CN1599962A - 光电二极管 - Google Patents

Abstract

一种光电二极管，其光吸收层由层厚为W_D的耗尽的第一半导体光吸收层和层厚为W_A的p型中性的第二半导体光吸收层构成，并且W_A和W_D之比被设定为使光吸收层内的总的载流子渡越时间τ_tot为最小。此外，在第一半导体光吸收层和n型半导体电极层之间设置具有比第一半导体光吸收层更大的带隙的耗尽的半导体透光层。

Description

光电二极管

技术领域

本发明涉及一种光电二极管，更具体地说，本发明涉及一种可显著改善“响应速度和内部量子效率的平衡”问题的宽频带和内部量子效率高的超高速光电二极管。

背景技术

用于光检测器的传统光电二极管的结构分为pin光电二极管(pin-PD)和单载流子渡越光电二极管(UTC-PD)两大类。

在这些光电二极管中，pin-PD具有将在施加反向偏压状态下耗尽的本征型(i型)的光吸收层夹在带隙大的p型电极层和n型电极层之间的结构，对应于所需的频率响应决定有源区厚度和量子效率。

另一方面，UTC-PD具有将已掺杂超过预定浓度以在施加反向偏压状态下不被耗尽的p型中性的(neutral)光吸收层、和在施加反向偏压状态下耗尽的带隙大的i层夹在p型电极层和n型电极层之间的结构，在特开平9-275224号公报中详细地说明了其工作原理。

此外，为了解决在需要提高传统光电二极管的光电转换效率和加厚传统光电二极管光吸收层时产生的不能响应高速光信号的问题，在特开平10-233524号公报中揭示了一种混合型半导体光接收元件，其中光吸收层具有由p型的上部光吸收层和高电阻的n型下部光吸收层构成的两层结构，并实质上以一个结构实现了pin-PD结构和UTC-PD结构。

在这种结构的半导体光接收元件中，当在两个光吸收层之间施加预定的反向偏压时，在高电阻的n型下部光吸收层中使该层的整个区域耗尽，使得光激发的载流子中空穴的移动速度变大，即使在p型的上部光吸收层中例如层的整个区域处于未耗尽状态，由于有助于光电转换的少数载流子中的电子具有较大的扩散速度，因此就能够实现响应速度没有大的变化的半导体光接收元件。

但是，特开平10-233524号公报所述的发明中，主要着眼于光电二极管的高效率，而没有提供对应于所需的频率响应带宽如何设计二极管的结构的教导。此外，在早期的技术领域中，没有进行具有二层结构的光吸收层的二极管结构是否有利于光电二极管的高速化的讨论。

当光入射到光电二极管时，入射光就在光吸收层内形成电子-空穴对，在层内分离这些电子和空穴，从而在外部电路中流动电流。一般地，光吸收层一旦变厚，由于在层内的载流子渡越时间延长，降低了光电二极管的响应速度，另一方面，由于在光吸收层增厚情况下有源区域中能充分地吸收光，因此提高了内部量子效率。即，作为决定光电二极管的特性因素的响应速度和内部量子效率，取决于利用光吸收厚度来平衡的关系，因此保持它们的平衡很重要。

下面简单说明有关由载流子的渡越速度所决定的固有响应速度，pin-PD的响应速度基本上由漂移速度慢的空穴的渡越时间决定，忽略电子的渡越速度，在光照射均匀的条件下，可给出近似的空穴渡越时间τ_D：

τ_D(pin)＝W_D/3v_h                               (1)

此外，作为响应速度指标的频率响应(3dB带宽：f_3dB)近似为

f_3dB(pin)＝1/(2πτ_D)                          (2)

在此，V_h是空穴的漂移速度、W_D是耗尽层的厚度。

另一方面，在UTC-PD中，在施加反向偏压的状态下，由于耗尽型的具有宽带隙的i层中的电子渡越速度比p型中性的光吸收层中的空穴渡越速度要大得非常多，实际的载流子渡越时间τ_A基本上受到电子渡越速度慢的光吸收层的支配，在光照射均匀的条件下，给出：

τ_A(UTC-PD)＝W_A ²/3D_e+W_A/v_th                    (3)

频率响应(3dB带宽：f_3dB)也由电子的扩散电流决定，近似为：

f_3dB(UTC-PD)＝1/(2πτ_A)                       (4)

这里，D_e是电子的扩散系数、v_th是电子的热放出速度，W_A是p型中性的光吸收层的厚度。

根据公式(1)～(4)求出3dB带宽与光吸收层厚度的依赖关系，在pin-PD的情况下，

f_3dB(pin)∝1/W_D                                (5)

另一方面，在UTC-PD的情况下，当W_A/v_th项的值相对较小时，

f_3dB(UTC-PD)∝1/W_A ²                            (6)

在pin-PD和UTC-PD中，3dB带宽的吸收层厚度依赖关系存在很大差异，在光吸收层厚的区域中，pin-PD的带宽变大，随着光吸收层变薄，传统UTC-PD的带宽显示出变大的趋势。

为了提高响应速度而设计高速工作的光电二极管，虽然采用UTC-PD结构是有利的，但即使在此情况下，也不能使上述的光吸收层变薄，光吸收层的变薄就导致了内部量子效率的降低。这样，在UTC-PD中，与能够高速操作相反，留下了在用于高速操作的元件内部量子效率降低的所谓“响应速度和内部量子效率的权衡”的问题。

发明内容

鉴于存在的这些问题，本发明的目的在于改善光电二极管的上述“响应速度和内部量子效率的权衡”的问题，且提供一种在宽带区域内具有高的内部量子效率的光电二极管。

本发明的目的是提供一种光电二极管，包括依次层叠的n型半导体电极层、由第一半导体光吸收层和p型的第二半导体光吸收层构成的光吸收层、p型半导体电极层，以及在上述n型半导体电极层上设置的n型电极和在上述p型半导体电极层上设置的p型电极；当在上述n型电极和p型电极之间施加预定的反向偏压时，上述第一半导体光吸收层被耗尽，并且上述第二半导体光吸收层的除了与上述第一半导体光吸收层的交界面附近区域之外的区域变为中性；在上述第一半导体光吸收层的层厚(W_D)和上述第二半导体光吸收层的层厚(W_A)之和(W＝W_D+W_A)所确定的预定厚度的上述光吸收层内，当上述第一半导体光吸收层的层厚为W_D-ΔW、上述第二半导体光吸收层的层厚为W_A+ΔW时，将W_D和W_A之比设定为使上述第一半导体光吸收层内的空穴渡越时间的减少值(-Δτ_D)和上述第二半导体光吸收层内的电子渡越时间增加值(Δτ_A)的关系成为|Δτ_A|＝|-Δτ_D |。

此外，在这种光电二极管中，上述第一半导体光吸收层和上述第二半导体光吸收层也可分别由用In_xGa_1-xAs_yP_1-y(0≤x和y≤1)所表示的相互一致或不同成分的化合物半导体构成，在用D_e表示电子扩散系数、用v_th表示电子的热放出速度、用v_h表示空穴的漂移速度时，上述W_D和W_A的比率可设置为使得由下式τ_tot＝W_A ³/(3WD_e)+W_A ²/(Wv_th)+W_D ²/(3Wv_h)所确定的τ_tot设定为最小。

而且，在这些光电二极管中，在上述第一半导体光吸收层和上述n型半导体电极层之间，配备有比上述第一半导体光吸收层具有更大带隙的半导体透光层，该半导体透光层也可在上述n型电极和上述p型电极之间施加预定的反向偏压时耗尽。

附图简要说明

图1是用于说明本发明的光电二极管结构的实例的附图；

图2是用于说明构成在图1所示的本发明的光电二极管的半导体光吸收层内的载流子渡越时间的附图；

图3是用于说明构成本发明的光电二极管的半导体光吸收层内的载流子移动的曲线图；

图4是用于说明通过对设置有层厚为W_D的耗尽型InGaAs光吸收层和层厚为W_A的p型中性的InGaAs光吸收层的本发明的光电二极管的光吸收层内的总的载流子渡越时间τ_tot和3dB带宽f_3dB进行计算而求出的结果图；

图5是用于说明本发明的光电二极管的其它结构的实例的附图；

图6是用于说明构成图5所示的本发明的光电二极管的半导体光吸收层内的载流子移动的曲线图。

本发明的优选实施方式

下面参照附图说明本发明的实施方式，而关于本发明的光电二极管的设计构想将同样在以下说明。一般地，在二个分离区域I和区域II发生光吸收的情况下，I区域的光频率响应还包含有II区域的结构参数，II区域的光吸收区域的光频率响应也包含I区域的结构参数。即，I区域的响应延迟时间为I区域的载流子渡越时间和II区域的载流子渡越时间的函数，而II区域的响应延迟时间也具有同样的关系。因此，与I区域和II区域连接的结构的整体响应不是I区域和II区域分别独立存在时的结构的响应的并列叠加。例如，在pin-PD中，如果将光吸收层的厚度设为2倍，那么延迟时间就变为2倍，带宽就变为1/2。

然而，如果在此能够减弱“I区域和II区域的依赖关系”，则整体响应就有可能成为I区域和II区域分别独立存在时的结构的响应的并列叠加。

实施例1

图1是用于说明本发明的光电二极管结构的实例的附图，本发明的光电二极管构成为：依次层叠单层或带隙不同的多层的n型半导体电极层11、在施加反向偏压状态下耗尽的膜厚为W_D的第一半导体光吸收层12、在施加反向偏压状态下p型中性的膜厚为W_A的第二半导体光吸收层13、单层的或具有不同带隙的多层的p型半导体电极层14、在n型半导体电极层11上设置的n型电极15和在p型半导体电极层14上设置的p型电极16。将第一半导体光吸收层12和第二半导体光吸收层13的厚度比设定为在厚度之和W(＝W_D+W_A)固定的条件下，在预定的操作条件下的响应速度成为最大。

如果W固定，即使W_A和W_D之比变化，由第一半导体光吸收层和第二半导体光吸收层构成的半导体光吸收层的整体光吸收系数几乎没有变化，由于光电二极管的内部量子效率没有发生变化，因此认为光电二极管的特性由响应速度决定。

图2是用于说明图1示出的半导体光吸收层中的载流子渡越时间的模式图，典型地示出了在层厚为W_D的耗尽的第一半导体光吸收层12与层厚为W_A的p型中性的第二半导体光吸收层13的层厚之和W(＝W_D+W_A)固定的条件下，在改变这些层厚比时的各半导体光吸收层中的载流子渡越时间(τ_D、τ_A)、载流子渡越时间之和、以及有效的半导体光吸收层的总的载流子渡越时间τ_tot。

如图2中所示，作为光电二极管的响应速度的决定因素的光吸收层的总的载流子渡越时间τ_tot不是W_A部分的电子渡越时间τ_A和W_D部分的空穴渡越时间τ_D的简单加和。这是由于在耗尽的半导体光吸收层12内生成的载流子引起的电流和在p型中性的半导体光吸收层13内生成的载流子引起的电流同时在光吸收层内流过。

图3是用于说明在p型中性半导体和耗尽的半导体光吸收层的每层内产生的载流子的迁移状态的能带图，该半导体结构依次层叠有单层的或具有不同带隙的多层的n型半导体电极层31、在反向偏压施加状态下耗尽的膜厚为W_D的第一半导体光吸收层32、p型中性的膜厚为W_A的第二半导体光吸收层33、以及单层的或具有不同带隙的多层的p型半导体电极层34。当用光照射具有这种半导体结构的半导体光吸收层时，在第一半导体光吸收层32和第二半导体光吸收层33的各层内就产生电子-空穴对。这样，电子就向n型半导体电极31一侧移动，空穴就向p型半导体电极34一侧移动，即实现了构成并联电路的电流流动状态。

此时，由于τ_A与W_A的关系和τ_D与W_D的关系分别为τ_A∝W_A ²和τ_D∝W_D，且与光吸收层厚度的依赖关系不同，因此在光吸收层厚度W固定的条件下，在与τ_A的增加量(Δτ_A)相比，τ_D的减少量(-Δτ_D)更大的条件|Δτ_A|＜|-Δτ_D|的情况下，由于将层厚为W的整个光吸收层的一部分作为层厚为W_A的p型中性的光吸收层，因此就减少了光吸收层的总的载流子渡越时间τ_tot。结果，二极管的全体有效载流子渡越时间τ_tot就在|Δτ_A|＝|-Δτ_D|时变为最小值。此现象可理解为是通过利用单纯的电荷控制方式、在使每单位体积的载流子产生速度G(cm^-3·s^-1)一定的均匀光照射情况下对光吸收层内的载流子的产生行为进行的处理。

因为光照射，所以就在光吸收层内就形成电子-空穴对，并产生光电流J(＝qGW)。一般地，光电流量一旦增加，p型中性的半导体光吸收层内的电子电荷-Q_A和耗尽的半导体光吸收层内及其附近区域的空穴电荷Q_D也会增加。

通过扩散方式处理p型中性的半导体光吸收层内的电子电荷-Q_A，得到：

-Q_A＝-qG[W_A ³/(3D_e)+W_A ²/v_th]           (7)

此外，考虑利用Q_A的微分量ΔQ_A、W_A层内的光电流J_A(＝qGW_A)的微分量ΔJ_A，将τ_A表示为：

τ_A＝ΔQ_A/ΔJ_A                                   (8)

则τ_A可表示为：

τ_A＝[W_A ²/(3D_e)+W_A/v_th]                   (9)

另一方面，由于Q_D在耗尽的光吸收层内部只增加qGW_D ²/2的量，并且在p型中性的光吸收层和耗尽的光吸收层的交界处仅减少qGW_D ²/3的量，所以可得到：

Q_D＝qGW_D ²/6v_h                                      (10)

此外，考虑利用Q_D的微分量ΔQ_D以及W_D层内的光电流J_D(＝qGW_D)的微分量ΔJ_D，τ_D可表示为：

τ_D＝2ΔQ_D/ΔJ_D                                    (11)

这样τ_D可表示：

τ_D＝W_D/3v_h                                        (12)

再有，在公式(11)的右边有系数2，空穴电流为总电流的1/2。

对图1和图3所示结构的光电二极管的光频率响应进行一般性地说明。设在第一半导体光吸收层(耗尽层)输入光信号时的光频率响应为R₁(ω)、在第二半导体光吸收层(p型中性层)输入光信号时的光频率响应为R₂(ω)，由于在第二半导体光吸收层中产生的电子从第一半导体光吸收层的一端注入并通过第一半导体光吸收层，因此认为第二半导体光吸收层单独的响应就是R₂₂(ω)，伴随电子通过第一半导体光吸收层的响应就是R₂₁(ω)，R₂(ω)就由它们的积R₂₂(ω)·R₂₁(ω)给出。在此，由于作为对象的光电二极管使用InGaAsP基半导体材料构成，所以，第一半导体光吸收层中的电子的速度(或渡越时间)比第二半导体光吸收层中的电子速度(或渡越时间)还要高(短)得多，就得到了存在可与R₂(ω)～R₂₂(ω)近似的光吸收层的设计范围，并且光电二极管就能够进行这种近似。

另一方面，由于第一半导体光吸收层的两端区域变成电荷中性(存在多数载流子)，因而该第一半导体光吸收层产生的电子和空穴所形成的电流几乎全部流向外部电路，将第一半导体光吸收层和第二半导体光吸收层各自独立存在时的结构中的响应的并列叠加作为其响应，即，可以实现R_tot(ω)～R₁(ω)+R₂(ω)的条件。

这里，在采用电荷控制方式的处理中，扩散电流和漂移电流并列流动的电路的全部响应J(ω)为：

J(ω)＝J_DC[(W_A/W)/(1+jωτ_A)+(W_D/W)/(1+jωτ_D)]         (13)

由于在低频区域中可以近似为：

J(ω)J_DC[1-jω(W_Aτ_A+W_Dτ_D)/W]                        (14)

结果，总的载流子渡越时间τ_tot就为：

τ_tot＝(W_Aτ_A+W_Dτ_D)/W

     ＝[W_A ²/(3D_e)+W_A/v_th](W_A/W)+[W_D/3v_h](W_D/W)

     ＝W_A ³/(3WD_e)+W_A ²/(Wv_th)+W_D ²/3Wv_h)                  (15)

为了提高响应速度，最好使公式(15)所确定的τ_tot最小，通过设定W_A和W_D之比，响应速度(及作为其指标的3dB带宽)就可以为最快(大)。

由公式(15)可知，τ_tot由[W_A ²/(3D_e)+W_A/v_th](W_A/W)和[W_D/3v_h](W_D/W)的组分构成，W_A和W_D分别依赖于各自在整个光吸收层厚度W所占的比率，W_A＝0(只有耗尽的半导体光吸收层)和W_A＝W(只有p型中性的半导体光吸收层)结构的光电二极管的载流子渡越时间用上述公式(1)和公式(3)分别给出的载流子渡越时间是一致的。

由此，由于本发明的光电二极管的W_A和W_D共同具有有限的膜厚度的结构，本发明的光电二极管的τ_tot比W²/(3D_e)+W/v_th和W/3v_h的任何值都要小，因此就能够获得比pin-PD和UTC-PD还要小的τ_tot，就能够获得更高速的响应。

这样，根据在图1和图2所示结构的本发明的光电二极管，就能够降低两次分离的半导体光吸收区域的依赖关系，光电二极管的总体响应可看作是将这些各自独立存在于两个区域结构的响应并列叠加。

图4用于说明基于上述模式、通过计算具有层厚为W_D的耗尽的InGaAs光吸收层和层厚为W_A的p型中性的InGaAs光吸收层的本发明的光电二极管的光吸收层内的总的载流子渡越时间τ_tot和3dB带宽f_3dB而求出的结果图，设电子的扩散系数为D_e＝200cm²/s、空穴速度为v_h＝5×10⁶cm/s、InGaAs光吸收层的整个层厚固定为W＝W_A+W_D＝0.4μm，相对于W_A与W的比例而示出了总的载流子渡越时间τ_tot和3dB带宽f_3dB的各种变化。

由图4可知，当W_A＝0.18μm(W_D＝0.22μm)时，本发明的光电二极管的f_3dB值为最大值116GHz。与此相反，因为对应于W_A＝0(W_D＝W)的情况，pin-PD的f_3dB是60GHz，对应于W_A＝W(W_D＝0)的情况，UTC-PD的f_3dB是37GHz，所以根据本发明的光电二极管就使f_3dB大幅度地增加。再有，由于τ_tot随光吸收层总厚度W的增加同时单调地增加，能带最大的W_A和W_D的组合也就是给予此能带所对应的最大内部量子效率的组合。

实施例2

图5是用于说明本发明的光电二极管的另一结构的实例附图，该光电二极管由依次层叠单层的或具有不同带隙的多层的n型半导体电极层51、在施加反向偏压状态下耗尽的半导体透光层52、在施加反向偏压状态下耗尽的膜厚为W_D的第一半导体光吸收层53、在施加反向偏压状态下的p型中性的膜厚为W_A的第二半导体光吸收层54、单层的或具有不同带隙的多层的p型半导体电极层55、在n型半导体电极层51上设置的n型电极56和在p型半导体电极层55上设置的p型电极57构成，将半导体透光层52设计为具有比第一半导体光吸收层53更宽的带隙。

图6是用于说明在图5示出的p型中性的半导体光吸收层和耗尽的半导体光吸收层的每一层内产生的载流子的迁移状态的能带图。该半导体光吸收层的半导体结构依次层叠有单层的或具有不同带隙的多层的n型半导体电极层61、在反向偏压施加状态下耗尽的半导体透光层62、在反向偏压施加状态下耗尽的膜厚为W_D的第一半导体光吸收层63、在反向偏压施加状态下p型中性的膜厚为W_A的第二半导体光吸收层64和单层或带隙不同的多层的p型半导体电极层65。当用光来照射该半导体光吸收层时，在各个半导体光吸收层内产生电子-空穴对，电子向n型半导体电极61一侧移动，空穴向p型半导体电极65一侧移动，即实现了并联电路中电流流动的状态。

在图5所示结构的光电二极管中，由于设计成在施加反向偏压状态下耗尽半导体透光层52，因此操作时半导体透光层52内的电荷并不显著增大，在pn结宽度变宽的同时，能够降低结电容。此外，耗尽的第一半导体光吸收层53内的载流子的渡越时间在空穴的渡越时间为固定的情况下不会有大的变化，因此总的载流子渡越时间τ_tot几乎不增加。

在此，与实施例1中说明的情况相同，通过电荷控制模式处理二极管的响应，设定第一半导体光吸收层的层厚为W_D、第二半导体光吸收层的层厚为W_A、半导体透光层的层厚为W_T，并且，将第一和第二半导体光吸收层的厚度之和W(＝W_D+W_A)设为固定的，在此条件下，总的载流子渡越时间(τ_tot)就为：

τ_tot＝W_A ³/(3WD_e)+W_A ²/(Wv_th)+[W_D ³/(W_D+W_T)]/(3Wv_h)  (16)

将此结果与用公式(15)得出的结果相比较，可以理解公式(16)的第3项的数值就只有W_D/(W_D+W_T)变小。

即，在由图5所示结构的光电二极管中，即使在缩小W_A和W_D的情况下，pn结宽度也不会狭小，能够获得具有不会由于结电容C和RC时间常数的增大而使带宽劣化的优点的、有利于高速操作的结构的光电二极管。

如上所述，根据本发明，由层厚为W_D的耗尽的第一半导体光吸收层和层厚为W_A的p型中性的第二半导体光吸收层构成光吸收层，通过设定W_A和W_D的比率以使总的载流子渡越时间τ_tot成为最小值，就能够大幅度地改善现有结构的光电二极管拥有的(响应速度和内部量子效率的平衡)的问题。

特别地，在使用超高速信号处理(≥40Gbit/s)的传统光电二极管中，在设计上要将光吸收层减薄，以牺牲内部量子效率来保证带宽，但在本发明的光电二极管中，就能够消除这种设计上的制约。

Claims (6)

1.一种光电二极管，包括依次层叠的n型半导体电极层，由第一半导体光吸收层和具有p型的第二半导体光吸收层构成的光吸收层，p型半导体电极层，以及在上述n型半导体电极层上设置的n型电极和在上述p型半导体电极层上设置的p型电极；在上述n型电极和p型电极之间施加预定的反向偏压时，上述第一半导体光吸收层被耗尽，并且上述第二半导体光吸收层的除了与上述第一半导体光吸收层的交界面附近区域之外的区域成为中性区域，

其特征在于，

在由上述第一半导体光吸收层的层厚(W_D)和上述第二半导体光吸收层的层厚(W_A)之和(W＝W_D+W_A)所确定的预定厚度的上述光吸收层内，当上述第一半导体光吸收层的层厚为W_D-ΔW，上述第二半导体光吸收层的层厚为W_A+ΔW时，W_D与W_A之比被设定为使上述第一半导体光吸收层内的空穴的渡越时间的减少值(-Δτ_D)和上述第二半导体光吸收层内的电子渡越时间增加值(Δτ_A)的关系为|Δτ_A|＝|-Δτ_D|。

2.根据权利要求1所述的光电二极管，其特征在于，在上述第一半导体光吸收层与上述n型半导体电极层之间包括比上述第一半导体光吸收层具有更大带隙的半导体透光层，当在上述n型电极和上述p型电极之间施加了预定的反向偏压时，该半导体透光层被耗尽。

3.根据权利要求1所述的光电二极管，其特征在于，上述第一半导体光吸收层和上述第二半导体光吸收层分别由In_xGa_1-xAs_yP_1-y(0≤x及y≤1)表示的彼此相同成分或不同成分的化合物半导体构成。

4.根据权利要求3所述的光电二极管，其特征在于，在上述第一半导体光吸收层和上述n型半导体电极层之间，包括比上述第一半导体光吸收层具有更大带隙的半导体透光层，当在上述n型电极和上述p型电极之间施加预定反向偏压时，该半导体透光层耗尽。

5.根据权利要求3中所述的光电二极管，其特征在于，上述W_D和W_A之比设定为使由下式确定的τ_tot为最小：

τ_tot＝W_A ³/(3WD_e)+W_A ²/(Wv_th)+W_D ²/(3Wv_h)

其中，D_e表示电子的扩散系数，v_th表示电子的热放出速度，v_h表示空穴的漂移速度。

6.根据权利要求5所述的光电二极管，其特征在于，在上述第一半导体光吸收层和上述n型半导体电极层之间包括比上述第一半导体光吸收层具有更大带隙的半导体透光层，当在上述n型电极和上述p型电极之间施加预定的反向偏压时，该半导体透光层被耗尽。

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