TW202105760A - 具有漸變或階梯式稀氮化物活性區域的短波紅外光電器件 - Google Patents

具有漸變或階梯式稀氮化物活性區域的短波紅外光電器件 Download PDF

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Abstract

一種具有稀氮化物活性區域的半導體光電器件。具體地，半導體器件具有稀氮化物活性區域，該活性區域具有在0.7電子伏特(eV)至1.4電子伏特(eV)的範圍內的至少兩個能隙。與包括具有單個能隙的稀氮化物活性區域的光偵測器相比，包括具有至少兩個能隙的稀氮化物活性區域的光偵測器具有更低的暗電流，所述單個能隙等於所述至少兩個能隙中的最小能隙。

Description

具有漸變或階梯式稀氮化物活性區域的短波紅外光電器件
本發明係有關一種短波紅外（SWIR）光電器件，其具有包含非均勻能隙的稀氮化物活性區域、在0.9μm至1.8μm的波長範圍內工作，以及包括光偵測器和光偵測器陣列。
在0.9μm和1.8μm之間的紅外波長範圍內工作的光電器件具有多種應用，包括光纖通訊、感測和成像。傳統上，化合物III-V半導體材料用於製造這種器件。砷化銦鎵（InGaAs）材料通常生長在磷化銦（InP）基板上。選擇InGaAs層的組成和厚度以提供期望的功能，例如在期望的光波長處的光發射或光吸收，並且InGaAs層的組成和厚度還與InP基板晶格匹配或非常接近地晶格匹配，以產生具有低晶體缺陷和高性能的高品質材料。
關於光偵測器，可以生產的設備包括用於通訊應用的高速光偵測器，以及可以用作用於軍事、生物醫學、工業、環境和科學應用的感測器和成像器的光偵測器陣列。在這些應用中，需要具有高響應度、低暗電流和低雜訊的光偵測器。
儘管InP上的InGaAs材料目前主要是短波紅外（SWIR）光偵測器市場，但是該材料系統具有幾個局限性，包括InP基板的高成本、由於InP基板的易碎性而導致的低產率，以及有限的InP晶片直徑（以及在較大直徑處的相關品質問題）。從製造的角度以及從經濟的角度來看，砷化鎵（GaAs）代表了更好的基板選擇。然而，紅外光器件所需的GaAs和InGaAs合金之間的大的晶格失配會產生品質差的材料，這會損害電學性能和光學性能。已經嘗試使用稀氮化物材料（例如GaInNAs和GaInNAsSb）來在GaAs基板上製造用於光偵測器的長波長（大於1.2μm）材料。然而，在器件性能方面，它比InGaAs/InP器件差得多。例如，基於稀氮化物的器件具有非常低的響應度，這使得該器件不適於實際感測和光檢測應用。此外，基於稀氮化物的光偵測器的暗電流可以高於其它材料系統的暗電流，從而導致較高的雜訊水平，這由於降低的訊噪比（SNR）和因此降低的檢測率而限制了最小可檢測光功率。
例如，Cheah等人的“GaAs-based Heterojunction p-i-n Photodetectors Using Pentenary InGaAsAsNSb as the Intrinsic Layer”（IEEE Photon. Technol. Letts., 17（9）, pp. 1932-1934 （2005）），和Loke等人的“Improvement of GaInNAs p-i-n photodetector responsivity by antimony incorporation”（J. Appl. Phys. 101, 033122 （2007））公開了在1300nm波長下具有僅0.097A/W響應度的光偵測器。
Tan等人的“GaInNAsSb/GaAs Photodiodes for Long Wavelength Applications”（IEEE Electron. Dev. Letts., 32（7）, pp. 919-921 （2011））描述了在1300nm的波長下具有僅0.18A/W響應度的光電二極體。
在2016/0372624號美國申請公開中，Yanka等人公開了具有稀氮化物層（InGaNAsSb）的光偵測器。儘管描述了與半導體材料品質相關的某些參數，但是在所公開的寬的稀氮化物組成範圍內沒有教導具有實際效率的工作檢測器。
因此，為了利用GaAs基板的製造可伸縮性和成本優勢，在GaAs上開發具有改進的光電子性能的長波長材料受到持續地關注。
根據本發明，化合物半導體光電結構包括具有表面的基板；疊加在基板表面上的第一摻雜區域；疊加在第一摻雜區域上的活性區域，其中活性區域包括：稀氮化物材料；以及活性區域具有正交於基板表面的非均勻能隙；以及疊加在活性區域上的第二摻雜區域。
根據本發明，器件包括根據本發明的結構。
根據本發明，形成半導體光電器件的方法包括：形成疊加在具有表面的基板上的第一摻雜區域；形成疊加在所述第一摻雜區域上的活性區域，其中，所述活性區域包括稀氮化物材料；以及活性區域具有正交於基板表面的非均勻能隙；以及形成疊加在活性區域上的第二摻雜區域。
根據本發明，使用根據本發明的方法製造半導體光電器件。
下面的詳細描述參考附圖，這些附圖通過實施例的方式可以實施本發明的具體細節和實施方式。充分詳細地描述了這些實施方式，以使本領域技術人員能夠實施本發明。可以利用其它實施方式，並且可以在不脫離本發明的範圍的情況下進行結構改變、邏輯改變和電氣改變。本文所公開的各種實施方式不一定相互排斥，因為一些所公開的實施方式可以與一個或多個其它所公開的實施方式組合以形成新的實施方式。因此，以下詳細描述不應被認為是限制性的，並且本發明實施方式的範圍僅由所附申請專利範圍以及這些申請專利範圍的等同物的全部範圍來限定。
本文所用的專有名詞“晶格匹配”是指兩種參考材料具有相同的晶格常數或晶格常數相差小於+/-0.2%。例如，GaAs和AlAs是晶格匹配的，晶格常數相差0.12%。
本文所用的專有名詞“假晶應變(pseudomorphically strained)”是指由晶格常數差達到+/-2%的不同材料製成的層可以在晶格匹配層或應變層的頂部生長，而不產生失配位錯。晶格參數可以例如相差達+/-1%、+/-0.5%，或+/-0.2%。
本文所用的專有名詞“活性層”是指材料（例如，合金）的連續區域，其可以是未摻雜的、或均勻摻雜的或非均勻摻雜的，並且其可以在整個層上具有均勻或不均勻的組成。
本文所用的專有名詞“活性區域”是指能夠處理光的半導體區域，其包括例如吸收光、發射光和/或調製(modulating)光。活性區域可以包括單個材料層或多個材料層，例如多個活性層。
本文所用的專有名詞“連續變化的能隙”是指這樣的能隙，其在區域或層的厚度上變化並且在厚度的一部分上不是恒定的。
本文所用的專有名詞“不連續變化的能隙”是指這樣的能隙，其在區域或層的厚度上變化，且其中存在能隙間斷或能隙階梯。
本文所用的專有名詞“線性變化的能隙”是指這樣的能隙，其在區域或層的厚度上變化，使得能隙等於 a+b×x，其中a是第一能隙能量，b是與能隙變化相關的常數，x是相對於區域或層的厚度的位置。
本文所用的專有名詞“二次方變化的能隙”是指這樣的能隙，其在區域或層的厚度上變化，使得能隙等於 a+b×x2 ，其中a是第一能隙能量，b是與能隙變化相關的常數，x是相對於區域或層的厚度的位置。
本文所用的專有名詞“多項式變化的能隙”是指這樣的能隙，其在區域或層的厚度上變化，使得能隙等於 a+b×xn ，其中a是第一能隙能量，b是與能隙變化相關的常數，n是正整數，x是相對於區域或層的厚度的位置。
本文所用的專有名詞“作為平方根變化的能隙”是指這樣的能隙，其在區域或層的厚度上變化，使得能隙等於 a+b×x1/2 ，其中a是第一能隙能量，b是與能隙變化相關的常數，x是相對於區域或層的厚度的位置。
本文所用的專有名詞“階梯式能隙”或“不連續能隙”是指這樣的能隙，其在區域或層的厚度上具有至少一個能隙階梯或不連續性，使得能隙等於 a+b×H（x-x0 ），其中a是第一能隙能量，b是與能隙變化相關的常數，H（x-x0 ）是階躍函數，例如Heaviside階躍函數，x0 是區域或層的厚度內的參考位置，並且x是相對於區域或層的厚度內的參考位置的位置。
本文所用的專有名詞“指數變化的能隙”是指在區域或層的厚度上變化的能隙，使得能隙等於 a + b × ex ，其中a是第一能隙能量，b是與能隙變化相關的常數，x是相對於區域或層的厚度的位置。
本文所用的專有名詞“恒定摻雜分佈”是指在區域或層的厚度上恒定的摻雜分佈。
本文所用的專有名詞“連續摻雜分佈”是指在整個厚度上連續變化的摻雜分佈
本文所用的專有名詞“不連續摻雜分佈”是指這樣的摻雜分佈，其在區域或層的一部分中是連續的並且在區域或層的另一部分中是恒定的。
本文所用的專有名詞“直徑”是指光接收表面處器件的尺寸。例如，參考圖4，器件的直徑是在接觸件412之間並被抗反射塗層416覆蓋的區域。
本文所用的專有名詞“截止短波長”是指被吸收在活性區域中並產生電輸出（例如電流和/或電壓）的光的最短波長。
本文所用的專有名詞“半高寬”（FWHM）指的是光譜響應的波長範圍，在該波長範圍，振幅是最大振幅的50%。
本文所用的專有名詞“正交於基板表面”是指垂直於生長表面並且處於層的厚度上。例如，具有正交於基板表面變化的能隙的活性區域具有在活性層的厚度方向上變化的能隙。
本文所用的專有名詞“光致發光”可以通過測量受到外部光源（例如雷射）在材料中的光子激發的材料或器件的光發射來確定。在材料或器件內吸收的雷射引起光子發射，這是吸收材料特性的體現。可以通過用光源（例如寬頻譜鹵素燈）照射器件並測量器件產生的電流來確定響應度，該光源具有已知的輸出光特性以及具有單色化為窄頻譜（例如10nm或5nm或1nm）的光。
本文所用的專有名詞“能隙”是材料的導帶和價帶之間的能量差。
本文所用的專有名詞“響應度”是所產生的光電流與給定波長下的入射光功率的比。響應度可以使用具有單色化為10nm波長帶的光的寬頻譜鹵素燈來確定。
本文所用的專有名詞“室溫”是指從23°C至25°C的溫度。
圖1是根據本發明的半導體光電結構100的側視示意圖。器件包括基板102、第一摻雜區域104、活性區域106和第二摻雜區域108。為簡單起見，每個區域被示為單層。然而，應當理解，每個區域可以包括具有不同組成、厚度和摻雜水平的一個或多個層，以提供適當的光學和/或電學功能，並改善界面品質、電子傳輸、電洞傳輸和/或其它光電子特性。
基板102可以具有與GaAs或Ge的晶格常數匹配或幾乎匹配的晶格常數。基板可以是GaAs。基板102可以是p型摻雜或n型摻雜，或者可以是半絕緣（SI）基板。基板102的厚度可以選擇為任何合適的厚度。基板102可以包括一個或多個層，例如，基板可以包括具有上覆SiGeSn緩衝層的Si層、具有含稀土層的Si層，或具有漸變SiGe層的Si層，上覆SiGeSn緩衝層、含稀土層和漸變SiGe層被設計成具有與GaAs或Ge的晶格常數匹配或幾乎匹配的晶格常數。
第一摻雜區域104可以具有一種類型的摻雜，第二摻雜區域108可以具有相反類型的摻雜。如果第一摻雜區域104是n型摻雜，則第二摻雜區域108是p型摻雜。相反，如果第一摻雜區域104是p型摻雜，則第二摻雜區域108是n型摻雜。p型摻雜劑的實施例包括C和Be。n型摻雜劑的實施例包括Si和Te。選擇摻雜區域104和108以使摻雜區域104和108的組成相對於基板是晶格匹配的或假晶應變的。摻雜區域可以包括任何合適的III-V材料，例如GaAs、AlGaAs、GaInAs、（Al）GaInP、（Al）GaInPAs、GaInNAs和/或GaInNAsSb。摻雜區域的能隙可以獨立地選擇為大於活性區域106的能隙。每個摻雜區域的摻雜水平可以獨立地在以下範圍內：從1×1015 cm-3 至2×1019 cm-3 、從1×1016 cm-3 至2×1018 cm-3 、從2×1016 cm-3 至1×1018 cm-3 ，或從1×1017 cm-3 至1×1019 cm-3 。摻雜水平在摻雜區域內可以是恒定的，和/或摻雜分佈在摻雜區域內可以是漸變的，例如，摻雜水平可以從最小值增加到最大值，作為距第一摻雜區域104和活性區域106之間的界面的距離的函數，和/或距第二摻雜區域108和活性區域106之間的界面的距離的函數。第一摻雜區域104和第二摻雜區域108可以獨立地具有以下範圍內的厚度，例如從50nm至3μm、從100nm至2.5μm、從200nm至2μm或從500nm至1.5μm。
活性區域106相對於基板和/或摻雜區域可以是晶格匹配的或假晶應變的。活性區域106的最大能隙可以獨立地小於摻雜區域104和108的能隙。例如，活性區域106的最大能隙可以比摻雜區域104和108中的每一個的能隙小至少25meV，比摻雜區域104和108中的每一個的能隙小至少100meV、小至少200meV、小至少400meV、小至少600meV、小至少800meV、或小至少1,000meV。摻雜區域104和108中的每一個的能隙可以例如比活性區域106的最大能隙大25meV至1,000meV，比活性區域106的能隙大50meV至800meV、大100meV至600meV，或大200meV至500meV。摻雜區域104和108中的每一個的能隙例如可以是大約1.4eV（對於GaAs材料），或者為至少1.4（對於諸如InGaP、InGaAlP和InGaAlPAs的料）。
活性區域106可以包括能夠處理期望波長範圍內的光的區域。處理光包括例如發射光、接收光、感測光和/或調製光。
活性區域106可以包括稀氮化物材料。稀氮化物材料可以是Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中x, y和z可以分別為0 ≤ x ≤ 0.4，0 ≤ y ≤ 0.07和0 ≤ z ≤ 0.04。x, y和z可以分別為0.01 ≤ x ≤ 0.4，0.02 ≤ y ≤ 0.07和0.001 ≤ z ≤ 0.04。在其它實施方式中，稀氮化物材料可具有如8,962,993號美國專利中所公開的組成，其中x、y和z可分別為0 ≤ x ≤ 0.24，0.02 ≤ y ≤ 0.05和0.001 ≤ z ≤ 0.2。稀氮化物材料可以是Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中，例如0.12 ≤ x ≤ 0.24，0.03 ≤ y ≤ 0.07和0.005 ≤ z ≤ 0.04；0.13 ≤ x ≤ 0.2，0.03 ≤ y ≤ 0.045和0.001 ≤ z ≤ 0.02；0.13 ≤ x ≤ 0.18，0.03 ≤ y ≤ 0.04和0.001 ≤ z ≤ 0.02；或0.18 ≤ x ≤ 0.24，0.04 ≤ y ≤ 0.07和0.01 ≤ z ≤ 0.024。活性區域106可以具有範圍從0.7eV到1.3eV的能隙，使得活性區域可以吸收或發射波長達1.8μm的光。可以在稀氮化物材料的生長期間添加鉍（Bi）作為表面活性劑，以改善材料品質（例如缺陷密度）和器件性能。活性區域106的厚度可以在例如從0.2μm至10μm的範圍內。活性區域106的厚度可以在例如從0.5μm至5μm的範圍內。活性區域106的厚度可以在例如從1μm至4μm、從1μm至3μm或從1μm至2μm的範圍內。活性區域106可以相對於基板102是壓縮地應變的。應變可以改善器件性能。對於光偵測器，與器件性能最相關的參數包括暗電流、操作速度、雜訊和響應度。
在圖1中，活性區域106被示為單個活性層，但是應當理解，活性區域106可以包括多於一個的活性層，其中每個活性層包括稀氮化物材料，並且每個活性層獨立地具有在0.7eV到1.4eV範圍內的能隙。在一些實施例中，活性區域106可包括單個活性層，其中活性區域的不同部分具有不同的摻雜分佈。在美國專利申請公開No.2016/0118526中描述了用於稀氮化物光吸收體材料的摻雜分佈的實施例，其全部內容通過引用併入本文。
活性區域106和摻雜區域104和108可以形成p-i-n或n-i-p結。該結提供了用於操作諸如光偵測器或發光二極體的器件的基本結構。對於光偵測器，p-i-n磊晶結構可以在器件的本質區域（活性區域）中具有低背景雜質，所述器件通常在0V或非常低的偏壓下操作。因此，活性區域106可以是非有意摻雜的。活性區域可以是本質的或者可以是非有意摻雜的。非有意摻雜的半導體沒有有意添加的摻雜劑，但是可以包括作為摻雜劑的非零濃度的雜質。本質或非有意摻雜的活性區域的背景載子濃度（相當於摻雜劑濃度）可以是例如小於1×1016 cm-3 （在室溫25℃下測量），小於5×1015 cm-3 ，或小於1×1015 cm-3 。活性區域內的少數載子壽命可以是，例如，大於1ns，大於1.5ns，或大於2ns。少數載子壽命可受到半導體內促成背景載子濃度的缺陷的影響，以及可受到可作為複合中心但不促成載子的其它類型缺陷的影響。
圖2是具有p-i-n二極體和倍增層206的半導體光電結構200。半導體光電結構200類似於半導體光電結構100，但還包括倍增層。倍增層206的目的是放大由光偵測器器件的活性區域208產生的光電流。光電結構200可以提供雪崩光電二極體（avalanche photodiode, APD）。APD在結構中引入附加的p-n接面，以及引入附加的厚度。這允許將較高的反向偏壓施加到該結構，這導致雪崩過程的載波倍增。
基板202可以具有與GaAs或Ge的晶格常數匹配或幾乎匹配的晶格常數。基板可以是GaAs。基板202可以是p型摻雜或n型摻雜，或者可以是半絕緣（SI）基板。基板202的厚度可以選擇為任何合適的厚度。基板202可以包括一個或多個層，例如，具有上覆SiGeSn緩衝層的Si層，所述上覆SiGeSn緩衝層被設計成具有與GaAs或Ge的晶格常數匹配或幾乎匹配的晶格常數。這可以意味著基板的晶格參數與GaAs或Ge的晶格參數相差小於或等於GaAs或Ge的晶格參數的3%、小於GaAs或Ge的晶格參數的1%或小於GaAs或Ge的晶格參數的0.5%。
第一摻雜區域204可以具有一種類型的摻雜，以及第二摻雜區域210可以具有相反類型的摻雜。如果第一摻雜區域204是n型摻雜，則第二摻雜區域210是p型摻雜。相反，如果第一摻雜區域204是p型摻雜，則第二摻雜區域210是n型摻雜。p型摻雜劑的實施例包括C和Be。n型摻雜劑的實施例包括Si和Te。摻雜區域204和210可以獨立地選擇為具有相對於基板晶格匹配的組成或假晶應變的組成。摻雜區域可以包括任何合適的III-V材料，例如GaAs、AlGaAs、GaInAs、（Al）GaInP、（Al）GaInPAs、AlInP、GaInNAs和GaInNAsSb。摻雜區域的能隙可以獨立地選擇為大於活性區域208的能隙。摻雜水平可以在以下範圍內，例如，從1×1015 cm-3 至2×1019 cm-3 、從1×1016 cm-3 至2×1018 cm-3 、從2×1016 cm-3 至1×1018 cm-3 、或從1×1017 cm-3 至1×1019 cm-3 。摻雜水平在層內可以是恒定的和/或摻雜分佈可以是漸變的，例如，摻雜水平可以從最小值增加到最大值，作為距第二摻雜區域210和活性區域208之間的界面的距離的函數或距第一摻雜區域204和活性區域208之間的界面的距離的函數。第一摻雜區域204和第二摻雜區域210可以具有例如從50nm至3μm、從100nm至2.5μm、從200nm至2μm或從500nm至1.5μm範圍內的厚度。
活性區域208相對於基板和/或摻雜區域可以是晶格匹配的或假晶應變的。活性區域208的最大能隙可以低於第一摻雜區域204和第二摻雜區域210的能隙。活性區域208可以包括能夠處理期望波長範圍內的光的層。
活性區域208可以包括稀氮化物材料。稀氮化物材料可以是Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中x, y和z可以分別為0 ≤ x ≤ 0.4、0 ≤ y ≤ 0.07和0 ≤ z ≤ 0.04。x, y和z可以分別為0.01 ≤ x ≤ 0.4、0.02 ≤ y ≤ 0.07和0.001 ≤ z ≤ 0.04。在其它實施方式中，稀氮化物材料可具有如在8,962,993號美國專利中所公開的組成，其中x、y和z可分別為0 ≤ x ≤ 0.24、0.02 ≤ y ≤ 0.05和0.001 ≤ z ≤ 0.2。稀氮化物材料可以是Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中，例如0.12 ≤ x ≤ 0.24、0.03 ≤ y ≤ 0.07和0.005 ≤ z ≤ 0.04；0.13 ≤ x ≤ 0.20、0.03 ≤ y ≤ 0.045和0.001 ≤ z ≤ 0.02；0.13 ≤ x ≤ 0.18、0.03 ≤ y ≤ 0.04和0.001 ≤ z ≤ 0.02；或0.18 ≤ x ≤ 0.24、0.04 ≤ y ≤ 0.07和0.01 ≤ z ≤ 0.04。活性區域208可以具有在0.7eV至1.3eV範圍內的能隙，使得活性區域可以吸收或發射波長達1.8μm的光。鉍（Bi）可以在稀氮化物的生長期間作為表面活性劑添加，以改善材料品質（例如缺陷密度）和器件性能。活性區域208的厚度可以在例如從0.2μm至10μm、從0.5μm至5μm或從1μm至4μm的範圍內。活性區域208可以相對於基板202是壓縮地應變的。應變還可以改善器件性能。對於光偵測器，最相關的器件性能包括暗電流、操作速度、雜訊和響應度。
在圖2中，活性區域208被示為單層，但是應當理解，活性區域208可以包括一個以上的活性層，並且每個活性層可以包括稀氮化物材料，且可以獨立地具有在0.7eV到1.4eV範圍內的能隙，這將在後面描述。在一些實施例中，活性區域208可包括具有不同摻雜分佈的區域。2016/0118526號美國專利申請公開中描述了用於稀氮化物光吸收體材料的摻雜分佈的實施例，其全部內容通過引用併入本文。
活性區域208可以包括單個活性層。在單層活性區域208中，形成單層活性區域208的材料組成在整個單層活性區域208中可以是均勻的，或者在單層活性區域208中可以連續變化。活性區域208可以包括兩個或更多個活性層，並且可以被稱為多層活性區域208。多層活性區域208的兩層或更多層中的每一層可以具有不同的材料組成。在多層活性區域208中，材料組成可以在多層活性區域的厚度上離散地變化。這可以與單層活性區域208進行比較，在單層活性區域208中，材料組成可以在單層活性區域的厚度上連續變化。
多層活性區域208可以包括一個或多個活性層，其中形成一個或多個活性層的材料組成在活性層上和一個或多個活性層上連續變化，其中材料組成在活性層上是均勻的。
倍增層206可以是p型III-V層，其被配置為通過雪崩倍增來放大由活性區域208產生的電流。因此，對於由活性區域208產生的每個自由載子（電子或電洞），倍增層206通過雪崩效應產生一個或多個載子。因此，倍增層206可增加半導體光電結構200所產生的總電流。倍增層206可包括III-V材料，例如GaAs或AlGaAs。在一些實施方式中，倍增層206可包括稀氮化物材料，例如GaInNAs、GaInNAsSb或GaNAsSb。WO 2019/241450號PCT國際公開中描述了用於倍增層的半導體材料和結構的實施例，其全文以引用的方式併入本文。
圖3是根據本發明的半導體光電結構300的側視示意圖。半導體光電結構300類似於半導體光電結構100，但每個摻雜區域示出為包括由接觸層和阻擋層組成的兩個層。器件包括基板302、第一接觸層304a、第一阻擋層304b、活性區域306、第二阻擋層308a和第二接觸層308b。
基板302可以具有與GaAs或Ge的晶格常數匹配或幾乎匹配的晶格常數。基板可以是GaAs。基板302可以是p型摻雜或n型摻雜，或者可以是半絕緣（矽基板）。基板302的厚度可以是任何合適的厚度。基板302可以包括一個或多個層，例如，基板302可以包括具有上覆SiGeSn緩衝層的Si層，所述上覆SiGeSn緩衝層被設計成具有與GaAs或Ge的晶格常數匹配或幾乎匹配的晶格常數。這可以意味著基板的晶格參數可以與GaAs或Ge的晶格參數相差小於或等於GaAs或Ge的晶格參數的3%、小於GaAs或Ge的晶格參數的1%，或小於GaAs或Ge的晶格參數的0.5%。
第一接觸層304a和第一阻擋層304b提供具有一種類型的摻雜的第一摻雜區域305，而第二阻擋層308a和第二接觸層308b提供具有相反類型的摻雜的第二摻雜區域307。如果第一摻雜區域305是n型摻雜，則第二摻雜區域307是p型摻雜。相反，如果第一摻雜區域305是p型摻雜，則第二摻雜區域307是n型摻雜。p型摻雜劑的實施例包括C和Be。n型摻雜劑的實施例包括Si和Te。摻雜區域305和307可以被選擇為具有相對於基板晶格匹配或假晶應變的組成。摻雜區域可以包括任何合適的III-V材料，例如GaAs、AlGaAs、GaInAs、（Al）GaInP、（Al）GaInPAs、AlInP、GaInNAs和GaInNAsSb。接觸層和阻擋層可以具有不同的組成和不同的厚度。摻雜區域的能隙被選擇為大於活性區域306的能隙。第一接觸層304a的摻雜水平可以選擇為高於第一阻擋層304b的摻雜水平。較高的摻雜水平有利於與金屬接觸的電連接。類似地，第二接觸層308b的摻雜水平可以選擇為高於第二阻擋層308a的摻雜水平。較高的摻雜水平有利於與金屬接觸的電連接。接觸層和阻擋層的摻雜水平可以獨立地在從1×1015 m-3 至2×1019 cm-3 、從1×1016 cm-3 至2×1018 cm-3 、從2×1016 cm-3 至1×1018 cm-3 、或從1×1017 cm-3 至1×1019 cm-3 的範圍內。摻雜水平在層內可以是恒定的和/或摻雜分佈可以是漸變的，例如，摻雜水平可以從最小值增加到最大值，作為距摻雜層308a和活性區域306之間的界面的距離的函數。阻擋層304b、308a和接觸層304a、308b中的每一個可以獨立地具有例如在50nm至3μm、100nm至2.5μm、200nm至2μm或500nm至1.5μm範圍內的厚度。
活性區域306相對於基板和/或阻擋層可以是晶格匹配的或假晶應變的。活性區域306的最大能隙可以低於阻擋層304b、308a和接觸層304a、308b中的每一個的能隙。例如，活性區域的最大能隙可以比阻擋層和接觸層中的每一個的最小能隙小至少25meV、至少50meV、至少100meV、至少200meV、至少300meV、至少400meV、或至少500mV。活性區域306的最大能隙可以獨立地比阻擋層和接觸層中的每一個的最小能隙小25meV至1,000meV，比阻擋層和接觸層中的每一個的最小能隙小50meV至800mV、100meV至600meV，或者200meV至0.500mV。
活性區域306可包括稀氮化物材料。稀氮化物材料可以是Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中x、y和z可以分別為0 ≤ x ≤ 0.4、0 ≤ y ≤ 0.07和0 ≤ z ≤ 0.04。x、y和z可以分別為0.01 ≤ x ≤ 0.4、0.02 ≤ y ≤ 0.07和0.001 ≤ z ≤ 0.04。在其它實施方式中，稀氮化物材料可具有如8,962,993號美國專利中所公開的組成，其中x、y和z可分別為0 ≤ x ≤ 0.24、0.02 ≤ y ≤ 0.05和0.001 ≤ z ≤ 0.2。稀氮化物材料可以是Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中，例如0.12 ≤ x ≤ 0.24、0.03 ≤ y ≤ 0.07和0.005 ≤ z ≤ 0.04；0.13 ≤ x ≤ 0.2、0.03 ≤ y ≤ 0.045和0.001 ≤ z ≤ 0.02；0.13 ≤ x ≤ 0.18、0.03 ≤ y ≤ 0.04和0.001 ≤ z ≤ 0.02；或0.18 ≤ x ≤ 0.24、0.04 ≤ y ≤ 0.07和0.01 ≤ z ≤ 0.04。
活性區域306可以具有在0.7eV至1.3eV範圍內的能隙，使得活性區域可以吸收或發射波長達1.8μm的光。鉍（Bi）可以在稀氮化物的生長期間作為表面活性劑添加，以改善材料品質（例如缺陷密度）和器件性能。活性區域306的厚度可以例如在從0.2μm至10μm、從0.5μm至8μm、從1.0μm至6μm、從1.0μm至5μm、從1μm至4μm、從1μm至3μm或從1μm至2μm的範圍內。活性區域306的載子濃度可以是例如小於1×1016 cm-3 （在室溫25℃測量）、小於5×1015 cm-3 ，或小於1×1015 cm-3 。活性區域306可以相對於基板302是壓縮地應變的。應變還可以改善器件性能。對於光偵測器，與器件性能最相關的參數包括暗電流、操作速度、雜訊和響應度。
活性區域306被示為單層，但是應當理解，活性區域306可以包括多於一個的活性層，其中每個活性層具有不同的能隙。例如，每個活性層可以獨立地具有範圍從0.7eV到1.4eV的能隙。活性區域可包括例如2至10個活性層、2至9個活性層、2至8個活性層、2至7個活性層、2至6個活性層、2至5個活性層、2至4個活性層或2至3個活性層。每個活性層可以具有與每個其它活性層不同的能隙。至少一些活性層可以具有與其它活性層的能隙不同的能隙。在活性層中，形成活性層的材料（例如稀氮化物材料，例如Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ）的元素組成可以在整個面內維度和生長維度上具有基本均勻的組成。例如，基本均勻的組成可以是基本均勻的元素組成。例如，在基本均勻的元素組成中，每個元素的含量可以相差小於1%、小於2%，或小於5%。
形成活性區域306的每個活性層可以獨立地具有均勻的能隙。例如，在具有均勻能隙的活性層中，整個面內維度和生長維度中的能隙可以相差例如小於0.010eV、小於0.015eV，或小於0.02eV。
活性區域可以包括一個或多個具有摻雜分佈的活性層。摻雜分佈可以在活性層的生長方向上變化。活性層可以包括，例如，線性摻雜分佈、非線性摻雜分佈、指數摻雜分佈，或任何前述的組合。活性層可以包括恒定摻雜分佈。活性層可以包括具有本質摻雜的部分。活性層可以包括在生長維度上本質地摻雜的部分、有意地摻雜的部分或其組合。活性層可以包括本質地摻雜的部分、具有恒定摻雜分佈的部分、具有線性摻雜分佈的部分、具有非線性摻雜分佈的部分，或前述任何一種的組合。活性層和/或活性層的一部分可以是p型摻雜的或n型摻雜的。
活性區域306可以包括具有不同摻雜分佈的區域。在美國申請公開No.2016/0118526中描述了用於稀氮化物材料的摻雜分佈的實施例，其全部內容通過引用併入本文。
活性區域可以在厚度維度上具有非均勻的組成。例如，活性區域的元素組成可以在活性區域的厚度上線性地或非線性地變化。活性區域的元素組成可以在活性區域的厚度的一部分上線性地或非線性地變化。非線性單調變化分佈的非限制性實施例包括二次分佈、多項式分佈、平方根分佈和指數分佈，以及具有組成步驟的不連續分佈。例如，在非均勻組成中，至少一種元素的含量可以在活性區域上變化大於5%、大於10%、大於15%或大於20%。
非均勻活性區域可以具有在厚度維度上變化的能隙。能隙可以線性地或非線性地變化，例如二次地或指數地變化。能隙可以例如在非均勻活性區域的厚度上變化至少40meV、變化至少60meV、變化至少100meV、變化至少200meV、變化至少400meV、變化至少600meV，或變化至少800meV。能隙可以變化（例如）40meV至1,000meV、40meV至700meV，或40meV至400meV。
圖4是根據本發明的光偵測器400的側視示意圖。半導體光電結構400類似於半導體光電結構300。與半導體光電結構300相比，附加的器件層包括第一金屬接觸件410、第二金屬接觸件412、鈍化層414和抗反射塗層416。半導體層402、404a、404b、406、408a和408b分別對應於半導體光電結構300的半導體層302、304a、304b、306、308a和308b。可使用多個光刻和材料沉積步驟來形成金屬接觸件、鈍化層和抗反射塗層。器件具有通過蝕刻製造的檯面結構。這暴露了下面的層。提供覆蓋器件的側壁和層的暴露表面的鈍化層414，以便減少表面缺陷和懸鍵(dangling bonds)，否則這些表面缺陷和懸鍵可能影響器件性能。可以使用諸如氮化矽、氧化矽或氧化鈦的電介質材料來形成鈍化層。抗反射塗層416疊加在第二接觸層408b的第一部分上。抗反射層可以使用諸如氮化矽、氧化矽和氧化鈦的電介質材料形成。第一金屬接觸件410疊加在第一接觸層404a的一部分上。第二金屬接觸件412疊加在第二接觸層408b的第二部分上。用於接觸n型摻雜材料和p型摻雜材料的金屬化方案是已知的。可以從器件的頂表面照射光偵測器400，即通過抗反射塗層416和空氣之間的界面照射。可以經由底表面，即基板402的下表面和空氣之間的界面來照射光偵測器。基板的底表面可以塗覆有抗反射塗層。檢測器上的入射光輻射將在檢測器處產生電訊號。
對於檢測器陣列，可以通過包括晶體管或跨阻抗放大器的讀出積體電路（readout integrated circuit, ROIC）對所收集的訊號進行放大，以形成聚焦平面陣列（focal plane array, FPA）。在圖5A和5B中是光偵測器陣列的示意圖。圖5A是包括CMOS讀出IC 501和光偵測器陣列502的光偵測器陣列的立體圖。圖5B是通過互連件503與光偵測器陣列502互連的CMOS讀出IC 501的截面圖。光偵測器陣列502包括由本發明提供的光偵測器陣列504、轉換層505和抗反射塗層506。
為了製造本公開提供的光電器件，可以在材料沉積室中在基板上沉積多個層。多個層可以包括活性區域、摻雜區域、接觸層、蝕刻停止層、釋放層（即，被設計成在應用特定的製程順序（例如化學蝕刻）時從基板釋放半導體層的層）、緩衝層或其它半導體層。
例如，可以通過分子束磊晶（MBE）或通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）來沉積多層。也可以使用沉積方法的組合。
可以在生長之後對半導體光電器件進行一個或多個熱退火處理。例如，熱退火處理可以包括施加400℃至1,000℃的溫度10秒至10小時。熱退火可以在包括空氣、氮、砷、胂、磷、膦、氫、形成氣體、氧、氦和前述材料的任何組合的氣體環境中進行。
本公開提供的器件可以包括疊加在GaAs基板上的GaInNAsSb活性區域。GaInNAsSb層可以相對於GaAs基板是壓縮地應變的。例如，GaInNAsSb波峰和GaAs基板波峰之間的XRD波峰分束（XRD peak slitting）可以是（例如）從300角秒（arcsec）到1,000角秒、從600角秒到800角秒，或從650角秒到750角秒。從600角秒到1000角秒的XRD分束對應於0.2%到0.35%的壓縮應變。
稀氮化物層或稀氮化物活性區域（例如GaInNAsSb活性層或GaInNAsSb活性區域）可以具有本質摻雜或非有意摻雜，在室溫25℃下測量的摻雜濃度（例如）小於1×1016cm-3 、小於5×1015cm-3 或小於1×1015cm-3 。稀氮化物活性層或稀氮化物活性區域（諸如GaInNAsSb活性層或GaInNAsSb活性區域）可以具有本質摻雜或非有意摻雜，在室溫25℃下測量的摻雜濃度（例如）從0.5×1014cm-3至1×1016cm-3 或從1×1015cm-3 至5×1015cm-3 。
稀氮化物活性層或稀氮化物活性區域（例如GaInNAsSb活性層或GaInNAsSb活性區域）可以具有例如從1.0ns到3.0ns、從1.5ns到2.5ns，或從1.5ns到2.0ns的少數載子壽命。稀氮化物活性層或稀氮化物活性區域（例如GaInNAsSb活性層或GaInNAsSb活性區域）可以具有例如大於1.0ns、大於1.5ns、大於2.0ns，或大於2.5ns的少數載子壽命。TRPL動力學在室溫（約25℃）下使用由鈦藍寶石光參量放大器雷射(Ti:Sapphire:OPA laser)產生的激發波長為970nm、具有平均連續波功率為0.250mW並且脈衝持續時間為200fs的雷射來進行測量，所述鈦藍寶石光參量放大器雷射具有250kHz的脈衝重複率和在樣品處的1mm的雷射束直徑。
稀氮化物活性層或稀氮化物活性區域（例如GaInNAsSb活性層或GaInNAsSb活性區域）可以具有例如0.9eV到0.92eV的能隙。
稀氮化物活性層或稀氮化物活性區域（如GaInNAsSb活性層或GaInNAsSb活性區域）的光致發光光譜可以具有通過光致發光光譜測定的例如50nm至150nm、50nm至125nm、50nm至70nm，或75nm至125nm的FWHM。
稀氮化物活性層或稀氮化物活性區域（例如GaInNAsSb活性層或GaInNAsSb活性區域）可以具有例如0.25μm至2.5μm、0.5μm至2.0μm或0.5μm至1.5μm的厚度。
本公開提供的器件（例如光偵測器）可以具有圖4的結構。
本公開提供的器件（諸如光偵測器）可以具有例如從20μm至3mm、從0.5mm至2.5mm或從1mm至2mm的直徑，其中，直徑是指器件的活性區域的面內寬度。例如，參考圖4，直徑是指接觸件412之間的距離。諸如光偵測器的器件可具有例如大於20μm、大於100μm、大於500μm、大於1mm或大於2mm的直徑，其中直徑是指器件的活性區域的面內寬度。
本公開提供的諸如光偵測器的器件可以具有在約70°和90°（垂直於基板）之間的側壁角（諸如在約80°和90°之間），其中側壁角是指堆疊的磊晶層的側壁相對於基板表面的平面的角度。
本公開提供的諸如光偵測器的器件在1300nm的波長下可以具有例如從0.55A/W至0.90A/W、從0.6A/W至0.85A/W、從0.65A/W至0.80A/W的範圍內的響應度，其中響應度是使用具有單色化為10nm波長帶的光的寬頻譜鹵素燈測量的。
本公開提供的諸如光偵測器的器件可以具有0.75mm至1.25mm的直徑（例如0.9mm至1.1mm），並且可以呈現出在室溫25℃下測量的在1V偏壓下的例如2.5nA至4.5nA、2.7nA至4.3nA、2.9nA至4.1nA、3.1nA至3.9nA或3.2nA至3.8nA的暗電流。
本公開提供的具有稀氮化物活性區域的光偵測器可以具有圖4所示的結構。基板可以是半絕緣GaAs基板，第一阻擋層可以是厚度為0.05μm至0.15μm、摻雜水平為1×1017 cm-3 至1×1019 cm-3 的p型摻雜GaAs層，第二阻擋層可以是厚度為0.05μm至0.15μm、摻雜水平為1×1017 cm-3 至1×1019 cm-3 的n型摻雜GaAs層，以及活性區域可以包括GaInNAsSb材料，活性區域具有0.9eV至0.92eV的能隙、50nm至70nm FWHM的光致發光光譜和0.05μm至0.15μm的厚度。GaInNAsSb波峰和GaAs基板之間的XRD分束可以是從600角秒到1000角秒，對應於0.2%到0.35%的壓縮應變。
本公開提供的光偵測器可以具有圖4的結構，具有0.75mm至1.25mm的直徑，70°至90°（垂直於基板）的側壁角度，使用具有單色化為10nm波長帶的光的寬頻譜鹵素燈測量的從0.6A/W至0.85A/W（在1300nm波長下）範圍內的響應度，以及在室溫25℃下測量的在1V偏壓下的2.5nA至4.5nA的暗電流。
如果在器件中稀氮化物活性層或稀氮化物活性區域具有與活性層或活性區域內的稀氮化物材料的不同元素組成相關聯的至少兩個能隙，則可實現減小的暗電流。活性區域的特徵可以在於最大能隙差，這是指活性區域內最高能隙材料和最低能隙材料之間的差。在稀氮化物活性區域中，稀氮化物材料的最高能隙和稀氮化物材料的最低能隙之間的差是最大能隙差。活性區域（如稀氮化物活性區域）的能隙差可以是（例如）大於40meV、大於50meV、大於100meV、大於250meV、大於500meV，或大於1,000meV。活性區域（如稀氮化物活性區域）的能隙差可以是例如小於50meV、小於100meV、小於250meV、小於500meV或小於1,000meV。活性區域（如稀氮化物活性區域）的能隙差可以是（例如）從40meV到1,000meV、從50meV到800meV、從100meV到700meV，或從200meV到600meV。
光偵測器的暗電流是當器件處於偏置狀態但沒有暴露于光源時可以在器件中流動的電流，因此用作雜訊源。暗電流是降低光偵測器的訊噪比的貢獻因素之一，並且希望降低暗電流以增強光偵測器的性能。暗電流與半導體材料內的本質（或背景）載子濃度有關。對於半導體材料，本質載子濃度ni可指數地取決於材料能隙Eg，如下：
Figure 02_image001
其中，Nc 是導帶中狀態的有效密度，Nv 是價帶中狀態的有效密度，k是波茲曼常數(Boltzmann constant)，T是溫度。高能隙半導體材料通常具有比低能隙材料較低的暗電流。對於稀氮化物材料，將N包含到半導體中會在材料中引入缺陷。已經顯示出，向稀氮化物合金中添加Sb以及熱退火可改善結晶度並降低背景載子濃度。本質或非有意摻雜的稀氮化物活性區域的背景載子濃度可以是例如小於1×1016 cm-3 （在室溫25℃下測量）、小於5×1015 cm-3 ，或小於1×1015 cm-3 。在較低能隙處的背景載子濃度可以高於在較高能隙處的背景載子濃度，這與較低能隙通常需要的較高的高N組成有關。本質或非有意摻雜的活性區域的背景載子濃度（相當於摻雜劑濃度）可以是例如小於1×1016 cm-3 （在室溫25℃下測量）、小於5×1015 cm-3 ，或小於1×1015 cm-3 。因此，需要減小較低能隙材料的厚度。對於具有相同活性區域厚度的器件，通過使用漸變或階梯式能隙活性區域，具有最小能隙的活性區域的半導體光電器件與具有恒定能隙（所述恒定能隙等於最小能隙）的活性區域的同類器件相比，可以具有更低的暗電流和更低的暗雜訊。例如，暗電流可以減小超過10倍或超過100倍。通過使用漸變或階梯式能隙活性區域，具有最小能隙的活性區域的半導體光電器件與另一器件相比，可以具有更高的訊噪比，該另一器件除了其活性區域具有等於最小能隙的恒定能隙之外具有與所述半導體光電器件相同的結構。
稀氮化物活性區域可以包括（例如）單層活性區域的至少兩個部分或多層活性區域的至少兩個層，所述多層活性區域具有不同的組成，每個具有不同的能隙。可以使用較高能隙的區域來吸收達到特定波長的光，而可以使用較低能隙的區域來吸收較長的波長。在第二區域中吸收的較長波長的範圍的響應度可以使用附加結構來保持。因此，可以通過減小較低能隙材料的厚度來減小暗電流（與低能隙稀氮化物的單個區域相比），同時保持器件的響應度。
圖16是根據本發明實施方式的可以包括在諸如化合物半導體光電結構100、200、300或400之類的化合物半導體光電結構中的稀氮化物的活性區域1606的截面示意圖。活性區域1606包括具有第一能隙（Eg1 ）和第一厚度（t1 ）的第一活性層1606a和具有不同於第一能隙（Eg1 ）的第二能隙（Eg2 ）和第二厚度t2 的至少第二活性層1606b。還可以包括附加的活性層至第n活性層1606n，每個活性層具有不同的能隙。圖16是n個活性層堆疊在一起的可能性，每個活性層具有不同的能隙，第n層的能隙表示為Egn 。多層結構內的能隙變化例如可以是在多層結構內單調增加或單調減少。用於層的能隙可以被佈置成使得例如Eg1 ＜ Eg2 ＜……＜ Egn-1 ＜ Egn ，或者Eg1 ＞ Eg2 ＞……＞ Egn-1 ＞ Egn 。每個活性層的厚度可以獨立地為從0.05μm至7.5μm，例如從0.1μm至5μm、從0.5μm至4μm或從1μm至3μm。最高能隙和最低能隙之間的能隙差可以是例如至少40meV，或者能隙差可以小於700meV。每個活性層可以包括稀氮化物材料，例如GaInNAsSb。
圖17是根據圖16中的實施例的稀氮化物活性區域1706的能帶邊緣對準，其中三個不同的活性層形成夾在第一摻雜區域1704和第二摻雜區域1708之間的活性區域。第一摻雜區域1704和第二摻雜區域1708可以具有相反的摻雜類型，如針對半導體光電結構100、200、300和400所描述的，並且具有如針對半導體光電結構100、200、300和400所描述的組成，以及具有大於稀氮化物活性區域1706的任何能隙的能隙。在該實施例中，稀氮化物活性區域1706包括具有能隙Eg1 和厚度t1 的第一活性層，具有大於Eg1 的能隙Eg2 和厚度t2 的第二活性區域，以及具有大於Eg2 的能隙Eg3 和厚度t3 的第三活性區域，從而形成具有不連續或階梯式能隙分佈的活性區域。稀氮化物活性區域1706中的每個活性層可以包括稀氮化物材料。
可以從器件的頂表面照射包括活性區域1706的光偵測器器件，其中光通過第二摻雜區域1708進入活性區域1706。與大於Eg3 但小於第二摻雜區域1708的能隙的能隙相對應的最短波長的光可以主要被第三活性層吸收，但也可以在第二活性層和第一活性層中被吸收，這取決於每個活性層的層厚度。對應於Eg2 和Eg3 之間的能量的第二組波長可以主要由第二活性層吸收，但是也可以根據每個活性層的層厚度而在第一活性層中吸收。對應於Eg1 和Eg2 之間的能量的最長波長可以被第一活性層吸收。與具有能隙Eg1 的單個活性層的器件相比，該活性層的厚度得以減小。為了增加至少第一活性層內的吸收，可以使用下面的反射器(圖中未示)將未吸收的光反射回活性區域1706。因此，在一些實施方式中，分布式布拉格反射器（distributed Bragg reflector, DBR）或啁啾分布式布拉格反射器（chirped distributed Bragg reflector, CDBR）可以位於活性區域1706的下面。美國公開申請No.2019/028143A1中描述了CDBR的實施例，其全文以引用的方式併入本文中。
可以被活性區域1706吸收的波長範圍可以部分地由活性區域內的最小能隙和上覆的第二摻雜區域1708的能隙來確定。對於GaAs摻雜區域，可以被吸收和檢測的最小波長大約為870nm。對於（Al）InGaP第二摻雜區域，能隙更大，因此可以被吸收和檢測的最小波長可以減小到約500nm或400nm，這取決於活性區域的組成。因此，單個檢測器能夠吸收可見光和短波紅外（SWIR）波長範圍內的光。
在活性區域1706中，可以選擇活性層的數量、相應的能隙和相應的厚度來近似於用於能隙變化（包括線性能隙變化或非線性能隙變化）的任何函數。最高能隙和最低能隙之間的能隙差可以是例如從40meV到700meV。
可以通過改變每個活性層的III族源的溫度從而控制生長速率和半導體合金組成（因此能夠控制能隙）來調節活性區域1706的每個活性層的能隙。還可通過改變生長期間V族元素的比率、III族助熔劑與V族助熔劑之間的比率，和/或通過改變基板溫度來調節活性區域1706的每個活性層的能隙。
如圖18A、圖18B和圖18C所示，可以使用漸變能隙代替階梯式能隙結構，其包括夾在第一摻雜區域1804和第二摻雜區域1808之間的漸變能隙活性區域1806A、1806B或1806C。可以從器件的頂表面照射包括活性區域1806A、或1806B、或1806C的光偵測器器件，光通過第二摻雜區域1808進入活性區域。
圖18A是活性區域1806A的實施例，該活性區域1806A具有從能隙Eg1 到能隙Eg2 的線性能隙變化，Eg1 位於活性區域1806A與第一摻雜區域1804的界面處，Eg2 位於活性區域1806A與第二摻雜區域1808的界面處。最小能隙差約為40meV，以及最大能隙差約為700meV。
圖18B是活性區域1806B的實施例，該活性區域1806B具有從能隙Eg1 到能隙Eg2 的非線性能隙變化，Eg1 位於活性區域1806B與第一摻雜區域1804的界面處，Eg2 位於活性區域1806B與第二摻雜區域1808的界面處。在該實施例中，活性區域1806B的能隙從Eg1 增加到Eg2 ，能隙作為活性區域內的位置的函數而增加。最小能隙差約為40meV，最大能隙差約為700meV。例如，可以使用作為遠離第一摻雜區域1804與活性區域1806B之間的界面的距離的函數的二次分佈、指數分佈或其它連續分佈來實現能隙。也可以使用其它非線性分佈。
可以通過在層生長期間改變III族源的溫度從而控制生長速率和半導體合金組成（因此能夠控制能隙）來調節活性區域1806A、1806B和1806C的能隙。活性區域1806A、1806B和1806C的能隙也可以通過在生長期間改變V族元素的比率，III族助熔劑與V族助熔劑之間的比率，和/或通過改變基板溫度來調節。
圖18C是活性區域1806C的實施例，該活性區域1806C具有從能隙Eg1 到能隙Eg2 的非線性能隙變化，能隙Eg1 位於活性區域1806C與第一摻雜區域1804的界面處，能隙Eg2 位於活性區域1806C與第二摻雜區域1808的界面處。在該實施例中，活性區域1806B的能隙的值從Eg1 增加到Eg2 ，能隙作為活性區域內的位置的函數而減小。最小能隙差約為40meV，最大能隙差約為700meV。例如，可以使用作為距離第一摻雜區域1804和活性區域1806B之間的界面的距離的函數的對數分佈來實現能隙分佈，儘管也可以使用其它非線性分佈。
根據本發明的活性區域還可以包括合成步驟和合成步驟中的組合成等級。
反射器可以位於活性區域的下方，並且可以將未在活性區域中吸收的光反射回活性區域中，以增加活性區域內的光的吸收。反射器被設計成反射至少由具有最小能隙的活性區域吸收的波長的光。這在活性區域的厚度或活性區域的一部分不足以吸收通過活性區域的單次傳輸內的所有光的實施方式中可能是需要的。
圖19是常規DBR和CDBR在垂直入射時的模擬反射率光譜。這兩種設計被配置為在反射率光譜中具有在約0.76eV能量處的截止長波長的FWHM，對應於約1630nm的波長。常規DBR的反射率光譜顯示為曲線1902，CDBR的反射率光譜顯示為曲線1904。
常規DBR包括20.5對GaAs/AlAs鏡像層，對於GaAs和AlAs層分別具有大約115nm和132nm的鏡像層厚度。反射率光譜1902的峰值反射率在大約1540nm的波長處出現，峰值反射率剛超過99%，並且反射率光譜1402的FWHM大約為175nm。因此，在大約1460nm和1635nm之間的大約175nm範圍內光偵測器的上覆活性層的響應度可被增強。相應地，活性區域的第一活性層可以具有接近DBR的截止長波長的大約0.76eV的能隙。DBR的截止短波長對應於大約0.85eV的能量。對於具有兩個具有不同能隙的活性層的檢測器，第二活性層的能隙可以選擇為大約0.85eV，或大約0.84eV，對於兩個活性層，相應的能隙變化為大約90meV或大約80meV。在一些實施方式中，第二活性層的能隙可以在DBR的截止短波長的約25meV內。DBR的反射率光譜可以被設計成將光反射回具有至少兩個具有不同能隙的活性層的活性區域，其中檢測器具有在最小能隙和最大能隙之間的至少約80meV或約90meV的能隙差。
參照圖19，CDBR包括20.5對GaAs/AlAs鏡像層，啁啾分數大約為5%。而對於非啁啾DBR，層厚度被選擇為
Figure 02_image003
/4n（其中
Figure 02_image003
是設計波長，n是鏡面層的折射率）以優化在單個波長處的反射，在CDBR中，最厚的層被選擇為具有（1+C）
Figure 02_image003
/4n的厚度，最薄的層具有（1-C）
Figure 02_image003
/4n的厚度，其中C是啁啾分數(chirp fraction)。在該實施例中，在分組中使用具有相同厚度的幾對層，啁啾分數被施加在相鄰分組上。對於GaAs和AlAs層，最厚的鏡面層分別具有大約115nm和132nm的厚度。對於GaAs和AlAs層，最薄的鏡面層分別具有大約105nm和121nm的厚度。對於反射率光譜1904，在大約1480nm的波長處出現大約98%的峰值反射率，並且FWHM在大約1345nm和1630nm的波長之間大約為285nm。因此，在大約1345nm和1630nm之間的大約285nm範圍內光偵測器的上覆活性區域的響應度可被增強。
反射率光譜1904在FWHM內具有兩個波谷1906和1908。然而，應當理解，這些下沉可以通過插入具有不同厚度的附加GaAs和AlAs層來補償，所述附加GaAs和AlAs層被設計成在與波谷1906和1908相關聯的波長處增加反射率。儘管光譜1904的最大反射率小於光譜1902的最大反射率，但FWHM增加了大約110nm，從而能夠在比常規DBR更大的波長範圍上改善檢測器的上覆活性區域的響應度。反射率光譜1904的較截止短波長對應於約0.92eV的能隙能量。對於具有兩個具有不同能隙的活性層的光偵測器，第二活性層的能隙可以選擇為大約0.92eV，或大約0.9eV，提供大約160meV或大約140meV的能隙差。在一些實施方式中，第二活性層的能隙可以在DBR的截止短波長的約25meV內。在某些實施方式中，可將反射率光譜設計成將透射的光反射回具有兩個具有不同能隙的活性層的活性區域，其中檢測器具有在最小能隙和最大能隙之間的至少約160meV或約140meV的能隙差。因此，使用諸如DBR或CDBR的反射器可以允許減小低能隙吸收層的厚度以減小暗電流。
本發明的各個實施態樣，通過以下實施態樣進一步限定本發明。
實施態樣1、一種化合物半導體光電結構，包括：具有基板表面的基板；疊加在基板表面上的第一摻雜區域；疊加在第一摻雜區域上的活性區域，其中，活性區域包括：稀氮化物材料；以及活性區域具有正交於基板表面的非均勻能隙；以及疊加在活性區域上的第二摻雜區域。
實施態樣2、根據實施態樣1所述的結構，其中，能隙在0.7eV到1.4eV的範圍內。
實施態樣3、根據實施態樣1-2中任一實施態樣所述的結構，其中，活性區域具有0.2μm至10μm的厚度。
實施態樣4、根據實施態樣1-2中任一實施態樣所述的結構，其中，活性區域包括單個活性層。
實施態樣5、根據實施態樣4所述的結構，其中，能隙在活性區域的至少一部分厚度內連續變化。
實施態樣6、根據實施態樣4-5中任一實施態樣所述的結構，其中，能隙遍及所述活性區域的厚度連續變化。
實施態樣7、根據實施態樣4-5中任一實施態樣所述的結構，其中，能隙遍及所述活性區域的厚度線性變化。
實施態樣8、根據實施態樣4-5中任一實施態樣所述的結構，其中，能隙遍及所述活性區域的厚度非線性地變化。
實施態樣9、根據實施態樣4-5中任一實施態樣所述的結構，其中，能隙在活性區域的整個厚度上呈二次方變化或呈指數變化。
實施態樣10、根據實施態樣1-9中任一實施態樣所述的結構，其中，活性區域包括本質摻雜或非有意摻雜。
實施態樣11、根據實施態樣1-9中任一實施態樣所述的結構，其中，活性區域被有意摻雜。
實施態樣12、根據實施態樣11所述的結構，其中，有意摻雜的活性區域包括恒定摻雜分佈、不連續摻雜分佈或連續摻雜分佈。
實施態樣13、根據實施態樣12所述的結構，其中，不連續摻雜分佈包括階梯式摻雜分佈。
實施態樣14、根據實施態樣12所述的結構，其中，連續摻雜分佈包括線性摻雜分佈或非線性摻雜分佈。
實施態樣15、根據實施態樣14所述的結構，其中，非線性摻雜分佈包括二次方摻雜分佈或指數摻雜分佈。
實施態樣16、根據實施態樣11-15中任一實施態樣所述的結構，其中，有意摻雜的活性區域包括p型摻雜劑。
實施態樣17、根據實施態樣11-15中任一實施態樣所述的結構，其中，有意摻雜的活性區域包括n型摻雜劑。
實施態樣18、根據實施態樣1-17中任一實施態樣所述的結構，其中，能隙隨著距基板的距離而增大。
實施態樣19、根據實施態樣1-17中任一實施態樣所述的結構，其中，能隙隨著距基板的距離而減小。
實施態樣20、根據實施態樣1-19中任一實施態樣所述的結構，其中，活性區域包括兩個或更多個活性層。
實施態樣21、根據實施態樣20所述的結構，其中，兩個或更多個活性層中的每一層包括稀氮化物材料。
實施態樣22、根據實施態樣20-21中任一實施態樣所述的結構，其中，兩個或更多個活性層中的每一層具有與每個其它活性層不同的能隙。
實施態樣23、根據實施態樣20-22中任一實施態樣所述的結構，其中，兩個或更多個活性層中的至少一層具有均勻能隙。
實施態樣24、根據實施態樣20-23中任一實施態樣所述的結構，其中，兩個或更多個活性層中的每一層均具有均勻能隙。
實施態樣25、根據實施態樣20-23中任一實施態樣所述的結構，其中，兩個或更多個活性層中的至少一層具有非均勻能隙。
實施態樣26、根據實施態樣25所述的結構，其中，非均勻能隙在活性層的整個厚度上連續變化。
實施態樣27、根據實施態樣25所述的結構，其中，非均勻能隙在活性層的整個厚度上線性地變化。
實施態樣28、根據實施態樣25所述的結構，其中，非均勻能隙在活性層的整個厚度上非線性地變化。
實施態樣29、根據實施態樣25所述的結構，其中，非均勻能隙在活性層的整個厚度上呈二次方變化或指數變化。
實施態樣30、根據實施態樣20所述的結構，其中，兩個或更多個活性層中的每一層獨立地包括均勻能隙或非均勻能隙。
實施態樣31、根據實施態樣20-30中任一實施態樣所述的結構，其中，兩個或更多個活性層中的每一層獨立地包括本質摻雜的活性層或有意摻雜的活性層。
實施態樣32、根據實施態樣31所述的結構，其中，有意摻雜的活性層包括恒定摻雜分佈、不連續摻雜分佈或連續摻雜分佈。
實施態樣33、根據實施態樣32所述的結構，其中，不連續摻雜分佈包括階梯式摻雜分佈。
實施態樣34、根據實施態樣33所述的結構，其中，連續摻雜分佈包括線性摻雜分佈或非線性摻雜分佈。
實施態樣35、根據實施態樣34所述的結構，其中，非線性摻雜分佈包括二次方摻雜分佈或指數摻雜分佈。
實施態樣36、根據實施態樣31-35中任一實施態樣所述的結構，其中，有意摻雜的活性層包括p型摻雜劑。
實施態樣37、根據實施態樣31-35中任一實施態樣所述的結構，其中，有意摻雜的活性層包括n型摻雜劑。
實施態樣38、根據實施態樣20所述的結構，其中，兩個或更多個活性層中的每一層均具有均勻的能隙；以及兩個或更多個活性層的能隙隨著距基板的距離而增大。
實施態樣39、根據實施態樣20所述的結構，其中，兩個或更多個活性層中的每一層均具有均勻的能隙；以及兩個或更多個活性層的能隙隨著距基板的距離而減小。
實施態樣40、根據實施態樣20-39中任一實施態樣所述的結構，其中，兩個或更多個活性層中的每一層獨立地具有從50nm到7.5μm的厚度。
實施態樣41、根據實施態樣1-40中任一實施態樣所述的結構，其中，基板包括GaAs、AlGaAs、Ge、SiGeSn或緩衝Si。
實施態樣42、根據實施態樣41所述的結構，其中，緩衝的矽基板包括SiGe緩衝的矽基板、SiGeSn緩衝的矽基板和稀土（rare-earth, RE）緩衝的矽基板，例如稀土氧化物（rare-earth oxide, REO）緩衝的矽基板。
實施態樣43、根據實施態樣1-42中任一實施態樣所述的結構，其中，活性區域內的稀氮化物材料的最低能隙與最高能隙之間的能隙差為至少40meV。
實施態樣44、根據實施態樣43所述的結構，其中，能隙差為40meV至700meV。
實施態樣45、根據實施態樣1-44中任一實施態樣所述的結構，其中，稀氮化物材料與基板是晶格匹配的，或者稀氮化物材料相對於基板是假晶應變的。
實施態樣46、根據實施態樣1-45中任一實施態樣所述的結構，其中，稀氮化物材料具有相對於基板的在0%至0.4%範圍內的壓縮應變。
實施態樣47、根據實施態樣1-46中任一實施態樣所述的結構，其中，稀氮化物材料具有小於GaAs或Ge的晶格常數3%的晶格常數。
實施態樣48、根據實施態樣1-47中任一實施態樣所述的結構，其中，稀氮化物材料包括GaInNAs、GaNAsSb、GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaNAsSbBi、GaNAsBi、GaInNAsSbBi，或前述任一項的組合。
實施態樣49、根據實施態樣1-48中任一實施態樣所述的結構，其中，稀氮化物材料包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0 ≤ x ≤ 0.4、0 ≤ y ≤ 0.07以及0 ≤ z ≤ 0.04。
實施態樣50、根據實施態樣1-48中任一實施態樣所述的結構，其中，稀氮化物材料包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.12 ≤ x ≤ 0.24、0.03 ≤ y ≤ 0.07、0.001 ≤ z ≤ 0.02；0.12 ≤ x ≤ 0.24、0.03 ≤ y ≤ 0.07和0.005 ≤ z ≤ 0.04；0.13 ≤ x ≤ 0.20、0.03 ≤ y ≤ 0.045和0.001 ≤ z ≤ 0.02；0.13 ≤ x ≤ 0.18、0.03 ≤ y ≤ 0.04和0.001 ≤ z ≤ 0.02；或0.18 ≤ x ≤ 0.24、0.04 ≤ y ≤ 0.07和0.01 ≤ z ≤ 0.04。
實施態樣51、根據實施態樣1-50中任一實施態樣所述的結構，其中，稀氮化物材料具有使用光致發光光譜測定的50nm至150nm的光致發光半高寬（FWHM）。
實施態樣52、根據實施態樣1-51中任一實施態樣所述的結構，其中，稀氮化物材料的X射線繞射（XRD）圖案呈現從300角秒至1,000角秒的分束。
實施態樣53、根據實施態樣1-52中任一實施態樣所述的結構，其中，稀氮化物材料呈現出在室溫下使用由鈦藍寶石光參量放大器雷射產生的激發波長為970nm、具有平均CW功率為0.250mW並且脈衝持續時間為200fs的雷射測量的從1.1奈秒至2.5奈秒的載子壽命，鈦藍寶石光參量放大器雷射具有250kHz的脈衝重複率和在樣品處的1mm的雷射束直徑。
實施態樣54、根據實施態樣1-53中任一實施態樣所述的結構，其中，第一摻雜區域包括p型摻雜劑，以及第二摻雜區域包括n型摻雜劑；或者第一摻雜區域包括n型摻雜劑，以及第二摻雜區域包括p型摻雜劑。
實施態樣55、根據實施態樣1-54中任一實施態樣所述的結構，其中，第一摻雜區域和第二摻雜區域中的每一個獨立地包括從1×1015 cm-3 至2×1019 cm-3 的摻雜劑濃度。
實施態樣56、根據實施態樣1-55中任一實施態樣所述的結構，其中，第一摻雜區域和第二摻雜區域中的每一者獨立地包括GaAs、AlGaAs、GaInAs、（Al）GaInP、（Al）GaInPAs、AlInP、GaInNAs、GaInNAsSb或前述任一者的組合。
實施態樣57、根據實施態樣1-56中任一實施態樣所述的結構，其中，第一摻雜區域和第二摻雜區域中的每一者獨立地具有大於活性區域內的材料的最大能隙的能隙。
實施態樣58、根據實施態樣1-57中任一實施態樣所述的結構，其中，第一摻雜區域和第二摻雜區域中的每一者都包括接觸層和阻擋層，其中，阻擋層與活性區域相鄰。
實施態樣59、根據實施態樣1-58中任一實施態樣所述的結構，其中，第一摻雜區域和第二摻雜區域中的每一者獨立地包括從30nm至30μm的厚度。
實施態樣60、根據實施態樣1-59中任一實施態樣所述的結構，還包括位於第一摻雜區域上方且位於活性區域下方的倍增層。
實施態樣61、根據實施態樣1-60中任一實施態樣所述的結構，還包括位於活性區域下方的反射器。
實施態樣62、根據實施態樣61所述的結構，其中，反射器配置為反射波長能夠被活性區域吸收的光。
實施態樣63、根據實施態樣61-62中任一實施態樣所述的結構，其中，反射器包括分布式布拉格反射器。
實施態樣64、根據實施態樣61-62中任一實施態樣所述的結構，其中，反射器包括啁啾分布式布拉格反射器。
實施態樣65、一種器件，包含根據實施態樣1-64中任一實施態樣所述的結構。
實施態樣66、根據實施態樣64所述的器件，其中，所述器件具有從20μm至3mm的直徑。
實施態樣67、根據實施態樣65至66中任一實施態樣所述的器件，其中，器件的側壁相對於基板表面具有70度至90度的角度。
實施態樣68、根據實施態樣65至67中任一實施態樣所述的器件，其中器件包括多個根據實施態樣1-64中任一實施態樣所述的半導體結構。
實施態樣69、根據實施態樣65至68中任一實施態樣所述的器件，其中器件包括光偵測器。
實施態樣70、根據實施態樣65至69中任一實施態樣所述的器件，其中器件包括光偵測器陣列。
實施態樣71、根據實施態樣65到70中任一實施態樣所述的器件，進一步包括反射器，其中反射器位於活性區域下方且配置為反射波長能夠被活性區域內的具有最低能隙的材料吸收的光。
實施態樣72、根據實施態樣65至71中任一實施態樣所述的器件，其中器件具有使用寬頻譜鹵素燈確定的從0.55A/W至0.90A/W的響應度，所述寬頻譜鹵素燈具有單色化為10nm波長帶的光。
實施態樣73、一種形成半導體光電器件的方法，形成疊加在具有表面的基板上的第一摻雜區域；形成疊加在第一摻雜區域上的活性區域，其中，活性區域包括稀氮化物材料；以及活性區域具有正交於基板表面的非均勻能隙；以及形成疊加在活性區域上的第二摻雜區域。
實施態樣74、根據實施態樣73所述的方法，其中活性區域內的稀氮化物材料的最低能隙與最高能隙之間的能隙差為至少40meV。
實施態樣75、根據實施態樣73至74中任一實施態樣所述的方法，其中稀氮化物材料包括GaInNAs、GaNAsSb、GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaNAsSbBi、GaNAsBi、GaInNAsSbBi或前述任一項的組合。
實施態樣76、根據實施態樣73至75中任一實施態樣所述的方法，其中稀氮化物材料包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0 ≤ x ≤ 0.4,0 ≤ y ≤ 0.07和0 ≤ z ≤ 0.04。
實施態樣77、根據實施態樣73至76中任一實施態樣所述的方法，其中稀氮化物層包含Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz ，其中0.12 ≤ x ≤ 0.24、0.03 ≤ y ≤ 0.07和0.001 ≤ z ≤ 0.02；0.12 ≤ x ≤ 0.24、0.03 ≤ y ≤ 0.07和0.005 ≤ z ≤ 0.04；0.13 ≤ x ≤ 0.2、0.03 ≤ y ≤ 0.045和0.001 ≤ z ≤ 0.02；0.13 ≤ x ≤ 0.18、0.03 ≤ y ≤ 0.04和0.001 ≤ z ≤ 0.02；或0.18 ≤ x ≤ 0.24、0.04 ≤ y ≤ 0.07和0.01 ≤ z ≤ 0.04。
實施態樣78、根據實施態樣73至77中任一實施態樣所述的方法，其中活性區域的厚度在0.2μm至10μm的範圍內。
實施態樣79、根據實施態樣73至78中任一實施態樣所述的方法，其中基板包括GaAs、AlGaAs、Ge、SiGeSn或緩衝Si。
實施態樣80、根據實施態樣73至79中任一實施態樣所述的方法，其中稀氮化物材料具有小於GaAs或Ge的晶格常數3%的晶格常數。
實施態樣81、根據實施態樣73至80中任一實施態樣所述的方法，其中稀氮化物材料相對於基板具有0%至0.4%範圍內的壓縮應變。
實施態樣82、根據實施態樣73至81中任一實施態樣所述的方法，其中器件包括光偵測器。
實施態樣83、一種使用根據實施態樣73至82中任一實施態樣所述的方法製造的半導體光電器件。
實施態樣84、根據實施態樣83所述的半導體光電器件，其中器件包括光偵測器。
實施態樣85、根據實施態樣83所述的半導體光電器件，其中器件包括光偵測器陣列。
實施態樣86、根據實施態樣84所述的半導體光電器件，其中，活性區域具有最小能隙；以及器件具有暗電流，其中，器件的暗電流小於另一器件的暗電流，所述另一器件除了其活性區域具有等於所述最小能隙的恒定能隙之外具有與所述器件相同的結構。
實施態樣87、根據實施態樣84所述的半導體光電器件，其中，活性區域具有最小能隙；器件具有訊噪比，其中，半導體光電器件的訊噪比高於另一器件的訊噪比，所述另一器件除了其活性區域具有等於所述最小能隙的恒定能隙之外具有與所述半導體光電器件相同的結構。
實施例
以下實施例詳細描述了本公開提供的化合物、器件和方法的實施例。對於本領域技術人員顯而易見的是，在不脫離本公開的範圍的情況下，可以對材料和方法進行許多修改。
實施例1
GaInNAsSb層的X射線和光致發光表徵
通過X射線繞射（X-ray Diffraction, XRD）和光致發光（photoluminescence, PL）光譜表徵了能隙在約0.8eV和0.92eV之間的適用於納入光偵測器中的稀氮化物GaInNAsSb材料。樣品的稀氮化物活性層的厚度為約0.5μm。圖6和圖7是使用MBE在GaAs基板上磊晶形成的GaInNAsSb層的XRD掃描，所述GaInNAsSb層的能隙分別為約0.855eV和0.912eV。GaInNAsSb層是假晶層（非弛豫的）。
如圖6所示，針對0.855eV材料的X射線繞射掃描602具有兩個波峰604和606，這兩個波峰表示存在兩個不同的晶格參數。波峰604對應於GaAs基板的晶格參數，波峰606對應於GaInNAsSb層的晶格參數。波峰606從波峰604偏移大約-820角秒，表明GaInNAsSb層相對於GaAs是壓縮應變的。
如圖7所示，針對0.912eV材料的X射線繞射掃描702具有兩個波峰704和706，這兩個波峰指示兩個不同晶格參數的存在。波峰704對應於GaAs基板的晶格參數，而波峰706對應於GaInNAsSb層的晶格參數。波峰706從波峰704偏移大約-780角秒，表明GaInNAsSb層相對於GaAs是壓縮應變的。
波峰604、606、704和706的窄度表示GaInNAsSb層具有高結晶度和低缺陷水平。
圖8、圖9和圖10是能隙在約0.8eV和0.92eV之間的不同GaInNAsSb材料樣品的PL光譜。
如圖8所示，X射線繞射掃描802包括在1370.2nm波長處的波峰804，對應於大約0.905eV的能量。掃描802包括97.8nm的半高寬（FWHM）806。這種窄的FWHM表示良好的材料品質。
如圖9所示，X射線繞射掃描902包括在1447.2nm波長處的波峰904，對應於大約0.857eV的能量。掃描902包括102.4nm的半高寬（FWHM）906。這種窄的FWHM表示良好的材料品質。
如圖10所示，X射線繞射掃描1002包括在波長1543.3nm處的波峰1004，對應於約0.803eV的能量。掃描1002包括125.4nm的半高寬（FWHM）1006。這種窄的FWHM也表明了良好的材料品質。
實施例2
GaAs上生長的基於GaInNAsSb的光偵測器
製造了包括含有GaInNAsSb並具有0.9eV至0.92eV範圍內的能隙的單層稀氮化物區域的光偵測器。Ga1-x Inx Ny As1-y-z Sbz 的組成為0.12 ≤ x ≤ 0.24、0.03 ≤ y ≤ 0.07和0.001 ≤ z ≤ 0.02，諸如0.13 ≤ x ≤ 0.2、0.03 ≤ y ≤ 0.045和0.001 ≤ z ≤ 0.02，或0.13 ≤ x ≤ 0.18、0.03 ≤ y ≤ 0.04和0.001 ≤ z ≤ 0.02。光偵測器的結構在圖4中示出。稀氮化物層的光致發光（photoluminescence, PL）測量呈現了50nm至70nm範圍內的半高寬。稀氮化物層的厚度在0.5μm至1.5μm的範圍內。光偵測器結構包括半絕緣（SI）GaAs基板。第一接觸層是厚度為1μm、摻雜水平為5×1018 cm-3 的p型摻雜GaAs層。第一阻擋層是厚度為0.1μm、摻雜水平為1×1018 cm-3 的p型摻雜GaAs層。活性區域是本質（或非有意摻雜）GaInNAsSb層。第二阻擋層是厚度為0.1μm、摻雜水平為1×1018 cm-3 的n型摻雜GaAs層。第二接觸層是厚度為50nm、摻雜水平為1×1019 cm-3 的n型摻雜GaAs層。使用高分辨率X射線繞射（XRD）表徵稀氮化物層的應變，並且在基板和稀氮化物層之間呈現出600角秒至1000角秒的範圍內的波峰分束，對應於0.2%至0.35%的壓縮應變。具有高達0.4%的壓縮應變的活性區域的器件也是可能的。還製造了直徑在20μm至3mm範圍內的光偵測器。
通過蝕刻穿過稀氮化物材料以形成具有高達約1mm的器件直徑的檯面結構來製造檢測器和檢測器陣列。蝕刻稀氮化物材料的方法包括濕蝕刻製程，例如9,263,611號美國專利和9,627,561號美國專利中描述的那些，上述兩篇專利均以全文引用的方式併入本文中，蝕刻稀氮化物材料的方法還包括乾蝕刻技術（例如，使用電感耦合電漿（ICP））。蝕刻製程可配置為提供平滑側壁，其中側壁角度在約80°與90°（垂直於基板）之間，或在約70°與90°之間。
圖11A是GaInNAsSb稀氮化物材料的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，所述GaInNAsSb稀氮化物材料使用ICP蝕刻進行蝕刻並形成檯面1100。檯面1100具有頂表面1102、底表面1104和相對於表面具有側壁角度的側壁1106。側壁角度小於90°但大於80°。使用本領域已知的標準鈍化和金屬化步驟來完成器件。
圖11B示出GaInNAsSb稀氮化物光偵測器陣列1150的一部分的掃描電子顯微鏡圖像。稀氮化物光偵測器陣列1150由光偵測器檯面結構1152的二維陣列形成。已經製造了320乘256個檢測器元件或像素的陣列。側壁角度允許緊密間隔的光偵測器。在一些實施方式中，檯面1100的長度和寬度可以各自大約為6μm。在一些實施方式中，最小檯面間距可以是30μm。在其它實施方式中，最小檯面間距可以是12μm。
圖12是根據本發明製造的四（4）個光偵測器的響應度曲線。通過電子束磊晶(MBE)在GaAs基板上生長GaInNAsSb來製造器件。GaInNAsSb層是壓縮應變的，在GaInNAsSb稀氮化物波峰和GaAs基板波峰之間的XRD波峰分束為600角秒或800角秒。
對於這些光偵測器測量到0.6A/W至0.85A/W（在1300nm的波長下）範圍內的響應度。響應度曲線1202是針對具有0.5μm厚的GaInNAsSb稀氮化物層並且具有600角秒的XRD波峰分束的器件。響應度曲線1204是針對具有1μm厚的GaInNAsSb稀氮化物層並且具有600角秒的XRD波峰分束的器件。響應度曲線1206是針對具有1.5μm厚的GaInNAsSb稀氮化物層並且具有600角秒的XRD波峰分束的器件。響應率曲線1208是針對具有0.5μm厚的稀氮化物層並且具有800角秒的XRD波峰分束的器件。在室溫（23°C-25°C）下使用具有單色化為10nm波長步長的光的寬頻譜鹵素燈測量響應度，並使用NIST可追蹤InGaAs檢測器來校準光。
在室溫（23°C-25°C）下測量，在1V的偏壓下，具有1mm直徑的光偵測器呈現出低至3.6nA的暗電流。
為了評估GaInNAsSb材料品質，GaInNAsSb層生長在厚度在250nm和2μm的範圍內的未摻雜的GaAs上。GaInNAsSb層用GaAs覆蓋。進行時間分辨光致發光（TRPL）測量以確定GaInNAsSb層的少數載子壽命。TRPL是用於表徵光伏材料中的複合和載子傳輸的非接觸方法。材料的少數載子壽命可能受到包括背景載子濃度在內的參數的影響以及受到可能引起非輻射效應和載子俘獲的缺陷的影響。較低的背景載子濃度和/或較低數量的缺陷可導致較長的少數載子壽命，這表示高品質的半導體材料。在由鈦藍寶石光參量放大器雷射產生的激發波長為970nm、平均CW功率為0.250mW、脈衝持續時間為200fs處來測量TRPL動力學。脈衝重複率為250kHz。樣品處的雷射束直徑為約1mm。儘管已經公開了少數載子壽命低於1ns的典型的稀氮化物材料，但是根據本發明的材料具有更高的載子壽命值，載子壽命在大約1.1ns和2.5ns之間。某些GaInNAsSb層呈現出大於2ns的少數載子壽命。
儘管例如在美國申請公開No.2009/0014061中已經公開了小於約1016 cm-3 且低至約1015 cm-3 的背景載子濃度，但是這些材料呈現出小於1ns的少數載子壽命。這表明，單獨的背景載子濃度不能確定少數載子壽命，而是材料內的缺陷數量或缺陷密度也可以作為複合中心。雖然不會有助於背景載子濃度，但是這些缺陷會降低材料的電學性質和光學性質，導致載子壽命的降低和器件性能的降低。因此，大於1ns的少數載子壽命表示這些缺陷的較低水平，並且相信本文公開的GaInNAsSb材料的低缺陷密度比以前認為可用於基於稀氮化物的光偵測器具有高得多的響應度。
實施例3
GaAs上生長的基於GaInNAsSb的漸變能隙和固定能隙光偵測器的比較
通過MBE生長漸變能隙材料，其中漸變銦組成在活性區域上在約8%與30%之間變化、相應的氮組成在約1%與約7%之間變化。將包含階梯式/漸變能隙光吸收活性區域的器件與包括固定能隙光吸收活性區域的器件進行比較。兩個器件的吸收區域的厚度選擇為1μm。固定能隙稀氮化物材料具有約0.85eV的能隙，而階梯式/漸變能隙稀氮化物材料具有從約0.85eV到約1.05eV變化的能隙。通過在生長期間線性調節Ga和In單元的相對生長速率，同時保持約1.5μm/小時的恒定生長速率，在活性區域上產生近似線性的III族組成梯度，從而來生長階梯式/漸變能隙材料。合金中III族元素的含量在約10%至約25%之間變化。由於In摻入的變化可導致材料中應變的變化，因此氮含量也被調節，氮含量隨著In組成的增加而增加，以便將材料的壓縮應變保持在可接受的範圍內（小於約1000角秒）。氮組成在約2%和5%之間變化。
圖20是階梯式/漸變能隙GaInNAsSb稀氮化物層的X射線繞射掃描2002。針對該材料的掃描2002具有波峰2004和波峰簇2006，這表明存在不同的晶格參數。波峰2004對應於GaAs基板的晶格參數，以及波峰簇2006（與用於固定能隙材料的圖6中的單個波峰606或圖7中的706相對）對應於階梯式/漸變能隙GaInNAsSb層內的材料的略微不同的晶格參數。四個波峰2006A、2006B、2006C和2006D存在於從約300角秒到約600角秒的角秒分束之間，每個波峰對應於與階梯式/漸變能隙GaInNAsSb層相關聯的稍微不同的晶格常數。
圖21是在室溫下測量的固定能隙材料和階梯式/漸變能隙材料的PL光譜的比較。固定能隙樣品具有峰值波長為約1450nm的PL光譜2102，對應於0.855eV的能量，而漸變能隙樣品具有峰值波長為約1390nm的PL光譜2104，對應於0.892eV的能量。PL光譜的峰值波長降低37meV歸因於漸變能隙。漸變能隙材料的PL光譜具有來自具有低至約0.85eV的能隙的合金和來自具有比PL光譜的峰值處的能量高約1.05eV的能隙的合金的貢獻，因此PL光譜不提供稀氮化物吸收體材料上的總能隙變化的測量。固定能隙器件的PL光譜2102的FWHM為約95nm，而漸變能隙器件的PL光譜2104的FWHM為約130nm。FWHM的展寬歸因於漸變能隙器件中的能隙變化，其與活性區域的生長方向上的組成變化相關聯。
製造直徑在100μm和1mm之間的光偵測器。對於具有300μm直徑的器件，在室溫（23℃-25℃）下測量的階梯式/漸變能隙材料和固定能隙材料的器件進行比較。在小於約1200nm的較短波長處，兩個檢測器的響應度大於約0.5A/W。然而，與固定能隙檢測器相比，漸變/階梯式能隙檢測器在較長波長（大於約1200nm）處具有降低的響應度，這可歸因於具有較小厚度的較低能隙材料的器件。在1350nm的測量波長下，在1V的反向偏壓下，響應度從約0.5A/W減小到0.1A/W，減小了5倍。然而，暗電流減小更多，大於約25倍，減小到小於約1nA，一些器件呈現出約250pA的暗電流值。因此，漸變能隙光偵測器具有減小的暗雜訊，這導致比固定能隙光偵測器更高的訊噪比（SNR），並因此導致更高的響應度。這歸因於階梯式/漸變稀氮化物活性區域內的較低能隙材料的減小的厚度，因為低能隙半導體材料具有比高能隙材料更高的暗電流。
可以在GaAs或Ge基板上生長本公開的半導體光電器件，例如包括III-V半導體層的光偵測器。GaAs和Ge的晶格常數分別為5.65Ω和5.66Ω，並且可以在任一基板上生長具有類似組成而沒有缺陷的III-V材料。Ge和GaAs的晶格常數的緊密匹配允許例如高品質GaAs在Ge表面上磊晶生長。
圖13A和圖13B分別描述了半導體器件1300和1320。半導體器件1300包括在GaAs基板1302上磊晶形成的III-V化合物半導體層1304，並且半導體器件1320包括在Ge基板1322上形成的半導體層1324。半導體層1304和1324相對於基板生長為晶格匹配的或假晶應變的，確保形成高品質的III-V層。
III-V材料也可以生長在具有與GaAs或Ge的晶格常數緊密匹配的晶格常數的基板上，例如緩衝基板。可以提供近似等於GaAs或Ge的晶格常數的晶格常數的緩衝矽基板的實施例包括SiGe緩衝Si、SiGeSn緩衝Si和稀土（RE）緩衝Si，例如稀土氧化物（REO）緩衝Si。如本領域普通技術人員將理解的，諸如SiGe、SiGeSn的層或含RE的層的可以形成生長在諸如Si的基板上的緩衝層（或晶格設計層），該緩衝層在晶格設計層中具有低數量的缺陷和/或位錯。緩衝層可以在緩衝層的頂部提供近似等於GaAs或Ge基板的晶格常數，從而促進在緩衝層的頂部形成高品質III-V層的能力，從而在III-V半導體層和/或稀氮化物層中具有低數量的缺陷和/或位錯。與生長在InP基板上的In0.53 Ga0.47 As層中發生的缺陷相比，低數量的缺陷可以包括數量相當的缺陷或更少的缺陷。
圖14A、圖14B和圖15是III-V材料的實施例，例如在緩衝基板上形成的太陽能電池、光偵測器和功率轉換器，緩衝基板的晶格參數與GaAs或Ge的晶格常數匹配或幾乎匹配。
圖14A和圖14B分別描述了半導體器件1400和1420，其包括矽基板上的晶格設計的緩衝層。器件1400包括矽(Si)基板1402、疊加在矽基板1402上的漸變SixGe1-x（0 ≦ x ≦ 1）緩衝層1404和疊加在SiGe緩衝層1404上的III-V化合物半導體層1406。漸變SixGe1-x緩衝層1404的Si部分x在整個層厚度上從0變化到1。在與矽基板1402（x = 1）的界面處，漸變SixGe1-x緩衝層1404基本上僅包含Si。在與III-V層1406（x=0）的界面處，漸變SixGe1-x層1404基本上僅包含Ge。因此，漸變SixGe1-x緩衝層1404提供了從矽基板1402的晶格參數（5.43）到Ge的晶格參數（5.66°）的轉變，Ge的晶格參數幾乎與GaAs的晶格參數（5.65°）相匹配。因此，漸變SixGe1-x緩衝層1404允許在矽基板1402上生長GaAs層(即III-V化合物半導體層1406)。漸變SixGe1-x層1404和矽基板1402一起包括具有頂表面的基板1408，該頂表面的晶格參數幾乎與GaAs或Ge的晶格參數相匹配。
如圖14B所示，半導體器件1420包括矽基板1422、疊加在矽基板上的SiGeSn緩衝器1424和疊加在SiGeSn緩衝器1424上的III-V化合物半導體層1426。SiGeSn緩衝層1424可以根據8,029,905號美國專利中描述的方法形成，並且可以在與上面的III-V化合物半導體層1426的界面處提供近似等於GaAs或Ge的晶格常數，從而允許在矽基板上生長GaAs層。SiGeSn層1424和矽基板1432一起包括具有頂表面的基板1428，該頂表面的晶格參數幾乎與GaAs和Ge的晶格參數相匹配。
圖15描繪了包括矽基板上的晶格設計緩衝層的半導體器件1500。器件1500包括矽基板1502、磊晶形成在矽基板上的稀土（RE）緩衝層1504和疊加在稀土緩衝層1504上的III-V化合物半導體層1506。含RE的層1504是晶格設計層。稀土元素是元素週期表上的一類特定元素（Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu）。含RE的層可包括一種或多種稀土元素。通常，含RE的層可以是稀土氧化物（REO）、稀土矽化物（RESi）或Pnictide（RE-V，其中V代表週期表中的V族元素，即N、P、As、Sb或Bi），或REO、RESi和/或Pnictide的任意組合。含RE的層的組成可以選擇為使得在與上覆III-V化合物半導體層1506的界面處與GaAs的晶格參數匹配或幾乎匹配。例如，界面處的層可以是ErAsx N1-x ，其中x約為0.9，其與GaAs晶格匹配或幾乎匹配。含RE的層可以在整個層厚度上具有恒定的組成或漸變的組成。當漸變時，含RE的層可以設計為使得最靠近Si的部分與矽化學和機械兼容。例如，由於氧化釓與矽的晶格匹配，所以可以在矽和含RE的層之間的界面處或附近使用氧化釓。因此，含RE的層1504可提供用於III-V層1506的磊晶生長的模板。同時，含RE的層1504和矽基板1502包括具有頂表面的基板1508，該頂表面具有與GaAs或Ge的晶格參數匹配或幾乎匹配的晶格參數。
圖13A至圖15中所示的基板可用於圖1至圖4中所示的任何半導體器件中。
最後，應注意，存在實現本文所揭示的實施方式的替代方式。因此，本實施方式被認為是說明性的而不是限制性的。此外，申請專利範圍不限於本文給出的細節，並且被賦予其全部範圍及其等同物。
100、200、300、400:半導體光電結構
102、202、302、402、1408、1428、1508:基板
104、204、305、1704、1804:第一摻雜區域
106、208、306、406:活性區域
1606、1706、1806A~1806C:活性區域
108、210、307、1708、1808:第二摻雜區域
206:倍增層
304a、404a:第一接觸層
304b、404b:第一阻擋層
308a、408a:第二阻擋層
308b、408b:第二接觸層
410:第一金屬接觸件
412:第二金屬接觸件
414:鈍化層
416:抗反射塗層
501:CMOS讀出IC
502:光偵測器陣列
503:互連件
504:光偵測器陣列
505:轉換層
506:抗反射塗層
1100:檯面
1102:頂表面
1104:底表面
1106:側壁
1150:稀氮化物光偵測器陣列
1152:光偵測器檯面結構
1202、1204、1206、1208:響應度曲線
1300、1320、1400、1420、1500:半導體器件
1302:GaAs基板
1322:Ge基板
1304、1324:半導體層
1402、1422、1502:矽基板
1404:漸變SixGe1-x緩衝層
1406、1426、1506:III-V化合物半導體層
1424:SiGeSn緩衝器
1504:稀土緩衝層
1606a:第一活性層
1606b:第二活性層
1606n:第n活性層
1902、1904:反射率光譜
1906、1908:波谷
604、606、704、706、804、904、1004:波峰
602、702、802、902、1002、2002:X射線繞射掃描
2006:波峰簇
2004、2006A、2006B、2006C、2006D:波峰
2102、2104:PL光譜
t1 ~t3 :厚度
Eg1 ~Eg3 :能隙
本文描述的附圖僅用於說明目的。附圖不限制本公開的範圍。
圖1是根據本發明的半導體光電結構的側視示意圖；
圖2是根據本發明的半導體光電結構的另一側視示意圖；
圖3是根據本發明的半導體光電結構的另一側視示意圖；
圖4是根據本發明的光偵測器的側視示意圖；
圖5A和圖5B是示出檢測器陣列晶片與讀出積體電路（ROIC）晶片上的讀出電路陣列的混合集成的示意圖；
圖6是根據本發明的在GaAs基板上形成的GaInNAsSb稀氮化物層的X射線繞射掃描的示意圖；
圖7是根據本發明的在GaAs基板上形成的另一GaInNAsSb稀氮化物層的X射線繞射掃描的示意圖；
圖8是根據本發明的在GaAs基板上生長的GaInNAsSb層的光致發光光譜；
圖9是根據本發明的在GaAs基板上生長的另一GaInNAsSb層的光致發光光譜；
圖10是根據本發明的在GaAs基板上生長的另一GaInNAsSb層的光致發光光譜；
圖11A是用於GaInNAsSb稀氮化物光偵測器的蝕刻檯面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像的照片；
圖11B是根據本發明的光偵測器陣列的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像的照片；
圖12是根據本發明的光偵測器的測量的響應度曲線；
圖13A是具有在GaAs基板上生長的III-V半導體層的器件的示意圖；
圖13B是具有在Ge基板上生長的III-V半導體層的器件的示意圖；
圖14A是在矽基板上具有晶格設計的SiGe緩衝層的半導體器件的示意圖；
圖14B是在矽基板上具有晶格設計的SiGeSn緩衝層的半導體器件的示意圖；
圖15是在矽基板上具有晶格設計的含稀土的緩衝層的半導體器件的示意圖；
圖16是根據本發明實施方式的稀氮化物活性區域的截面示意圖；
圖17是根據本發明實施方式的用於稀氮化物活性區域的能帶邊緣對準的示意圖；
圖18A是根據本發明實施方式的用於稀氮化物活性區域的能帶邊緣對準的示意圖；
圖18B是根據本發明實施方式的用於稀氮化物活性區域的能帶邊緣對準的示意圖；
圖18C是根據本發明實施方式的用於稀氮化物活性區域的能帶邊緣對準的示意圖；
圖19是非啁啾分布式布拉格反射器和啁啾分布式布拉格反射器的反射率光譜；
圖20是根據本發明的在GaAs基板上形成的GaInNAsSb稀氮化物層的X射線繞射掃描的示意圖；以及
圖21是根據本發明的在GaAs基板上生長的GaInNAsSb稀氮化物層的光致發光光譜。
100:半導體光電結構
102:基板
104:第一摻雜區域
106:活性區域
108:第二摻雜區域

Claims (32)

  1. 一種化合物半導體光電結構，包括： 具有一基板表面的一基板； 疊加在該基板表面上的一第一摻雜區域； 疊加在該第一摻雜區域上的一活性區域，該活性區域包括： 一稀氮化物材料；以及 正交於該基板表面的非均勻的一能隙；以及 疊加在該活性區域上的一第二摻雜區域。
  2. 如請求項1所述之化合物半導體光電結構，其中，該能隙的範圍介於0.7電子伏特以及1.4電子伏特之間。
  3. 如請求項2所述之化合物半導體光電結構，其中，該能隙在該活性區域的厚度的至少一部分內連續變化。
  4. 如請求項1所述之化合物半導體光電結構，其中，該能隙遍及該活性區域的厚度呈一線性變化。
  5. 如請求項4所述之化合物半導體光電結構，其中，該能隙遍及該活性區域的厚度呈一非線性變化。
  6. 如請求項1所述之化合物半導體光電結構，其中，該活性區域被有意摻雜。
  7. 如請求項6所述之化合物半導體光電結構，其中，被有意摻雜的該活性區域包括一恒定摻雜分佈、一不連續摻雜分佈或一連續摻雜分佈。
  8. 如請求項7所述之化合物半導體光電結構，其中，該不連續摻雜分佈包括一階梯式摻雜分佈。
  9. 如請求項1所述之化合物半導體光電結構，其中，該活性區域包括兩個或更多個活性層。
  10. 如請求項9所述之化合物半導體光電結構，其中，兩個或更多個該活性層中的每一層包括該稀氮化物材料。
  11. 如請求項9所述之化合物半導體光電結構，其中，兩個或更多個該活性層中的每一層具有與其它每個該活性層不同的一能隙。
  12. 如請求項9所述之化合物半導體光電結構，其中，兩個或更多個該活性層中的每一層均具有均勻的一能隙。
  13. 如請求項9所述之化合物半導體光電結構，其中，兩個或更多個該活性層中的至少一層具有非均勻的一能隙。
  14. 如請求項9所述之化合物半導體光電結構，其中，兩個或更多個該活性層中的每一層各別地包括均勻的一能隙或非均勻的一能隙。
  15. 如請求項1所述之化合物半導體光電結構，其中，該活性區域內的該稀氮化物材料的一最小能隙與一最大能隙之間的一能隙差為至少40毫電子伏特。
  16. 如請求項15所述之化合物半導體光電結構，其中，該能隙差介於40毫電子伏特以及700毫電子伏特之間。
  17. 如請求項1所述之化合物半導體光電結構，其中，該稀氮化物材料包括GaInNAs、GaNAsSb、GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaNAsSbBi、GaNAsBi、GaInNAsSbBi的其中一者及其組合。
  18. 如請求項1所述之化合物半導體光電結構，其中，該稀氮化物材料於波長50奈米以及150奈米之間具有一光致發光半高寬，該光致發光半高寬由一光致發光光譜儀所確認。
  19. 如請求項1所述之化合物半導體光電結構，其中，該稀氮化物材料的一X射線繞射圖譜呈現從300角秒到1000角秒的分裂。
  20. 如請求項1所述之化合物半導體光電結構，其中，該稀氮化物材料在室溫下通過一激發波長所測得的載子壽命為1.1奈秒至2.5奈秒之間；其中，該激發波長是970奈米，該激發波長具有的平均連續波功率是0.250毫瓦，且該激發波長的脈衝持續時間為200飛秒；該激發波長是由一雷射產生，該雷射具有的脈衝重複頻率為250k赫茲，且該雷射對於一待測物的光束直徑為一毫米。
  21. 如請求項1所述之化合物半導體光電結構，其中，該第一摻雜區域和該第二摻雜區域中的每一個各別地具有大於該活性區域內的該稀氮化物材料的一最大能隙的一能隙。
  22. 一種器件，包括如請求項1所述的該化合物半導體光電結構。
  23. 如請求項22所述之器件，其中，該化合物半導體光電結構的個數為多數個。
  24. 如請求項22所述之器件，其中，該器件包括一光偵測器。
  25. 如請求項22所述之器件，其中，該器件包括一光偵測器陣列。
  26. 一種形成半導體光電器件的方法，包括： 形成疊加在具有一表面的一基板上的一第一摻雜區域； 形成疊加在該第一摻雜區域上的一活性區域，該活性區域包括： 一稀氮化物材料；以及 正交於該基板表面的非均勻的一能隙；以及 形成疊加在該活性區域上的一第二摻雜區域。
  27. 如請求項26所述之方法，其中，該半導體光電器件包括一光偵測器。
  28. 一種半導體光電器件，該半導體光電器件是使用如請求項26所述的該方法所製造的。
  29. 如請求項28所述之半導體光電器件，其中，該半導體光電器件包括一光偵測器。
  30. 如請求項28所述之半導體光電器件，其中，該半導體光電器件包括一光偵測器陣列。
  31. 如請求項28所述之半導體光電器件，其中， 該活性區域具有一最小能隙；以及 該半導體光電器件具有一暗電流；其中，該半導體光電器件的該暗電流小於另一器件的另一暗電流；該另一器件除了其活性區域具有等於該最小能隙的一恒定能隙之外，該另一器件具有與該半導體光電器件相同的結構。
  32. 如請求項28所述之半導體光電器件，其中， 該活性區域具有一最小能隙；以及 該半導體光電器件具有一訊噪比；其中，該半導體光電器件的該訊噪比高於另一器件的另一訊噪比；該另一器件除了其活性區域具有等於該最小能隙的一恒定能隙之外，該另一器件具有與該半導體光電器件相同的結構。
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