CN107004734A - 雪崩光电二极管 - Google Patents

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Abstract

为了在不牺牲光接收灵敏度和高速度的情况下获得高线性度，雪崩光电二极管包括形成在第一光吸收层(102)上的雪崩层(103)、形成在雪崩层(103)上的n场控制层(104)以及形成在场控制层(104)上的第二光吸收层(105)。如果施加反向偏置电压，则场控制层(104)中的施主杂质离化，并且在雪崩层(103)中诱发高电场。场控制层(104)中的n型掺杂量设置为使得第二光吸收层(105)中的杂质浓度在反向偏置施加时充分耗尽。

Description

雪崩光电二极管
技术领域
本发明涉及用作光通信等中的光接收元件的雪崩光电二极管。
背景技术
光通信中的普通光接收器由诸如光电二极管或雪崩光电二极管之类的光接收元件和配置为对由光接收元件产生的光电流进行放大的跨阻放大器形成。光接收元件具有将入射光转换为电流的功能。在光接收元件中，光吸收层吸收光，从而产生作为载流子的电子和空穴对。当所产生的电子和空穴移动时，电流流动。
光电二极管的光电转换效率的上限为100％的量子效率。另一方面，雪崩光电二极管是具有如下功能的光接收元件：通过在高电场下加速光电子来使在元件中产生的光电子撞击晶格，并因此使光电子离化，从而放大载流子。因此，雪崩光电二极管可以输出与一个光子对应的多个载流子，并获得高于100％的量子转换效率的灵敏度。雪崩光电二极管应用于高灵敏度光接收器(参见非专利文献1)。
然而，在雪崩光电二极管中，输入光强度和输出电信号之间的线性度比在光电二极管中差。因此，如果光接收器由于对输出波形失真的约束而需要输入光强度和输出电信号之间的高线性度，如最近在研究开发的数字相干方法，则难以应用雪崩光电二极管。
这是因为如果输入光强度高，则移动速度比电子的移动速度低的空穴累积在光吸收层中。这种现象称为空间电荷效应。在光电二极管中，累积的空穴局部地降低了吸收层中的场强。然而，在场强几乎变为0之前，确保了响应的线性度。另一方面，在雪崩光电二极管中，由于累积的空穴产生的电荷降低了雪崩层中的场强，所以在输入光强度高的情况下，倍增因子降低。因此，在雪崩光电二极管中，电输出强度相对于输入光强度的线性度比光电二极管中的差。
作为解决雪崩光电二极管的上述问题的一般手段，考虑形成具有单向行进的载流子光电二极管(UTC-PD)结构的光吸收层。在UTC-PD结构中，通过掺杂将光吸收层形成为p型。因此，电输出强度相对于输入光强度的线性度根据由高输入光强度引起的空穴累积而不会退化(参见非专利文献2)。
更具体地说，光电二极管通常具有p-i-n光电二极管(pin-PD)结构，其中用作光吸收层的未掺杂层(i层)夹在通过掺杂形成为p型的层(p层)和通过掺杂形成为n型的层(n层)之间。在pin-PD结构中，在光吸收层中产生的载流子被耗尽的未掺杂层中的电场加速，使得载流子可以高速移动。然而，在所产生的载流子中，空穴的移动速度低于电子的移动速度。这是限制操作速度的因素。
具有UTC-PD结构的元件消除了限制上述pin-PD结构中的速度的因素，从而进一步加速了操作。在未掺杂的结构中，光吸收层是未掺杂的，并且不包括载流子收集层。然而，在UTC-PD结构中，光吸收层为p型，并且在操作时要耗尽的区域(耗尽层)形成为由与光吸收层的材料不同的材料制成的载流子收集层，如图11所示(参见非专利文献2)。利用这种结构，在光吸收层中产生的少数载流子(电子)可以扩散到耗尽的载流子收集层。此外，为了防止电子扩散回p接触侧，p型“扩散阻挡层”被插入在p接触和光吸收层之间。
在p型光吸收层中产生的载流子中，空穴需要与介电弛豫时间(在10-12秒的量级)相对应的时间以供响应。因此，空穴不会累积。也就是说，作为决定元件速度的因素，只需要考虑电子的移动。电子在UTC-PD中的移动包括p吸收层中的扩散和载流子收集层中的漂移。当在载波收集层中使用过冲效应时，漂移时间缩短，并且可以获得100GHz或更大的超高速操作。
然而，普通未掺杂的光吸收层中的载流子渡越时间与吸收层厚度成反比，而UTC-PD结构的光吸收层中的载流子渡越时间与吸收层厚度的平方成反比。也就是说，在UTC-PD结构中，如果在极大地牺牲灵敏度的同时使吸收层变薄，则可以获得100GHz或更大处的超高速操作。然而，在几十GHz的频带中，在一些情况下通过未掺杂的光吸收层获得较高的灵敏度。在UTC-PD结构中，光电转换效率的上限为100％的量子效率。另外，特别是当使吸收层变厚以提升灵敏度时，灵敏度大大退化。
注意，在使用未掺杂吸收层的雪崩光电二极管中，如图12所示，在p型InP接触层上设置未掺杂的光吸收层、p场控制层、InAlAs雪崩层、n场控制层、InP边缘场缓冲层和n接触层(参见非专利文献3)。在这种结构中，通过放大雪崩层中的载流子可以获得高于100％的量子转换效率的灵敏度。然而，由于使用未掺杂的吸收层，所以线性度是差的。
相关技术文献
非专利文献(NPL)
非专利文献1：J.C.Campbell,"Recent Advances in TelecommunicationsAvalanche Photodiodes",Journal of Lightwave Technology,vol.25,no.1,pp.109-121,2007.
非专利文献2：T.Ishibashi,N.Shimizu,S.Kodama,H.Ito,T.Nagatsuma andT.Furuta,"Uni-Traveling-Carrier Photodiodes",Ultrafast Electronics andOptoelectronics,vol.13,pp.83-87,1997.
非专利文献3：M.Nada,Y.Muramoto,H.Yokoyama,N.Shigekawa,T.Ishibashi,andS.Kodama,"Inverted InAlAs/InGaAs Avalanche Photodiode with Low.High.LowElectric Field Profile",Japanese Journal of Applied Physics,vol.51,02BG03,2012.
发明内容
本发明解决的问题
在UTC-PD结构的光吸收层和未掺杂结构的光吸收层两者中，灵敏度由光吸收层中的吸光度支配，速度由载流子渡越时间支配。为此，为了提升灵敏度，需要使吸收层厚。为了提高速度，需要使吸收层薄。权衡关系基本上保持在高速操作和高灵敏度操作之间。特别地，如果考虑线性度的改善，则优选地选择具有UTC-PD结构的光吸收层。然而，如上所述，发生比常规未掺杂的光吸收层中的更大的灵敏度退化。如上所述，通常，在不牺牲光接收灵敏度和高速度的情况下不能获得高线性度。
本发明是为了解决上述问题而做出的，其目的在于在不牺牲光接收灵敏度和高速度的情况下在雪崩光电二极管中获得高线性度。
解决问题的方法
根据本发明，提供了一种雪崩光电二极管，包括：p接触层，由p型半导体制成；第一光吸收层，形成在p接触层上并由p型半导体制成；雪崩层，形成在第一光吸收层上；场控制层，形成在雪崩层上；第二光吸收层，形成在场控制层上；n接触层，形成在第二光吸收层上并由n型半导体制成；p接触，连接到p接触层；以及p接触，连接到n接触层。
在雪崩光电二极管中，第一光吸收层和雪崩层形成为比n接触层的区域大的区域。
雪崩光电二极管还可以包括布置在p接触层和第一光吸收层之间并由p型半导体制成的扩散阻挡层，其中扩散阻挡层的导带端部高于第一光吸收层的导带端部。
雪崩光电二极管还可以包括布置在第二光吸收层和n接触层之间且由带隙能量大于第二光吸收层的带隙能量的半导体制成的边缘场缓冲层。
雪崩光电二极管还可以包括布置在雪崩层和第一光吸收层之间并且由带隙能量大于雪崩层的带隙能量的p型半导体制成的p半导体层。
本发明的效果
如上所述，根据本发明，提供两者都是p型的第一光吸收层和第二光吸收层，以夹住雪崩层。因此，可以在不牺牲光接收灵敏度和高速度的情况下获得在雪崩光电二极管中实现高线性度的巨大效果。
附图说明
图1是示出了根据本发明的第一实施例的雪崩光电二极管的结构的剖视图；
图2A是示意性地示出包括普通未掺杂的光吸收层的电子注入型雪崩光电二极管中的载流子输运的能带图；
图2B是示意性地示出根据本发明的第一实施例的雪崩光电二极管中的载流子输运的能带图；
图3是示出根据本发明的雪崩光电二极管的特性(a)和包含未掺杂光吸收层的常规雪崩光电二极管的特性(b)的曲线图。
图4是示出在M＝1处的3dB带宽为1的情况下在包括普通未掺杂的光吸收层的电子注入型雪崩光电二极管(▲)、包括UTC型光吸收层的雪崩光电二极管(■)和根据本发明的雪崩光电二极管(◆)中在每个倍增因子下的3dB带宽的退化率的曲线图；
图5是示出了根据本发明的第二实施例的雪崩光电二极管的结构的剖视图；
图6是示出了根据本发明的第三实施例的雪崩光电二极管的结构的剖视图；
图7示出用于说明在不存在p半导体层321的情况(a)和存在p半导体层321的情况(b)之间的隧道泄露的比较的能带图；
图8是示出了根据本发明的第四实施例的雪崩光电二极管的结构的剖视图；
图9是示出了根据本发明的第五实施例的雪崩光电二极管的结构的剖视图；
图10是示意性地示出了根据本发明的第五实施例的雪崩光电二极管中的载流子输运的能带图；
图11是用于说明UTC-PD结构的能带图；以及
图12是用于说明使用未掺杂吸收层的雪崩光电二极管的视图。
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明的实施例。
[第一实施例]
首先将参考图1描述本发明的第一实施例。图1是示出了根据本发明的第一实施例的雪崩光电二极管的结构的剖视图。该雪崩光电二极管包括由p型半导体制成的p接触层101、形成在p接触层101上且由p型半导体制成的第一光吸收层102以及形成在第一光吸收层102上的雪崩层103。通过引入(掺杂)p型杂质将第一光吸收层102形成为p型。注意，第一光吸收层102不会按照下面的方式掺杂杂质：使得它在雪崩光电二极管的操作电压下耗尽。
根据第一实施例的雪崩光电二极管还包括形成在雪崩层103上的n场控制层104、形成在场控制层104上的第二光吸收层105、形成在第二光吸收层105上并由n型半导体制成的n接触层106、连接到p接触层101的p接触107以及连接到n接触层106的n接触108。在该雪崩光电二极管中，p接触层101、第一光吸收层102、雪崩层103、场控制层104、第二光吸收层105和n接触层106从p接触107的一侧依次堆叠。
注意，第一光吸收层102和第二光吸收层105由具有与光的目标波长相对应的带隙能量的III-V化合物半导体制成，当然，其余层均由带隙能量与第一光吸收层102和第二光吸收层105的带隙能量不同的III-V化合物半导体制成。场控制层104的带隙能量不小于光吸收层的带隙能量，并且不大于雪崩层103的带隙能量。
在该雪崩光电二极管中，如果在p接触107和n接触108之间施加反向偏置电压，则场控制层104中的施主杂质离化，并且在雪崩层103中诱发高电场。场控制层104中的n型掺杂量被设置为使得第二光吸收层105中的杂质浓度在反向偏置施加时充分耗尽。
在常规雪崩光电二极管的分层结构中，采用在p接触侧设置光吸收层的电子注入型或在n型接触侧设置光吸收层的空穴注入型，并且光吸收层设置在雪崩层的一侧上。这种结构基于保持低雪崩多余噪声因子的普通设计指南。
与上述结构相比，在本发明中，掺杂成p型的第一光吸收层102和第二光吸收层105布置在雪崩层103的两侧。在所有光吸收层具有相同厚度的条件下，根据本发明的布置中的光吸收层仅被划分为第一光吸收层102和第二光吸收层105，并且光接收灵敏度在没有雪崩倍增的状态下不改变。
如果通过光吸收在第一光吸收层102和第二光吸收层105中产生电子-空穴对，则第一光吸收层102中的电子通过电子扩散而到达雪崩层103，并且第二光吸收层105中的空穴通过空穴漂移而到达雪崩层103。电子和空穴两者都通过离化过程诱发雪崩倍增。如上所述，根据本发明的布置，通过双重注入执行雪崩倍增。通过注入雪崩层103中的电子和空穴在雪崩层103中产生的电子-空穴对的数量取决于第一光吸收层102和第二光吸收层105的厚度以及电子和空穴的离化率。
如果输入光强度高，则在第一光吸收层102中不会发生在普通未掺杂的光吸收层中由于空穴累积(空间电荷效应)而发生的场强位移。在第二光吸收层105中，可以发生与电子相关的雪崩层103附近的载流子累积，其具有一直到电极的较长行进距离，但饱和速度比空穴高一个数量级。因此，与在普通未掺杂的光吸收层中观察到的空穴累积的空间电荷效应相比，影响较小。
下面将描述包括普通未掺杂光吸收层和根据本发明的雪崩光电二极管的电子注入型雪崩光电二极管中的每一个的能带状态。图2A是示意性地示出包括普通未掺杂的光吸收层的电子注入型雪崩光电二极管中的载流子输运的能带图。图2B是示意性地示出根据本发明的第一实施例的雪崩光电二极管中的载流子输运的能带图。
请注意，在图2A中，附图标记102a表示未掺杂的光吸收层；103a表示雪崩层；以及104a表示场控制层。假设Wabs0是未掺杂的光吸收层102a的厚度，Wabs1是第一光吸收层102的厚度，Wabs2是第二光吸收层105的厚度。另外，Wabs0＝Wabs1+Wabs2。因此，常规雪崩光电二极管和根据本发明的雪崩光电二极管在没有倍增的状态中具有相同的光接收灵敏度。参见图2A和2B，实心圆表示电子，空心圆表示空穴。
在包括常规未掺杂的光吸收层的雪崩光电二极管中，如图2A所示，在未掺杂的光吸收层102a中产生的电子/空穴行进与厚度Wabs0相对应的距离。此外，如果雪崩光电二极管的倍增因子(M)高达10或更大，则雪崩层103a中的冲击离化产生的多个空穴类似地行进Wabs0。通常，空穴的饱和速度低于电子的饱和速度。因此，如果输入光强度上升，则在未掺杂的光吸收层102a中，特别是在一直到电极的距离长的雪崩层附近发生空穴累积，并且雪崩层中的场强降低。
在倍增因子提升的情况下，发生与在输入光强度提升的情况下相同的影响。也就是说，在雪崩层103a中产生的空穴被注入到未掺杂的光吸收层102a中。然而，这些空穴在一直到电极的长距离处的雪崩层103a附近累积。因此，在典型的雪崩光电二极管中，当倍增因子高时，确认输出电流相对于输入光强度的线性度的更显著退化。
另一方面，在图2B所示的根据本发明的雪崩光电二极管中，第一光吸收层102为p型。因此，如果倍增因子上升，则空穴的行进距离不像厚度Wabs1那样长，并且空穴在其注入第一光吸收层102中之后立即通过介电弛豫机制来行进。此外，在第二光吸收层105中，通过倍增产生的空穴不被注入到该区域中，并且仅注入通过倍增产生的电子。由于电子的饱和速度高于空穴的饱和速度，所以载流子输运特性不很大地退化。图3示出了输出电流相对于上述输入光强度的关系。在图3中，(a)表示根据本发明的雪崩光电二极管的特性，(b)表示包括常规的未掺杂光吸收层102a的雪崩光电二极管的特性。
假设掺杂为p型的UTC型光吸收层。将通过倍增产生的空穴注入光吸收层中，并立即引起介电弛豫而不有助于载流子输运特性。光吸收层表现出与在图3的(a)所示的根据本发明的雪崩光电二极管中相同的输入光强度和输出电流之间的关系。然而，如果光吸收层厚度Wabs0具有大的值，则p型光吸收层中的载流子输运机制是电子扩散，因此高频特性显著降低。
接下来将参考图4描述倍增因子和3dB带宽之间的关系。图4是示出在M＝1处的3dB带宽为1的情况下在包括普通未掺杂的光吸收层的电子注入型雪崩光电二极管(▲)、包括UTC型光吸收层的雪崩光电二极管(■)和根据本发明的雪崩光电二极管(◆)中在每个倍增因子下的3dB带宽的退化率的曲线图。
假设Wabs0和Wabs1+Wabs2被设置为0.7μm,GBP(增益带宽乘积)被设置为240GHz。此外，除了光吸收层之外的诸如雪崩层之类的每一个层的厚度被设置为约0.2μm。
在包括未掺杂的光吸收层的雪崩光电二极管中，在M＝5处，3dB带宽退化到约40％，并且在M＝10处退化到约30％。另一方面，在包括UTC型光吸收层的雪崩光电二极管中，即使在M＝10处，3dB带宽的退化率为约20％。这种差异被认为是由通过倍增产生的空穴的输运产生的。由p型光吸收层中的倍增因子引起的3dB带宽的退化仅被认为仅反映GBP。然而，在包括UTC型光吸收层的雪崩光电二极管中，通过电子扩散进行光吸收层中的载流子输运。因此，载流子渡越时间对于厚度约为0.7μm而言相对较长，并且不适于高速操作。
在根据本发明的雪崩光电二极管中，与包括未掺杂的光吸收层的雪崩光电二极管相比，相对于倍增因子由载流子渡越时间确定的3dB带宽的退化程度被极大地改善。
即使电子和空穴的离化率不同，如果电子的离化率与空穴的离化率的比率落在约2的范围内，则根据本发明的雪崩光电二极管的结构是有效的。由于一个载流子的离化率变得相对较高，并且其对由其他载流子的注入引起的雪崩倍增的贡献变得较小，所以根据本发明的雪崩光电二极管的优点趋向于丢失。然而，通常随着电场上升，电子的离化率与空穴的离化率的相对比率趋向于是低的，本发明的设计构思可以被广泛应用。电子和空穴的离化率接近的材料的示例是InP。包括由该半导体材料制成的雪崩层的雪崩光电二极管被认为适合于本发明。
[第二实施例]
接下来将参考图5来描述本发明的第二实施例。图5是示出了根据本发明的第二实施例的雪崩光电二极管的结构的剖视图。
雪崩光电二极管包括衬底201、形成在衬底201上并由p型半导体制成的p接触层202、形成在p接触层202上并由p型半导体制成的扩散阻挡层203、形成在扩散阻挡层203上并由p型半导体制成的第一光吸收层204以及形成在第一光吸收层204上的雪崩层205。第一光吸收层204通过掺杂p型杂质形成为p型。注意，第一光吸收层204会按照以下方式掺杂杂质：使得它在雪崩光电二极管的操作电压下耗尽。
根据第二实施例的雪崩光电二极管还包括：形成在雪崩层205上的n场控制层206、形成在场控制层206上的第二光吸收层207、形成在第二光吸收层207上的边缘场缓冲层208、形成在边缘场缓冲层208上并由n型半导体制成的第一n接触层209以及形成在第一n接触层209上并由n型半导体制成的第二n接触层210。
雪崩光电二极管还包括连接到p接触层202的p接触212和连接到第二n接触层210的n接触211。在该雪崩光电二极管中，p接触层202、扩散阻挡层203、第一光吸收层204、雪崩层205、场控制层206、第二光吸收层207、边缘场缓冲层208、第一n接触层209和第二n接触层210从衬底201的一侧依次堆叠。
注意，在衬底201上形成多个雪崩光电二极管。然而，图5示出了形成在衬底201上的一个雪崩光电二极管。雪崩光电二极管被单独形成并通过分离p接触层202和p接触层202上的各层而电隔离。
在第二实施例中，扩散阻挡层203、第一光吸收层204、雪崩层205和n场控制层206在平面图中具有相同的形状并形成第一台面。此外，第二光吸收层207和边缘场缓冲层208在平面图中具有相同的形状，并形成面积小于第一台面的面积的第二台面。此外，第一n接触层209和第二n接触层210在平面图中具有相同的形状，并形成面积小于第二台面的面积的第三台面。第二台面形成在第一台面的内部，第三台面形成在第二台面的内部。例如，各台面仅需要在衬底法线方向上具有共同的中心轴。
注意，第一光吸收层204和第二光吸收层207由具有与光的目标波长相对应的带隙能量的III-V化合物半导体制成，当然，其余层均由带隙能量与第一光吸收层204和第二光吸收层207的带隙能量不同的III-V化合物半导体制成。场控制层206的带隙能量优选地等于或大于雪崩层205的带隙。更理想的是，场控制层206的带隙能量等于或大于雪崩层205的带隙，同时从防止空穴输运障碍的观点来看，相对于雪崩层205的价带端的偏移优选为100meV或更多。
例如，衬底201是由通过掺杂铁而获得高电阻的半绝缘InP制成的半导体衬底。p接触层202由其中大量引入p型杂质的InP制成。扩散阻挡层203由引入p型杂质的InGaAsP制成。第一光吸收层204由引入p型杂质的InGaAs制成。
p接触层202由InP制成。场控制层206由引入n型杂质的InP制成。第二光吸收层207由InGaAs制成。边缘场缓冲层208由未掺杂的InP制成。第一n接触层209由引入n型杂质的InP制成。第二n接触层210由其中大量引入n型杂质的InGaAsP制成。
接下来将简要描述制造上述雪崩光电二极管的方法。首先，p型InP(p接触层202)、p型InGaAsP(扩散阻挡层203)、p型InGaAs(第一光吸收层204)、InP(雪崩层205)、n型InP(场控制层206)、InGaAs(第二光吸收层207)、InP(边缘场缓冲层208)、n型InP(第一n接触层209)和n型InGaAsP(第二n接触层210)通过外延生长顺序地沉积在由半绝缘InP制成的衬底201上。这些层通过公知的金属有机气相外延(MOVPE)方法形成。
接下来，例如，n接触211形成在n型InGaAsP层上。例如，形成包括n接触211的区域中的开口的抗蚀剂掩模图案。通过电子束蒸发法在抗蚀剂掩模图案上形成钛层/铂层/金层的三层堆叠膜。此后，当去除抗蚀剂掩模图案时，可以形成与n型InGaAsP层(第二n接触层210)欧姆接触的n接触211。这是一种称为剥离(lift-off)方法的制造方法。
接下来，n型InGaAsP层、n型InP层、InP层、InGaAs层、n型InP层、InP层、p型InGaAs层和p型InGaAsP层首先通过已知的光刻和蚀刻(湿式蚀刻)技术来图案化，以在平面图中形成与上述第一台面相同的形状。利用这种图案化，形成p接触层202、扩散阻挡层203、第一光吸收层204、雪崩层205和场控制层206。
接下来，n型InGaAsP层、n型InP层、InP层和InGaAs层通过已知的光刻和蚀刻(湿式蚀刻)技术来图案化，以在平面图中形成与上述第二台面相同的形状。利用这种图案化，形成第二光吸收层207和边缘场缓冲层208。接下来，n型InGaAsP层和n型InP层通过已知的光刻和蚀刻(湿式蚀刻)技术来图案化，以形成上述第三台面。利用该图案化，形成第一n接触层209和第二n接触层210。p接触层202的部分暴露于所形成的第一台面的周边。
最后，p接触212形成在通过图案化暴露的p接触层202上。p接触212具有钛层/铂层/金层的三层结构。p接触212像n接触211一样通过电子束蒸发法和剥离法形成。
在第二实施例中，如果在p接触212和n接触211之间施加反向偏置电压，则布置在雪崩层205上的n场控制层206中的施主杂质离化，且在雪崩层205中诱发高电场。雪崩光电二极管的操作与上述第一实施例相同。注意，尽管这里未示出，可以在第一光吸收层204和雪崩层205之间以及在n场控制层206和第二光吸收层207之间设置均具有这些两层之间的带隙的“带隙斜坡层”。这种布置在抑制阻挡层对异质界面的影响的意义上是有效的，如在普通的雪崩光电二极管中。
在第二实施例中，在平面图中顺序地减小面积的同时布置第一台面、第二台面和第三台面。这旨在缓冲第一光吸收层204和第二光吸收层207的侧表面上的场强。在没有形成三级台阶中的台面的结构中，如果反向偏置电压被提升以将雪崩光电二极管设置在操作状态中，则在台面表面上出现根据器件(体)内的电位的电位分布，并且表面泄漏电流根据电场而流动。这不是优选的，因为它是使雪崩光电二极管的接收操作中的灵敏度退化的因素，并且还缩短了雪崩光电二极管的寿命。
也在根据第二实施例的雪崩光电二极管中，随着反向偏压提升以获得操作状态，从第一光吸收层204的部分到第一n接触层209(第二n接触层210)的部分发生耗尽。然而，如果第一台面的上表面的耗尽＝场控制层206结束，则即使反向偏置电压进一步提升，场控制层206的电位也很少改变。这是因为围绕第二台面的场控制层206上的介质(例如，绝缘材料)的介电常数比半导体的介电常数小得多，并且从第一n接触层209(第二n接触层210)的周边到第一台面的周边的空间距离是足够长的。结果，可以抑制第一台面的周边上的场强的增加(引用文献3)。
如上所述的同样适用于第二台面的上表面＝第一n接触层209(第二n接触层210)。即使反向偏置电压进一步提升，第二光吸收层207和边缘场缓冲层208的侧表面上的场强决不持续上升。
在第二实施例中，具有最小带隙的第一光吸收层204和第二光吸收层207布置成夹住雪崩层205。因此，与常规的雪崩光电二极管相比，特别需要小心台面的侧表面上的场强的缓冲。如上所述，通过形成多级台面结构，可以大大减小台面的侧表面上的场强，如上所述。
在第二实施例中，由例如InGaAsP制成的扩散阻挡层203设置在p接触层202和第一光吸收层204之间。将解释其原因。第一光吸收层204中的载流子输运通过电子扩散进行。因此，通过光吸收在第一光吸收层204中产生的电子也可以扩散到p接触层202的侧面。在这种情况下，担心光接收灵敏度变得比从第一光吸收层204的厚度预期的值更差。
另一方面，当提供由例如导带端部高于光吸收层材料的导带端部的InGaAsP制成的扩散阻挡层203时，可以抑制第一光吸收层204中的电子扩散到p接触层202的侧面，并且电子可以更有效地行进到雪崩层205的侧面。
与常规提出的反向雪崩光电二极管(参见非专利文献3)相比，从确保可靠性和操作稳定性的观点来看，根据本发明的雪崩光电二极管特别需要小心设计。通常，在雪崩光电二极管中，p-n结的曲率在边缘比在中心小。因此，由于施加来导致雪崩击穿的非常高的反向电压，所以边缘上的电场变得大于中心处的电场。因此，击穿现象不发生在中心处而发生在边缘上。
在反向的雪崩光电二极管中，通过布置与雪崩层相邻的边缘场缓冲层来缓冲到雪崩层的边缘场。在根据本发明的雪崩光电二极管中，边缘击穿也可以发生在第二光吸收层207中。
另外，当应用根据第二实施例的多级台面结构时，通过从结构导出的电力线的集中在第一n接触层209和边缘场缓冲层208之间的界面的表面部分中产生边缘场。该边缘场可以通过产生从第二光吸收层207和雪崩层205中的边缘形状导出的高局部电场而引起边缘击穿。如果发生边缘击穿，则在低于用于获得足够高的雪崩光电二极管的倍增因子的电压的电压下发生击穿。因此难以在高倍增因子处执行操作。
另一方面，提供边缘场缓冲层208以将第三台面的边缘部分与第二光吸收层207和雪崩层205在空间上分开。此外，边缘场缓冲层208通过施加带隙比第二光吸收层207的带隙大的诸如InP或InAlAs之类的材料来形成。这些可以抑制边缘场缓冲层208自身中的边缘击穿。
在雪崩光电二极管的操作状态中，第二光吸收层207的场强优选为200kV/cm或更小。从长期可靠性的观点出发，这旨在抑制InGaAs的材料的退化。
这里，InGaAs用作光吸收层的半导体材料，InP用作雪崩层的半导体材料。然而，该专利的设计构思不一定限制要使用的半导体材料，并且可以应用于各种半导体材料的组合。
[第三实施例]
接下来将参考图6来描述本发明的第三实施例。图6是示出了根据本发明的第三实施例的雪崩光电二极管的结构的剖视图。
雪崩光电二极管包括衬底301、形成在衬底301上并由p型半导体制成的p接触层302、形成在p接触层302上并由p型半导体制成的扩散阻挡层303、形成在扩散阻挡层303上并由p型半导体制成的第一光吸收层304以及形成在第一光吸收层304上的雪崩层305。第一光吸收层304通过掺杂p型杂质形成为p型。注意，第一光吸收层304不会按照以下方式掺杂过多的杂质：它在雪崩光电二极管的操作电压下耗尽。
根据第三实施例的雪崩光电二极管还包括形成在雪崩层305上的n场控制层306、形成在场控制层306上的第二光吸收层307、形成在第二光吸收层307上的边缘场缓冲层308、形成在边缘场缓冲层308上并由n型半导体制成的第一n接触层309以及形成在第一n接触层309上并由n型半导体制成的第二n接触层310。
雪崩光电二极管还包括连接到p接触层302的p接触312和连接到第二n接触层310的n接触311。另外，在第三实施例中，在第一光吸收层304和雪崩层305之间设置p半导体层321。p半导体层321具有比雪崩层305的带隙能量大的带隙能量，并且由例如InAlAs制成。布置的其余部分与上述第二实施例中的相同。
在第三实施例中，扩散阻挡层303、第一光吸收层304、p半导体层321、雪崩层305和n场控制层306在平面图中具有相同的形状并形成第一台面。此外，第二光吸收层307和边缘场缓冲层308在平面图中具有相同的形状，并形成面积小于第一台面的面积的第二台面。此外，第一n接触层309和第二n接触层310在平面图中具有相同的形状，并形成面积小于第二台面的面积的第三台面。
注意，在第三实施例中，p型半导体层321被新近添加到根据第二实施例的雪崩光电二极管。制造方法与第二实施例中的大致相同，将省略其详细描述。
下面将描述p半导体层321的添加。即使对于常规的雪崩光电二极管，通常已知的是场控制层用于将雪崩层和光吸收层中的场强设置为操作状态中的适当值。在第三实施例中，场控制层306由带隙等于或大于雪崩层305的带隙的材料制成。这一点将首先解释。
如果第一光吸收层304被重掺杂为p型，则难以认为整个第一光吸收层304在雪崩光电二极管的操作状态中完全耗尽。然而，在雪崩光电二极管中，通常在操作状态中施加20V或更大的高电压，并且雪崩层305中的场强变得高达约600至900kV/cm。在这种高电压状态中，即使第一光吸收层304被重掺杂为p型，也会在与雪崩层305的异质界面附近产生数十nm的耗尽层。
如果在雪崩层305附近的第一光吸收层304中产生的电场达到几百kV/cm，首先，由于第一光吸收层304通常由具有小带隙的InGaAs制成，因此产生隧道泄漏电流。其次，由于雪崩层305的有效厚度增加，GBP降低。
图7的能带图示出了产生隧道泄漏电流的状态。在图7中，(a)示出了不存在p半导体层321的情况，(b)示出了存在p半导体层321的情况。如图7的(b)中所示，与图7的(a)相比，当插入带隙能量等于或大于雪崩层305的带隙能量的p半导体层321时，可以抑制通过场强的增加在第一光吸收层304和雪崩层305之间产生的隧道泄漏电流。
此外，当使用带隙能量等于或大于雪崩层305的带隙能量的材料时，即使在p半导体层321中的场强高的状态中，也不会在雪崩层305中发生显著的雪崩倍增。
如上所述，当插入p半导体层321时，可以确保可靠性。也可以确保雪崩光电二极管的雪崩层的膜厚度的高设计自由度，并获得高GBP。
[第四实施例]
接下来将参考图8来描述本发明的第四实施例。图8是示出了根据本发明的第四实施例的雪崩光电二极管的结构的剖视图。
雪崩光电二极管包括衬底401、形成在衬底401上并由n型半导体制成的第二n接触层402、形成在第二n接触层402上的第一n接触层403、形成在第一n接触层403上的第二光吸收层404以及形成在第二光吸收层404上的n场控制层405。
雪崩光电二极管还包括形成在n场控制层405上的雪崩层406、形成在雪崩层406上的p场控制层407、形成在p场控制层407上的边缘场缓冲层408、形成在边缘场缓冲层408上的第一半导体层409以及形成在第一半导体层409上的第二半导体层410。
p型杂质被从第二半导体层410到第一半导体层409引入到杂质引入区411中。在引入p型杂质的杂质引入区411中的第一半导体层409中形成第一光吸收层412，并且在引入p型杂质的杂质引入区411中的第二半导体层410中形成p接触层413。注意，在第四实施例中，p接触层413还用作扩散阻挡层。雪崩光电二极管还包括连接到p接触层413的p接触414和连接到第一n接触层403的n接触415。
例如，衬底401由半绝缘InP制成。第二n接触层402由n型InP制成。第一n接触层403由n型InGaAs制成。第二光吸收层404由InGaAs制成。n场控制层405由n型InAlAs制成。
雪崩层406由InP制成。p场控制层407由p型InAlAs制成。边缘场缓冲层408由InP制成。第一半导体层409由InGaAs制成。第二半导体层410由InAlAs制成。
引入杂质引入区411中的p型杂质例如为Zn。在平面图中，通过在第一半导体层409和第二半导体层410内的区域中的选择性扩散来形成杂质引入区411。在这种情况下，第一光吸收层412由包含作为掺杂剂的Zn的p型InGaAs制成，并且p接触层413由使用Zn作为掺杂剂的p型InAlAs制成。
在第四实施例中，根据本发明的雪崩光电二极管应用于“平面结构”。在第四实施例中，元件侧表面上的电场的缓冲不是通过多级台面而是通过作为p型杂质的Zn的选择性扩散来实现的。在第四实施例中，仅需要通过湿法蚀刻暴露n接触层403的一部分。除此之外，不需要用于元件形状形成的图案化工艺。
在根据第四实施例的雪崩光电二极管中，当在p接触414和p接触层413之间施加电压时，首先在p场控制层407和n场控制层405中进行耗尽。如果p场控制层407的耗尽完成，则元件侧表面上的场强不再上升。附加的电压施加仅有助于直接在通过选择性掺杂Zn形成的杂质引入区411下面的层中的场强的增加。因此，根据第四实施例，可以在不形成多级台面的情况下在操作状态中缓冲雪崩光电二极管的侧表面上的电场。
在第四实施例中，由于可以减少在上述第二和第三实施例中需要进行多次以形成多级台面的图案化的曝光/显影步骤，并且元件可以通过一次图案化和Zn选择性扩散以及金属蒸镀沉积等的电极形成来形成，可以缩短制造步骤。注意，在第一光吸收层布置在衬底侧的布置中，作为最上层的n接触层通过诸如硅之类的n型杂质的选择性扩散而形成。
[第五实施例]
接下来将参考图9描述本发明的第五实施例。图9是示出了根据本发明第五实施例的雪崩光电二极管的结构的剖视图。雪崩光电二极管包括衬底501、形成在衬底501上并由p型半导体制成的p接触层502、形成在p接触层502上并由p型半导体制成的扩散阻挡层503、形成在扩散阻挡层503上并由p型半导体制成的第一光吸收层504以及形成在第一光吸收层504上的雪崩层505。第一光吸收层504通过掺杂p型杂质形成为p型。注意，第一光吸收层504不被这样多地掺杂有杂质，使得它在雪崩光电二极管的操作电压下耗尽。
根据第五实施例的雪崩光电二极管还包括：形成在雪崩层505上的n场控制层506、形成在场控制层506上的第二光吸收层507、形成在第二光吸收层507上的边缘场缓冲层508、形成在边缘场缓冲层508上并由n型半导体制成的第一n接触层509以及形成在第一n接触层509上并由n型半导体制成的第二n接触层510。
雪崩光电二极管还包括连接到p接触层502的p接触512和连接到第二n接触层510的n接触511。n接触511在平面图上具有例如环形形状。在根据第五实施例的雪崩光电二极管中，第一光吸收层504中的p型杂质的掺杂浓度被设置为使得杂质浓度从p接触层502的一侧到第二光吸收层507的一侧朝向第二光吸收层507降低。例如，第一光吸收层504中的杂质浓度逐渐降低到第二光吸收层507的一侧(渐变掺杂)。
另外，在第五实施例中，p场控制层521设置在第一光吸收层504和雪崩层505之间。p场控制层521中的掺杂杂质浓度适当地设置为使得它在雪崩光电二极管的操作电压下耗尽。p场控制层521的带隙能量大于第一光吸收层504的带隙能量，并且由例如InAlGaAs制成。布置的其余部分与上述第二实施例中的相同。
在第五实施例中，扩散阻挡层503、第一光吸收层504、p场控制层521、雪崩层505和n场控制层506在平面图中具有相同的形状，并形成第一台面。此外，第二光吸收层507和边缘场缓冲层508在平面图中具有相同的形状，并形成面积小于第一台面的面积的第二台面。此外，第一n接触层509和第二n接触层510在平面图中具有相同的形状，并形成面积小于第二台面的面积的第三台面。
也在第五实施例中，如图10的能带图所示，如果倍增因子上升，则在雪崩层505中通过冲击离化产生的多个空穴在注入到第一光吸收层504之后立即通过介电弛豫机制行进。此外，在第二光吸收层507中，通过倍增产生的空穴不会被注入到该区域中，并且仅注入通过倍增产生的电子。由于电子的饱和速度高于空穴的饱和速度，所以载流子输运特性不会显著退化。
注意，在第五实施例中，将p场控制层521新近添加到根据第二实施例的雪崩光电二极管，并且改变了第一光吸收层504的掺杂分布。制造方法与第二实施例中的大致相同，将省略其详细描述。
下面将描述第一光吸收层504的掺杂分布。如上所述，在本发明中，第一光吸收层504使用UTC-PD的操作原理，并使用电子扩散作为载流子输运机制。在这种情况下，第一光吸收层504中的电子速度由电子迁移率或扩散系数支配。
在根据第五实施例的第一光吸收层504中，由于p接触层502的一侧上的p型杂质浓度高，所以导带端部(V.B.)位于靠近费米能级，如图10的能带图中所示。然而，在第二光吸收层507的一侧，由于杂质浓度相对较低，费米能级位于相对靠近从导带端部的中间间隙的一侧。结果，在雪崩光电二极管的操作状态中，第一光吸收层504不耗尽，但使能带倾斜，好像形成伪电场那样。因此，在根据第五实施例的具有掺杂分布的第一光吸收层504中，电子不仅具有扩散分量，而且具有漂移分量，电子速度增加。结果，根据第五实施例，可以实现宽的能带。
接下来将描述p场控制层521。p场控制层521在雪崩光电二极管的操作状态中耗尽。如果p场控制层521具有等于或大于雪崩层505的带隙的带隙，并且通过掺杂简单地形成为p型，则从第一光吸收层504注入的扩散电子的电子阱可以在雪崩光电二极管的操作状态中通过吸收层和p型层之间的能带偏移来形成。
然而，如果p场控制层521在操作状态中变为耗尽状态，则向p场控制层521上施加预定电场，以在雪崩光电二极管的操作状态中使能带倾斜。这可以在电子注入时从第一光吸收层504到雪崩层505放松阻挡层。
如上所述，根据第五实施例，可以获得更高的能带。
这里将描述场控制层。在雪崩光电二极管中，需要在雪崩层中产生几百kV/cm的非常高的电场，从而引起冲击离化。如果在光吸收层中也产生如此高的场强，则在光吸收层中发生雪崩倍增或齐纳击穿。
仔细选择雪崩光电二极管的雪崩层的材料和厚度，以减少冲击离化中的过多噪声，即使在高倍增因子下也抑制能带退化。然而，如果在没有这样设计的光吸收层中发生雪崩倍增，则雪崩光电二极管的噪声、倍增和能带特性受到光吸收层的倍增特性的限制，而不反映雪崩层中的载流子的倍增特性。
如果在光吸收层中发生齐纳击穿，则在低于在雪崩光电二极管的雪崩层中达到高倍增因子的电压下暗电流增加，并且发生击穿。在这种情况下，雪崩光电二极管不能获得所期望的灵敏度。
为了防止光吸收层中的上述雪崩倍增或齐纳击穿，通过在雪崩层和光吸收层之间插入掺杂的场控制层来设计雪崩光电二极管，以获得其中光吸收层中的场强降低的所谓的“低-高”场强分布，并且雪崩层中的场强在雪崩光电二极管的操作电压下上升。通常，在光吸收层布置在p接触层侧的“电子注入型”雪崩光电二极管中，引入p型杂质以形成p场控制层。在光吸收层布置在n接触层侧的“空穴注入型”雪崩光电二极管中，引入n型杂质以形成n场控制层。
如上所述，根据本发明，提供p型第一光吸收层和第二光吸收层以夹住雪崩层。因此，可以在不牺牲光接收灵敏度和高速度的情况下实现高线性度。根据本发明，可以在需要高线性度和高速度的诸如数字相干方法之类的通信方法中增加接收器的灵敏度。
注意，本发明不限于上述实施例，并且在不脱离本发明的技术范围的情况下，可以由本领域普通技术人员进行许多修改和组合。
附图标记的解释
101...p接触层，102...第一光吸收层，103...雪崩层，104...场控制层，105...第二光吸收层，106...n-接触层，107...p接触，108...n接触。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种雪崩光电二极管，包括：由p型半导体制成的p接触层；
形成在所述p接触层上并由以在操作电压下不引起耗尽的浓度掺杂有p型杂质的p型半导体制成的第一光吸收层；
形成在所述第一光吸收层上的雪崩层；
形成在所述雪崩层上的场控制层；
形成在所述场控制层上的第二光吸收层；
形成在所述第二光吸收层上并由n型半导体制成的n接触层；
连接到所述p接触层的p接触；以及
连接到所述n接触层的n接触。2、根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其中，所述第一光吸收层和所述雪崩层形成为面积比所述n接触层的面积大。
2.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，还包括布置在所述p接触层和所述第一光吸收层之间并由p型半导体制成的扩散阻挡层，其中所述扩散阻挡层的导带端部高于所述第一光吸收层的导带端部。
3.根据权利要求1至3中任一项所述的雪崩光电二极管，还包括布置在所述第二光吸收层和所述n接触层之间并且由带隙能量大于所述第二光吸收层的带隙能量的半导体制成的边缘场缓冲层。5、根据权利要求1至4中任一项所述的雪崩光电二极管，还包括布置在所述雪崩层和所述第一光吸收层之间并且由带隙能量大于所述雪崩层的带隙能量的p型半导体制成的p半导体层。
4.根据权利要求1至4中任一项所述的雪崩光电二极管，还包括在所述雪崩层和所述第一光吸收层之间形成并实现为p型的p场控制层，
其中，形成在所述雪崩层和所述第二光吸收层之间的所述场控制层实现为n型，以及所述第一光吸收层中的杂质浓度从所述p接触层的一侧到所述第二光吸收层的一侧朝着所述第二光吸收层降低。

Claims (6)

1.一种雪崩光电二极管，包括：
由p型半导体制成的p接触层；
形成在所述p接触层上并由掺杂有p型杂质的p型半导体制成的第一光吸收层；
形成在所述第一光吸收层上的雪崩层；
形成在所述雪崩层上的场控制层；
形成在所述场控制层上的第二光吸收层；
形成在所述第二光吸收层上并由n型半导体制成的n接触层；
连接到所述p接触层的p接触；以及
连接到所述n接触层的n接触。
2.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其中，所述第一光吸收层和所述雪崩层形成为面积比所述n接触层的面积大。
3.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，还包括布置在所述p接触层和所述第一光吸收层之间并由p型半导体制成的扩散阻挡层，其中所述扩散阻挡层的导带端部高于所述第一光吸收层的导带端部。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的雪崩光电二极管，还包括布置在所述第二光吸收层和所述n接触层之间并且由带隙能量大于所述第二光吸收层的带隙能量的半导体制成的边缘场缓冲层。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的雪崩光电二极管，还包括布置在所述雪崩层和所述第一光吸收层之间并且由带隙能量大于所述雪崩层的带隙能量的p型半导体制成的p半导体层。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的雪崩光电二极管，还包括在所述雪崩层和所述第一光吸收层之间形成并实现为p型的p场控制层，
其中，形成在所述雪崩层和所述第二光吸收层之间的所述场控制层实现为n型，以及所述第一光吸收层中的杂质浓度从所述p接触层的一侧到所述第二光吸收层的一侧朝着所述第二光吸收层降低。
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