TW201234632A - A uni-travelling-carrier photodiode - Google Patents

Description

201234632 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 .本發明係有關光學元件。本發明尤其係有關光二極體 【先前技術】 單行進載子（UTC )光二極體通常用在高速光學電訊 系統中。這樣的裝置通常係基於將一入射光轉換爲電力來 操作。UTC通常包含一 p型摻雜吸收區域，在其中的入射 光子會被吸收並產生自由載子（電子和電洞）。此吸收區 域通常接在一稱作集極的輕摻雜透明層之後。因爲光子通 常發生在一 p型摻雜層中，所以電洞爲多數載子且通常只 有電子爲主動載子。光產生的電子擴散通過p型摻雜區域 並延伸到空乏集極區域。藉由對集極區域施加一逆向偏壓 ’電子可更被加速且被收集在一 η型摻雜區域中。因此產 生一通常與入射的光強度成比例的逆向電流。 由於僅使用電子作爲主動載子，與傳統PIN光二極體 的電洞與電子在一空乏區域中傳遞相比，U T C通常可達到 較高速且較高飽和電流》 【發明內容】 在UTC之典型結構中，吸收區域係p型摻雜且載子 漂移層（也稱作空乏區域）通常係由一稱作集極的透明寬 的能帶隙材料製成。即使與如傳統PIN檢測器的裝置相比 201234632 ，通常UTC之回應速率已有改善，但在這類裝置所操作 之頻寬及響應率之間仍然存在了取捨，特別是對前後側的 照明結構。事實上，在這樣表面照明結構中通常需要厚的 吸收區域來達到高響應率（效率）。然而，對於高速操作 而言，最好選用薄的吸收區域，因爲在厚的P型摻雜吸收 區域中，電子擴散時間可能會限制裝置的反應。 在本說明的內文中，響應率（responsivity)此名詞係 指裝置的效率，且其由被入射的光強度所分離之偵測到的 電流比率所給定。反應時間此名詞係指自由電子從已產生 自由電子之吸收區域行進（傳遞）至收集自由電子的裝置 之集極所費之時間，其中自由電子會從裝置輸出到更進一 步的特別應用階段。這樣的時間通常係由在P型摻雜吸收 區域中的傳遞時間（通常是指擴散時間）及在集極區域中 的傳遞時間（通常係是指漂移時間）所組成。 第1圖顯示一已知UTC結構的能帶結構之實例示意 圖，其與上述之傳統UTC結構相比，包含一些修正來改 善頻寬與響應率之間的取捨。結構1通常包含一用來提供 電接點的P型接觸層11、一用來阻擋電子向p型接觸層擴 散的高度摻雜P型障壁層12。一吸收區域包含一爲P型摻 雜的第一層13以及一爲無摻雜的（或空乏的）第二層14 。吸收區域的第一和第二層13、14通常是在吸收一入射 光之後產生電荷載子的層。通常會使用吸收區域的空乏層 14以促進入射光的吸收，因此實質上無須增加在p型摻雜 吸收層中的電子擴散時間，便能增加裝置的響應率。事實 -6- 201234632 上，在藉由施加一逆向偏壓所造成的電場影響下，自由電 荷載子貪以自由電洞通常向P型摻雜層漂移且自由電子通 常向包含更用來加速自由電子的一空乏層之集極層15漂 移這樣的方式，在吸收區域的空乏層14中加速。此第二 空乏層（在第一空乏層14之後）藉由增加全部空乏區域 之厚度來促進減少接面電容。最後，裝置包含一用來提供 電接點之η型摻雜接觸層1 6。 因此，在這樣的結構中，全部的吸收區域（層1 3和 1 4 )可能厚到足以確保高度的響應率，而實際上沒有限制 裝置的反應時間。在這樣的裝置中，藉由減少吸收區域之 Ρ型摻雜層13的厚度，便能藉由減少所產生電子之擴散時 間來改善裝置的反應時間。然而，由於光產生的電洞通常 係以比光產生的電子還慢的速度來行進，吸收區域的空乏 層14之厚度通常會受限於這樣的電洞之傳遞時間。空間 電荷效應通常也會隨著在也可能限制檢測器飽和電流的空 乏層中產生的電洞而增加。 本發明之一些實施例之特徵在於一單行進載子光二極 體’其包含一 Ρ型摻雜材料的吸收區域，其中光二極體更 包含一第一集極層以及一第二集極層，其中吸收區域係置 於第一集極層及第二集極層之間。 根據一些具體實施例，吸收區域係配置來產生電子， 以回應吸收一入射光，其中一些電子向第一集極層擴散， 且其他一些電子向第二集極層擴散。 根據一些具體實施例，一接觸層係由ρ型材料製成， 201234632 接觸層係置於吸收區域內。 根據一些具體實施例’吸收區域包含—p型材料的慘 雜等級之差異’這樣的差異包含該材料的逐漸P型摻雜配 置。 根據一些具體實施例’ p型摻雜材料的吸收區域包含 —具有一相同P型摻雜的逐漸材料組成物。 根據一些具體實施例，吸收區域包含一第一 P型摻雜 子區域、一第二p型慘雜子區域、置於第一 p型慘雜子區 域及第一集極層之間的一第一空乏部、以及置於第二P型 摻雜子區域及第二集極層之間的一第二空乏部。 一些實施例有關包含一如在此作爲特徵之光二極體的 光學設備。 爲了描述及不受限制之目的’在下列描述與具有附圖 輔助說明之申請專利範圍中’會更加詳述本發明之這些及 其他的特徵與優點。 【實施方式】 根據一些實施例，提出一雙集極UTC結構以改善響 應率與頻寬之間的取捨。第2a圖係根據這樣的實施例之 雙集極UTC結構的能帶結構之實例示意圖。第2b圖係第 2a圖所示之結構的剖面圖之實例示意圖。在第2b圖中， 相同的元件已被給予與第2a圖之那些元件相同的參考數 字。 所提出的結構之一目的係爲了減少載子在吸收區域的

S -8 - 201234632 傳遞時間並藉由分散光電流來增進在集極中的目前飽和度 ’光電流即爲藉由由於在吸收區域中的光吸收而產生的電 子向兩個分開的集極移動所造成的電流。 同時參考第2a圖和第2b圖，結構2包含一用來提供 電接點的p型接觸層21、以及一吸收區域22，一旦接收 和吸收一入射光時，便可在吸收區域22中產生電荷載子 。吸收區域22最好係由一 p型材料製成且置於一第一集 極層23及一第二集極層24之間。如圖所示，p型接觸層 21係置於吸收區域22內且吸收區域22的兩個子區域22a 和22b係顯示於接觸層21的任一邊。如圖所示，子區域 22a和22b分別與第一和第二集極層23和24相鄰。第一 和第二集極層最好係由一輕n型摻雜材料製成。 吸收區域22最好可由下列的任何一個材料製成： GalnAs、GalnAsP、GaAsSb、Ge。接觸層 21 最好係由下 列的任何一個材料製成：GalnAs、GalnAsP、InP的，且 集極層23和24最好係由下列的任何一個材料製成：inp 、GalnAsP、AllnAs。 光一極體2更包含一第一η型摻雜接觸層25以及一 第一 π型摻雜接觸層26。第一和第二接觸層25和26最好 是比第一和第二集極層23和24之摻雜等級更高的η型摻 雜。集極摻雜濃度値通常可約爲1016cm·3，且典型的η型 接觸層摻雜値可約爲1018cm·3。 如表示入射光的方向和位置之箭頭A所示，第2b圖 之結構係爲背面的照明結構。然而，這並非爲強制性的， -9- 201234632 也可使用在本發明之領域範圍內的其他結構，如前 面的照明結構。 更參考第2b圖，光二極體2之結構可在一最拓 材料製成的基板20上製成，且更包含接觸層21的 27以及第一和第二接觸層25' 26各自的接觸點28 例如，接觸點27、28及29可以是金屬接點。 利用上述結構，第2a圖和第2b圖的光二極體 下列方式來操作。 .假設一光束A係藉由如第2b圖所示之背面照 射在一裝置上，此光述可在光二極體2內部傳送且 收區域22。在吸收區域中，光子會被吸收，因而產 荷載子、電子及電洞（此現象通常稱作光產生（ generation )) 。 另外假設對光二極體施用一逆向偏壓，即P型 2 1係連接到負極且η型接觸層25和26係連接到一 的正極。光產生之電洞會向負極吸引，即如第2a 箭頭hi和h2所示的p型接觸層21。 另一方面，由於P型摻雜吸收區域中的擴散機 在集極層中的逆向偏壓之影響下，電子會向正極吸 如第2b圖中分別以箭頭η 1和n2所示的η型接觸層 26。然而，由於有兩個接觸層25和26，有些電子 朝一個接觸層移動，而其他電子可能會朝另一個接 動。 如本文提供的實施例所提出，電子會被導向第 面或側 :以 InP 接觸點 、29 ° 2可以 明來入 到達吸 生了電 photo - 接觸層 電壓源 圖中以 制以及 引，即 L 25和 可能會 觸層移 一或第 -10- 201234632 二接觸層的可能性能夠縮短電子的擴散距離，因而相較於 傳統的光二極體，可增進光二極體裝置的效能。 因此，根據第2a及2b圖的實施例，吸收區域22中 的電子擴散可得到之有效距離平均等同於具有相似厚度的 吸收區域之傳統UTC結構之吸收區域中的電子擴散可得 到之有效距離的一半。如同已知的，擴散時間常數會與距 離的平方成正比。因此藉由將平均可得到的擴散距離減少 一半，與傳統UTC結構相比，可達到在吸收區域中的擴 散時間增進高達4倍之多。這樣的改善相當大地放寬通常 存在於基於傳統結構之吸收區域設計的限制。因此，不須 實質地增加擴散時間，藉由設計相對厚的吸收區域便可達 到相對高的響應率。因而增進擴散時間可考慮到同時達到 高頻寬與高響應率之可能性。 吸收區域最好可設計成以P型材料製成且具有摻雜等 級的差異。在這樣的情況中，可應用沿著從接觸層2 1到 集極層24之結構的長度的一逐漸p型摻雜配置。 選擇性地，吸收區域的P型材料可包含一具有相同p 型摻雜等級的逐漸組成物材料。逐漸組成物此名詞係指保 持與InP基板晶格匹配之組成物。如同一非限定之實例， 與InP基板晶格匹配之適當的合金係爲In ( 53% ) Ga ( 47%) As。爲了具有一內部電位來加速載子，一種方法係 以InGaAsP來啓動吸收區域，並逐漸地減少「P」元素（ 同時也調整其他元素In和Ga來保持晶格匹配）來達到In (5 3 % ) G a ( 4 7 % ) A s。這個方法產生逐漸分級的能量能 201234632 帶隙，其可產生能夠獲得所欲結果的內部電位。 根據上面兩者之任一所述，摻雜等級或組成物之這樣 的差異可幫助增進裝置的效能，並確保光產生的電子會到 達最近的集極層。這是因爲這樣的逐漸P型摻雜部或逐漸 材料組成物可促進產生一內部電場，以便加速光產生的電 子到達最近的集極層。 在第2a及2b圖所示範的實施例中，第一和第二集極 23和24分別連接到η型接觸層25和26。然而須注意， 藉由電子擴散且到達一個接觸層所產生的電流可加上藉由 電子擴散且到達另一接觸層所產生的電流。ρ型接觸層21 可大致設置於吸收區域22的中間位置，如第2a圖和第2b 圖所示。因此，藉由介質張弛機制，光產生的電洞可快速 地被P型接觸層21收集》 根據另外的實施例，除了如關於第2a及2b圖所述之 P型摻雜部，吸收區域可包括一或兩個空乏吸收區域，以 更改善如第1圖的已知UTC結構之先前陳述的頻寬與響 應率之間的取捨。 第3圖係爲根據這類實施例之一雙集極單行進載子光 二極體的能帶結構之實例示意圖。在第3圖中，除非另外 提供，相同的元件已被給予與第2a及2b圖之那些元件相 同的參考數字。 因此，類似於第2a及2b圖，第3圖之結構2包含一 ρ型接觸層21及一置於一第一集極層23與一第二集極層 24之間的吸收區域22。ρ型接觸層21係置於吸收區域22 -12- 201234632 內且吸收區域22的兩個子區域22a和22b係顯示於接觸 層21的任一邊。第一和第二集極層最好係以！！型材料製 成。同樣也顯示一第一 η型摻雜接觸層25和一第二η型 摻雜接觸層26，其最好是比第一和第二集極層23和24之 摻雜等級更高的η型摻雜。 然而，不同於第2a圖和第2b圖之實施例，除了第一 和第二子區域22a和22b，第3圖的光二極體之吸收區域 22更設有空乏的（意即，無摻雜的）部22c和22d。空乏 吸收部22c和22d中的每一個可能導致在p型摻雜吸收區 域22 (或子區域22a和22b )以及集極層23和24之間產 生一個空乏區域。當對裝置施加適當的逆向偏壓時，這樣 的空乏區域可更促進增加光二極體的響應率及/或反應時 間。 以此方式，如本文提供的各種實施例所述，提供了一 種新穎的雙集極單行進載子光二極體，其相較於傳統單行 進載子光二極體結構，能夠提供關於頻寬和響應率之增進 效能。這樣的改善可考慮到如1 00G同調光學通訊系統所 需之更佳程度的感光度。 本發明之各種實施例可被合倂，只要這樣的合倂是相 容的及/或受到認同的。 更須注意到，所列舉之與申請專利範圍的裝置對應的 結構並非全部，且熟習本領域之技藝者了解在不違背本發 明之申請專利範圍下，可以等效的結構來替換所述之結構 -13- 201234632 熟習本領域之技藝者將可以了解到，本文之每個方塊 圖係表現出使本發明之原理具體化的說明用電路之槪念性 觀點。 【圖式簡單說明】 第1圖顯示一已知UTC結構的能帶結構之實例示思 圖。 第2a圖係爲根據一些實施例之一雙集極UTC結構的 能帶結構之實例示意圖。 第2b圖係第2a圖之雙集極UTC結構的剖面圖之貫 例示意圖。 第3圖係爲根據一些實施例之一雙集極UTC結構的 另一能帶結構之實例示意圖。 【主.要元件符號說明】 1 1 : P型接觸層 12 : p型障壁層 1 3 :摻雜層 14 :空乏層 1 5 :集極層 1 6 :接觸層 21 :接觸層 2 :光二極體 2 2 :吸收區域

-14- 201234632 23 :第一集極層 24 :第二集極層 22a ' 22b ：子區域 25 :第一 η型摻雜接觸層 26:第二η型摻雜接觸層 20 :基板 2 7、2 8、2 9 :接觸點 A :光束 hi ' h 2 ' η 1 ' η2:箭頭 22c、22d :空乏吸收部 -15-

Claims (1)

1. 201234632 七、申請專利範圍： 1.一種單行進載子光二極體，包含一 P型摻雜材料的 吸收區域，其中該光二極體更包含一第一集極層以及〜第 二集極層，其中該吸收區域係置於該第一集極層及該第二 集極層之間，且包含一第一p型摻雜子區域、一第二P型 摻雜子區域、置於該第一子區域及該第一集極層之間的一 第一空乏部、以及置於該第二子區域及該第二集極層之間 的一第二空乏部。 2·如申請專利範圍第1項所述之光二極體，其中該吸 收區域係配置來產生電子，以回應吸收—入射光，其中一 些電子向該弟一集極層擴散，且其他—些電子向該第二集 極層擴散。 3.如申請專利範圍第1項或第2項所述之光二極體， 其中一接觸層係由P.型材料製成，該接觸層係置於該吸收 區域內。 4_如申請專利範圍第1至3項之任一項所述之光二極 體，其中該吸收區域包含一 p型材料的摻雜等級之差異， 該差異包含逐漸P型摻雜配置該材料。 5. 如申請專利範圍第…項之任—項所述之光二極 體’其中該P型材料的吸收區域包含一逐漸組成物。 6. —種光學設備，包含一如申請專利範圍^至5項之 任一項所述之光二極體。 -16- 3