CN1185718C - 光电二极管 - Google Patents
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Abstract
一种PIN光电二极管，它包括：n-型InP衬底；由n-型InP层或者n-型AlInAs层组成的n涂层；由n-型GaInAsP层或者n-型AlGaInAs层组成的n光波导层；由非掺杂或者低掺杂的GaInAs层或GaInAsP层组成的光学吸收层；由p-型AlGaInAs层或者p-型AlGaInAs层组成的p光波导层；以及由p-型InP层或者p-型AlGaInAs层组成的p涂层，其中光线平行于各层入射。
Description
技术领域
本发明涉及PIN结构光电二极管，它对光接收信号具有高线性度的信号电流并且实现了宽带高速的特性。具体而言，本发明涉及一种PIN结构光电二极管，它防止了空穴在光学吸收层与p型半导体层(邻近光学吸收层)之间的界面(或边界)处不需要地堆积，从而消除了信号电流的调制变形。
背景技术
PIN结构光电二极管具有多层结构，其中在p型半导体层与n型半导体层之间夹持一层低载流子浓度的i型半导体层。特别是，例如通过在n型InP衬底11上依次外延生长n型InP层12、n-型GaInAsP层13、InGaAs层14、p-型GaInAsP层15、p-型InP层16以及p+-型GaInAs层19构造出如同8所示的波导型光电二极管。在上述p+型GaInAs层19上形成了光电二极管的p-电极17，而在n-型InP衬底11的下表面(背面)形成了n-电极。Ti/Pt/Au用作p-电极，而AuGeNi/Au用作n电极18。
前述InGaAs层14为低杂质浓度的半导体层，其具有足以接收光信号的光学吸收边缘波长，并且具有相应的带宽能量，起着光学吸收层的作用。n-型GaInAsP层13和靠近光学吸收层的p-型GaInAsP层15都是光学约束层，其中前述的GaInAsP作为一层半导体层，其折射率小于光学吸收层的折射率，并且不吸收入射光线从而使光线充分地导入光电二极管。n-型InP层12和p-型InP层16为涂层，它们的作用是使入射光线充分地局限在光学吸收层和光学约束层内从而加速光学吸收。因此，由于前述InP的折射率低于光学吸收层和光学约束层的折射率，所以它被用作涂层。
上述结构的光电二极管被应用于当在p-电极17与n-电极18之间施加反向偏压时的情况。反向偏压在光学吸收层内形成了耗尽层。当光线L入射到处于该状态下的光电二极管端面时，光线L被导向由光学吸收层和光学约束层组成的核心层并进入光学吸收层。随后，在光学吸收层的耗尽层内，通过接收光学能量发生了光电转换，并且产生了与光强对应的信号电荷。该信号电荷经过前述的p-电极17和n-电极18作为信号电流输出。
信号电荷中的空穴，特别是质量较大的那种，在到达p-电极17之前有时会产生不需要的堆积。当p-型GaInAsP层15(作为光波导层)和p-型InP层16(作为涂层)中能带的势能尖峰较大时，在其界面处会产生不需要的空穴堆积。当p-型GaInAsP层15(作为光波导层)和InGaAs层14(作为光学吸收层)中能带的势能尖峰较大时，在其界面处会产生不需要的空穴堆积。这种空穴不需要的堆积会引起上述信号电流的变形。
但是，对于质量较小的信号电荷中的电子，很少会使信号电流变形。
发明内容
本发明的目标是提供一种PIN结构光波导型光电二极管，它可以获取高线性度的电流，由于没有不需要的空穴堆积，所以响应光接收信号的信号电流不会变形(调制变形较小)。
特别是在本发明中，针对下列事实，即光学吸收层与光波导层之间界面处的势能尖峰很大程度上依赖于光学吸收层与光波导层之间的能带失配，提供了一种PIN结构光电二极管，其中光学吸收层与p-型半导体层(靠近光学吸收层)之间的价带能级差异不大于0.05eV。
常温下空穴的能量分布宽度是用波尔兹曼参数k和温度T表示的热能量(大约0.025eV)的两倍左右。因此，本发明提供了一种光电二极管，其中例如即使在未施加偏压的状态下空穴也通过热能量导电，从而限制了空穴不需要堆积引起的变形。
特别是，提供了一种PIN结构光电二极管，其中通过采用低杂质浓度的GaInAsP作为形成光学吸收层的半导体和将p-型AlInAsP作为p-型半导体层使得每层的价带能级相等，或者使价带能级之差减少到可以忽略的程度，从而避免了界面上空穴不需要的堆积。
比较好的是，光学吸收层由吸收边缘波长从1.65-1.55微米的GaInAsP层组成，而p-型半导体层由吸收边缘波长短于光学吸收层(即1.55-1.30微米)的p-型AlGaInAs层组成。这提供了能以高线性度探测波长为1.55微米光信号的PIN结构光电二极管。
不同的是，光学吸收层由吸收边缘波长为1.56-1.36微米的GaInAsP层组成，而p-型半导体层由吸收边缘波长为1.30-1.14微米的p-型AlGaInAs层组成。这提供了能以高线性度探测波长为1.3微米光信号的PIN结构光电二极管。
具体而言，本发明提供一种光电二极管，它包括：
由形成于n-型InP衬底上的n-型InP层或者n-型AlInAs层组成的n涂层；
由形成于n涂层上的n-型GaInAsP层或者n-型AlGaInAs层组成的n光学约束层，它不吸收波长为1.55微米(或者1.3微米)的光线并且其晶格与n涂层匹配；
由形成于n光波导层上的非掺杂或者n-型低掺杂的GaInAs层或GaInAsP层组成的光学吸收层，它吸收波长为1.55微米(或者1.3微米)的光线并且其晶格与n光波导层匹配；
由形成于光学吸收层上的p-型AlGaInAs层组成的p光波导层，它不吸收波长为1.55微米(或者1.3微米)的光线并且其晶格与光吸收层匹配；以及
由在p光波导层上形成的p-型GaInAsP层或者p-型AlGaInAs层组成的p涂层，它不吸收波长为1.55微米(或者1.3微米)的光线并且其晶格与光波导层匹配，
其中光线平行于各层入射。
而且本发明还提供一种波导光电二极管，它在p-型InP衬底上包含了与上述相反的半导体层。
本发明还提供一种面入射型光电二极管，它包含：
由形成于n-型InP衬底上的非掺杂或者n-型低掺杂的GaInAs层或GaInAsP层组成的光学吸收层；形成于光学吸收层上的吸收边缘波长为1.55-1.14微米的AlGaInAs；以及通过扩散或者离子注入p型杂质形成于AlGaInAs层内的p型区域。
附图简述
图1为表示按照本发明一个实施例的光电二极管构造的示意图；
图2为表示图1所示光电二极管制造过程第一步的示意图；
图3为表示图1所示光电二极管制造过程第二步的示意图；
图4为表示图1所示光电二极管制造过程第三步的示意图；
图5A为表示AlGaInAs的吸收边缘波长为1.3微米而GaInAsP的吸收边缘波长为1.65微米时能隙和价带能级的能带图；
图5B为图5A中GaInAsP的吸收边缘波长改变为使得AlGaInAs与GaInAsP的价带能级失配为零时的能带图；
图5C为图5B中GaInAsP的吸收边缘波长改变为使得AlGaInAs与GaInAsP的价带能级反转时的能带图；
图5D为图5C中GaInAsP的吸收边缘波长改变为使得AlGaInAs与GaInAsP的导带能级失配为零时的能带图；
图5E为图5D中GaInAsP的吸收边缘波长改变为使得GaInAsP的能隙大于AlGaInAs的能隙时的能带图；
图6为表示AlGaInAs和GaInAsP的能隙与吸收边缘波长之间的关系以及AlGaInAs与GaInAsP价带能级相等时的条件；
图7为表示按照本发明另一个实施例的光电二极管构造的示意图；
图8为表示普通光电二极管构造的剖面图。
具体实施方式
按照本发明一个实施例的PIN结构结构的光电二极管具有如图1所示的多层结构。
特别是，当在第一步中制作用于探测波长为1.55微米光线的光接收单元时，如图2所示，采用金属有机化学汽相沉积(MOCVD)法在载流子浓度为4×1018cm-3的n-型InP衬底1上外延生长一层由载流子浓度为1×1018cm-3的n-型InP层组成的n涂层2。而且在n-型涂层2上外延生长一层由载流子浓度为1×1018cm-3而吸收边缘波长为1.3微米的n-型GaInAsP层组成的n光波导层3。而且，在n-型光波导层3上外延生长一层由吸收边缘波长为1.6微米的i-型GaInAsP层组成的光学吸收层4作为非掺杂或者低掺杂浓度的半导体。
例如，形成厚度为0.5微米的上述n涂层，形成厚度为1微米的n光波导层3，以及形成厚度为0.1微米的光吸收层4。但是，比较好的是厚度约为0.4微米的区域(n光波导层3与光学吸收层4接触的区域)为非掺杂的。
接着，作为第二个步骤，采用分子束外延(MBE)方法在图2所示半导体层上外延生长一层由载流子浓度为1×1018cm-3而吸收边缘波长为1.4微米的p-型AlGaInAs组成的p波导层5。在p光波导层5上外延生长一层由载流子浓度为1×1018cm-3的AlInAs组成的p涂层6，并且在p涂层6上外延生长一层载流子浓度为2×1019cm-3的p型GaInAs层组成的接触层7。
例如，形成厚度为2微米的上述p光波导层5，形成厚度为2微米的p涂层6，以及形成厚度为0.4微米的接触层7。但是，比较好的是厚度约为0.4微米的区域(p光波导层5与光学吸收层4接触的区域)为非掺杂的。
在第二步中采用MBE方法的原因是与MOCVD方法相比，可以在同质结处形成狭窄的界面，而且半导体层与上述光学吸收层的晶格匹配并具有极佳的性质，特别是上述p光波导层5，同时借助层厚可以在单层水平上控制的事实生长p涂层6。
接着，作为第三步，如图4所示，通过光刻方法依次去除上述的接触层7、p涂层6、p光波导层5、光吸收层4以及n光波导层3的上半部分，留出长度例如为200微米的条状单元区域。
接着在条状区域的两侧形成绝缘层。例如采用聚酰亚氨层或者氮化硅层与聚酰亚氨层的组合作为该绝缘层。而且在条状区域的接触层7上形成光刻掩膜(未画出)，并且利用光刻掩膜在条状区域的顶部形成开孔。在形成这样的绝缘层之后，去除光刻掩膜。随后在条状区域的接触层7和接触层7两侧的绝缘层上形成由Ti/Pt/Au层组成的p电极9。上述n-型InP衬底的背面接地从而使得厚度约为100微米，在InP衬底的背面形成由AuGeNi/Au层组成的n电极10。
随后去除条状区域的中央，并形成元件的隔离，由此完成了如图1所示的元件构造的光电二极管。
对于由如上所述制造方法制造的光电二极管，组成光学吸收层的半导体层的吸收边缘波长与半导体层的能带能量紧密相关。半导体层吸收边缘波长可以通过将半导体层能量除以普郎克常数h确定。因此，生长作为光学吸收层4或者n光波导层3和p光波导层3的半导体层类型确定为晶格匹配而能带能量等于普郎克常数乘以吸收边缘波长的半导体层。在该实施例中，如上所述，将GaInAsP确定为构成光学吸收层4的半导体层，而将AlGaInAs确定为构成光波导层3和5的半导体层。
通过对构成光学吸收层4的GaInAsP层与构成光波导层3和5的AlGaInAs之间界面能带图，即每一半导体层能带和价带能级的研究，得到了下面的结果。利用计算机模拟和光荧光下量子阱光发射结果进行了研究。
研究的结果如下所述。当AlGaInAs层的能隙固定为0.95eV而与InP衬底晶格匹配的GaInAsP层的能隙从0.75eV变化至1.3eV时，AlGaInAs层和GaInAsP层能带图的变化如图5A-5E所示。但是，图5A-5E示出了AlGaInAs层和GaInAsP层内导带和价带的能级，而省略了势能峰谷和尖峰。
如图5A所示，当GaInAsP层的能隙Eg2低于AlGaInAs层的能隙Eg1时，AlGaInAs层和GaInAsP层价带能量Ev1和Ev2之间的关系为|Ev1|＞|Ev2|。当GaInAsP层的能隙增加时，在如图5B所示的条件下价带的能带失配逐渐减小并减少为零。
当GaInAsP层的能隙从该状态进一步增加至Eg1＝Eg2的状态时，如图5C所示，每层的价带能隙变为|EV1|＜|Ev2|。当GaInAsP层的能隙进一步增加时，如图5D所示，每层导带的能级变得相等。当GaInAsP层的能隙进一步增加至Eg1＞Eg2时，如图5E所示，GaInAsP层的导带能级高于AlGaInAs层的导带能级，并且每层价带能级之间的关系为|Ev1|＜|Ev2|。
图6示出了能隙与AlGaInAs层和GaInAsP层的吸收边缘波长之间在AlGaInAs层的价带能级Ev1等于GaInAsP层的价带能级Ev2和Ev＝0时的关系。
对于如上制造的光电二极管，根据图6所示的关系确定了构成光学吸收层4的GaInAsP层和构成p光波导层5的吸收绝缘波长或价带能级。有效质量大的空穴较易到通带失配引的势能尖峰的阻挡，从而在界面处防止了不需要的以地堆积。
对于如上制造的光电二极管，光学吸收层4为吸收边缘为1.6微米的i-型GaInAsP层，而靠近光学吸收层4的p光波导层5由吸收边缘波长为1.45微米并与InP衬底晶格匹配的p-型AlGaInAs层组成。由图6所示的关系可见，由吸收边缘波长为1.6微米的i-GaInAsP层组成的光学吸收层的价带能级和由吸收边缘波长为1.45微米的p-型AlGaInAs层组成的p光波导层5的价带能级设定得几乎相等。
因此，在引入光线的光学吸收层4内，接收光能而发生光电转换生成的电荷的质量较大的空穴从p光波导层5移动至p-型涂层5而不会受界面的影响。即，空穴移动的方式是它在光学吸收层4与p光波导层5之间界面处的运动不受阻挡，即不会产生不需要的堆积。因此，经电极9和10输出的信号电流不会变形，从而可以产生对光接收信号具有较好线性度的无变形信号电流。
特别是，在光波导型光电二极管上，测量到1.55微米波长的调制变形，并且评价了它的特性。通过在光纤端面10微米处施加-5V的偏压进行测量。测量的条件是调制频率为250MHz和244MHz而调制调制深度为70％。此时确认的是对于平均输入功率为0dbm时第二和第三内调制变形为-90dBct-110dBc。该测量结果为普通的光电二管相比，改善了20d。
另一方面，作为本发明另一个实施例，为了实现用于探测波长为1.3微米的光电二极管，生长了吸收缘波长为1.46微米的i-型GaInAsP层作为前述的光学吸收层4。而且，生长了吸收边缘波长为1.15微米的p-型AlInAs层作为靠近该光学吸收层4和p光波导层。但是，其它的半导体层与上述实施例的相同。
对于包含如图6所示光学吸收层4和p光波导层的波导型光电二极管，由吸收边缘波长为1.46微米的i-型GaInAsP层组成的光学吸收层4的价带能级几乎接近由吸收边缘波长为1.15微米的p-型AlInAs层组成的光学吸收层5的价带能级。
因此，即使在波长为1.3微米的光波导型光电二极管上，在光学吸收层与p光波导层之间的界面处也不会产生不需要的空穴堆积。由此获得了响应光接收信号的高线性度无变形信号电流。特别是，按照前面实施例的方式研究了光波导型光电二极管上波长为1.3微米的光调制变形。当测量条件相同时，可以确认第二和第三子调制较好，分别为-80dBc和-105dBc。
而且，作为另一个实施例，为了实现用于探测波长为1.5微米的光电二极管，生长了吸收边缘波长为1.65微米的i-型GaInAs层作为前述的光学吸收层4。而且，生长了吸收边缘波长为1.4微米的p-型AlGaInAs层作为靠近该光学吸收层4的p光波导层。但是，其它的半导体层与上述实施例的相同。
在这种情况下，如图6所示，由吸收边缘波长为1.65微米的i-型GaInAsP层组成的光学吸收层的价带能级从由吸收边缘波长为1.45微米的p-型AlGaInAs层组成的光学吸收层5的价带能级略微移动。但是能级差异较小，所以明显地阻止了有光学吸收层4与p光吸收层5之间界面处的不需要堆积。因此，响应光接收信号的信号电流很少会产生变形。
本发明不仅可以用于上述实施例的光波导型光电二极管，而且可以用于面入射型光电二极管。即，由于光波导型光电二极管将光线平行于外延生长并吸收光线的半导体层引入，所以它的优点是不易发生光吸收的局部集中并且变形较小。而且，光电转换产生的载流子的运动距离较短，从而使得变形较小。
但是，如果光线吸收层的厚度减少到使得光接收灵敏度没有变坏从而缩短了载流子的运动距离，并且入射范围最大，则可以实现高灵敏度面入射型光电二极管。在这种情况下，假定价带能极差异很小，则作为靠近光吸收层的p半导体层，消除了空穴不需要堆积的原因。
按照这样制造的表面入射光电二极管，n-型InP层25作用是作为n-型AlGaInAs低变形插入层24的防氧化层。由于n-型InP层25的厚度为3nm，所以不会影响光接收的灵敏度、电流/电压特性变坏和增加调制变形。
当光线入射到光电二极管的顶面时，对于波长为1.0-1.6微米的光线获得了0.9A/W以上的灵敏度。特别是当n-型GaInAs光学吸收层23内产生的电荷导电时，阻止了n-AlGaInAs内表面复合电流的产生，从而在波长较短的情况下也获得了较高的光接收灵敏度。
通过透镜使光线聚焦并入射在表面入射型光电二极管上以进行特性测试。此时，焦点故意移动从而使光线均匀地照射到直径为50微米的环形区域。施加了-10V的偏压，并在与前面实施例相同的条件下测试了调制变形。因此，可以确认的是第二和第三子变形具有较好的数值，对于平均输入功率为0dBm的情况，分别为-75dBc和-100dBc。
本发明并不局限于上述实施例。虽然在上述实施例中利用MOCVD方法或者MBE方法形成半导体层，但是也可以利用气态源MBE或CBE方法生长半导体层。特别是所有的半导体都可以采用MOCVD方法生长。在这种情况下，比较好的是采用InP层作为涂层。而且，可以将未掺杂或低浓度掺杂的GaInAs用作光学吸收层，并且将AlGaInAs用作靠近光学吸收层的p半导体层。
Claims (8)
1.一种PIN结构光电二极管，其特征在于包含由非掺杂或低掺杂GaInAsP层构成的光学吸收层和由与光学吸收层直接相接的p-型AlGaInAs层构成的p-型低变形层。
2.如权利要求1所述的光电二极管，其特征在于由GaInAsP层构成的光学吸收层与由邻近光学吸收层的p-型AlGaInAs层构成的p-型低变形层之间的价带失配差设定得不大于0.05eV。
3.如权利要求2所述的光电二极管，其特征在于光学吸收层由吸收边缘波长从1.65-1.55微米的GaInAsP层构成，而p-型低变形层由吸收边缘波长为1.55-1.30微米的p-型AlGaInAs层构成。
4.如权利要求2所述的光电二极管，其特征在于光学吸收层由吸收边缘波长为1.56-1.36微米的GaInAsP层构成，而p-型低变形层由吸收边缘波长为1.30-1.14微米的p-型AlGaInAs层构成。
5.如权利要求1-4中任一项所述的光电二极管，其特征在于所述光电二极管为光波导结构。
6.一种PIN结构光电二极管，其特征在于包括：
n-型InP衬底；
由形成于n-型InP衬底上的n-型InP层或者n-型AlInAs层构成的n涂层，其晶格与n型InP衬底匹配；
由形成于n涂层上的n-型GaInAsP层或者n-型AlGaInAs层构成的n光波导层，n-型GaInAsP层或者n-型AlGaInAs层不吸收波长为1.55微米的光线并且其晶格与n型InP衬底匹配；
由形成于n光波导层上的非掺杂或者低掺杂的GaInAs层或GaInAsP层构成的光学吸收层，GaInAs层或GaInAsP层吸收波长为1.55微米的光线并且其晶格与n光波导层匹配；
由形成于光学吸收层上的p-型GaInAsP层或者p-型AlGaInAs层构成的p光波导层，p-型GaInAsP层或者p-型AlGaInAs层不吸收波长为1.55微米的光线并且其晶格与光学吸收层匹配；以及
由在p光波导层上形成的p-型InP层或者p-型AlInAs层构成的p涂层，p-型InP层或者p-型AlInAs层不吸收波长为1.55微米的光线并且其晶格与p光波导层匹配，
其中光线平行于各层入射。
7.一种波导光电二极管，其特征在于包含：
n-型InP衬底；
由形成于n-型InP衬底上的n-型InP层或者n-型AlInAs层构成的n涂层，其晶格与n型InP衬底匹配；
由形成于n涂层上的n-型GaInAsP层或者n-型AlGaInAs层构成的n光波导层，n-型GaInAsP层或者n-型AlGaInAs层不吸收波长为1.3微米的光线并且其晶格与n型InP衬底匹配；
由形成于n光波导层上的非掺杂或者低掺杂的GaInAs层或GaInAsP层构成的光学吸收层，GaInAs层或GaInAsP层吸收波长为1.3微米的光线并且其晶格与n光波导层匹配；
由形成于光学吸收层上的p-型GaInAsP层或者p-型AlGaInAs层构成的p光波导层，p-型GaInAsP层或者p-型AlGaInAs层不吸收波长为1.3微米的光线并且其晶格与光学吸收层匹配；以及
由在p光波导层上形成的p-型InP层或者p-型AlInAs层构成的p涂层，p-型InP层或者p-型AlInAs层不吸收波长为1.3微米的光线并且其晶格与p光波导层匹配，
其中光线平行于各层入射。
8.如权利要求1-4之一所述的光电二极管，其特征在于所述光电二极管为面入射型，并包含：
n-型InP衬底；
由形成于n-型InP衬底上的非掺杂或者n-型低掺杂的GaInAs层或GaInAsP层构成的光学吸收层；
形成于光学吸收层上的AlGaInAs层；以及
通过扩散或者离子注入p型杂质在AlGaInAs层内形成的p型区域。
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