例如，如由所附权利要求书阐述的)内的所有修改和替代的布置。

Claims (20)

1.一种光电二极管，包括：
半导体衬底；
第一半导体层，所述第一半导体层由所述半导体衬底支撑；
第二半导体层，所述第二半导体层由所述第一半导体层支撑；以及
光半导体镜，所述光半导体镜被布置在所述半导体衬底与所述第一半导体层之间，以使得在入射光第一次沿着第一方向穿过所述第二半导体层和所述第一半导体层时，所述入射光被所述光半导体镜反射以便第二次穿过所述第一半导体层。
2.根据权利要求1所述的光电二极管，其中，所述光半导体镜是分布式布拉格反射器(DBR)。
3.根据权利要求2所述的光电二极管，其中，所述分布式布拉格反射器(DBR)包括砷化铝(AlAs)和砷化铝镓(AlGaAs)的交替层。
4.根据权利要求3所述的光电二极管，其中，所述分布式布拉格反射器(DBR)包括介于8对与12对之间的砷化铝(AlAs)层和砷化铝镓(AlGaAs)层。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的光电二极管，其中，在晶体生长期间，所述光半导体镜直接生长在所述半导体衬底上。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的光电二极管，其中，所述光半导体镜限定了从约80％到约90％的反射率。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的光电二极管，其中，所述光半导体镜为n掺杂的。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的光电二极管，其中，所述半导体衬底限定了小于5％的光吸收率。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的光电二极管，还包括：
本征层，所述本征层被布置在所述第一半导体层与所述第二半导体层之间，以使得所述光电二极管为PIN光电二极管。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的光电二极管，其中，所述光电二极管为基于砷化镓(GaAs)的光电二极管。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的光电二极管，其中，在晶体生长期间，所述第一半导体层直接生长在所述半导体镜上。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的光电二极管，其中，在晶体生长期间，所述第二半导体层直接生长在所述第一半导体层上。
13.一种用于制造光电二极管的方法，所述方法包括以下步骤：
提供半导体衬底；
形成第一半导体层，以使得所述第一半导体层由所述半导体衬底支撑；
形成第二半导体层；
布置所述第二半导体层，以使得所述第二半导体层由所述第一半导体层支撑；以及
将光半导体发射镜布置在所述半导体衬底与所述第一半导体层之间，以使得在入射光第一次沿着第一方向穿过所述第二半导体层和所述第一半导体层时，所述入射光被所述光半导体镜反射以便第二次穿过所述第一半导体层。
14.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括形成所述半导体镜的步骤，其中，形成半导体镜包括形成分布式布拉格反射器(DBR)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，形成所述分布式布拉格反射器(DBR)包括形成砷化铝(AlAs)和砷化铝镓(AlGaAs)的交替层。
16.根据权利要求13至15中的任一项所述的方法，其中，所述方法还包括在晶体生长期间在所述半导体衬底上生长所述光半导体镜的步骤。
17.根据权利要求13至16中的任一项所述的方法，其中，所述方法还包括对所述光半导体镜进行掺杂的步骤，以使得所述光半导体镜为n掺杂的。
18.根据权利要求14至17中的任一项所述的方法，其中，所述方法还包括在所述第一半导体层与所述第二半导体层之间布置本征层的步骤。
19.根据权利要求14至18中的任一项所述的方法，其中，所述方法还包括在晶体生长期间在所述半导体镜上直接生长所述第一半导体层的步骤。
20.根据权利要求15至19中的任一项所述的方法，其中，所述方法还包括在晶体生长期间在所述第一半导体层上直接生长所述第二半导体层的步骤。
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