CN114864730A - 高调制速度pin型光电二极管 - Google Patents
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Abstract
提供改善的PIN型光电二极管的各种实施方式。在示例实施方式中，所述PIN型光电二极管包括：p型触点；n型触点；第一吸收层，其设置在所述p型触点与所述n型触点之间；以及第二吸收层，其设置在所述第一吸收层与所述n型触点之间。所述第一吸收层的特征在于第一吸收系数，并且所述第二吸收层的特征在于第二吸收系数。所述第二吸收系数大于所述第一吸收系数。在另一示例实施方式中，所述PIN型光电二极管包括：p型触点；n型触点；第一吸收层，其设置在所述p型触点与所述n型触点之间；以及非吸收加速层，其设置在吸收层和非吸收漂移层与所述n型触点之间。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年2月4日提交的第20210100075号希腊申请的优先权，所述申请的内容通过引用整体并入本文。
背景技术
随着数据通信需求在体积和速度两者上的增加，光通信已经成为越来越流行的通信方式。为了满足这些不断增长的需求，光通信需要高速发射机和高速接收机。
发明内容
光电二极管是电光器件，其被配置为通过其孔径接收光并且将光转换成电信号。光电二极管的一种示例类型是PIN型光电二极管。例如，PIN型光电二极管可以包括PIN结。通常，PIN结包括其内空穴是多数电荷载流子的P区域、其内没有自由电荷载流子或自由电荷载流子最少的本征区域以及其内电子是多数电荷载流子的N区域。本征区域夹在P区域和N区域之间，并且充当P区域和N区域之间的绝缘体。例如，本征区域可以具有相对高的电阻(与P区域和/或N区域相比)，这可以减慢电子和/或空穴穿过其中的流动，使得PIN结充当电容器。通常，PIN型光电二极管的本征区域包括光电二极管的吸收区域，其中光被本征区域的材料吸收并且转换成电荷载流子(例如，电子和/或空穴)。因此，较厚的本征区域直接对应于更灵敏的PIN型光电二极管。然而，PIN型光电二极管的本征区域越厚，PIN型光电二极管的电容越大，并且因此，PIN型二极管的调制速度越慢。本发明的实施方式提供一种具有用于光通信的适当灵敏度水平和增加的调制速度的PIN型光电二极管。例如，各种实施方式提供PIN型光电二极管，所述PIN型光电二极管具有每瓦0.4安培至0.8安培范围内的灵敏度和15GHz至100GHz范围内的3-dB调制带宽。
各种实施方式提供包括多层本征区域的PIN型光电二极管。各种实施方式提供PIN型光电二极管，其包括p型触点、n型触点以及其间的多层本征区域。在各种实施方式中，多层本征区域包括一层或多层第二吸收材料，所述一层或多层第二吸收材料嵌入在第一吸收材料内和/或设置在第一吸收材料与接触层中的一个之间。在各种实施方式中，第一吸收材料和第二吸收材料是半导体材料，其中第二吸收材料具有比第一吸收材料更低的能量带隙。在各种实施方式中，多层本征区域包括加速层，所述加速层设置在吸收材料(例如，第一吸收材料和/或第二吸收材料)和接触层中的一个之间。在各种实施方式中，加速层被配置为不吸收光，而是使得由第一吸收材料或第二吸收材料对光的吸收释放的光致电子具有更大的漂移速度。在各种实施方式中，多层本征区域包括漂移层，所述漂移层设置在吸收材料(例如，第一吸收材料和/或第二吸收材料)和/或加速层与n型触点之间。在各种实施方式中，漂移层被配置为降低PIN型光电二极管的PIN结的总电容。
根据本公开的一个方面，提供一种PIN型光电二极管。在示例实施方式中，PIN型光电二极管包括：p型触点；n型触点；第一吸收层，其设置在p型触点与n型触点之间；以及第二吸收层，其设置在第一吸收层与n型触点之间。第一吸收层的特征在于第一吸收系数，并且第二吸收层的特征在于第二吸收系数。第二吸收系数大于第一吸收系数。
根据本公开的另一方面，提供一种PIN型光电二极管。在示例实施方式中，PIN型光电二极管包括：p型触点；n型触点；第一吸收层，其设置在p型触点与n型触点之间；以及非吸收加速层，其设置在第一吸收层与n型触点之间。
附图说明
已经如此概括地描述了本发明，现在将参考附图，所述附图不一定按比例绘制，在附图中：
图1图示了根据示例实施方式的示例PIN型光电二极管的横截面；
图2图示了根据另一示例实施方式的示例PIN型光电二极管的横截面；
图3图示了根据又一示例实施方式的示例PIN型光电二极管的横截面；以及
图4图示了根据又一示例实施方式的示例PIN型光电二极管的横截面。
具体实施方式
现在将参考附图在下文中更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的一些但不是全部实施方式。实际上，这些公开可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为局限于本文阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式是为了使本公开满足适用的法律要求。相同的附图标记始终指代相同的元件。如本文所用，诸如“顶部”、“周围”、“围绕”等术语在下面提供的示例中用于说明目的，以描述某些部件或部件的部分的相对位置。如本文所用，术语“基本上”和“约”是指制造和/或工程标准内的公差。
各种实施方式提供一种PIN型光电二极管，其中PIN型光电二极管的本征区域包括多层本征区域。在各种实施方式中，PIN型光电二极管包括p型触点、n型触点和设置在p型触点与n型触点之间的多层本征区域。在各种实施方式中，多层本征区域包括一层或多层第二吸收材料，所述一层或多层第二吸收材料嵌入在第一吸收材料内和/或设置在第一吸收材料与接触层中的一个之间。在各种实施方式中，第一吸收材料和第二吸收材料是半导体材料，其中第二吸收材料具有比第一吸收材料更低的能量带隙。在各种实施方式中，多层本征区域包括加速层，所述加速层设置在吸收材料(例如，第一吸收材料和/或第二吸收材料)和接触层中的一个之间。在各种实施方式中，加速层被配置为不吸收光，而是使得由第一吸收材料或第二吸收材料对光的吸收释放的光致电子具有更大的漂移速度。在各种实施方式中，多层本征区域包括漂移层，所述漂移层设置在吸收材料(例如，第一吸收材料和/或第二吸收材料)和/或加速层与n型触点之间。在各种实施方式中，漂移层被配置为降低PIN型光电二极管的PIN结的总电容。图1至图4各自图示了PIN型光电二极管的示例实施方式的横截面，其中所述横截面在包括由PIN型二极管限定的轴线的平面中截取。
示例PIN型光电二极管100
图1图示了根据示例实施方式的在包括PIN型光电二极管100的轴线195的平面中截取的PIN型光电二极管100的横截面。在各种实施方式中，PIN型光电二极管100在基本上垂直于轴线195截取的各种平面中可以是基本上均匀的。换句话说，PIN型光电二极管100的组成和/或特征沿着从轴线195延伸出的第一半径和沿着在与第一半径相同的平面中从轴线195延伸出的不同的第二半径可以大体上相同，所述平面基本上垂直于轴线195。
在各种实施方式中，PIN型光电二极管100包括多层本征区域105，所述多层本征区域105包括两个吸收层，所述两个吸收层的特征在于不同的吸收系数。在各种实施方式中，PIN型光电二极管100形成在和/或安装在衬底110上。在各种实施方式中，衬底110包括GaAs衬底或其他合适的衬底。
在各种实施方式中，PIN型光电二极管100包括p型触点175和n型触点125。例如，p型触点175可以包括p型半导体接触层170和阳极电极和/或焊盘180B。例如，n型触点125可以包括n型触点层120、n型半导体接触层130和阴极电极和/或焊盘180A。在各种实施方式中，通过在PIN型光电二极管上沉积和/或图案化导电材料来形成电极和/或焊盘180A、180B。例如，电极和/或焊盘180A、180B可以包括铜、金和/或其他金属。在各种实施方式中，n型触点层120由诸如铜、金或其他金属的导电材料制成。在各种实施方式中，n型半导体接触层130包括已经掺杂有n型掺杂剂的半导体材料。例如，n型半导体接触层130可以包括n型掺杂的AlGaAs。在各种实施方式中，p型半导体接触层170包括已经掺杂有p型掺杂剂的半导体材料。例如，p型半导体接触层170可以包括p型掺杂的AlGaAs。在各种实施方式中，PIN型光电二极管包括具有直径D的台面结构。阴极电极和/或焊盘180A或阳极电极和/或焊盘180B中的一者可以设置在台面结构的顶部上并且围绕(例如，限定)孔190，并且阴极电极和/或焊盘180A或阳极电极和/或焊盘180B中的另一者可以设置在台面结构的周围和/或围绕台面结构设置。在各种实施方式中，直径D在十到四十微米(例如，二十到三十微米)的范围内。
在各种实施方式中，PIN型光电二极管100包括多层本征区域105。在各种实施方式中，多层本征区域105包括PIN型光电二极管100的吸收区域155。在各种实施方式中，吸收区域155包括至少一种吸收材料，所述至少一种吸收材料被配置为吸收特定波长范围的光。如图1中所示，当由PIN型光电二极管100限定的轴线195与z轴线对准时，光(例如，特定波长范围的光)可以通过在负z方向上行进的孔190进入PIN型光电二极管100，并且被本征区域的吸收材料吸收。当特定波长的光子被吸收时，光致电子从吸收材料的晶体结构释放出来，从而提供光致电子和空穴。当在PIN型光电二极管100的p-触点和n-触点之间施加负反向偏压时，空穴大体上在正z方向上朝向p型触点移动，并且光致电子大体上在负z方向上朝向n型触点移动。到达p型触点的空穴和/或到达n型触点的光致电子导致电极和/或焊盘180A、180B处的电压差和/或电流。
在各种实施方式中，多层本征区域105包括漂移层140。在各种实施方式中，漂移层140被配置为不吸收特定波长范围的光。例如，漂移层140可以是非吸收漂移层。在各种实施方式中，漂移层140设置在多层本征区域105的吸收区域和n型触点125(例如，n型半导体接触层130)之间。特别地，PIN型光电二极管可以被配置为使得仅光致电子穿过漂移层140。例如，PIN型光电二极管可以被配置为使得空穴不穿过漂移层140。例如，漂移层140可以设置在多层本征区域105的边界处，所述多层本征区域105的边界邻接和/或直接毗邻n型触点125。
在各种实施方式中，漂移层140被配置为减小PIN型光电二极管的PIN结的电容，同时对光致电子的渡越时间具有最小的影响。通常，光致电子的渡越时间是在光致电子产生时和在光致电子到达n型触点125时之间的时间。PIN型光电二极管的光致电子渡越时间越短，PIN型光电二极管的调制速度就越快。在各种实施方式中，漂移层包括提供穿过其中行进的光致电子的高迁移率的材料。
在各种实施方式中，漂移层140包括具有带隙能量的半导体材料，使得漂移层140基本上用作载流子传输层。例如，漂移层140的带隙能量可以大于吸收材料(例如，第一吸收材料和/或第二吸收材料)的带隙能量。特别地，漂移层140的带隙能量可以足够大，以防止或至少基本上减少漂移层140对特定波长范围的光的吸收。在所示实施方式中，漂移层140包括本征或轻n型掺杂的AlGaAs(AlxGa1-xAs，x＝(0...1))化合物半导体合金。例如，漂移层140可以基本上不掺杂。在示例实施方式中，漂移层140具有在亚微米的范围内的厚度(例如，在基本上平行于轴线195的方向上)Td。例如，在示例实施方式中，漂移层140具有在0.1至0.5微米(例如，0.3微米)范围内的厚度Td。要使用的特定厚度取决于其他层(特别是吸收层150、160)的相对厚度，并且可以根据PIN型光电二极管100的期望特性来定制。
在各种实施方式中，漂移层140被配置为使得漂移层140中的电场低于吸收层150、160中的电场。在各种实施方式中，漂移层140中的电场相对于吸收层150、160的减小是通过吸收层150、160和漂移层140以及其间的任何缓冲层中的掺杂剂浓度的分布来实现的。在示例实施方式中，通过对漂移层140的邻近吸收层150、160的区域进行n型掺杂和/或在漂移层140和第二吸收层150之间提供n型掺杂缓冲层来减小漂移层140中的电场。此掺杂区域可以比漂移层140薄得多。在各种实施方式中，较薄的掺杂区域将需要较高的掺杂水平，而较厚的区域将需要较低的掺杂水平来实现漂移层140中电场的期望减小。应理解，实现漂移层140中电场的特定减小的主要因素是由于在漂移层140的掺杂区域和/或漂移层140与第二吸收层150之间的缓冲层中引入的n型掺杂剂而导致的总固定比电荷。
在各种实施方式中，多层本征区域105包括吸收区域155，所述吸收区域155包括第一吸收层160和第二吸收层150。在各种实施方式中，第一吸收层160被配置为吸收特定波长范围的光。在各种实施方式中，第一吸收层160在基本上平行于轴线195的方向上具有厚度Ta。在各种实施方式中，第一吸收层160包括第一吸收材料。在示例实施方式中，第一吸收材料是被配置为吸收特定波长范围的光的半导体材料。例如，特定波长范围可以包括800nm-900nm的范围和/或其一部分，并且第一吸收材料可以是GaAs。
在各种实施方式中，第二吸收层150被配置为吸收特定波长范围的光。在各种实施方式中，第二吸收层150在基本上平行于轴线195的方向上具有厚度Tin。在各种实施方式中，第二吸收层150包括第二吸收材料。在示例实施方式中，第二吸收材料是被配置为吸收特定波长范围的光的半导体材料。例如，特定波长范围可以包括800nm-900nm的范围和/或其一部分，并且第二吸收材料可以是InGaAs(例如，InyGa1-yAs，y＝(0…1))。在各种实施方式中，第二吸收材料具有比第一吸收材料更低的带隙能量。在各种实施方式中，第二吸收材料具有比第一吸收材料更高的吸收系数。例如，第一吸收层160可以特征在于第一吸收系数，并且第二吸收层150可以特征在于第二吸收系数，其中第二吸收系数大于第一吸收系数。在各种实施方式中，第二吸收层150的厚度Tin小于第一吸收层160的厚度Ta。在示例实施方式中，第二吸收层150的厚度Tin可以具有由第一吸收材料晶格常数的应变弛豫限定的上边界。例如，当第一吸收材料是GaAs并且第二吸收材料是InGaAs时，第二吸收层150的厚度Tin可以等于或小于临界厚度，所述临界厚度由对应于添加到GaAs以形成InGaAs的量的主GaAs晶格常数的应变弛豫的饱和度来管理和/或控制。在示例实施方式中，吸收区域(Ta+Tin)的厚度可在半微米到两微米的范围内(例如，0.8微米到1.8微米和/或约1.3微米)。
在各种实施方式中，第二吸收层150设置和/或形成在吸收区域的边界上，所述吸收区域的边界邻接和/或直接毗邻漂移层140(或在不包括漂移层140的实施方式中，n型触点125)。因此，由于第二吸收层150的较高吸收系数，并且第二吸收层150的此定位可在相对短的时间内增加提供给n型半导体接触层130的光致电子的比例，使得PIN型光电二极管100的光致电子的渡越时间减少，同时增加PIN型光电二极管的3-dB调制带宽。
示例PIN型光电二极管200
图2图示了根据示例实施方式的在包括PIN型光电二极管200的轴线295的平面中截取的PIN型光电二极管200的横截面。在各种实施方式中，PIN型光电二极管200在基本上垂直于轴线295截取的各种平面中可以是基本上均匀的。换句话说，PIN型光电二极管200的组成和/或特征沿着从轴线295延伸出的第一半径和沿着在与第一半径相同的平面中从轴线295延伸出的不同的第二半径可以大体上相同，所述平面基本上垂直于轴线295。
在各种实施方式中，PIN型光电二极管200包括多层本征区域205，所述多层本征区域205包括多个(例如，四个或更多个)吸收层，其中相邻吸收层的特征在于不同的吸收系数。在各种实施方式中，PIN型光电二极管200形成在和/或安装在衬底210上。在各种实施方式中，衬底210包括GaAs衬底或其他合适的衬底。
在各种实施方式中，PIN型光电二极管200包括p型触点275和n型触点225。例如，p型触点275可以包括p型半导体接触层270和阳极电极和/或焊盘280B。例如，n型触点225可以包括n型触点层220、n型半导体接触层230和阴极电极和/或焊盘280A。在各种实施方式中，通过在PIN型光电二极管上沉积和/或图案化导电材料来形成电极和/或焊盘280A、280B。例如，电极和/或焊盘280A、280B可以包括铜、金和/或其他金属。在各种实施方式中，n型触点层220由诸如铜、金或其他金属的导电材料制成。在各种实施方式中，n型半导体接触层230包括已经掺杂有n型掺杂剂的半导体材料。例如，n型半导体接触层230可以包括n型掺杂的AlGaAs。在各种实施方式中，p型半导体接触层270包括已经掺杂有p型掺杂剂的半导体材料。例如，p型半导体接触层270可以包括p型掺杂的AlGaAs。在各种实施方式中，PIN型光电二极管包括具有直径D的台面结构。阴极电极和/或焊盘280A或阳极电极和/或焊盘280B中的一者可以设置在台面结构的顶部上并且围绕(例如，限定)孔290，并且阴极电极和/或焊盘280A或阳极电极和/或焊盘280B中的另一者可以设置在台面结构的周围和/或围绕台面结构设置。在各种实施方式中，直径D在十微米到四十微米(例如，二十微米到三十微米)的范围内。
在各种实施方式中，PIN型光电二极管200包括多层本征区域205。在各种实施方式中，多层本征区域205包括PIN型光电二极管200的吸收区域255。在各种实施方式中，吸收区域255包括吸收材料，所述吸收材料被配置为吸收特定波长范围的光。如图2中所示，当由PIN型光电二极管200限定的轴线295与z轴线对准时，光(例如，特定波长范围的光)可以通过在负z方向上行进的孔290进入PIN型光电二极管200，并且被本征区域的吸收材料吸收。当特定波长的光子被吸收时，光致电子从吸收材料的晶体结构释放出来，从而提供光致电子和空穴。空穴大体上在正z方向上朝向p型触点275移动，并且光致电子大体上在负z方向上朝向n型触点225移动。到达p型触点275的空穴和/或到达n型触点225的光致电子导致电极和/或焊盘280A、280B处的电压差和/或电流。
在各种实施方式中，多层本征区域205包括漂移层140。在各种实施方式中，漂移层240被配置为不吸收特定波长范围的光。例如，漂移层240可以是非吸收漂移层。在各种实施方式中，漂移层240设置在多层本征区域205的吸收区域和n型触点225(例如，n型半导体接触层230)之间。特别地，PIN型光电二极管可以被配置为使得仅光致电子穿过漂移层240。例如，PIN型光电二极管可以被配置为使得空穴不穿过漂移层240。例如，漂移层240可以设置在多层本征区域205的边界处，所述多层本征区域205的边界邻接和/或直接毗邻n型触点225。
在各种实施方式中，漂移层240被配置为减小PIN型光电二极管的PIN结的电容，同时对光致电子的渡越时间具有最小的影响。通常，光致电子的渡越时间是在光致电子产生时和在光致电子到达n型触点225时之间的时间。PIN型光电二极管的光致电子渡越时间越短，PIN型光电二极管的调制速度就越快。在各种实施方式中，漂移层包括提供穿过其中行进的光致电子的高迁移率的材料。
在各种实施方式中，漂移层240包括具有带隙能量的半导体材料，使得漂移层240基本上用作载流子传输层。例如，漂移层240的带隙能量可以大于吸收材料(例如，第一吸收材料和/或第二吸收材料)的带隙能量。特别地，漂移层240的带隙能量可以足够大，以防止或至少基本上减少漂移层240对特定波长范围的光的吸收。在所示实施方式中，漂移层240包括本征或轻n型掺杂的AlGaAs(AlxGa1-xAs，x＝(0...1))化合物半导体合金。例如，漂移层240可以基本上不掺杂。在示例实施方式中，漂移层240具有在半微米到十微米的范围内的厚度(例如，在基本上平行于轴线295的方向上)Td。例如，在示例实施方式中，漂移层Td在亚微米的范围内。例如，在示例实施方式中，漂移层240具有在0.1至0.5微米(例如，0.3微米)范围内的厚度Td。要使用的特定厚度取决于其他层(特别是吸收层250、260)的相对厚度，并且可以根据PIN型光电二极管200的期望特性来定制。
在各种实施方式中，漂移层240被配置为使得漂移层240中的电场低于吸收层250、260中的电场。在各种实施方式中，漂移层240中的电场相对于吸收层250、260的减小是通过吸收层250、260和漂移层240以及其间的任何缓冲层中的掺杂剂浓度的分布来实现的。在示例实施方式中，通过对漂移层240的邻近吸收层250、260的区域进行n型掺杂和/或在漂移层240和第二吸收层250之间提供n型掺杂缓冲层来减小漂移层240中的电场。此掺杂区域可以比漂移层240薄得多。在各种实施方式中，较薄的掺杂区域将需要较高的掺杂水平，而较厚的区域将需要较低的掺杂水平来实现漂移层240中电场的期望减小。应理解，实现漂移层240中电场的特定减小的主要因素是由于在漂移层240的掺杂区域和/或漂移层240与第二吸收层250之间的缓冲层中引入的n型掺杂剂而导致的总固定比电荷。
在各种实施方式中，多层本征区域205包括两组或更多组吸收层。每组吸收层包括第一吸收层260A、260B和第二吸收层250A、250B。例如，一个第一吸收层260A和一个第二吸收层250A形成第一组吸收层，并且另一第一吸收层260B和另一第二吸收层250B形成第二组吸收层。在各种实施方式中，每个第一吸收层260A、260B被配置为吸收特定波长范围的光。在各种实施方式中，一个第一吸收层260A在基本上平行于轴线295的方向上具有厚度Ta1，并且另一第一吸收层260B在基本上平行于轴线295的方向上具有厚度Ta2。在各种实施方式中，根据应用的需要，Ta1和Ta2可以彼此相等，Ta2可以大于Ta1，或Ta1可以大于Ta2。在各种实施方式中，每个第一吸收层260A、260B包括第一吸收材料。在示例实施方式中，第一吸收材料是被配置为吸收特定波长范围的光的半导体材料。例如，特定波长范围可以包括800nm-900nm的范围和/或其一部分，并且第一吸收材料可以是GaAs。
在各种实施方式中，每个第二吸收层250A、250B被配置为吸收特定波长范围的光。在各种实施方式中，一个第二吸收层250A在基本上平行于轴线295的方向上具有厚度Tin1，并且另一第二吸收层250B在基本上平行于轴线195的方向上具有厚度Tin2。在各种实施方式中，根据应用的需要，Tin1和Tin2可以彼此相等，Tin2可以大于Tin1，或Tin1可以大于Tin2。在各种实施方式中，每个第二吸收层250A、250B包括第二吸收材料。在示例实施方式中，第二吸收材料是被配置为吸收特定波长范围的光的半导体材料。例如，特定波长范围可以包括800nm-900nm的范围和/或其一部分，并且第二吸收材料可以是InGaAs(例如，InyGa1-yAs，y＝(0…1))。在各种实施方式中，第二吸收材料具有比第一吸收材料更低的带隙能量。在各种实施方式中，第二吸收材料具有比第一吸收材料更高的吸收系数。例如，第一吸收层260A、260B可以特征在于第一吸收系数，并且第二吸收层250A、250B可以特征在于第二吸收系数，其中第二吸收系数大于第一吸收系数。在各种实施方式中，第二吸收层250A、250B的厚度Tin1、Tin2小于同一组吸收层的第一吸收层260A、260B的厚度Ta1、Ta2。在示例实施方式中，第二吸收层250A、250B中的每个的厚度Tin1、Tin2小于第一吸收层260A、260B中的每个的厚度Ta1、Ta2。在各种实施方式中，一个第二吸收层250A的特定位置(例如，由第一吸收层260A、260B的厚度Ta1、Ta2限定)可以被配置为平衡光致电子和空穴的局部浓度以及它们相应地到n型触点225和p型触点275的最短渡越时间。
在示例实施方式中，第二吸收层250A、250B中的每个的厚度Tin1、Tin2或第二吸收层250A、250B的总厚度(Tin1+Tin2)可以具有由第一吸收材料晶格常数的应变弛豫限定的上边界。例如，当第一吸收材料是GaAs并且第二吸收材料是InGaAs时，第二吸收层250A、250B的厚度Tin1、Tin2可以等于或小于临界厚度，所述临界厚度由对应于添加到GaAs以形成InGaAs的量的主GaAs晶格常数的应变弛豫的饱和度来管理和/或控制。在示例实施方式中，吸收区域(Ta1+Tin1+Ta2+Tin2)的厚度可在半微米到两微米的范围内(例如，0.8微米到1.8微米和/或约1.3微米)。
在各种实施方式中，第二吸收层中的一个(例如，第二吸收层250B)设置和/或形成在吸收区域的边界上，所述吸收区域的边界邻接和/或直接毗邻漂移层240(或在不包括漂移层240的实施方式中，n型触点225)。其他第二吸收层(例如，第二吸收层250A)可以夹在两个第一吸收层260A、260B之间。例如，吸收区域可以包括第一吸收层和第二吸收层的交替层。例如，每个第一吸收层可以邻接、相邻和/或直接邻近(a)p型触点275和一个第二吸收层或(b)两个第二吸收层。例如，每个第二吸收层可以邻接、相邻和/或直接邻近(a)两个第一吸收层或(b)漂移层240或n型触点225和一个第一吸收层。因此，第二吸收层250B可在相对短的时间内增加提供给n型半导体接触层230的光致电子的比例，使得PIN型光电二极管200的光致电子的渡越时间减少，同时增加PIN型光电二极管的3-dB调制带宽。
示例PIN型光电二极管300
图3图示了根据示例实施方式的在包括PIN型光电二极管300的轴线395的平面中截取的PIN型光电二极管300的横截面。在各种实施方式中，PIN型光电二极管300在基本上垂直于轴线395截取的各种平面中可以是基本上均匀的。换句话说，PIN型光电二极管300的组成和/或特征沿着从轴线395延伸出的第一半径和沿着在与第一半径相同的平面中从轴线395延伸出的不同的第二半径可以大体上相同，所述平面基本上垂直于轴线395。
在各种实施方式中，PIN型光电二极管300包括多层本征区域305，所述多层本征区域305包括加速层335。在各种实施方式中，PIN型光电二极管300形成在和/或安装在衬底310上。在各种实施方式中，衬底310包括GaAs衬底或其他合适的衬底。
在各种实施方式中，PIN型光电二极管300包括p型触点375和n型触点325。例如，p型触点375可以包括p型半导体接触层370和阳极电极和/或焊盘380B。例如，n型触点325可以包括n型触点层320、n型半导体接触层330和阴极电极和/或焊盘380A。在各种实施方式中，通过在PIN型光电二极管上沉积和/或图案化导电材料来形成电极和/或焊盘380A、380B。例如，电极和/或焊盘380A、380B可以包括铜、金和/或其他金属。在各种实施方式中，n型触点层320由诸如铜、金或其他金属的导电材料制成。在各种实施方式中，n型半导体接触层330包括已经掺杂有n型掺杂剂的半导体材料。例如，n型半导体接触层330可以包括n型掺杂的AlGaAs。在各种实施方式中，p型半导体接触层370包括已经掺杂有p型掺杂剂的半导体材料。例如，p型半导体接触层370可以包括p型掺杂的AlGaAs。在各种实施方式中，PIN型光电二极管包括具有直径D的台面结构。阴极电极和/或焊盘380A或阳极电极和/或焊盘380B中的一者可以设置在台面结构的顶部上并且围绕(例如，限定)孔390，并且阴极电极和/或焊盘380A或阳极电极和/或焊盘380B中的另一者可以设置在台面结构的周围和/或围绕台面结构设置。在各种实施方式中，直径D在十到四十微米(例如，二十到三十微米)的范围内。
在各种实施方式中，PIN型光电二极管300包括多层本征区域305。在各种实施方式中，多层本征区域305包括PIN型光电二极管300的吸收区域355。在各种实施方式中，吸收区域355包括至少一种吸收材料，所述至少一种吸收材料被配置为吸收特定波长范围的光。如图3中所示，当由PIN型光电二极管300限定的轴线395与z轴线对准时，光(例如，特定波长范围的光)可以通过在负z方向上行进的孔390进入PIN型光电二极管300，并且被本征区域的吸收材料吸收。当特定波长的光子被吸收时，光致电子从吸收材料的晶体结构释放出来，从而提供光致电子和空穴。空穴大体上在正z方向上朝向p型触点移动，并且光致电子大体上在负z方向上朝向n型触点移动。到达p型触点的空穴和/或到达n型触点的光致电子导致电极和/或焊盘380A、380B处的电压差和/或电流。
在各种实施方式中，多层本征区域305包括漂移层340。在各种实施方式中，漂移层340被配置为不吸收特定波长范围的光。例如，漂移层340可以是非吸收漂移层。在各种实施方式中，漂移层340设置在多层本征区域305的吸收区域和n型触点325(例如，n型半导体接触层330)之间。特别地，PIN型光电二极管可以被配置为使得仅光致电子穿过漂移层340。例如，PIN型光电二极管可以被配置为使得空穴不穿过漂移层340。例如，漂移层340可以设置在多层本征区域305的边界处，所述多层本征区域305的边界邻接和/或直接毗邻n型触点325。
在各种实施方式中，漂移层340被配置为减小PIN型光电二极管的PIN结的电容，同时对光致电子的渡越时间具有最小的影响。通常，光致电子的渡越时间是在光致电子产生时和在光致电子到达n型触点325时之间的时间。PIN型光电二极管的光致电子渡越时间越短，PIN型光电二极管的调制速度就越快。在各种实施方式中，漂移层包括提供穿过其中行进的光致电子的高迁移率的材料。
在各种实施方式中，漂移层340包括具有带隙能量的半导体材料，使得漂移层340基本上用作载流子传输层。例如，漂移层340的带隙能量可以大于吸收材料(例如，第一吸收材料和/或第二吸收材料)的带隙能量。特别地，漂移层340的带隙能量可以足够大，以防止或至少基本上减少漂移层340对特定波长范围的光的吸收。在所示实施方式中，漂移层340包括本征或轻n型掺杂的AlGaAs(AlxGa1-xAs，x＝(0...1))化合物半导体合金。例如，漂移层340可以基本上不掺杂。在示例实施方式中，漂移层340具有在亚微米的范围内的厚度(例如，在基本上平行于轴线395的方向上)Td。例如，在示例实施方式中，漂移层340具有在0.1至0.5微米(例如，0.3微米)范围内的厚度Td。要使用的特定厚度取决于其他层(特别是吸收层360)的相对厚度，并且可以根据PIN型光电二极管300的期望特性来定制。
在各种实施方式中，漂移层340被配置为使得漂移层340中的电场低于吸收层360中的电场。在各种实施方式中，漂移层340中的电场相对于吸收层360的减小是通过吸收层360和漂移层340以及其间的任何缓冲层中的掺杂剂浓度的分布来实现的。在示例实施方式中，通过对漂移层340的邻近吸收层360的区域进行n型掺杂和/或在漂移层340与吸收层360之间提供n型掺杂缓冲层来减小漂移层340中的电场。此掺杂区域可以比漂移层340薄得多。在各种实施方式中，较薄的掺杂区域将需要较高的掺杂水平，而较厚的区域将需要较低的掺杂水平来实现漂移层340中电场的期望减小。应理解，实现漂移层340中电场的特定减小的主要因素是由于在漂移层340的掺杂区域和/或漂移层340与吸收层360之间的缓冲层中引入的n型掺杂剂而导致的总固定比电荷。
在各种实施方式中，多层本征区域305包括吸收层360。在各种实施方式中，吸收层360被配置为吸收特定波长范围的光。在各种实施方式中，吸收层360在基本上平行于轴线395的方向上具有厚度Ta。在各种实施方式中，吸收层360包括第一吸收材料。在示例实施方式中，第一吸收材料是被配置为吸收特定波长范围的光的半导体材料。例如，特定波长范围可以包括800nm-900nm的范围和/或其一部分，并且第一吸收材料可以是GaAs。在各种实施方式中，吸收层360的特征在于第一吸收系数。
在各种实施方式中，多层本征区域305还包括加速层335。在各种实施方式中，加速层335被配置为不吸收特定波长范围内的光。例如，加速层335可以是非吸收加速层。在各种实施方式中，加速层被配置为使得由第一吸收材料或第二吸收材料对光的吸收释放的光致电子具有更大的漂移速度。在各种实施方式中，加速层设置在吸收层360与漂移层340(或在不包括漂移层340的实施方式中的n型触点325)之间。在示例实施方式中，加速层335包括n型掺杂的AlGaAs(例如，AlzGa1-zAs，z＝(0...1))。在示例实施方式中，加速层335包括n型掺杂的AlGaAs，所述n型掺杂的AlGaAs包括每立方厘米1×1015至1×1017范围内的n型掺杂剂浓度。在各种实施方式中，加速层335在基本上平行于轴线395的方向上具有厚度Tn。
在各种实施方式中，加速层335导致吸收层360内的电场增加，使得当电子从吸收材料的晶体结构释放时，光致电子的漂移速度更高。随着光致电子的漂移速度更高，光致电子到达n型触点325所花费的时间更短。因此，加速层335减少了PIN型光电二极管300的光致电子的渡越时间，同时增加了PIN型光电二极管的3-dB调制带宽。
示例PIN型光电二极管400
图4图示了根据示例实施方式的在包括PIN型光电二极管400的轴线495的平面中截取的PIN型光电二极管400的横截面。在各种实施方式中，PIN型光电二极管400在基本上垂直于轴线495截取的各种平面中可以是基本上均匀的。换句话说，PIN型光电二极管400的组成和/或特征沿着从轴线495延伸出的第一半径和沿着在与第一半径相同的平面中从轴线495延伸出的不同的第二半径可以大体上相同，所述平面基本上垂直于轴线495。
在各种实施方式中，PIN型光电二极管400包括多层本征区域405，所述多层本征区域405包括加速层435和多个吸收层450、460。在各种实施方式中，PIN型光电二极管400形成在和/或安装在衬底410上。在各种实施方式中，衬底410包括GaAs衬底或其他合适的衬底。
在各种实施方式中，PIN型光电二极管400包括p型触点475和n型触点425。例如，p型触点475可以包括p型半导体接触层470和阳极电极和/或焊盘480B。例如，n型触点425可以包括n型触点层420、n型半导体接触层430和阴极电极和/或焊盘480A。在各种实施方式中，通过在PIN型光电二极管上沉积和/或图案化导电材料来形成电极和/或焊盘480A、480B。例如，电极和/或焊盘480A、480B可以包括铜、金和/或其他金属。在各种实施方式中，n型触点层420由诸如铜、金或其他金属的导电材料制成。在各种实施方式中，n型半导体接触层430包括已经掺杂有n型掺杂剂的半导体材料。例如，n型半导体接触层430可以包括n型掺杂的AlGaAs。在各种实施方式中，p型半导体接触层470包括已经掺杂有p型掺杂剂的半导体材料。例如，p型半导体接触层470可以包括p型掺杂的AlGaAs。在各种实施方式中，PIN型光电二极管包括具有直径D的台面结构。阴极电极和/或焊盘480A或阳极电极和/或焊盘480B中的一者可以设置在台面结构的顶部上并且围绕(例如，限定)孔490，并且阴极电极和/或焊盘480A或阳极电极和/或焊盘480B中的另一者可以设置在台面结构的周围和/或围绕台面结构设置。在各种实施方式中，直径D在十到四十微米(例如，二十到三十微米)的范围内。
在各种实施方式中，PIN型光电二极管400包括多层本征区域405。在各种实施方式中，多层本征区域405包括PIN型光电二极管400的吸收区域455。在各种实施方式中，吸收区域455包括至少一种吸收材料，所述至少一种吸收材料被配置为吸收特定波长范围的光。如图4中所示，当由PIN型光电二极管400限定的轴线495与z轴线对准时，光(例如，特定波长范围的光)可以通过在负z方向上行进的孔490进入PIN型光电二极管400，并且被本征区域的吸收材料吸收。当特定波长的光子被吸收时，光致电子从吸收材料的晶体结构释放出来，从而提供光致电子和空穴。空穴大体上在正z方向上朝向p型触点移动，并且光致电子大体上在负z方向上朝向n型触点移动。到达p型触点的空穴和/或到达n型触点的光致电子导致电极和/或焊盘480A、480B处的电压差和/或电流。
在各种实施方式中，多层本征区域405包括漂移层440。在各种实施方式中，漂移层440被配置为不吸收特定波长范围的光。例如，漂移层440可以是非吸收漂移层。在各种实施方式中，漂移层440设置在多层本征区域405的吸收区域和n型触点425(例如，n型半导体接触层430)之间。特别地，PIN型光电二极管可以被配置为使得仅光致电子穿过漂移层440。例如，PIN型光电二极管可以被配置为使得空穴不穿过漂移层440。例如，漂移层440可以设置在多层本征区域405的边界处，所述多层本征区域405的边界邻接和/或直接毗邻n型触点425。
在各种实施方式中，漂移层440被配置为减小PIN型光电二极管的PIN结的电容，同时对光致电子的渡越时间具有最小的影响。通常，光致电子的渡越时间是在光致电子产生时和在光致电子到达n型触点425时之间的时间。PIN型光电二极管的光致电子渡越时间越短，PIN型光电二极管的调制速度就越快。在各种实施方式中，漂移层包括提供穿过其中行进的光致电子的高迁移率的材料。
在各种实施方式中，漂移层440包括具有带隙能量的半导体材料，使得漂移层440基本上用作载流子传输层。例如，漂移层440的带隙能量可以大于吸收材料(例如，第一吸收材料和/或第二吸收材料)的带隙能量。特别地，漂移层440的带隙能量可以足够大，以防止或至少基本上减少漂移层440对特定波长范围的光的吸收。在所示实施方式中，漂移层440包括本征或轻n型掺杂的AlGaAs(AlxGa1-xAs，x＝(0...1))化合物半导体合金。例如，漂移层440可以基本上不掺杂。在示例实施方式中，漂移层440具有在亚微米的范围内的厚度(例如，在基本上平行于轴线495的方向上)Td。例如，在示例实施方式中，漂移层440具有在0.1至0.5微米(例如，0.3微米)范围内的厚度Td。要使用的特定厚度取决于其他层(特别是第一吸收层450和第二吸收层460)的相对厚度，并且可以根据PIN型光电二极管400的期望特性来定制。
在各种实施方式中，漂移层440被配置为使得漂移层440中的电场低于吸收层460中的电场。在各种实施方式中，漂移层440中的电场相对于第二吸收层450的减小是通过第二吸收层450和漂移层440以及其间的任何缓冲层中的掺杂剂浓度的分布来实现的。在示例实施方式中，通过对漂移层440的邻近第二吸收层450的区域进行n型掺杂和/或在漂移层440与第二吸收层450之间提供n型掺杂缓冲层来减小漂移层440中的电场。此掺杂区域可以比漂移层440薄得多。在各种实施方式中，较薄的掺杂区域将需要较高的掺杂水平，而较厚的区域将需要较低的掺杂水平来实现漂移层440中电场的期望减小。应理解，实现漂移层440中电场的特定减小的主要因素是由于在漂移层440的掺杂区域和/或漂移层440与第二吸收层450之间的缓冲层中引入的n型掺杂剂而导致的总固定比电荷。
在各种实施方式中，多层本征区域405还包括加速层435。在各种实施方式中，加速层435被配置为不吸收特定波长范围内的光。例如，加速层435可以是非吸收加速层。在各种实施方式中，加速层被配置为使得由第一吸收材料或第二吸收材料对光的吸收释放的光致电子具有更大的漂移速度。在各种实施方式中，加速层设置在第二吸收层450和漂移层440(或在不包括漂移层440的实施方式中的n型触点425)之间。在示例实施方式中，加速层435包括n型掺杂的AlGaAs(例如，AlzGa1-zAs，z＝(0...1))。在示例实施方式中，加速层435包括n型掺杂的AlGaAs，所述n型掺杂的AlGaAs包括每立方厘米1×1015至1×1017范围内的n型掺杂剂浓度。在各种实施方式中，加速层435在基本上平行于轴线495的方向上具有厚度Tn。
在各种实施方式中，加速层435导致第一吸收层460和第二吸收层460内的电场增加，使得当电子从吸收材料的晶体结构释放时，光致电子的漂移速度更高。随着光致电子的漂移速度更高，光致电子到达n型触点425所花费的时间更短。因此，加速层435减少了PIN型光电二极管400的光致电子的渡越时间，同时增加了PIN型光电二极管的3-dB调制带宽。
在各种实施方式中，多层本征区域405包括吸收区域455，所述吸收区域455包括第一吸收层460和第二吸收层450。在各种实施方式中，吸收区域455可以包括多组第一吸收层和第二吸收层，诸如关于图4所描述的。在各种实施方式中，第一吸收层460被配置为吸收特定波长范围的光。在各种实施方式中，第一吸收层460在基本上平行于轴线495的方向上具有厚度Ta。在各种实施方式中，第一吸收层460包括第一吸收材料。在示例实施方式中，第一吸收材料是被配置为吸收特定波长范围的光的半导体材料。例如，特定波长范围可以包括800nm-900nm的范围和/或其一部分，并且第一吸收材料可以是GaAs。
在各种实施方式中，第二吸收层450被配置为吸收特定波长范围的光。在各种实施方式中，第二吸收层450在基本上平行于轴线495的方向上具有厚度Tin。在各种实施方式中，第二吸收层450包括第二吸收材料。在示例实施方式中，第二吸收材料是被配置为吸收特定波长范围的光的半导体材料。例如，特定波长范围可以包括800nm-900nm的范围和/或其一部分，并且第二吸收材料可以是InGaAs(例如，InyGa1-yAs，y＝(0…1))。在各种实施方式中，第二吸收材料具有比第一吸收材料更低的带隙能量。在各种实施方式中，第二吸收材料具有比第一吸收材料更高的吸收系数。例如，第一吸收层460可以特征在于第一吸收系数，并且第二吸收层450可以特征在于第二吸收系数，其中第二吸收系数大于第一吸收系数。在各种实施方式中，第二吸收层450的厚度Tin小于第一吸收层460的厚度Ta。在示例实施方式中，第二吸收层450的厚度Tin可以具有由第一吸收材料晶格常数的应变弛豫限定的上边界。例如，当第一吸收材料是GaAs并且第二吸收材料是InGaAs时，第二吸收层450的厚度Tin可以等于或小于临界厚度，所述临界厚度由对应于添加到GaAs以形成InGaAs的量的主GaAs晶格常数的应变弛豫的饱和度来管理和/或控制。在示例实施方式中，吸收区域(Ta+Tin)的厚度可在半微米到两微米的范围内(例如，0.8微米到1.8微米和/或约1.3微米)。
在各种实施方式中，第二吸收层450设置和/或形成在吸收区域的边界上，所述吸收区域的边界邻接和/或直接毗邻漂移层440(或在不包括漂移层440的实施方式中，n型触点425)。因此，由于第二吸收层450的较高吸收系数，并且第二吸收层450的此定位可在相对短的时间内增加提供给n型半导体接触层430的光致电子的比例，使得PIN型光电二极管400的光致电子的渡越时间减少，同时增加PIN型光电二极管的3-dB调制带宽。
在各种实施方式中，PIN型光电二极管的参数Ta、Tin、Tn和成分InyGa1-yAs，y＝(0…1)可以被配置为在适用于应用的PIN型光电二极管的给定灵敏度下，以减少和/或最小化的光致/空穴渡越时间提供减少和/或最小化的电容(相对于常规PIN型光电二极管的电容)。
技术优势
常规PIN型光电二极管往往无法提供足以满足日益增长的光通信需求的调制速度。调制速度的限制因素通常是光致电子的渡越时间。各种实施方式通过提供与常规PIN型光电二极管相比具有减少的渡越时间的PIN型光电二极管来提供对此技术问题的技术解决方案。例如，通过使用具有比(一个或多个)第一吸收层更高的吸收系数的一个或多个第二吸收层，其中一个或多个第二吸收层中的一个直接邻近加速层、漂移层或n型触点设置，与常规PIN型光电二极管相比，光致电子的渡越时间大大减少。在另一示例中，通过使用设置在吸收区域和漂移层或n型触点之间的加速层，与常规PIN型光电二极管中类似诱导的光致电子的漂移速度相比，光致电子的漂移速度可以增加。因此，各种实施方式提供具有减少的渡越时间的PIN型光电二极管。因此，各种实施方式提供具有增加的3-dB调制带宽的PIN型光电二极管，而不减小PIN型光电二极管相对于常规PIN型光电二极管的灵敏度。
受益于前述描述和相关联附图中给出的教导，本发明所属领域的技术人员将会想到本文阐述的本发明的许多修改和其他实施方式。因此，应理解，本发明不限于所公开的特定实施方式，并且修改和其他实施方式意图包括在所附权利要求的范围内。尽管本文采用了特定的术语，但是它们仅用于通常的和描述性的意义，而不是为了限制的目的。
Claims (19)
1.一种PIN型光电二极管，包括：
p型触点；
n型触点；
第一吸收层，所述第一吸收层设置在所述p型触点和所述n型触点之间，所述第一吸收层的特征在于第一吸收系数；以及
第二吸收层，所述第二吸收层设置在所述第一吸收层与所述n型触点之间，所述第二吸收层的特征在于第二吸收系数，其中所述第二吸收系数大于所述第一吸收系数。
2.根据权利要求1所述的PIN型光电二极管，其中所述第一吸收层包括GaAs，并且所述第二吸收层包括InGaAs。
3.根据权利要求1所述的PIN型光电二极管，还包括非吸收漂移层，所述非吸收漂移层设置在所述第二吸收层与所述n型触点之间。
4.根据权利要求1所述的PIN型光电二极管，其中所述n型触点包括n型触点层与n型半导体接触层，所述n型半导体接触层设置在所述第二吸收层与所述n型触点之间。
5.根据权利要求1所述的PIN型光电二极管，还包括：
第三吸收层，所述第三吸收层设置在所述第二吸收层与所述n型触点之间，所述第三吸收层的特征在于所述第一吸收系数；以及
第四吸收层，所述第四吸收层设置在所述第三吸收层与所述n型触点之间，所述第四吸收层的特征在于所述第二吸收系数。
6.根据权利要求1所述的PIN型光电二极管，还包括衬底，其中所述n型触点设置在所述衬底上。
7.根据权利要求1所述的PIN型光电二极管，还包括与所述p型触点电连通的第一电极和与所述n型触点电连通的第二电极。
8.根据权利要求1所述的PIN型光电二极管，还包括非吸收加速层，所述非吸收加速层设置在（a）所述第二吸收层和第一吸收层与（b）所述n型触点之间，其中n型掺杂浓度在每立方厘米1×1015至1×1017的范围内。
9.根据权利要求8所述的PIN型光电二极管，还包括非吸收漂移层，所述非吸收漂移层设置在所述非吸收加速层与所述n型触点之间。
10.根据权利要求1所述的PIN型光电二极管，其中所述第一吸收层和所述第二吸收层被配置为吸收包括800 nm-900 nm的范围的至少一部分的波长范围内的光。
11.一种PIN型光电二极管，包括：
p型触点；
n型触点；
第一吸收层，所述第一吸收层设置在所述p型触点和所述n型触点之间；以及
非吸收加速层，所述非吸收加速层设置在所述第一吸收层与所述n型触点之间。
12.根据权利要求11所述的PIN型光电二极管，其中所述第一吸收层包括GaAs，并且所述非吸收加速层包括n型掺杂的AlGaAs。
13.根据权利要求12所述的PIN型光电二极管，其中所述n型掺杂的AlGaAs包括每立方厘米1×1015至1×1017范围内的n型掺杂剂浓度。
14.根据权利要求11所述的PIN型光电二极管，还包括非吸收漂移层，所述非吸收漂移层设置在所述非吸收加速层与所述n型触点之间。
15.根据权利要求11所述的PIN型光电二极管，还包括第二吸收层，其中所述第一吸收层的特征在于第一吸收系数，并且所述第二吸收层的特征在于高于所述第一吸收系数的第二吸收系数。
16.根据权利要求15所述的PIN型光电二极管，其中所述非吸收加速层包括n型掺杂的AlGaAs，所述n型掺杂的AlGaAs设置在所述第二吸收层与所述n型触点之间。
17.根据权利要求11所述的PIN型光电二极管，还包括衬底，其中所述n型触点设置在所述衬底上。
18.根据权利要求11所述的PIN型光电二极管，还包括与所述p型触点电连通的第一电极和与所述n型触点电连通的第二电极。
19.根据权利要求11所述的PIN型光电二极管，其中所述第一吸收层被配置为吸收包括800 nm-900 nm的范围的至少一部分的波长范围内的光。
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